مونومر استایرن

استایرن

    1-مقدمه

استایرن ترکیبی آلی با نام آیوپاک اتنیل بنزن می باشد. این مشتق بنزن یک مایع روغنی بی رنگ است ، اگرچه با گذشت زمان بسیار طولانی ممکن است زرد رنگ به نظر برسند. این ترکیب به راحتی تبخیر می شود و بوی شیرینی دارد ، اگرچه غلظت های بالای این ماده بوی نامطبوع تری از خود به نمایش می گذارند. استایرن پیش ساز پلی استایرن و چندین کوپلیمر دیگر است, به همین جهت آن را مونومر استایرن نیز         می نامند. همچنین ونیل بنزن, فنیل اتن, فنیل اتیلن, سینامن (Cinnamene), استیرول و استیروپول از نام های دیگر آن می باشد. 
تقریباً 25 میلیون تن استایرن در سال 2010 تولید شده است و تولید آن تا سال 2018 به حدود 35 میلیون تن افزایش یافته است.
نام استایرن برگرفته از صمغ استوراکس(storax) که رزین حاصل از درختان "عنبر سائل" (=صمغ سرخ= افرا ژاپنی=Liquidambar) است که از خانواده گیاهان آلتینجیاسه (Altingiaceae) است. استایرن به طور طبیعی در مقادیر کمی در برخی گیاهان و غذاها مانند دارچین ، دانه های قهوه ، درختان موز و بادام زمینی وجود دارد و همچنین در قیر و زغال سنگ نیز یافت می شود.

    2-تاریخچه

        در سال 1839، داروساز آلمانی، ادوارد سیمون یک مایع فرار بی رنگ را از صمغ (به نام storax یا به لاتین styrax) جدا کرد. او مایع را "استایرول" نامید(که در حال حاضر آن را استایرن می نامند). او همچنین متوجه شد که وقتی استایرول در معرض هوا ، نور یا گرما قرار می گیرد ، به تدریج به ماده ای سخت و لاستیکی تبدیل می شود که آن را "اکسید استایرول" نام نهاد. در سال 1845 ، شیمیدان آلمانی آگوست هافمن و شاگردش جان بلایت فرمول تجربی استایرن را شناسایی کردند(C8H8) آنها همچنین تشخیص داده بودند که "استایرول اکسید"فرمول تجربی مشابهی با استایرن دارد. آنها اسم آن را به "متاستیرول" تغییر دادند. علاوه بر این ، آنها توانستند استایرن را با تقطیر خشک از "متاستیرول" به دست آورند. در سال 1865 شیمیدان آلمانی امیل ارلنایر دریافت که استایرن می تواند دیمر نیز ایجاد کند و در سال 1866 شیمیدان فرانسوی مارسلین برتلوت بیان کرد که "متاستیرول" همان پلیمر استایرن (یعنی پلی استایرن) است. در همین حال ، شیمیدانان ترکیب دیگری از صمغ استوراکس را شناسایی کردند که همان سینامیک اسید بود. آنها دریافته بودند که اسید سینامیک می تواند دکربوکسیله شود و "سینامن" یا "سینامول" را ایجاد کند که به نظر رسید همان استایرن باشد. در سال 1845 ، شیمیدان فرانسوی امیل کوپ پیشنهاد کرده بود که این دو ترکیب یکسان هستند ،  و در سال 1866 ، ارلن مایر پیشنهاد کرد که هم سینامول و هم استایرن ممکن است وینیل بنزن باشند. با این حال ، استایرن به دست آمده از اسید سینامیک متفاوت از استایرن به دست آمده با تقطیر رزین استوراکس بود؛ ترکیب دوم از فعال نوری بود. سرانجام ، در سال 1876 ، شیمیدان هلندی van 't Hoff ابهام را برطرف کرد و نشان داد که فعالیت نوری استایرن که با تقطیر رزین storax به دست آمد به دلیل آلودگی بوده است و ناشی از خود ترکیب نبوده است.

3-کاربردها

        1-3- صنعت پلاستیک

        از پلی استایرن گرفته شده از مونومر های استایرن، پلاستیک های سبک، منعطف و تهیه می گردد که در تولید ظروف یک بار مصرف به روش قالب های تزریقی، فوم ها، وسایل مربوط به تجهیزات آشپزخانه، وسایل باغبانی، بسته بندی مواد غذایی و اسباب بازی ها از آن استفاده می شود.

        2-3-صنعت خودرو

با ترکیب استایرن و بوتادین، می توان به تولید لاستیک استایرن بوتادین پرداخت که لاستیک خودرو از آن تهیه می شود.  از استایرن آکریلونیتریل و آکریلونیتریل بوتادین استایرن برای ساخت قطعات خودرو و جداره ی باتری اتومبیل استفاده می شود.

        3-3- آفت کش 

 در ساخت انواع حشره کش ها از استایرن به عنوان یک امولسیون کننده بهره برده می شود.

        4-3- صنعت تولید عطر

 مقادیر بسیار کم از استایرن به عنوان یک ترکیب واسطه در صنعت عطر مورد استفاده قرار می گیرد.

       5-3- داروسازي 

 جهت تولید سینامیل کلرید که به عنوان داروی مسکن عمل می کند و در پزشکی بیهوشی نیز کاربرد دارد از کلرومتیلیزاسیون استایرن استفاده می شود. استایرن همچنین در داروهای ضدسرفه، خلط آور و بیماری های معده نیز کاربرد دارد.

        6-3- صنعت پلیمر 

 
 استایرن با موادی مانند آکریلونیتریل و بوتادین کوپلیمرهایی مانند آکریلونیتریل بوتادین استایرن تشکیل می دهد که پلاستیکی با استقامت بالاست و در مهندسی کاربرد دارد. از دیگر کوپلیمرهای پرکاربرد می توان از کوپلیمر استایرن آکریلونیتریل و کوپلیمر استایرن مالئیک انیدرید نام برد که از استایرن تولید   می شوند و مقاومت گرمایی بالایی نیز دارند.

        7-3- صنعت ساختمان 

 در ساختمان سازی از استایرن بوتادین لاتکس برای تولید نمودن کف پوش ها و عایق های صوتی و حرارتی استفاده می شود.

    4-واکنش های استایرن

1-4-بسپارش یا پلیمریزاسیون

وجود گروه وینیل باعث می شود استایرن به راحتی پلیمره شود. محصولات مهم تجاری شامل پلی استایرن، استایرن-بوتادین لاستیکی ، استایرن-بوتادین لاتکس, استایرن-ایزوپرن-استایر, استایرن-اتیلن/بوتیلن-استایرن ، استایرن-دی وینیل بنزن، رزین استایرن-آکریلونیتریل و پلی استرهای غیر اشباع مورد استفاده در رزین ها و ترکیبات حرارتی قرار گیرد.

    5-روش های تولید

        1-5-روش های تولید صنعتی

        1-1-5- سنتز از طریق اتیل بنزن

اکثر استایرن های تولیدی از اتیل بنزن تولید می شوند و تقریباً تمام اتیل بنزن تولید شده در سراسر جهان برای تولید استایرن مصرف می شود. اتیل بنزن از طریق واکنش Friedel -Crafts بین بنزن و اتیلن تولید می شود. در ابتدا از کلرید آلومینیوم به عنوان کاتالیزور استفاده می شد ، اما در تولیدات جدید این ماده, زئولیت ها جایگزین آن شده اند.

        1-1-1-5 سنتز از طریق هیدروژن زدایی

بخشی از استایرن از طریق هیدروژن زدایی اتیل بنزن تولید می شود. این واکنش با استفاده از بخار فوق داغ (تا 600 درجه سانتی گراد) بر روی کاتالیزور اکسید آهنIII) ) حاصل می شود. واکنش بسیار گرمازا و برگشت پذیر است و راندمان آن بین 88-94 درصد می باشد. سپس محصول نهایی که حاوی ترکیبی از اتیل بنزن و استایرن می باشد به روش تقطیر، خالص می شود. از آنجا که تفاوت نقاط جوش بین دو ترکیب تنها 9 درجه سانتی گراد است ، استفاده از ستون های تقطیر متعدد را ضروری می سازد. از این رو این عمل وقت گیر و انرژی بر است عاوه بر آنکه با وجود حرارت در محیط استایرن به سمت پلیمریزاسیون سوق پیدا می کنند که این امر کار را پیچیده تر نیز می کند که برا حل این مسئله به افزودن مداوم بازدارنده های پلیمریزاسیون به سیستم روی می آورند.

        2-1-1-5- از طریق اتیل بنزن هیدروپراکسید

استایرن همچنین به صورت تجاری در فرآیندی که به عنوان POSM یا SM / PO  معروف است و جهت تولید استایرن مونومر / پروپیلن اکسید استفاده می شود ، سنتز می گردد. در این فرایند ، اتیل بنزن تحت مجاورت اکسیژن قرار می گیرد تا هیدروپراکسید اتیل بنزن تشکیل شود. سپس از  هیدروپراکسید برای اکسید کردن پروپیلن به پروپیلن اکسید استفاده می شود ، که به عنوان محصول مشترک بازیابی می شود. 1-فنیل اتانول باقی مانده در محیط واکنش برای ایجاد استایرن, تحت واکنش آبگیری قرار می گیرد.

    2-1-5- استخراج از گازوئیل پیرولیز شده 

    بدست آوردن استایرن به روش استخراج از گازاوئیل پیرولیز شده در مقیاس محدود انجام می شود و خیلی کاربردی نمی باشد.

    3-1-5- از طریق مواد اولیه تولوئن و متانول

استایرن را می توان از تولوئن و متانول که مواد اولیه ارزان تری نسبت به سایر مواد اولیه هستند تولید کرد. این فرآیند از گزینش پذیری پایین در ارتباط با تجزیه متانول برخوردار است. ادعا شده است که این فرآیند را در دمای 400-425 درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر ، از طریق ورود کاتالیزور زئولیت توانسته اند انجام دهند. گزارش شده است که محصول نهایی از این روش تقریباً مخلوط 9: 1 استایرن و اتیل بنزن است که با خالص سازی می توان به استایرن خالص تر دست پیدا کرد.

4-1-5- از طریق مواد اولیه بنزن و اتان

راه دیگر رسیدن به استایرن از واکنش بنزن و اتان است. این فرآیند توسط دانشمندان در حال توسعه است. اتان همراه با اتیل بنزن ، به یک راکتور دی‌هیدروژناسیون که قادر به تولید همزمان استایرن و اتیلن است منتقل می شود (همراه با کاتالیزور). پساب دهیدروژناسیون سرد و جدا شده و جریان اتیلن در واحد آلکیله بازیافت می شود. این فرایند تلاش می کند تا بر کاستی های قبلی در تلاش های قبلی برای توسعه تولید استایرن از اتان و بنزن ، مانند بازیابی ناکارآمد معطرها ، تولید مقادیر زیاد سنگ ها و قیرها و جداسازی ناکارآمد هیدروژن و اتان فائق آید.

    2-5- سنتز آزمایشگاهی

سنتز آزمایشگاهی استایرن از طریق دکربوکسیلاسیون کردن اسید سینامیک پیش می رود.( همان روشی که در سال های اول کشف آن از آن بهره برده می شد.)

C6H5CH=CHCO2H → C6H5CH=CH2 + CO2

   3-5-بدست آوردن از طریق مواد موجود در طبیعت

استایران را می توان از طریق تقطیر خشک صمغ و رزین برخی گیاهان که از تیره ی آلتینجیاسه (Altingiaceae) هستند به دست آورد.

    6-تحقیقات جدید

        امروزه تحقیقات گسترده ای بر روی افزایش بازده ی تولید استایرن در پالایشگاه ها در برج های تقطیر در حال انجام است. برای مثال مقاله ای تحت عنوان " روشی جدید برای ایجاد شرایط بهینه عملیاتی جهت بالا بردن بازده تولید استایرن در برج تقطیر" در کنفرانس شیمی مطرح شده است.
از دیگر تحقیقات جدید در این حوزه جایگزین کردن نشاسته و مشتقات آن به جای پلی استیرن در ظروف مواد غذایی است که هنوز در ابتدای راه خود قرار دارد.

    7-شرایط نگهداری    

        استایرن را بایستی در ظروف در بسته و در محلی که دارای تهویه ی مناسب است نگهداری نمود, زیرا که تجمع بخارات آن سبب اشتعال خواهد شد. ظرف نگهداری آن می تواند شیشه ای , فلزی و یا پلاستیکی باشد. پس از هر ماه نگهداری, بایستی میزان پلیمریزاسیون آن را چک نمود و در صورت نیاز به آن مواد بازدارنده ی پلیمر اضافه نمود.

    8-ایمنی

    1-8-اتوپلیمریزه شدن انفجاری

استایرن خالص به صورت مایع یا گاز ، بدون نیاز به آغازگرهای خارجی ، خود به خود به پلی استایرن تبدیل می شود. این واکنش به اتوپلیمریزاسیون شهرت دارد. این عمل در دمای 100 درجه سانتی گراد با سرعت حدود 2 درصد در ساعت صورت می گیرد و در دماهای بالاتر نیز سرعت بیشتری می گیرد. از طرف دیگر واکنش پلیمریزاسیون گرمازا است. بنابراین ، خطر انفجار حرارتی وجود دارد. 

    2-8-سلامتی

بر اساس منابع متعدد ، استایرن به عنوان ماده "سرطان زا" شناخته می شود ، به ویژه در صورت تماس چشمی، پوستی ، بلع و استنشاق.  استایرن در بدن انسان تا حد زیادی به اکسید استایرن متابولیزه می شود. اکسید استایرن سمی ، جهش زا و احتمالاً سرطان زا است. اکسید استایرن متعاقباً توسط آنزیم اپوکسید هیدرولاز در داخل بدن به استایرن گلیکول هیدرولیز می شود.  اما سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده طبقه بندی سرطان زایی برای استایرن را ندارد در حالی که برنامه ملی سم شناسی وزارت بهداشت و خدمات انسانی ایالات متحده تعیین کرده است که استایرن "به طور معقول پیش بینی می شود که سرطان زا برای انسان باشد."