Etylenoxid | |||
---|---|---|---|
| |||
Allmän | |||
Systematiskt namn |
oxiran | ||
Traditionella namn | etylenoxid, 1,2-epoxietan, etylenoxid | ||
Chem. formel | C2H4O _ _ _ _ | ||
Råtta. formel | C2H4O _ _ _ _ | ||
Fysikaliska egenskaper | |||
stat | gas | ||
Molar massa | 44,0526 g/ mol | ||
Densitet | ( för vatten[ klargöra ] vid 10 °C för flytande etylenoxid) [1] 0,8824 g/cm³ | ||
Joniseringsenergi | 10,56 ± 0,01 eV [5] | ||
Termiska egenskaper | |||
Temperatur | |||
• smältning | −111,3 [2] | ||
• kokande | 10,7 [3] °C | ||
• blinkar | < -18 [3] °C | ||
Explosiva gränser | 3 ± 1 vol.% [5] | ||
Kritisk punkt | 195,8°C; 7,19 MPa [3] | ||
Mol. värmekapacitet | 48,19 [4] J/(mol K) | ||
Entalpi | |||
• utbildning | −51,04 [4] kJ/mol | ||
Specifik förångningsvärme | 25,82 [3] | ||
Specifik fusionsvärme | 5.17 [3] | ||
Ångtryck | 145,8 kPa (vid 20 °C) [3] | ||
Optiska egenskaper | |||
Brytningsindex | 1,35965 (vid 7°C) [4] | ||
Klassificering | |||
Reg. CAS-nummer | 75-21-8 | ||
PubChem | 6354 | ||
Reg. EINECS-nummer | 200-849-9 | ||
LEDER | C1CO1 | ||
InChI | InChI=1S/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N | ||
RTECS | KX2450000 | ||
CHEBI | 27561 | ||
ChemSpider | 6114 | ||
Säkerhet | |||
Begränsa koncentrationen | 1 mg/m³ | ||
LD 50 | 72 mg/kg | ||
Giftighet | hög | ||
NFPA 704 |
![]() |
||
Data baseras på standardförhållanden (25 °C, 100 kPa) om inget annat anges. | |||
Mediafiler på Wikimedia Commons |
Oksiran ( etylenoxid, etylenoxid, 1,2-epoxietan ) är en organisk kemisk heterocyklisk substans , den kemiska formeln är C 2 H 4 O. Under normala förhållanden är det en färglös gas med en karakteristisk sötaktig lukt. Ett etylenderivat är den enklaste epoxiden - en treledad heterocykel , vars ringmolekyl innehåller en syreatom och två kolatomer .
På grund av särdragen hos molekylens elektroniska struktur går etylenoxid lätt in i additionsreaktioner med öppningen av heterocykeln och genomgår därför lätt polymerisation .
En blandning av ångor av ett ämne med luft är extremt brandfarligt och explosivt.
Etylenoxid har desinficerande egenskaper, det vill säga det är ett starkt gift för de flesta kända mikroorganismer , även i gasform, som används för gassterilisering , till exempel medicinska engångssprutor .
Det är också ett långsamt verkande starkt gift för varmblodiga djur och människor , som uppvisar cancerframkallande , mutagena , irriterande och narkotiska effekter.
Etylenoxid är ett av de viktiga ämnena i grundläggande organisk syntes och används i stor utsträckning för att erhålla många kemikalier och intermediärer, särskilt etylenglykoler , etanolaminer , glykol- och polyglykoletrar och komplexa etrar och andra föreningar.
Inom den kemiska industrin produceras etylenoxid genom direkt oxidation av etylen i närvaro av en silverkatalysator .
Etylenoxid upptäcktes 1859 av den franske organiska kemisten Charles Adolf Wurtz genom verkan av kaliumhydroxid på 2-kloretanol [6] :
Forskaren var den första som studerade detta ämnes egenskaper genom att mäta dess kokpunkt [7] och upptäckte även dess förmåga att reagera med metallsalter och syror [8] . Wurtz antog felaktigt att etylenoxid hade egenskaperna hos en organisk bas. Denna missuppfattning varade fram till 1896 , då forskarna Georg Bredig och Alexei Usov ( tyska: Usoff ) upptäckte att etylenoxid inte är en elektrolyt [8] .
Den skarpa skillnaden mellan ämnet och etrar och i synnerhet dess tendens till additionsreaktioner som liknar omättade föreningar, har länge varit orsaken till diskussioner av kemister kring etylenoxidens molekylära struktur. Först 1893 var den heterocykliska treledade strukturen av etylenoxid med förvrängda hörn jämfört med andra syrehaltiga organiska föreningar [8] .
Det första sättet att erhålla etylenoxid under lång tid förblev det enda, trots många försök från forskare, inklusive Wurtz själv, att syntetisera föreningen direkt från etylen [9] . Först 1931 utvecklade den franske kemisten Theodore Lefort en metod för direkt oxidation av eten i närvaro av en silverkatalysator [ 10] . Denna metod i slutet av 1900-talet blev huvudmetoden för modern industriell produktion av etylenoxid.
Etenoxidens epoxicykel är en nästan regelbunden triangel med bindningsvinklar på cirka 60° och en betydande vinkelspänning [11] , för jämförelse, i alkoholer är C–O–H-vinkeln cirka 110°, i etrar C–O –С-vinkeln är 120°. Värdet av denna spänning uppskattas av energin 105 kJ/mol [12] . Tröghetsmoment kring huvudaxlarna: I A = 32.921⋅10 −40 g cm², I B = 37.926⋅10 −40 g cm², IC = 59.510⋅10 −40 g cm² [13] .
Den relativa instabiliteten för kol-syrebindningar i en molekyl visas genom att jämföra brytenergin för två C-O-bindningar i etylenoxid med brytenergin för en C-O-bindning i etanol och dimetyleter : de är nära i värde - skillnaden är 12,7% och 5,9 % respektive [14] :
Reaktionsekvation | A H o 298 , kJ/mol | Metod för bestämning |
---|---|---|
(C 2 H 4 ) O → C 2 H 4 + O (brott av två bindningar) | 354,38 | Beräknat från entalpier för bildning av atomer |
C 2 H 5 OH → C 2 H 5 + OH (ett bindningsbrott) | 405,85 | Elektronisk strejk |
CH 3 OCH 3 → CH 3 O + CH 3 (ett bindningsbrott) | 334,72 | Beräknat från entalpier för bildning av radikaler |
De strukturella egenskaperna hos etylenoxidmolekylen bestämmer dess kemiska aktivitet och förklarar hur lätt det är att ringöppnas i många additionsreaktioner (se avsnittet Kemiska egenskaper ).
Etylenoxid är en färglös gas (vid 25 °C) eller en rörlig vätska [15] (vid 0 °C) med en karakteristisk eterisk sötaktig lukt som är märkbar vid koncentrationer i luft över 500 ppm [16] . Det är mycket lösligt i vatten, alkohol , eter och många andra organiska lösningsmedel [2] . Kokpunkt: 10,7 °C; smältpunkt: -111,3 °C; densitet av flytande etylenoxid vid 10 °C i förhållande till vatten vid samma temperatur: 0,8824.
Huvudsakliga termodynamiska egenskaper [4] :
Några fysikaliska konstanter för etylenoxid:
Ytspänning i flytande tillstånd vid gränsen med sin egen ånga [17] :T , °C | σ, mJ/m² |
---|---|
−50,1 | 35,8 |
−0,1 | 27.6 |
P , MPa | P , atm | T , °C |
---|---|---|
0,507 | 5 | 57,7 |
1,013 | tio | 83,6 |
2,027 | tjugo | 114,0 |
T , °C | η, 10 −3 Pa s |
---|---|
−49,8 | 0,577 |
−38,2 | 0,488 |
−21,0 | 0,394 |
0,0 | 0,320 |
Fysikaliska egenskaper hos flytande etylenoxid i temperaturintervallet från −40 till 195,8 °C [9] :
Temperatur, °C |
Ångtryck, kPa |
Vätskeentalpi, J/g |
Entalpi av förångning, J/g |
Densitet, kg/l |
Värmekapacitet, J/(kg K) |
Värmeledningsförmåga, W/(m K) |
---|---|---|---|---|---|---|
−40 | 8.35 | 0 | 628,6 | 0,9488 | 1878 | 0,20 |
−20 | 25,73 | 38,8 | 605,4 | 0,9232 | 1912 | 0,18 |
0 | 65,82 | 77,3 | 581,7 | 0,8969 | 1954 | 0,16 |
+20 | 145,8 | 115,3 | 557,3 | 0,8697 | 2008 | 0,15 |
+40 | 288,4 | 153,2 | 532,1 | 0,8413 | 2092 | 0,14 |
+60 | 521,2 | 191,8 | 505,7 | 0,8108 | 2247 | 0,14 |
+80 | 875,4 | 232,6 | 477,4 | 0,7794 | 2426 | 0,14 |
+100 | 1385,4 | 277,8 | 445,5 | 0,7443 | 2782 | 0,13 |
+120 | 2088 | 330,4 | 407,5 | 0,7052 | 3293 | n/a [22] |
+140 | 3020 | 393,5 | 359,4 | 0,6609 | 4225 | n/a |
+160 | 4224 | 469,2 | 297,1 | 0,608 | n/a | n/a |
+180 | 5741 | 551,2 | 222,5 | 0,533 | n/a | n/a |
+195,8 | 7191 | n/a | n/a | n/a | n/a | n/a |
Fysiska egenskaper hos etylenoxidånga i temperaturintervallet från 298 till 800 K [9] :
Temperatur, K | Entropi, J/(mol K) | Bildningsvärme, kJ/mol | Fri bildningsenergi, kJ/mol | Viskositet, Pa s | Värmeledningsförmåga, W/(m K) | Värmekapacitet, J/(mol K) |
---|---|---|---|---|---|---|
298 | 242,4 | −52,63 | −13.10 | n/a | n/a | 48,28 |
300 | 242,8 | −52,72 | −12.84 | 9,0 | 0,012 | 48,53 |
400 | 258,7 | −56,53 | 1,05 | 13.5 | 0,025 | 61,71 |
500 | 274,0 | −59,62 | 15,82 | 15.4 | 0,038 | 75,44 |
600 | 288,8 | −62,13 | 31.13 | 18.2 | 0,056 | 86,27 |
700 | 302,8 | −64,10 | 46,86 | 20.9 | 0,075 | 95,31 |
800 | 316,0 | −65,61 | 62,80 | n/a | 0,090 | 102,9 |
På grund av molekylstrukturens särdrag (se avsnittet " Molekylens struktur och parametrar ") är etylenoxid en mycket reaktiv förening och reagerar lätt med olika föreningar med C-O-bindningsklyvning och ringöppning. För föreningar är reaktioner med nukleofiler mest karakteristiska, som sker enligt S N 2 mekanismen både i sura (svaga nukleofiler : vatten, alkoholer) och alkaliska medier (starka nukleofiler : OH - , RO - , NH 3 , RNH 2 , RR 'NH och etc.) [12] .
Allmän typ av reaktioner:
Därefter kommer de mest typiska kemiska reaktionerna som involverar etylenoxid att övervägas.
Vattenhaltiga lösningar av etylenoxid är ganska stabila och kan existera under lång tid utan en märkbar kemisk reaktion, men tillsatsen av en liten mängd syra [23] leder omedelbart till bildning av etylenglykol även vid rumstemperatur:
Reaktionen kan också utföras i gasfas med användning av fosforsyrasalter som katalysator [24] .
Vanligtvis, i praktiken, utförs reaktionen vid en temperatur av cirka 60 °C med ett stort överskott av vatten för att utesluta reaktionen av den resulterande etylenglykolen med etylenoxid, vilket resulterar i bildningen av di- och trietylenglykoler [ 25] :
Användningen av alkaliska katalysatorer kan leda till bildandet av polyetylenglykol :
Reaktionen med alkoholer fortskrider på liknande sätt , som ett resultat av vilket etylenglykoletrar ( cellosoler ) bildas:
Reaktionen med lägre alkoholer fortskrider mindre aktivt än med vatten, kräver strängare betingelser (uppvärmning till 160 °C, tryck upp till 3 MPa) och närvaro av en sur eller alkalisk katalysator.
Reaktionen av etylenoxid med högre fettalkoholer, som används för att erhålla ytaktiva föreningar , fortskrider i närvaro av natriummetall , natriumhydroxid eller bortrifluorid [24] .
När etylenoxid reagerar i närvaro av katalysatorer med karboxylsyror erhålls ofullständiga estrar och med syraanhydrider erhålls fulla estrar av glykoler:
I analogi är tillsatsen av syraamider också möjlig :
Tillsatsen av etylenoxid till högre karboxylsyror utförs vid förhöjd temperatur (vanligtvis 140-180°C) och tryck (0,3-0,5 MPa) i en inert atmosfär i närvaro av en alkalisk katalysator (koncentration: 0,01-2%) - hydroxid eller natrium(kalium)karbonat [26] . Karboxylatjonen fungerar som en nukleofil i reaktionen:
Etylenoxid reagerar med ammoniak [27] och bildar en blandning av mono-, di- och trietanolamin :
Reaktionen kan fortgå på liknande sätt med primära och sekundära aminer :
Dialkylaminoetanoler kan reagera vidare med etylenoxid och bilda aminopolyetylenglykoler [9] :
Trimetylamin reagerar med etylenoxid i närvaro av vatten för att bilda kolin [28] :
Aromatiska primära och sekundära aminer reagerar också med etylenoxid för att bilda motsvarande arylaminoalkoholer.
Etylenoxid reagerar lätt med vattenlösningar av vätehalogenider HCl , HBr och HI [29] för att bilda halohydriner :
Reaktionen med vätehalogenider i vattenlösning konkurrerar med den syrakatalyserade etylenoxidhydreringen, så etylenglykol kommer alltid att bildas som en biprodukt med en blandning av dietylenglykol . För att erhålla en renare produkt kan reaktionen utföras i gasfas eller i ett organiskt lösningsmedelsmedium.
Etylenfluorhydrin erhålls annorlunda: genom interaktion av vätefluorid med en 5-6% lösning av etylenoxid i dietyleter med en vattenhalt på 1,5-2% [30] under kokning [31] .
Halohydriner kan också erhållas genom att leda etylenoxid genom vattenhaltiga lösningar av metallhalogenider [24] :
Interaktionen av etylenoxid med organomagnesiumföreningar ( Grignard-reagenser ) kan betraktas som en nukleofil substitution under inverkan av en karbanjon av en organometallisk förening. Slutprodukten av reaktionen kommer att vara en primär alkohol :
Förutom Grignard-reagenser tillsätts andra organometalliska föreningar, till exempel alkyllitium, på liknande sätt:
Etylenoxid reagerar lätt med vätecyanid för att bilda etylencyanohydrin :
Istället för HCN kan en kyld (10–20 °C) vattenlösning av kalciumcyanid användas [32] :
Etylencyanohydrin förlorar lätt vatten för att bilda akrylnitril :
Tillsats av vätesulfid och merkaptanerInteragerar med vätesulfid , etylenoxid bildar 2-merkaptoetanol och tiodiglykol, med alkylmerkaptaner erhålls 2-alkylmerkaptoetanol:
Ett överskott av etylenoxid med en vattenlösning av vätesulfid leder till tris-(hydroxietyl)sulfoniumhydroxid:
Tillsats av salpetersyra och salpetersyraInteraktionen av etylenoxid med vattenlösningar av barium , kalcium , magnesium eller zinknitrit , såväl som med en lösning av natriumnitrit med koldioxid , leder till bildningen av 2-nitroetanol [33] :
Reaktionen av etylenoxid med salpetersyra leder till mono- och dinitroglykol [34] :
Reaktion med föreningar som innehåller en aktiv metylengruppReaktionen av etylenoxid med föreningar som innehåller en aktiv metylengrupp i närvaro av alkoholater leder till bildning av butyrolaktoner [35] :
Koppling till aromatiska föreningarEtylenoxid reagerar Friedel-Crafts med bensen för att bilda fenyletylalkohol :
Genom att utföra reaktionen under andra förhållanden (temperatur 315–440°C, tryck 0,35–0,7 MPa, katalysator: aluminosilikat), kan styren erhållas i ett steg [36] .
Reaktioner för syntesen av kronetrarMed etylenoxid kan ett antal poly -ledade heterocykliska föreningar kända som kronetrar framställas .
En av de välkända metoderna är katjonisk cyklopolymerisation av etylenoxid med begränsning av storleken på den bildade cykeln [37] :
För att undertrycka bildningen av linjära sidopolymerer används en högutspädningsmetod - reaktionen utförs i en mycket utspädd lösning [37] .
Av intresse är reaktionen av etylenoxid med SO 2 i närvaro av cesiumsalter , vilket leder till bildningen av en elva-ledad heterocyklisk förening med de komplexbildande egenskaperna hos kronetrar [38] :
När etylenoxid upphettas till en temperatur av cirka 400 °C eller 150–300 °C i närvaro av katalysatorer ( Al 2 O 3 , H 3 PO 4 , etc.), sker isomerisering till acetaldehyd [39] :
Den radikala mekanism som föreslagits av Sidney W. Benson för att förklara reaktionen som sker i gasfasen inkluderar följande steg [40] [41] :
Partikeln ( ) är en kortlivad (livslängd 10–8,5 sekunder) aktiverad acetaldehydmolekyl, vars överskottsenergi är cirka 355,6 kJ/mol, vilket är 29,3 kJ/mol mer än dissociationsenergin för CC-bindningen i acetaldehyd [ 40] .
Termisk isomerisering av etylenoxid i frånvaro av en katalysator kan inte utföras selektivt med bildning av acetaldehyd, eftersom parallella radikalreaktioner är märkbara under dessa förhållanden och andelen biprodukter är betydande (se underavsnittet " Termisk nedbrytning ") [42 ] .
Etylenoxid kan hydreras för att bilda etanol i närvaro av en katalysator:
Nickel , platina och palladium kan fungera som direkta hydreringskatalysatorer [42] . Det är också möjligt att använda litiumaluminiumhydrid , boraner och några andra hydrider som hydreringsmedel [43] .
Etylenoxid kan också reduceras med väte vid isoleringsögonblicket (reaktion av zinkdamm med ättiksyra ) till etylen (utbyte upp till 70%) [43] :
På liknande sätt fortskrider reaktionen i närvaro av en blandning av litiumaluminiumhydrid med titan(III)klorid [44] , järnklorid med butyllitium i tetrahydrofuran , såväl som några andra medel [43] .
Etylenoxid kan, beroende på förhållandena, oxideras till glykolsyra eller till koldioxid :
Djup gasfasoxidation av etylenoxid i en reaktor vid en temperatur av 800–1000 K och ett tryck på 0,1–1 MPa leder till en blandning av produkter som innehåller O 2 , H 2 , CO , CO 2 , CH 4 , C 2 H2 , C2H4 , C2H6 , C3H6 , C3H8 , CH3CHO [ 45 ] . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
I närvaro av sura katalysatorer kan dimerisering av etylenoxid utföras för att bilda dioxan :
Reaktionsmekanismen är som följer [42] :
Dimeriseringsreaktionen är inte selektiv, eftersom det alltid bildas biprodukter under dess genomförande och i synnerhet acetaldehyd (på grund av isomeriseringsreaktionen ).
För att påskynda och öka reaktionens selektivitet kan platina- eller platina -palladiumkatalysatorer , såväl som elementärt jod tillsammans med sulfolan (i detta fall bildas 2-metyl-1,3-dioxolan som en biprodukt) användas [46] .
Flytande etylenoxid kan under påverkan av olika faktorer bilda polyetylenglykoler . Polymerisationsprocessen kan ha både radikala och joniska mekanismer, men i praktiska termer är endast den senare allmänt använd [47] .
Den katjoniska polymerisationen av etylenoxid fortskrider under inverkan av protiska syror ( HClO 4 , HCl ), Lewis-syror ( SnCl 4 , BF 3 , etc.), organometalliska föreningar eller mer komplexa flerkomponentkompositioner [47] :
Reaktionsmekanismen är som följer [48] .
Det första steget är initieringen av katalysatorn (MX m ) under inverkan av en alkyl- eller acylhalogenid eller en förening med en aktiv väteatom, vanligtvis vatten, alkohol eller glykol:
Det resulterande aktiva komplexet reagerar med etylenoxid enligt S N 2 -mekanismen:
Circuit break:
Anjonisk polymerisation av etylenoxid fortskrider under inverkan av baser: alkoholater , hydroxider , karbonater eller andra föreningar av alkali- eller jordalkalimetaller [47] .
Reaktionsmekanismen är som följer [48] :
Etylenoxid är en termiskt stabil förening: i frånvaro av katalysatorer upp till 300°C genomgår den inte termolys, och först efter 570°C börjar en märkbar process av exoterm nedbrytning, som fortsätter med en radikal mekanism [42] . I det första steget sker isomerisering (se underavsnittet " Isomeriseringsreaktion "), men med ökande temperatur accelererar radikalprocessen, och som reaktionsprodukter erhålls en gasblandning innehållande, förutom acetaldehyd , etan , eten , metan , väte , kolmonoxid (II) , keten , formaldehyd [49] .
Högtemperaturpyrolys ( 830-1200 K) vid förhöjt tryck i ett inert medium leder till en mer komplex sammansättning av gasblandningen, där acetylen och propan dessutom detekteras [50] .
Kedjeinitiering, i motsats till isomeriseringsreaktionen, fortskrider huvudsakligen enligt följande [50] :
Genom att utföra termisk destruktion av etylenoxid i närvaro av övergångsmetallföreningar som katalysatorer är det möjligt att inte bara sänka dess temperatur, utan också att erhålla etylen som huvudprodukt , det vill säga att utföra det omvända reaktion på syntesen av etylenoxid genom direkt oxidation.
Under inverkan av tiocyanatjoner eller tiokarbamid omvandlas etylenoxid till tiiran (etylensulfid) [51] :
Fosforpentaklorid , som interagerar med etylenoxid, bildar dikloretan [24] :
I analogi kan diklorderivat från etylenoxid erhållas genom inverkan av SOCl 2 och pyridin , trifenylfosfin och CCl 4 [52] .
Fosfortriklorid med etylenoxid bildar kloroetylestrar av fosforsyra [24] :
Reaktionsprodukten av etylenoxid med karboxylsyraklorider i närvaro av natriumjodid är jodetylester [52] :
När etylenoxid värms upp med koldioxid i ett opolärt lösningsmedel vid 100°C i närvaro av bis- (trifenylfosfin)-nickel(0), bildas etylenkarbonat [53] :
Inom industrin utförs en liknande reaktion vid förhöjt tryck och temperatur i närvaro av kvartära ammonium- eller fosfoniumsalter som katalysator [54] .
Reaktionen av etylenoxid med formaldehyd i närvaro av en katalysator vid en temperatur på 80–150°C leder till bildningen av 1,3-dioxolan [55] :
Om andra aldehyder eller ketoner används istället för formaldehyd kan 2-substituerade 1,3-dioxolaner erhållas (utbyte 70–85 %, katalysator: tetraetylammoniumbromid) [55] .
Katalytisk hydroformylering av etylenoxid leder till bildning av hydroxipropanal och sedan propan-1,3-diol [56] :
Dehydroklorering av etylenklorhydrin , upptäckt av Wurtz, är fortfarande en av de vanligaste laboratoriemetoderna för att erhålla etylenoxid:
Reaktionen utförs vid upphettning, medan man förutom natrium- eller kaliumhydroxid kan använda kalcium- , barium- eller magnesiumhydroxider , samt alkali- eller jordalkalimetallkarbonater [ 57] .
Etenklorhydrin erhålls i sin tur i laboratoriet med en av metoderna som anges nedan [57] :
eller
En bekväm och en av de äldsta förberedande metoderna för att erhålla etylenoxid är verkan av alkali på kloretylacetat [58] :
Med ett högt utbyte (upp till 90%) kan etylenoxid erhållas genom inverkan av kalciumoxid (med andra alkalier minskar reaktionsutbytet) på etylhypoklorit [58] :
I sin tur erhålls etylhypoklorit genom reaktionen:
För epoxidering av eten under laboratorieförhållanden används peroxisyror , till exempel peroxibensoesyra eller meta -klorperoxibensoesyra [59] :
Oxidation med persyror är effektiv för högre alkener, men deras användning för eten, även om det är möjligt, är kanske inte helt motiverat i praktiken på grund av reaktionens varaktighet och låga utbyte [58] .
Andra förberedande metoder inkluderar följande [58] :
Från senaste publikationer nämner vi användningen av en blandad litium-silver-aluminiumkatalysator för direkt oxidation av etanol till etylenoxid [60] :
Början av den industriella produktionen av etylenoxid går tillbaka till 1914 , då klorhydrinprocessen lanserades (reaktionen av etylenklorhydrin med kalciumhydroxid ), vilket monopol fanns fram till 1937 . Den första etylenoxidanläggningen byggdes under första världskriget av BASF [61] . Klorhydrinprocessen var från början inte riktigt effektiv, även utan att ta hänsyn till ekonomiska indikatorer, eftersom den förlorade värdefullt klor i form av kalciumklorid som ett resultat .
Från och med 1930-talet började denna process ersättas av direkt gasfasoxidation av eten med luft, och från 1958 med syre, i närvaro av en silverkatalysator, vid ett tryck på 1–3 MPa och en temperatur på 200 –300 °C (direkt oxidation av eten upptäcktes 1931 år av Lefort) [62] .
En mer ekonomisk metod för direkt oxidation av etylen gav ungefär hälften av all etylenoxid som producerades i USA i mitten av 1950-talet och ersatte efter 1975 helt den gamla metoden [62] .
I Sovjetunionen lanserades den första industriella produktionen av etylenoxid, utförd i enlighet med klorhydrinprocessen, 1936 [63] ; Samtidigt genomfördes ett intensivt sökande efter en mer ekonomisk teknik. Arbetet med att skapa en egen metod för att producera etylenoxid genom direkt oxidation av etylen på en silverkatalysator utfördes under ledning av professor P. V. Zimakov 1938-1942. [64] , som utgjorde grunden för den första inhemska industriella produktionen av etylenoxid genom direkt katalytisk oxidation av etylen, lanserad kort efter det stora fosterländska kriget [63] .
Klorhydrinprocessen var den första industriella metoden för framställning av etylenoxid, och även om den i början av 2000-talet helt ersattes av metoden för direkt oxidation av etylen, är bekantskap med den inte bara av historiskt intresse, utan också praktiskt intresse: metoden används fortfarande vid framställning av propylenoxid [65] .
Teknologiskt består klorhydrinprocessen av följande steg:
I praktiken framställs etylenoxid genom en kontinuerlig metod. I den första reaktionskolonnen sker etylenhypoklorering med bildning av etylenklorhydrin [66] :
För att minska omvandlingen av etylen till dikloretan (reaktion [3] ) hålls koncentrationen av etylenklorhydrin på en nivå av 4-6%, och själva lösningen värms upp med ånga till kokpunkten [66] .
Därefter kommer en vattenlösning av etylenklorhydrin in i den andra reaktionskolonnen, där den reagerar med en 30 % lösning av kalciumhydroxid vid en temperatur av 100 °C [66] :
Rening av etylenoxid från föroreningar utförs genom destillation . Klorhydrinprocessen gör det möjligt att uppnå 95 % etylenomvandling, utbytet av etylenoxid är 80 % av det teoretiska; ca 200 kg dikloretan erhålls per 1 ton av den resulterande produkten [66] .
Metoden för direkt oxidation av eten med syre i närvaro av en silverkatalysator patenterades först av Lefort 1931. I framtiden studerades denna metod, modifierades upprepade gånger och fick olika varianter för industriellt bruk. Det finns åtminstone fyra vanligaste utvecklingar [67] , som utgjorde grunden för moderna kommersiellt effektiva lösningar [68] :
Som regel används i äldre anläggningar produktionsscheman för etylenoxid, där luft fungerar som ett oxidationsmedel ( Union Carbide, Scientific Design ). I modern produktion används syre för oxidation ( Union Carbide - Meteor process, Shell, Scientific Design - andra versionen, Japan Catalytic ) [73] .
Kemi och kinetik för den direkta oxidationen av etenFormellt kan processen för direkt oxidation av eten i närvaro av en silverkatalysator skrivas som en ekvation:
Samtidigt, när man studerar den praktiska reaktionsprocessen, kan man observera en betydande mängd koldioxid och vatten i dess produkter, vilket kan förklaras av den fullständiga oxidationen av etylen eller etylenoxid:
Mekanismen för reaktionen av direkt oxidation av eten har studerats brett, men för närvarande finns det ingen allmänt accepterad åsikt från det vetenskapliga samfundet om denna fråga.
På 1970-talet studerades och beskrevs processen med heterogen katalytisk oxidation av eten av P. A. Kilty och W. M. H. Sachtler, som föreslog följande mekanism för det [74] :
Här (annonser) är partiklarna adsorberade på katalysatorytan; (adj) - silverpartiklar direkt angränsande syreatomer.
Det allmänna reaktionsschemat kommer att se ut så här:
Således bestämdes den maximala omvandlingsgraden av etylen till etylenoxid: 6/7 eller 85,7 % [74] .
Denna mekanism överensstämde med studierna av W. Herzog, som använde kväveoxid (I) som oxidationsmedel [74] :
Senare studier av mekanismen för etylenoxidation med hjälp av en silverkatalysator visade att denna mekanism inte är helt korrekt, och processen för etylenoxidbildning börjar först efter att metallen aktiverats av syre och syremolekyler införs i katalysatorytan. Det är detta aktiva syre under ytan som går in i ytterligare reaktion med etylen, vilket möjliggör selektiv oxidation [75] , vilket gör det möjligt att få den teoretiska omvandlingen av etylen till epoxid upp till 100 % [76] .
Sökandet efter en katalysator för selektiv oxidation av eten, som framgångsrikt genomfördes på 1930-talet, ledde till att metalliskt silver avsattes på olika underlag ( pimpsten , kiselgel , olika silikater och aluminiumsilikater , aluminiumoxid , kiselkarbid , etc.) och aktiverades med speciella tillsatser ( antimon , vismut , bariumperoxid , etc.) [77] . Experimentet visade att de optimala förhållandena för reaktionen är en temperatur på 220–280 °C (en lägre temperatur gör katalysatorn inaktiv och en högre temperatur minskar reaktionens selektivitet på grund av en djupare oxidation av eten) och ett tryck på 1–3 MPa (ökar katalysatorns produktivitet och underlättar absorptionen av etylenoxid från reaktionsgaser) [77] .
Trots att det finns en enda grundläggande kemisk process för katalytisk oxidation av eten, finns det i praktiken två olika tekniska system för oxidation: det äldre, som involverar användning av luft, och det nyare, som använder syre (>95 %) .
En jämförande analys av de två systemen presenteras i följande tabell [9] :
alternativ | Luftoxidation | Oxidation med syre |
---|---|---|
Etenhalt i gasblandningen, molprocent | 2-10 | 20-35 |
Processtemperatur, °C | 220-277 | 220-235 |
Arbetstryck, MPa | 1-3 | 2-3 |
Omvandling (för eten), % | 20-65 | 8-12 |
Faktiskt utbyte av etylenoxid, molprocent | 63-75 | 75-82 |
Förutom allmänna ekonomiska överväganden är fördelen med etylenoxidation med syre följande [78] :
Etylenoxid är en av de största organiska mellanprodukterna i världens kemiska produktion sett till volym, näst efter eten (113 miljoner ton 2008 [79] ), propen (73 miljoner ton 2008 [80] ), etanol (52 miljoner ton 2008 [81] ), bensen (41 miljoner ton 2008 [82] ), metanol (40 miljoner ton 2008 [83] ), tereftalsyra (39 miljoner ton 2008 [84] ), vinylklorid (36,7 miljoner ton 2008 [85] ), dikloretan (36,6 miljoner ton 2008 [86] ), etylbensen (29,2 miljoner ton 2008 [87] ), p-xylen (28 miljoner ton 2008 [88] ), styren (26 miljoner ton 2008 [89] ), n-butylen (21 miljoner ton 2008 [90] ) och toluen (20 miljoner ton 2008 [91] ).
Produktionen av etylenoxid är den näst viktigaste användningen av etylen efter polyeten som den viktigaste kemiska råvaran och står för 14,6 % av dess världskonsumtion (från och med 2008) [92] .
Världsproduktionen av etylenoxid 2012 uppgick till 21 miljoner ton ( 2010 - 19,5 miljoner ton, 2008 - 19 miljoner ton, 2007 - 18 miljoner ton), vilket är cirka 90% av all världsproduktionskapacitet ( 2007 - 93%) [93] [94] . Enligt prognosdata från Merchant Research and Consulting Ltd. Arkiverad 16 augusti 2014 på Wayback Machine kommer förbrukningen av etylenoxid 2016 att öka till 24,2 miljoner ton [93] .
Från och med 2004 är världsproduktionen av etylenoxid per region enligt följande [95] :
Område | Antal tillverkare | Produktion, tusen ton |
---|---|---|
Nordamerika USA Kanada Mexiko |
10 3 3 |
4009 1084 350 |
Sydamerika Brasilien Venezuela |
2 1 |
312 82 |
Europa Belgien Frankrike Tyskland Nederländerna Spanien Turkiet Storbritannien Östeuropa |
2 1 4 2 1 1 1 inga uppgifter |
770 215 995 460 100 115 300 950 |
Mellanöstern Iran Kuwait Saudiarabien |
2 1 2 |
201 350 1781 |
Asien Kina Taiwan Indien Indonesien Japan Malaysia Sydkorea Singapore |
inga data 4 >2 1 4 1 3 1 |
1354 820 488 175 949 385 740 80 |
Världens största producenter av etylenoxid sett till produktionskapacitet, från och med 2006 (nr 1, 2, 5, 6), 2008-2009 (nr 3, 4, 7):
Enligt uppgifter från 2013 är 39% av världsproduktionen av etylenoxid i Asien och 45% är koncentrerad till tre länder - USA, Kina och Saudiarabien [93] .
Från och med 2013 är världens största etylenoxidproducenter Shell, Dow Chemical Company, SINOPEC Corp., Honam Petrochemical Corp, Ineos Oxide, Nan Ya Plastics Corp, Yanbu National Petrochemical Co, Saudi Kayan Petrochemical Company, MEGlobal och Shanghai Petrochemical [93] ] .
Ethylene Oxide & Derivatives Producers Association [104] är medlem i European Ethylene Oxide & Derivatives Producers Association [104] och är: Akzo Nobel Functional Chemical, BASF, Clariant, Dow Europe, Ineos Oxide, La Seda de Barcelona, Lukoil Neftochim, ME Global, Sabic, Sasol Tyskland, Shell Chemicals [105] .
Etenoxidproduktion i Ryssland utförs på följande företag:
Den totala volymen av etylenoxidproduktion i Ryssland uppgick 2008 till 531,7 tusen ton, vilket är 2 % lägre än 2007 [110] .
Produktionen av etylenoxid i Ryssland utförs i enlighet med GOST 7568-88 [113] .
Den huvudsakliga riktningen för användningen av etylenoxid är produktionen av etylenglykoler [114] : upp till 75 % av den totala globala konsumtionen. Andra nyckelderivat inkluderar etoxylater, etanolaminer, etylenglykoletrar och estrar och polyetylenglykol .
Etylenoxid är den viktigaste råvaran som används vid tillverkning av storskaliga kemiska produkter, vilket är grunden för en mängd olika konsumtionsvaror i alla industriländer.
De huvudsakliga användningsanvisningarna för etylenoxid [115] :
Den största användningen av etylenoxid är produktionen av etylenglykoler, men andelen användning i denna form varierar kraftigt beroende på region: från 44 % i Västeuropa , 63 % i Japan och 73 % i Nordamerika till 90 % i övriga Asien och 99 % i Afrika [117] .
EtylenglykolproduktionInom industrin erhålls etylenglykol genom icke-katalytisk hydratisering av etylenoxid vid temperaturer upp till 200°C och ett tryck på 1,5–2 MPa [118] :
Biprodukter från reaktionen är dietylenglykol , trietylenglykol och polyglykoler (cirka 10 % totalt), som separeras från etylenglykol genom destillation under reducerat tryck [119] .
En annan metod: reaktionen av etylenoxid och CO 2 med mellanproduktion av etylenkarbonat (temperatur 80–120 °C och tryck 2–5 MPa) och dess efterföljande hydrolys med dekarboxylering [118] :
För närvarande är de mest moderna teknikerna för produktion av etylenglykol i världen [120] :
De huvudsakliga estrarna av mono-, di- och trietylenglykoler som produceras i industriell skala är metyl, etyl och normal butyl, samt deras acetater och ftalater [122] .
Det kemiska produktionsschemat består i reaktionen av motsvarande alkohol med etylenoxid:
Reaktionen av monoestrar med en syra eller dess anhydrid leder till bildningen av motsvarande estrar:
Produktion av etanolaminerInom industrin erhålls etanolaminer ( mono- , di- och trietanolaminer ) genom reaktion av ammoniak med etylenoxid i ett vattenfritt medium vid en temperatur av 40–70 °C och ett tryck av 1,5–3,5 MPa [123] :
Under reaktionen bildas alla tre etanolaminerna medan ammoniak och en del av monoetanolaminen återvinns. Separering av färdiga produkter sker genom vakuumdestillation .
På liknande sätt erhålls olika hydroxialkylaminer:
Monosubstituerade produkter bildas när ett stort överskott av amin behandlas med etylenoxid i närvaro av vatten och vid temperaturer under 100 °C; disubstituerad - med ett litet överskott av etylenoxid, en temperatur på 120-140 ° C och ett tryck på 0,3-0,5 MPa [124] .
Produktion av etoxylaterFramställningen av etoxylater inom industrin utförs genom direkt reaktion av högre alkoholer, syror eller aminer med etylenoxid i närvaro av en alkalisk katalysator vid en temperatur av 120-180 °C.
För närvarande i branschen är nya etoxylatanläggningar vanligtvis baserade på The BUSS LOOP®-reaktorteknologi [125] .
BUSS LOOP®-reaktorteknologin är en kontinuerlig process som inkluderar tre steg [126] :
För närvarande utförs produktionen av akrylnitril huvudsakligen (90 % från och med 2008 ) med SOHIO-metoden [127] , men fram till 1960 var en av de viktigaste produktionsprocesserna för dess produktion metoden att tillsätta vätecyanid till etylenoxid följt av dehydrering av den resulterande cyanohydrinen [128] [129] :
Tillsatsen av cyanvätesyra till etylenoxid utförs i närvaro av en katalysator ( natriumhydroxid och dietylamin ), och dehydreringen av cyanohydrin sker i gasfasen under den katalytiska verkan av aktiv aluminiumoxid [130] .
Den direkta användningen av etylenoxid i olika sektorer av ekonomin är från och med 2004 endast 0,05 % av den totala världsproduktionen [95] .
Etylenoxid används som desinfektionsmedel och desinfektionsmedel blandat med koldioxid (8,5-80 % etylenoxid), kväve eller diklordifluormetan (12 % etylenoxid) för gassterilisering av medicinsk utrustning och verktyg, sprutor, förpackningsmaterial och overaller, doseringsformer, kirurgisk och vetenskaplig utrustning [95] ; bearbetningsplatser för lagring av olika växtprodukter (tobak, förpackningar med spannmål, påsar med ris, etc.), kläder och pälsar och värdefulla dokument [131] .
Dessutom används etylenoxid som en accelerator för tobaksbladmognad och som en svampdödande medel inom jordbruket [131] .
En specifik riktning i användningen av etylenoxid är dess förmåga att användas som huvudkomponent i volymexplosionsammunition [132] .
Den enklaste kvalitativa reaktionen kan vara etylenoxidens egenskap att fälla ut olösliga metallhydroxider när den passeras genom vattenhaltiga saltlösningar, till exempel:
I analogi med att passera luft genom en vattenlösning av några natrium- eller kaliumsalter ( klorider , jodider , oorganiska tiosulfater , etc.) med tillsats av fenolftalein , detekteras etylenoxid genom uppkomsten av en ljusrosa färg på indikatorn [133] :
Det finns många andra metoder för att identifiera etylenoxid i närvaro av olika medföljande ämnen, bland vilka vi kan nämna [133] :
Den huvudsakliga fysikaliska metoden för bestämning av etylenoxid i olika medier är gaskromatografi [95] .
Ämnet är extremt brandfarligt, dess blandningar med luft är explosiva. Vid upphettning på grund av snabb nedbrytning finns risk för brand och explosion [134] .
Självantändningstemperaturen är 429 °C; minsta brandfarliga innehåll i luft: 2,7% vol. [135]
Etylenoxidbränder släcks med konventionella släckmedel, inklusive skum, koldioxid och vatten. Kampen mot förbränning av etylenoxid är svår, eftersom den under vissa förhållanden kan fortsätta att brinna i en inert atmosfär, såväl som i form av en vattenlösning - för garanterad släckning av en brand måste den spädas ut med vatten i ett förhållande av minst 22:1 [136] .
![]() |
Etylenoxid hämmar utvecklingen av mikroorganismer ( desinficerande egenskaper ), och i tillräcklig koncentration förstör dem helt. Starka alkylerande egenskaper gör etylenoxid till ett universellt gift för protoplasma : [139] ämnet orsakar proteinkoagulering, deaktivering av enzymer och andra biologiskt viktiga komponenter i en levande organism [140] [141]
Etylenoxid verkar starkare mot bakterier (särskilt grampositiva ) än mot jäst och mögel [140] .
Den desinficerande effekten av etylenoxid liknar sin effekt termisk sterilisering, med skillnaden att etylenoxid verkar på föremål huvudsakligen ytligt på grund av dess begränsade penetreringsförmåga.
Sterility Assurance Level (SAL) efter exponering för etylenoxid är 10 −6 [142] , dvs chansen att upptäcka bakterier är inte mer än en på en miljon [143] [144]
Etylenoxid är ett alkyleringsmedel ; har irriterande, sensibiliserande och narkotiska effekter [145] . Kronisk exponering för etylenoxid är mutagen ; IARC klassificerar etylenoxid som grupp 1, med tanke på att det är ett bevisat humant cancerframkallande ämne [146] .
Vid luftkoncentrationer på cirka 200 ppm är det irriterande för slemhinnorna i näsa och svalg; en högre halt orsakar skador på luftstrupen och bronkerna, samt delvis kollaps av lungorna. Höga koncentrationer kan orsaka lungödem och skador på det kardiovaskulära systemet, medan den skadliga effekten av etylenoxid kan uppstå först efter 72 timmar från förgiftningsögonblicket [16] .
Etylenoxid orsakar akut förgiftning, åtföljd av följande symtom: hjärtklappning, muskelryckningar, rodnad i ansiktet, huvudvärk, nystagmus, hörselnedsättning och acidos , kräkningar, yrsel, kortvarig medvetslöshet, söt smak i munnen. Vid akut berusning: kraftig bultande huvudvärk, yrsel, osäkerhet vid gång, talsvårigheter, sömnstörningar, smärta i benen, letargi, stelhet, svettning, ökad muskelexcitabilitet, övergående spasmer i retinala kärl, leverförstoring och kränkning av dess antitoxiska funktion [ 145] .
Etylenoxid har en stark resorptionsförmåga, lätt penetrerande kläder och skor, orsakar hudirritation, blåsbildning dermatit, feber och leukocytos [145] [147]
Värdena för de genomsnittliga dödliga doserna av etylenoxid i förhållande till vissa djur:
De viktigaste ryska hygienstandarderna för etylenoxid [149] :
Etylenoxidgräns i omgivande luft enligt amerikanska standarder (American Conference of Governmental and Industrial Hygienists): 1,8 mg/m³ [150]
![]() | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
|
Syresatta heterocykler | |
---|---|
Trinomial | |
Kvartär | |
Femledad |
|
Sexledad |
|
Sju medlemmar | Kaprolakton (ε-lakton) |