化學中的裂解（cracking）

化學中的裂解（cracking）
國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

在石油地質學和化學中，裂解是藉著打斷前驅物的碳－碳鍵，將複雜的有機分子（例如油母或較大的碳氫化合物）斷裂成較小分子的程序。而溫度和催化劑則對於裂解反應的反應速率和最後生成的產物有很大的影響。裂解也常被稱為熱裂解，將大分子烷類斷裂為應用性較大的小分子烷類及烯類。

催化劑裂解

催化劑裂解利用沸石催化劑和適度的高溫(400-500 °C)來將大分子碳氫化合物斷裂成較小的分子。在反應過程中，反應性較小（也就是較穩定、存在較久）的陽離子中間物會堆積在催化劑的活化位置上，產生含碳產物的沉積（也就是焦炭）。這些沉積物必須被移除（通常利用燃燒），以恢復催化劑的活性。

熱裂解

熱裂解需要提高溫度(~800oC)和壓力(~700kPa)，這個製程是由William Merriam Burton最先發明的。從歧化反應（disproportionation）從頭到尾的反應流程中可以觀察出，分子量較大的化合物可分解成分子量較小（含氫成分較多）的產物。實際上發生的反應目前被認為是均勻裂解反應，並且可得到烯類產物，是工業上生產聚合物的重要原料。

有很多化學反應是經由高溫裂解進行的，大多數是利用自由基反應。經由電腦從數百個甚至數萬個反應中模擬高溫裂解的過程，可以推測主要發生的反應包括：

◎起始反應（Initiation reactions）

一個分子分裂成兩個自由基，只有較小的片段可以進行起始反應，並且必須產生出能夠促使反應繼續進行的自由基。在高溫裂解反應中，起始反應通常包括碳—

碳鍵的斷裂，而不是碳—氫鍵的斷裂。

CH₃CH₃ → 2 CH₃•

◎氫原子轉移（Hydrogen abstraction）

自由基從其他分子上抓取一個氫原子，而被抓取氫原子的分子轉變成自由基。

CH₃• + CH₃CH₃ → CH₄ + CH₃CH₂•

◎自由基分解（Radical decomposition）

自由基分裂成兩個分子，包括一個烯類和另一個自由基；即為高溫裂解可以產生出烯類的步驟。

CH₃CH₂• → CH₂=CH₂ + H•

◎自由基加成（Radical addition）

自由基分解的逆反應，也就是自由基和烯類反應形成另一個較大的自由基。當使用較大的分子作為原料製來造芳香類產物時，可能會發生此種反應。

CH₃CH₂• + CH₂=CH₂ → CH₃CH₂CH₂CH₂•

◎終止反應（Termination reactions）

兩個自由基結合成非自由基的產物，有兩種形式。一種是重組（或再結合，recombination），也就是兩個自由基結合成一個較大的分子；另一種是歧化反應（disproportionation），也就是其中一個自由基將一個氫原子轉移到另一個自由基上，形成一個烷類及一個烯類。

CH₃• + CH₃CH₂• → CH₃CH₂CH₃

CH₃CH₂• + CH₃CH₂• → CH₂=CH₂ + CH₃CH₃