Этилен

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Этилен

Общие
Систематическое
наименование		 Этен
Традиционные названия Этилен
Хим. формула C2H4
Рац. формула H2C = CH2
Физические свойства
Молярная масса 28,05 г/моль
Плотность 0,001178 г/см³
Термические свойства
Температура
 • плавления −169,2 °C
 • кипения −103,7 °C
 • вспышки 136,1 °C
 • самовоспламенения 475,6 °C
Классификация
Рег. номер CAS 74-85-1
SMILES
 
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Этиле́н (эте́н, химическая формула — С2H4) — органическое соединение, относящееся к классу непредельных углеводородов — алкенов (олефинов).

При нормальных условиях — бесцветный горючий газ легче воздуха со слабым сладковатым запахом.

Физические свойства

Этилен — это бесцветный горючий газ со слабым сладковатым запахом. Он легче воздуха и частично растворим в воде (25,6 мл в 100 мл воды при 0 °C), этаноле (359 мл в тех же условиях). Хорошо растворяется в диэтиловом эфире и углеводородах.

Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным или непредельным углеводородам. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, а также является фитогормоном. Этилен — самое производимое органическое соединение в мире[1]; общее мировое производство этилена в 2008 году составило 113 миллионов тонн и продолжает расти на 2—3 % в год[2].

Этилен обладает наркотическим действием. Имеет 4-й класс опасности[3].

Основные химические свойства

Этилен — химически активное вещество. Так как в молекуле между атомами углерода имеется двойная связь, то одна из них, менее прочная, легко разрывается, и по месту разрыва связи происходит присоединение, окисление, полимеризация молекул.

[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_2\text{=}CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br\text{-}CH_2Br} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_2\text{=}CH_2 + H_2 \xrightarrow[]{Ni} CH_3\text{-}CH_3} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_2\text{=}CH_2 + HBr \rightarrow CH_3CH_2Br} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_2\text{=}CH_2 + H_2O \xrightarrow[]{H^+} CH_3CH_2OH} }[/math]
Реакцию гидратации открыл A.M. Бутлеров. Данная реакция используется для промышленного получения этилового спирта.
  • Окисление — реакция отличия непредельных соединений от предельных с помощью пропускания через раствор перманганата калия этилена, в результате чего раствор обесцветится[4]:
[math]\displaystyle{ \mathsf{3CH_2\text{=}CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3CH_2OH\text{-}CH_2OH + 2MnO_2 + 2KOH} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{CH_2\text{=}CH_2 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{nCH_2\text{=}CH_2 \rightarrow (\text{-}CH_2\text{-}CH_2\text{-})_n} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{2CH_2\text{=}CH_2 \rightarrow CH_2\text{=}CH\text{-}CH_2\text{-}CH_3} }[/math]

Получение

Этилен стали широко применять в качестве мономера перед Второй мировой войной в связи с необходимостью получения высококачественного изоляционного материала, способного заменить поливинилхлорид. После разработки метода полимеризации этилена под высоким давлением и изучения диэлектрических свойств получаемого полиэтилена началось его производство в мире.

Основным промышленным методом получения этилена является пиролиз жидких дистиллятов нефти или низших насыщенных углеводородов. Реакция проводится в трубчатых печах при +800—950 °С и давлении 0,3 МПа. При использовании в качестве сырья прямогонного бензина выход этилена составляет примерно 30 %. Одновременно с этиленом образуется также значительное количество жидких углеводородов, в том числе и ароматических. При пиролизе газойля выход этилена составляет примерно 15—25 %. Наибольший выход этилена — до 50 % — достигается при использовании в качестве сырья насыщенных углеводородов: этана, пропана и бутана. Их пиролиз проводят в присутствии водяного пара.

При выпуске с производства, при товарно-учётных операциях, при проверке его на соответствие нормативно-технической документации производится отбор проб этилена по процедуре, описанной в ГОСТ 24975.0-89 «Этилен и пропилен. Методы отбора проб». Отбор пробы этилена может производиться и в газообразном и в сжиженном виде в специальные пробоотборники по ГОСТ 14921.

Промышленно получаемый в России этилен должен соответствовать требованиям, изложенным в ГОСТ 25070-2013 «Этилен. Технические условия».

Структура производства

В настоящее время в структуре производства этилена 66 % приходится на крупнотоннажные установки пиролиза, ~17 % — на малотоннажные установки газового пиролиза, ~11 % составляет пиролиз бензина и 8 % падает на пиролиз этана.

Применение

Этилен является ведущим продуктом основного органического синтеза и применяется для получения следующих соединений (перечислены в алфавитном порядке):

Этилен в смеси с кислородом использовался в медицине для наркоза вплоть до середины 1980-х годов в СССР и на ближнем Востоке. Этилен является фитогормоном практически у всех растений[6], среди прочего[7] отвечает за опадание иголок у хвойных.

Электронное и пространственное строение молекулы

Атомы углерода находятся во втором валентном состоянии (sp2-гибридизация). В результате, на плоскости под углом 120° образуются три гибридных облака, которые образуют три σ-связи с углеродом и двумя атомами водорода; p-электрон, который не участвовал в гибридизации, образует в перпендикулярной плоскости π-связь с р-электроном соседнего атома углерода. Так образуется двойная связь между атомами углерода. Молекула имеет плоскостное строение.

Биологическая роль

Сигнальный каскад этилена у растений. Этилен легко проникает сквозь клеточную мембрану и связывается с рецепторами, расположенными на эндоплазматическом ретикулуме. Рецепторы после активации высвобождают связанный EIN2. Это активирует каскад передачи сигнала, который приводит к активации экспрессии определённых генов и в конечном итоге к включению специфического ответа на этилен у данного растения в данной фазе созревания. Активированные участки ДНК считываются в мРНК, которая, в свою очередь, в рибосомах считывается в функционирующий белок фермента, который катализирует биосинтез этилена, тем самым продукция этилена в ответ на изначальный этиленовый же сигнал повышается до определённого уровня, запуская каскад реакций созревания растения.

Этилен — первый из обнаруженных газообразных растительных гормонов, обладающий очень широким спектром биологических эффектов[8]. Этилен выполняет в жизненном цикле растений многообразные функции, среди которых контроль развития проростка, созревание плодов (в частности, фруктов)[9], распускание бутонов (процесс цветения), старение и опадание листьев и цветков. Этилен называют также гормоном стресса, так как он участвует в реакции растений на биотический и абиотический стресс, и синтез его в органах растений усиливается в ответ на разного рода повреждения. Кроме того, являясь летучим газообразным веществом, этилен осуществляет быструю коммуникацию между разными органами растений и между растениями в популяции, что важно, в частности, при развитии стресс-устойчивости[10].

К числу наиболее известных функций этилена относится развитие так называемого тройного ответа у этиолированных (выращенных в темноте) проростков при обработке этим гормоном. Тройной ответ включает в себя три реакции: укорочение и утолщение гипокотиля, укорочение корня и усиление апикального крючка (резкий изгиб верхней части гипокотиля). Ответ проростков на этилен крайне важен на первых этапах их развития, так как способствует пробивание ростков к свету[10].

В коммерческом сборе плодов и фруктов используют специальные комнаты или камеры для дозревания плодов, в атмосферу которых этилен впрыскивается из специальных каталитических генераторов, производящих газообразный этилен из жидкого этанола. Обычно для стимулирования дозревания плодов используется концентрация газообразного этилена в атмосфере камеры от 500 до 2000 ppm в течение 24-48 часов. При более высокой температуре воздуха и более высокой концентрации этилена в воздухе дозревание плодов идёт быстрее. Важно, однако, при этом обеспечивать контроль содержания углекислого газа в атмосфере камеры, поскольку высокотемпературное созревание (при температуре выше 20 градусов Цельсия) или созревание при высокой концентрации этилена в воздухе камеры приводит к резкому повышению выделения углекислого газа быстро созревающими плодами, порой до 10 % углекислоты в воздухе спустя 24 часа от начала дозревания, что может привести к углекислотному отравлению как работников, убирающих уже дозревшие плоды, так и самих фруктов[11].

Этилен использовался для стимулирования созревания плодов ещё в Древнем Египте. Древние египтяне намеренно царапали или слегка мяли, отбивали финики, фиги и другие плоды с целью стимулировать их созревание (повреждение тканей стимулирует образование этилена тканями растений). Древние китайцы сжигали деревянные ароматические палочки или ароматические свечи в закрытых помещениях с целью стимулировать созревание персиков (при сгорании свеч или дерева выделяется не только углекислый газ, но и недоокисленные промежуточные продукты горения, в том числе и этилен). В 1864 году было обнаружено, что утечка природного газа из уличных фонарей вызывает торможение роста близлежащих растений в длину, их скручивание, аномальное утолщение стеблей и корней и ускоренное созревание плодов.[8] В 1901 году русский учёный Дмитрий Нелюбов показал, что активным компонентом природного газа, вызывающим эти изменения, является не основной его компонент, метан, а присутствующий в нём в малых количествах этилен[12]. Позднее в 1917 году Сара Дубт доказала, что этилен стимулирует преждевременное опадание листьев[13]. Однако только в 1934 году Гейн обнаружил, что сами растения синтезируют эндогенный этилен.[14]. В 1935 году Крокер предположил, что этилен является растительным гормоном, ответственным за физиологическое регулирование созревания плодов, а также за старение вегетативных тканей растения, опадание листьев и торможение роста[15].

Цикл Янга

Этилен образуется практически во всех частях высших растений, включая листья, стебли, корни, цветки, мякоть и кожуру плодов и семена. Образование этилена регулируется множеством факторов, включая как внутренние факторы (например фазы развития растения), так и факторы внешней среды. В течение жизненного цикла растения, образование этилена стимулируется в ходе таких процессов, как оплодотворение (опыление), созревание плодов, опадание листьев и лепестков, старение и гибель растения. Образование этилена стимулируется также такими внешними факторами, как механическое повреждение или ранение, нападение паразитов (микроорганизмов, грибков, насекомых и др.), внешние стрессы и неблагоприятные условия развития, а также некоторыми эндогенными и экзогенными стимуляторами, такими, как ауксины и другие[16].

Цикл биосинтеза этилена начинается с превращения аминокислоты метионина в S-аденозил-метионин (SAMe) при помощи фермента метионин-аденозилтрансферазы. Затем S-аденозил-метионин превращается в 1-аминоциклопропан-1-карбоксиловую кислоту (АЦК, ACC) при помощи фермента 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-синтетазы (АЦК-синтетазы). Активность АЦК-синтетазы лимитирует скорость всего цикла, поэтому регуляция активности этого фермента является ключевой в регуляции биосинтеза этилена у растений. Последняя стадия биосинтеза этилена требует наличия кислорода и происходит при действии фермента аминоциклопропанкарбоксилат-оксидазы (АЦК-оксидазы), ранее известной как этиленобразующий фермент. Биосинтез этилена у растений индуцируется как экзогенным, так и эндогенным этиленом (положительная обратная связь). Активность АЦК-синтетазы и, соответственно, образование этилена повышается также при высоких уровнях ауксинов, в особенности индолуксусной кислоты, и цитокининов.

Этиленовый сигнал у растений воспринимается минимум пятью различными семействами трансмембранных рецепторов, представляющих собой димеры белков. Известен, в частности, рецептор этилена ETR1 у арабидопсиса (Arabidopsis). Гены, кодирующие рецепторы для этилена, были клонированы у арабидопсиса и затем у томата. Этиленовые рецепторы кодируются множеством генов как в геноме арабидопсиса, так и в геноме томатов. Мутации в любом из семейства генов, которое состоит из пяти типов этиленовых рецепторов у арабидопсиса и минимум из шести типов рецепторов у томата, могут привести к нечувствительности растений к этилену и нарушениям процессов созревания, роста и увядания[17]. Последовательности ДНК, характерные для генов этиленовых рецепторов, были обнаружены также у многих других видов растений. Более того, этиленсвязывающий белок был найден даже у цианобактерий[8].

Неблагоприятные внешние факторы, такие, как недостаточное содержание кислорода в атмосфере, наводнение, засуха, заморозки, механическое повреждение (ранение) растения, нападение патогенных микроорганизмов, грибков или насекомых, могут вызывать повышенное образование этилена в тканях растений. Так, например, при наводнении корни растения страдают от избытка воды и недостатка кислорода (гипоксии), что приводит к биосинтезу в них 1-аминоциклопропан-1-карбоксиловой кислоты. АЦК затем транспортируется по проводящим путям в стеблях вверх, до листьев, и в листьях окисляется до этилена. Образовавшийся этилен способствует эпинастическим движениям, приводящим к механическому стряхиванию воды с листьев, а также увяданию и опаданию листьев, лепестков цветков и плодов, что позволяет растению одновременно и избавиться от избытка воды в организме, и сократить потребность в кислороде за счёт сокращения общей массы тканей[18].

Небольшие количества эндогенного этилена также образуются в клетках животных, включая человека, в процессе перекисного окисления липидов. Некоторое количество эндогенного этилена затем окисляется до этиленоксида, который обладает способностью алкилировать ДНК и белки, в том числе гемоглобин (формируя специфический аддукт с N-терминальным валином гемоглобина — N-гидроксиэтил-валин)[19]. Эндогенный этиленоксид также может алкилировать гуаниновые основания ДНК, что приводит к образованию аддукта 7-(2-гидроксиэтил)-гуанина, и является одной из причин присущего всем живым существам риска эндогенного канцерогенеза[20]. Эндогенный этиленоксид также является мутагеном[21][22]. С другой стороны, существует гипотеза, что если бы не образование в организме небольших количеств эндогенного этилена и этиленоксида, то скорость возникновения спонтанных мутаций и соответственно скорость эволюции была бы ниже.

Примечания

  1. ↑ Devanney Michael T. Ethylene (англ.) (недоступная ссылка). SRI Consulting (сентябрь 2009). Архивировано 18 июля 2010 года.
  2. ↑ Ethylene (англ.) (недоступная ссылка). WP Report. SRI Consulting (январь 2010). Архивировано 31 августа 2010 года.
  3. ↑ Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03 (Утв. главным государственным санитарным врачом РФ 30.03.2003) (недоступная ссылка)
  4. ↑ Хомченко Г.П. §16.6. Этилен и его гомологи // Химия для поступающих в вузы. — 2-е изд. — М.: Высшая школа, 1993. — С. 345. — 447 с. — ISBN 5-06-002965-4.
  5. ↑ В. Ш. Фельдблюм. Димеризация и диспропорционирование олефинов. М.: Химия, 1978
  6. ↑ «Рост и развитие растений» В. В. Чуб (недоступная ссылка). Дата обращения: 21 января 2007. Архивировано 20 января 2007 года.
  7. ↑ «Delaying Christmas tree needle loss». Дата обращения: 3 января 2011. Архивировано 21 ноября 2011 года.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 Lin, Z.; Zhong, S.; Grierson, D. Recent advances in ethylene research (англ.) // Journal of Experimental Botany : journal. — Oxford University Press, 2009. — Vol. 60, no. 12. — P. 3311—3336. — doi:10.1093/jxb/erp204. — PMID 19567479.
  9. ↑ Ethylene and Fruit Ripening Архивная копия от 21 июня 2018 на Wayback Machine / J Plant Growth Regul (2007) 26:143-159 doi:10.1007/s00344-007-9002-y (англ.)
  10. ↑ 10,0 10,1 Лутова Л.А. Генетика развития растений / ред. С.Г. Инге-Вечтомов. — 2-е изд.. — Санкт-Петербург: Н-Л, 2010. — С. 432.
  11. ↑ External Link to More on Ethylene Gassing and Carbon Dioxide Control. ne-postharvest.com Архивная копия от 14 сентября 2010 на Wayback Machine
  12. ↑ Нелюбов Д. Н. О горизонтальной нутации у Pisum sativum и некоторых других растений // Труды Санкт-Петербургского Общества Естествознания : журнал. — 1901. — Т. 31, № 1., также Beihefte zum «Bot. Centralblatt», т. Х, 1901
  13. ↑ Doubt, Sarah L. The Response of Plants to Illuminating Gas (англ.) // Botanical Gazette : journal. — 1917. — Vol. 63, no. 3. — P. 209—224. — doi:10.1086/332006. — JSTOR 2469142.
  14. ↑ Gane R. Production of ethylene by some fruits (англ.) // Nature. — 1934. — Vol. 134, no. 3400. — P. 1008. — doi:10.1038/1341008a0. — Bibcode: 1934Natur.134.1008G.
  15. ↑ Crocker W, Hitchcock AE, Zimmerman PW. (1935) «Similarities in the effects of ethlyene and the plant auxins». Contrib. Boyce Thompson Inst. 7. 231-48. Auxins Cytokinins IAA Growth substances, Ethylene
  16. ↑ Yang, S. F., and Hoffman N. E. Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants (англ.) // Ann. Rev. Plant Physiol. : journal. — 1984. — Vol. 35. — P. 155—189. — doi:10.1146/annurev.pp.35.060184.001103.
  17. ↑ Bleecker A. B., Esch J. J., Hall A. E., Rodríguez F. I., Binder B. M. The ethylene-receptor family from Arabidopsis: structure and function. (англ.) // Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. — 1998. — Vol. 353, no. 1374. — P. 1405—1412. — doi:10.1098/rstb.1998.0295. — PMID 9800203. [исправить]
  18. ↑ Explaining Epinasty Архивная копия от 22 февраля 2015 на Wayback Machine. planthormones.inf
  19. ↑ Filser J. G., Denk B., Törnqvist M., Kessler W., Ehrenberg L. Pharmacokinetics of ethylene in man; body burden with ethylene oxide and hydroxyethylation of hemoglobin due to endogenous and environmental ethylene. (англ.) // Arch Toxicol. : journal. — 1992. — Vol. 66, no. 3. — P. 157—163. — PMID 1303633.
  20. ↑ Bolt H. M., Leutbecher M., Golka K. A note on the physiological background of the ethylene oxide adduct 7-(2-hydroxyethyl)guanine in DNA from human blood. (англ.) // Arch Toxicol. : journal. — 1997. — Vol. 71, no. 11. — P. 719—721. — PMID 9363847.
  21. ↑ Csanády G. A., Denk B., Pütz C., Kreuzer P. E., Kessler W., Baur C., Gargas M. L., Filser JG. A physiological toxicokinetic model for exogenous and endogenous ethylene and ethylene oxide in rat, mouse, and human: formation of 2-hydroxyethyl adducts with hemoglobin and DNA. (англ.) // Toxicol Appl Pharmacol. : journal. — 2000. — 15 May (vol. 165, no. 1). — P. 1—26. — PMID 10814549.
  22. ↑ Thier R., Bolt HM. Carcinogenicity and genotoxicity of ethylene oxide: new aspects and recent advances. (англ.) // Crit Rev Toxicol. : journal. — 2000. — September (vol. 30, no. 5). — P. 595—608. — PMID 11055837.

Литература

Ссылки

  • Безуглова О. С. Этилен. Удобрения и стимуляторы роста. Дата обращения: 22 февраля 2015. Архивировано 22 февраля 2015 года.
Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Этилен&oldid=7221865