נפתלן

נפתלֶן (באנגלית: Naphthalene, שם מקובל: נפטלין) הוא תרכובת אורגנית ארומטית. נפתלן מורכב משתי טבעות בנזן מאוחות ונוסחתו הכימית היא C10H8.

נפתלן מופיע בטמפרטורת החדר בצורת גבישים לבנים בעלי ריח חריף. החומר עובר המראה (מעבר ישיר ממוצק לגז) בטמפרטורה של C°80, והוא מיוצר בעיקר על ידי זיקוק של זפת פחם.

החומר משמש כחומר חיטוי וכן כחומר משמר לצורך שימורם של בדים, פרוות וכדומה מפגיעת עש. במאה ה-21 סווג הנפתלן כחומר מסרטן והשימוש הביתי בו דועך.

היסטוריה
בתחילת שנות ה-20 של המאה ה-19 הופיעו שני דיווחים מדעיים על חומר מוצק בצבע לבן ובריח עז ודוחה, אשר הופקו מזיקוק זפת פחם. בשנת 1821 המדען הבריטי ג'ון קיד  ציטט שני דיווחים אלה כאשר תיאר רבות מתכונותיו של החומר ודרכי הפקתו. הוא הציע לקרוא לחומר בשם נפטליין (naphthaline), כיוון שהופק מסוג של "נפטא" (מונח רחב אשר התייחס אותה עת לכל חומר נוזלי דליק מתערובת פחמימנית, כולל זפת פחם). הנוסחה הכימית של נפתלן תוארה לראשונה על ידי מייקל פאראדיי בשנת 1826. בשנת 1866 אמיל ארלנמאייר (Emil Erlenmeyer) היה הראשון שהציע תיאור למבנה התרכובת, ושלוש שנים מאוחר יותר אושש הכימאי הגרמני קארל גראבה  את השערתו של ארלנמאייר.

מבנה ותגובתיות
ניתן לראות במולקולה של נפתלן היתוך של זוג טבעות בנזן (בכימיה אורגנית טבעות מותכות כאשר קיימים שני אטומים, או יותר, המשותפים לשתי הטבעות.). נפתלן מסווג כחלק מתרכובות פחמימנים ארומטיים רב-טבעתיים. בתרכובת שתי סדרות של אטומי מימן שקולים: עמדות האלפא מסומנות 1, 4, 5, ו-8 (ראו תרשים קווי בראש העמוד משמאל) ואילו עמדות הבטא מסומנות 2, 3, 6, ו-7.

שלא כמו בנזן, קשרי פחמן-פחמן בנפתלן אינם בעלי אורך שווה. הקשרים C1-C2, C3-C4, C5-C6 ו-C7-C8 הם בערך באורך 1.37Å (137 פיקומטר pm), בעוד שקשרי פחמן-פחמן האחרים הם באורך Å1.42 (142pm). הבדל זה נקבע בעזרת קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן. הפרש זה מתיישב עם תאוריית הקשר הערכי כשהיא מיושמת לנפתלן.

תגובתיות עם אלקטרופילים
בתגובות התמרה עם אלקטרופילים ארומטיים, נפתלן מגיב יותר בקלות לעומת בנזן. לדוגמה, כלורינציה וברומינציה של נפתלן מתקיימת ללא זרז ומניבה, בהתאמה, 1-כלורונפתלן ו-1-ברומונפתלן. באופן דומה, בעוד שבנזן ונפתלן יכולים לעבור אלקילציה בעזרת תגובות פרידל-קרפטס, ניתן לבצע אלקילציה של נפתלן בקלות בעזרת תגובה עם אלקן, או כוהל, על ידי שימוש בחומצה גופריתית או חומצה זרחתית כזרזים.

מבחינת רגיוסלקטיביות, אלקטרופילים תוקפים את עמדת אלפא. העדפת התמרה בעמדת אלפא על פני עמדת בטא ניתנת להסבר במונחים של צורוני הרזוננס של מצב הביניים: עבור מצב הביניים של התמרה בעמדת אלפא, ניתן לצייר שבעה צורוני רזוננס, שמהם ארבעה משמרים את ארומטיות הטבעת. עבור התמרה בעמדת בטא, מצב הביניים בעל שישה צורוני רזוננס, שמתוכם רק שניים משמרים ארומטיות. תוצר הסולפונציה הקינטי הוא נותן התמרה בעמדה אלפא, בעוד שהתוצר התרמודינמי נותן התמרה בעמדה בטא. ב-25 מעלות צלזיוס התוצר העיקרי הוא תוצר התמרה בעמדה אלפא, בעוד שב-160 מעלות התוצר העיקרי הוא תוצר התמרה בעמדה בטא. נוסחת התגובה לסולפונציה היא:
  +  →  + 

המשך סולפונציה יוצר התמרה כפולה, משולשת ומרובעת.

חיזור וחמצון
נפתלן מגיב עם מתכות אלקליות ליצירת מלחים בצבעי כחול-ירוק כהה, כגון סודיום נפתלניד, NaC10H8. מלחי הנפתלניד הם גורמי חיזור חזקים.
ניתן לבצע הידרוגנציה לנפתלן תחת לחץ גבוה בנוכחות זרזי מתכת לקבלת 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene () הידועה גם כטטרלין . הידרוגנציה נוספת מניבה decahydronaphthalene, הידוע גם כדקלין  ().

חמצון עם  בנוכחות זרז ונדיום יוצר אנהידריד פתלי :
C10H8 + 4.5 O2 → C6H4(CO)2O + 2 CO2 + 2 H2O
תגובה זו היא הבסיס לשימוש העיקרי של נפתלן. ניתן להביא לחמצון על ידי שימוש בכמות סטויכיומטרית של מגיבי כרומט או פרמנגנט.

ייצור
נכון לשנת 2015, למעלה מ-90% מהנפתלן בעולם מופק מזפת פחם. בין שנות ה-60 לשנות ה-90 הופקו כמויות גדולות של נפתלן גם מנפט כבד בעת תהליך זיקוק נפט, אולם במאה ה-21 רק חלק קטן מן הנפתלן בעולם מופק בדרך זו.

נפתלן מהווה את המרכיב הבודד הגדול ביותר בזפת פחם. אף שהרכב זפת פחם משתנה בהתאם לסוג הפחם שממנו הוא מופק, בדרך כלל נפתלן מהווה כ-10% ממשקל זפת פחם. בתהליך ייצור תעשייתי של נפתלן, זיקוק זפת פחם יוצר שמן המכיל כ-50% נפתלן, לצד שתים-עשרה תרכובות ארומטיות אחרות. תערובת זו נשטפת בנתרן הידרוקסידי מומס במים כדי להסיר מרכיבים חומציים (בעיקר פנול, בחומצה גופרתית כדי להסיר מרכיבים בסיסיים ועוברת זִקּוּק-הַקְטָעָה . הנפתלן הגולמי המופק בתהליך זה מכיל כ-95% ממשקלו בנפתלן. האלחים (impurities) העיקריים בתערובת הם תרכובת אורגנית גופריתית של בנזותאופן  (פחות מ-2%), אינדן  (0.2%), אינדין  (פחות מ-2%) ומתילנפתלן (0.2%). נפתלן המופק מנפט טהור יותר בדרך כלל מזה המופק מזפת פחם. ניתן לזקק נפתלן גולמי עוד יותר בתהליך גיבוש , בו ניתן להשיג דרגת טוהר של 99% נפתלן (אחוז משקלי). קשה לקבל הערכה מדויקת של כמויות הנפתלן המיוצרות מדי שנה בעולם, דו"ח ממשלת דנמרק העריך בשנת 2015 כי כמות הייצור השנתית העולמית היא כ-267,000 טון. ייצרניות הנפתלן העיקריות הן בסין, שם מיוצרת למעלה ממחצית תוצרת הנפתלן השנתית בעולם, ארצות הברית, קנדה ומספר מדינות באירופה.

שימושים
השימוש העיקרי בנפתלן הוא כקודמן לחומרים אחרים. השימוש הבודד הנרחב ביותר בנפתלן הוא בתהליך הייצור התעשייתי של אנהידריד פתלי, אף שחומר זה מופק יותר על ידי שימוש באורתו-קסילן  שהוא זול יותר. צבעים רבים מסוג צבעי אזו  מופקים מנפתלן וכן קוטל חרקים מסוג Carbaryl.

השפעות בריאות
חשיפה לכמויות גדולות של נפתלן עלולה לגרום נזק לתאי דם אדומים, סיכון זה גדל אצל אנשים עם המחלה התורשתית חוסר G6PD, בה לוקים למעלה מ-400 מיליון איש בעולם. בני אדם ובאופן מיוחד ילדים, פיתחו אנמיה המוליטית לאחר שבלעו כדורי נפתלין, או דאודורנט המכיל נפתלן. תסמינים הפגיעה כוללים עייפות, אובדן תיאבון, עצבנות וחיוורון. חשיפה לכמויות גדולות של נפתלן עלולה לגרום לבלבול, בחילות, הקאות, שלשול, שתן דמי וצהבת (בגלל ירידה בתפקוד הכבד).

הסוכנות הבינלאומית לחקר הסרטן מסווגת נפתלן כגורם מסרטן לבני אדם ולחיות (קבוצה 2B). הסוכנות אף מציינת כי חשיפה מוגברת לנפתלן עלולה לגרום לקטרקט בבני אדם, חולדות, ארנבים ועכברים. אנמיה המוליטית עלולה להיגרם לילדים ותינוקות הבולעים בטעות נפתלין, או אם נחשפו לנפתלין בעת ההריון.

נגזרות נפתלן
זוהי רשימה חלקית של נגזרות נפתלן:

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

תרכובות ארומטיות
גורמים מסרטנים