Ethylenoxid | |||
---|---|---|---|
| |||
Generel | |||
Systematisk navn |
oxiran | ||
Traditionelle navne | ethylenoxid, 1,2-epoxyethan, ethylenoxid | ||
Chem. formel | C2H4O _ _ _ _ | ||
Rotte. formel | C2H4O _ _ _ _ | ||
Fysiske egenskaber | |||
Stat | gas | ||
Molar masse | 44,0526 g/ mol | ||
Massefylde | ( til vand[ afklar ] ved 10 °C for flydende ethylenoxid) [1] 0,8824 g/cm³ | ||
Ioniseringsenergi | 10,56 ± 0,01 eV [5] | ||
Termiske egenskaber | |||
Temperatur | |||
• smeltning | −111,3 [2] | ||
• kogning | 10,7 [3] °C | ||
• blinker | < -18 [3] °C | ||
Eksplosionsgrænser | 3 ± 1 vol.% [5] | ||
Kritisk punkt | 195,8°C; 7,19 MPa [3] | ||
Mol. Varmekapacitet | 48,19 [4] J/(mol K) | ||
Entalpi | |||
• uddannelse | −51,04 [4] kJ/mol | ||
Specifik fordampningsvarme | 25,82 [3] | ||
Specifik fusionsvarme | 5.17 [3] | ||
Damptryk | 145,8 kPa (ved 20 °C) [3] | ||
Optiske egenskaber | |||
Brydningsindeks | 1,35965 (ved 7°C) [4] | ||
Klassifikation | |||
Reg. CAS nummer | 75-21-8 | ||
PubChem | 6354 | ||
Reg. EINECS nummer | 200-849-9 | ||
SMIL | C1CO1 | ||
InChI | InChI=1S/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N | ||
RTECS | KX2450000 | ||
CHEBI | 27561 | ||
ChemSpider | 6114 | ||
Sikkerhed | |||
Begræns koncentrationen | 1 mg/m³ | ||
LD 50 | 72 mg/kg | ||
Toksicitet | høj | ||
NFPA 704 |
![]() |
||
Data er baseret på standardbetingelser (25 °C, 100 kPa), medmindre andet er angivet. | |||
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Oksiran ( ethylenoxid, ethylenoxid, 1,2-epoxyethan ) er et organisk kemisk heterocyklisk stof , den kemiske formel er C 2 H 4 O. Under normale forhold er det en farveløs gas med en karakteristisk sødlig lugt. Et ethylenderivat er det enkleste epoxid - en treleddet heterocyklus , hvis ringmolekyle indeholder et oxygenatom og to carbonatomer .
På grund af særegenhederne ved den elektroniske struktur af molekylet indgår ethylenoxid let i additionsreaktioner med åbningen af heterocyklussen og gennemgår derfor let polymerisering .
En blanding af dampe af et stof med luft er ekstremt brandfarlig og eksplosiv.
Ethylenoxid har desinficerende egenskaber, det vil sige, det er en stærk gift for de fleste kendte mikroorganismer , selv i gasform, som bruges til gassterilisering , for eksempel medicinske engangssprøjter .
Det er også en langsomt virkende stærk gift for varmblodede dyr og mennesker , der udviser kræftfremkaldende , mutagene , irriterende og narkotiske virkninger.
Ethylenoxid er et af de vigtige stoffer i grundlæggende organisk syntese og er meget brugt til at opnå mange kemikalier og mellemprodukter, især ethylenglycoler , ethanolaminer , glycol- og polyglycolethere og komplekse ethere og andre forbindelser.
I den kemiske industri fremstilles ethylenoxid ved direkte oxidation af ethylen i nærværelse af en sølvkatalysator .
Ethylenoxid blev opdaget i 1859 af den franske organiske kemiker Charles Adolf Wurtz ved virkningen af kaliumhydroxid på 2-chlorethanol [6] :
Videnskabsmanden var den første til at studere dette stofs egenskaber ved at måle dets kogepunkt [7] og opdagede også dets evne til at reagere med metalsalte og syrer [8] . Wurtz antog fejlagtigt, at ethylenoxid havde egenskaberne som en organisk base. Denne misforståelse varede indtil 1896 , hvor videnskabsmændene Georg Bredig og Alexei Usov ( tysk: Usoff ) opdagede, at ethylenoxid ikke er en elektrolyt [8] .
Stoffets skarpe forskel fra ethere og især dets tilbøjelighed til additionsreaktioner, der ligner umættede forbindelser, har længe været årsag til diskussioner af kemikere omkring ethylenoxids molekylære struktur. Først i 1893 var den heterocykliske tre-leddede struktur af ethylenoxid med forvrængede hjørner sammenlignet med andre oxygenholdige organiske forbindelser [8] .
Den første måde at opnå ethylenoxid på i lang tid forblev den eneste, på trods af adskillige forsøg fra videnskabsmænd, herunder Wurtz selv, på at syntetisere forbindelsen direkte fra ethylen [9] . Først i 1931 udviklede den franske kemiker Theodore Lefort en metode til direkte oxidation af ethylen i nærværelse af en sølvkatalysator [10] . Denne metode i slutningen af det 20. århundrede blev den vigtigste metode til moderne industriel produktion af ethylenoxid.
Epoxycyklussen af ethylenoxid er en næsten regulær trekant med bindingsvinkler på omkring 60° og en signifikant vinkelspænding [11] , til sammenligning er C–O–H-vinklen i alkoholer omkring 110°, i ethere C–O –S vinkel er 120°. Værdien af denne spænding er estimeret ved energien på 105 kJ/mol [12] . Inertimomenter om hovedakserne: 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 relative ustabilitet af carbon-oxygen-bindinger i et molekyle er vist ved at sammenligne brudenergien af to C-O-bindinger i ethylenoxid med brudenergien af en C-O-binding i ethanol og dimethylether : de er tæt på i værdi - forskellen er 12,7% og 5,9 % henholdsvis [14] :
Reaktionsligning | ΔH0298 , kJ / mol | Bestemmelsesmetode |
---|---|---|
(C 2 H 4 ) O → C 2 H 4 + O (brud af to bindinger) | 354,38 | Beregnet ud fra entalpierne for dannelse af atomer |
C 2 H 5 OH → C 2 H 5 + OH (én bindingsbrud) | 405,85 | Elektronisk strejke |
CH 3 OCH 3 → CH 3 O + CH 3 (én bindingsbrud) | 334,72 | Beregnet ud fra entalpierne for dannelse af radikaler |
De strukturelle træk ved ethylenoxidmolekylet bestemmer dets kemiske aktivitet og forklarer den lette ringåbning i adskillige additionsreaktioner (se afsnittet Kemiske egenskaber ).
Ethylenoxid er en farveløs gas (ved 25 °C) eller en mobil væske [15] (ved 0 °C) med en karakteristisk æterisk sødlig lugt, der er mærkbar ved koncentrationer i luft over 500 ppm [16] . Det er meget opløseligt i vand, alkohol , ether og mange andre organiske opløsningsmidler [2] . Kogepunkt: 10,7 °C; smeltepunkt: -111,3 °C; densitet af flydende ethylenoxid ved 10 °C i forhold til vand ved samme temperatur: 0,8824.
Vigtigste termodynamiske egenskaber [4] :
Nogle fysiske konstanter af ethylenoxid:
Overfladespænding i flydende tilstand ved grænsen med sin egen damp [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 | ti | 83,6 |
2,027 | tyve | 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 |
Fysiske egenskaber af flydende ethylenoxid i temperaturområdet fra -40 til 195,8 °C [9] :
Temperatur, °C |
Damptryk, kPa |
Væskeentalpi, J/g |
Entalpi af fordampning, J/g |
Densitet, kg/l |
Varmekapacitet, J/(kg K) |
Termisk ledningsevne, 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 |
Fysiske egenskaber af ethylenoxiddampe i temperaturområdet fra 298 til 800 K [9] :
Temperatur, K | Entropi, J/(mol K) | Dannelsesvarme, kJ/mol | Fri dannelsesenergi, kJ/mol | Viskositet, Pa s | Termisk ledningsevne, W/(m K) | Varmekapacitet, 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 af den molekylære strukturs særegenheder (se afsnittet " Molekylets struktur og parametre ") er ethylenoxid en meget reaktiv forbindelse og reagerer let med forskellige forbindelser med C-O-bindingsspaltning og ringåbning. For forbindelser er reaktioner med nukleofiler mest karakteristiske, idet de finder sted ifølge S N 2 mekanismen både i sure (svage nukleofiler : vand, alkoholer) og alkaliske medier (stærke nukleofiler : OH - , RO - , NH 3 , RNH 2 , RR 'NH og etc.) [12] .
Generel type reaktioner:
Dernæst vil de mest typiske kemiske reaktioner, der involverer ethylenoxid, blive overvejet.
Vandige opløsninger af ethylenoxid er ret stabile og kan eksistere i lang tid uden en mærkbar kemisk reaktion, men tilsætning af en lille mængde syre [23] fører umiddelbart til dannelsen af ethylenglycol selv ved stuetemperatur:
Reaktionen kan også udføres i gasfasen under anvendelse af phosphorsyresalte som katalysator [24] .
Normalt udføres reaktionen i praksis ved en temperatur på ca. 60 °C med et stort overskud af vand for at udelukke reaktionen af den resulterende ethylenglycol med ethylenoxid, hvilket resulterer i dannelsen af di- og triethylenglycoler [ 25] :
Brugen af alkaliske katalysatorer kan føre til dannelsen af polyethylenglycol :
Reaktionen med alkoholer forløber på samme måde , som et resultat af hvilken ethylenglycolethere ( cellosoler ) dannes:
Reaktionen med lavere alkoholer forløber mindre aktivt end med vand, kræver strengere betingelser (opvarmning til 160 °C, tryk op til 3 MPa) og tilstedeværelsen af en sur eller alkalisk katalysator.
Reaktionen af ethylenoxid med højere fedtalkoholer, der bruges til at opnå overfladeaktive forbindelser , forløber i nærværelse af natriummetal , natriumhydroxid eller bortrifluorid [24] .
Når ethylenoxid reagerer i nærværelse af katalysatorer med carboxylsyrer, opnås ufuldstændige estere, og med syreanhydrider opnås fulde estere af glycoler:
Analogt er tilsætning af syreamider også mulig :
Tilsætningen af ethylenoxid til højere carboxylsyrer udføres ved forhøjet temperatur (sædvanligvis 140-180 °C) og tryk (0,3-0,5 MPa) i en inert atmosfære i nærværelse af en alkalisk katalysator (koncentration: 0,01-2%) - hydroxid eller natrium (kalium) carbonat [26] . Carboxylationen fungerer som en nukleofil i reaktionen:
Ethylenoxid reagerer med ammoniak [27] og danner en blanding af mono-, di- og triethanolamin :
Reaktionen kan forløbe på samme måde med primære og sekundære aminer :
Dialkylaminoethanoler kan yderligere reagere med ethylenoxid og danne aminopolyethylenglycoler [9] :
Trimethylamin reagerer med ethylenoxid i nærværelse af vand og danner cholin [28] :
Aromatiske primære og sekundære aminer reagerer også med ethylenoxid til dannelse af de tilsvarende arylaminoalkoholer.
Ethylenoxid reagerer let med vandige opløsninger af hydrogenhalogenider HCl , HBr og HI [29] for at danne halogenhydriner :
Reaktionen med hydrogenhalogenider i vandig opløsning konkurrerer med den syrekatalyserede ethylenoxidhydrering, så ethylenglycol vil altid dannes som et biprodukt med en blanding af diethylenglycol . For at opnå et renere produkt kan reaktionen udføres i gasfasen eller i et organisk opløsningsmiddelmedium.
Ethylenfluorhydrin opnås anderledes: ved vekselvirkning af hydrogenfluorid med en 5-6% opløsning af ethylenoxid i diethylether med et vandindhold på 1,5-2% [30] under kogning [31] .
Halohydriner kan også opnås ved at lede ethylenoxid gennem vandige opløsninger af metalhalogenider [24] :
Interaktionen af ethylenoxid med organomagnesiumforbindelser ( Grignard-reagenser ) kan betragtes som en nukleofil substitution under påvirkning af en carbanion af en organometallisk forbindelse. Slutproduktet af reaktionen vil være en primær alkohol :
Ud over Grignard-reagenser tilsættes andre organometalliske forbindelser, for eksempel alkyllithium, på lignende måde:
Ethylenoxid reagerer let med hydrogencyanid og danner ethylencyanohydrin :
I stedet for HCN kan der anvendes en afkølet (10-20 °C) vandig opløsning af calciumcyanid [32] :
Ethylencyanohydrin mister let vand for at danne acrylonitril :
Tilsætning af svovlbrinte og mercaptanerVed at interagere med hydrogensulfid danner ethylenoxid 2-mercaptoethanol og thiodiglycol, med alkylmercaptaner opnås 2-alkylmercaptoethanol:
Et overskud af ethylenoxid med en vandig opløsning af hydrogensulfid fører til tris-(hydroxyethyl)sulfoniumhydroxid:
Tilsætning af salpetersyre og salpetersyreInteraktionen af ethylenoxid med vandige opløsninger af barium , calcium , magnesium eller zinknitrit , såvel som med en opløsning af natriumnitrit med kuldioxid , fører til dannelsen af 2-nitroethanol [33] :
Reaktionen af ethylenoxid med salpetersyre fører til mono- og dinitroglycol [34] :
Reaktion med forbindelser indeholdende en aktiv methylengruppeReaktionen af ethylenoxid med forbindelser indeholdende en aktiv methylengruppe i nærvær af alkoholater fører til dannelsen af butyrolactoner [35] :
Tilknytning til aromatiske forbindelserEthylenoxid reagerer Friedel-Crafts med benzen og danner phenylethylalkohol :
Ved at udføre reaktionen under andre betingelser (temperatur 315-440°C, tryk 0,35-0,7 MPa, katalysator: aluminosilikat), kan styren opnås i et trin [36] .
Reaktioner til syntese af kroneethereMed ethylenoxid kan et antal poly - leddede heterocykliske forbindelser kendt som kroneethere fremstilles .
En af de velkendte metoder er den kationiske cyclopolymerisation af ethylenoxid med begrænsning af størrelsen af den dannede cyklus [37] :
For at undertrykke dannelsen af sidelineære polymerer anvendes en højfortyndingsmetode - reaktionen udføres i en stærkt fortyndet opløsning [37] .
Af interesse er reaktionen af ethylenoxid med SO 2 i nærvær af cæsiumsalte , hvilket fører til dannelsen af en elleve-leddet heterocyklisk forbindelse med de kompleksdannende egenskaber af kroneethere [38] :
Når ethylenoxid opvarmes til en temperatur på omkring 400 °C eller 150-300 °C i nærvær af katalysatorer ( Al 2 O 3 , H 3 PO 4 , etc.), sker isomerisering til acetaldehyd [39] :
Den radikale mekanisme foreslået af Sidney W. Benson til at forklare reaktionen, der forekommer i gasfasen, omfatter følgende trin [40] [41] :
Partiklen ( ) er et kortvarigt (levetid 10-8,5 sekunder) aktiveret acetaldehydmolekyle, hvis overskudsenergi er ca. 355,6 kJ/mol, hvilket er 29,3 kJ/mol mere end dissociationsenergien af CC-bindingen i acetaldehyd [ 40] .
Termisk isomerisering af ethylenoxid i fravær af en katalysator kan ikke udføres selektivt med dannelse af acetaldehyd, da parallelle radikalreaktioner er mærkbare under disse forhold, og andelen af biprodukter er betydelig (se underafsnit " Termisk nedbrydning ") [42 ] .
Ethylenoxid kan hydrogeneres til dannelse af ethanol i nærværelse af en katalysator:
Nikkel , platin og palladium kan fungere som direkte hydrogeneringskatalysatorer [42] . Det er også muligt at anvende lithiumaluminiumhydrid , boraner og nogle andre hydrider som hydrogeneringsmidler [43] .
Ethylenoxid kan også reduceres med brint i isolationsøjeblikket (reaktion af zinkstøv med eddikesyre ) til ethylen (udbytte op til 70%) [43] :
Tilsvarende forløber reaktionen i nærværelse af en blanding af lithiumaluminiumhydrid med titanium(III)chlorid [44] , jernchlorid med butyllithium i tetrahydrofuran , samt nogle andre midler [43] .
Ethylenoxid kan afhængigt af betingelserne oxideres til glykolsyre eller til kuldioxid :
Dyb gasfaseoxidation af ethylenoxid i en reaktor ved en temperatur på 800–1000 K og et tryk på 0,1–1 MPa fører til en blanding af produkter indeholdende O 2 , H 2 , CO , CO 2 , CH 4 , C 2 H2 , C2H4 , C2H6 , C3H6 , C3H8 , CH3CHO [ 45 ] . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
I nærvær af sure katalysatorer kan dimerisering af ethylenoxid udføres for at danne dioxan :
Reaktionsmekanismen er som følger [42] :
Dimeriseringsreaktionen er ikke selektiv, da der i løbet af dens implementering altid dannes biprodukter og især acetaldehyd (på grund af isomeriseringsreaktionen ).
For at accelerere og øge selektiviteten af reaktionen kan platin- eller platin- palladium - katalysatorer samt elementært jod sammen med sulfolan (i dette tilfælde dannes 2-methyl-1,3-dioxolan som et biprodukt) anvendes. [46] .
Flydende ethylenoxid kan under påvirkning af forskellige faktorer danne polyethylenglycoler . Polymerisationsprocessen kan have både radikale og ioniske mekanismer, men i praksis er det kun sidstnævnte, der er meget udbredt [47] .
Den kationiske polymerisation af ethylenoxid forløber under påvirkning af protiske syrer ( HClO 4 , HCl ), Lewis-syrer ( SnCl 4 , BF 3 , etc.), organometalliske forbindelser eller mere komplekse flerkomponentsammensætninger [47] :
Reaktionsmekanismen er som følger [48] .
Det første trin er initieringen af katalysatoren (MX m ) under påvirkning af et alkyl- eller acylhalogenid eller en forbindelse med et aktivt hydrogenatom, sædvanligvis vand, alkohol eller glycol:
Det resulterende aktive kompleks reagerer med ethylenoxid i henhold til S N 2 - mekanismen:
Circuit break:
Anionisk polymerisation af ethylenoxid forløber under påvirkning af baser: alkoholater , hydroxider , carbonater eller andre forbindelser af alkali- eller jordalkalimetaler [47] .
Reaktionsmekanismen er som følger [48] :
Ethylenoxid er en termisk stabil forbindelse: i fravær af katalysatorer op til 300°C gennemgår den ikke termolyse, og først efter 570°C begynder en mærkbar proces med eksoterm nedbrydning, der forløber af en radikal mekanisme [42] . I det første trin sker der isomerisering (se underafsnit " Isomeriseringsreaktion "), men med stigende temperatur accelererer radikalprocessen, og som reaktionsprodukter opnås en gasblanding indeholdende, udover acetaldehyd , ethan , ethylen , methan , hydrogen , carbonmonoxid (II) , keten , formaldehyd [49] .
Højtemperaturpyrolyse ( 830-1200 K) ved forhøjet tryk i et inert medium fører til en mere kompleks sammensætning af gasblandingen, hvori der yderligere påvises acetylen og propan [50] .
Kædeinitiering, i modsætning til isomeriseringsreaktionen, forløber hovedsageligt som følger [50] :
Ved at udføre den termiske ødelæggelse af ethylenoxid i nærværelse af overgangsmetalforbindelser som katalysatorer er det muligt ikke kun at reducere dens temperatur, men også at opnå ethylen som hovedprodukt , det vil sige faktisk at udføre det omvendte reaktion på syntesen af ethylenoxid ved direkte oxidation.
Under påvirkning af thiocyanationer eller thiourinstof omdannes ethylenoxid til thiiran (ethylensulfid) [51] :
Fosforpentachlorid danner i vekselvirkning med ethylenoxid dichlorethan [24] :
Analogt kan dichlorderivater fra ethylenoxid opnås ved indvirkning af SOCl 2 og pyridin , triphenylphosphin og CCl 4 [52] .
Fosfortrichlorid med ethylenoxid danner chlorethylestere af phosphorsyre [24] :
Reaktionsproduktet af ethylenoxid med carboxylsyrechlorider i nærvær af natriumiodid er iodethylester [52] :
Når ethylenoxid opvarmes med kuldioxid i et upolært opløsningsmiddel ved 100°C i nærværelse af bis- (triphenylphosphin)-nikkel(0), dannes ethylencarbonat [53] :
I industrien udføres en lignende reaktion ved forhøjet tryk og temperatur i nærværelse af kvaternære ammonium- eller phosphoniumsalte som katalysator [54] .
Reaktionen af ethylenoxid med formaldehyd i nærvær af en katalysator ved en temperatur på 80-150°C fører til dannelsen af 1,3-dioxolan [55] :
Hvis andre aldehyder eller ketoner anvendes i stedet for formaldehyd , kan 2-substituerede 1,3-dioxolaner opnås (udbytte 70-85%, katalysator: tetraethylammoniumbromid) [55] .
Katalytisk hydroformylering af ethylenoxid fører til dannelsen af hydroxypropanal og derefter propan-1,3-diol [56] :
Dehydrochlorering af ethylenchlorhydrin , opdaget af Wurtz, er stadig en af de mest almindelige laboratoriemetoder til opnåelse af ethylenoxid:
Reaktionen udføres ved opvarmning, mens man udover natrium- eller kaliumhydroxid kan bruge calcium- , barium- eller magnesiumhydroxider samt alkali- eller jordalkalimetalcarbonater [ 57] .
Til gengæld opnås ethylenchlorhydrin i laboratoriet ved hjælp af en af metoderne anført nedenfor [57] :
eller
En bekvem og en af de ældste præparative metoder til opnåelse af ethylenoxid er virkningen af alkali på chlorethylacetat [58] :
Med et højt udbytte (op til 90%) kan ethylenoxid opnås ved påvirkning af calciumoxid (med andre alkalier falder reaktionsudbyttet) på ethylhypochlorit [58] :
Til gengæld opnås ethylhypochlorit ved reaktionen:
Til epoxidering af ethylen under laboratorieforhold anvendes peroxysyrer , for eksempel peroxybenzoesyre eller meta -chlorperoxybenzoesyre [59] :
Oxidation med persyrer er effektiv for højere alkener, men deres anvendelse til ethylen, selvom det er muligt, er muligvis ikke fuldt ud berettiget i praksis på grund af reaktionens varighed og lave udbytte [58] .
Andre forberedende metoder omfatter følgende [58] :
Fra nyere publikationer nævner vi brugen af en blandet lithium-sølv-aluminium-katalysator til direkte oxidation af ethanol til ethylenoxid [60] :
Begyndelsen på den industrielle produktion af ethylenoxid går tilbage til 1914 , hvor chlorhydrinprocessen blev lanceret (reaktionen af ethylenchlorhydrin med calciumhydroxid ), hvilket monopol eksisterede indtil 1937 . Det første ethylenoxidanlæg blev bygget under Første Verdenskrig af BASF [61] . Chlorhydrin-processen var i starten ikke helt effektiv, selv uden at tage økonomiske indikatorer i betragtning, da den mistede værdifuldt klor i form af calciumchlorid som et resultat .
Fra 1930'erne begyndte denne proces at blive erstattet af direkte gasfaseoxidation af ethylen med luft, og fra 1958 med oxygen, i nærværelse af en sølvkatalysator, ved et tryk på 1-3 MPa og en temperatur på 200 –300 °C (direkte oxidation af ethylen blev opdaget i 1931 år af Lefort) [62] .
En mere økonomisk metode til direkte oxidation af ethylen leverede omkring halvdelen af al ethylenoxid produceret i USA i midten af 1950'erne , og efter 1975 erstattede den helt den gamle metode [62] .
I Sovjetunionen blev den første industrielle produktion af ethylenoxid, udført i overensstemmelse med chlorhydrin-processen, lanceret i 1936 [63] ; Samtidig blev der gennemført en intensiv søgen efter en mere økonomisk teknologi. Arbejdet med at skabe deres egen metode til fremstilling af ethylenoxid ved direkte oxidation af ethylen på en sølvkatalysator blev udført under vejledning af professor P. V. Zimakov i 1938-1942. [64] , som dannede grundlaget for den første indenlandske industrielle produktion af ethylenoxid ved direkte katalytisk oxidation af ethylen, lanceret kort efter Den Store Fædrelandskrig [63] .
Chlorhydrinprocessen var den første industrielle metode til fremstilling af ethylenoxid, og selvom den i begyndelsen af det 21. århundrede blev fuldstændig erstattet af metoden til direkte oxidation af ethylen, er bekendtskab med den ikke kun af historisk interesse, men også praktisk interesse: metoden bruges stadig til fremstilling af propylenoxid [65] .
Teknologisk består chlorhydrinprocessen af følgende trin:
I praksis fremstilles ethylenoxid ved en kontinuerlig metode. I den første reaktionssøjle forekommer ethylenhypochlorering med dannelse af ethylenchlorhydrin [66] :
For at reducere omdannelsen af ethylen til dichlorethan (reaktion [3] ) holdes koncentrationen af ethylenchlorhydrin på et niveau på 4-6%, og selve opløsningen opvarmes med damp til kogepunktet [66] .
Derefter kommer en vandig opløsning af ethylenchlorhydrin ind i den anden reaktionssøjle, hvor den reagerer med en 30 % opløsning af calciumhydroxid ved en temperatur på 100 °C [66] :
Rensning af ethylenoxid fra urenheder udføres ved destillation . Chlorhydrinprocessen gør det muligt at opnå 95% ethylenomdannelse, udbyttet af ethylenoxid er 80% af teoretisk; 200 kg dichlorethan opnås pr. 1 ton af det resulterende produkt [66] .
Metoden til direkte oxidation af ethylen med oxygen i nærværelse af en sølvkatalysator blev første gang patenteret af Lefort i 1931. I fremtiden blev denne metode undersøgt, gentagne gange modificeret og modtaget forskellige variationer til industriel brug. Der er mindst fire mest almindelige udviklinger [67] , som dannede grundlaget for moderne kommercielt effektive løsninger [68] :
I ældre anlæg anvendes som regel ethylenoxidproduktionsordninger, hvor luft fungerer som oxidationsmiddel ( Union Carbide, Scientific Design ). I moderne produktion bruges ilt til oxidation ( Union Carbide - Meteor proces, Shell, Scientific Design - anden version, Japan Catalytic ) [73] .
Kemi og kinetik af den direkte oxidation af ethylenFormelt kan processen med direkte oxidation af ethylen i nærværelse af en sølvkatalysator skrives som en ligning:
På samme tid, ved at studere den praktiske reaktionsproces, kan man observere en betydelig mængde kuldioxid og vand i dets produkter, hvilket kunne forklares ved den fuldstændige oxidation af ethylen eller ethylenoxid:
Mekanismen for reaktionen ved direkte oxidation af ethylen er blevet undersøgt i vid udstrækning, men i øjeblikket er der ingen generelt accepteret mening fra det videnskabelige samfund om dette spørgsmål.
I 1970'erne blev processen med heterogen katalytisk oxidation af ethylen undersøgt og beskrevet af P. A. Kilty og W. M. H. Sachtler, som foreslog følgende mekanisme for det [74] :
Her (annoncer) er partiklerne adsorberet på katalysatoroverfladen; (adj) - sølvpartikler, der støder direkte op til oxygenatomer.
Det generelle reaktionsskema vil se således ud:
Således blev den maksimale grad af omdannelse af ethylen til ethylenoxid bestemt: 6/7 eller 85,7 % [74] .
Denne mekanisme var i overensstemmelse med undersøgelserne af W. Herzog, der brugte nitrogenoxid (I) som et oxidationsmiddel [74] :
Senere undersøgelser af mekanismen for ethylenoxidation ved hjælp af en sølvkatalysator viste, at denne mekanisme ikke er helt korrekt, og processen med ethylenoxiddannelse begynder først, efter at metallet er aktiveret af ilt, og oxygenmolekyler indføres i katalysatoroverfladen. Det er denne aktive ilt under overfladen, der kommer i yderligere reaktion med ethylen, hvilket muliggør selektiv oxidation [75] , som gør det muligt at bringe den teoretiske omdannelse af ethylen til epoxid op på 100 % [76] .
Søgningen efter en katalysator til selektiv oxidation af ethylen, som med succes blev udført i 1930'erne, førte til metallisk sølv aflejret på forskellige understøtninger ( pimpsten , silicagel , forskellige silikater og aluminosilicater , aluminiumoxid , siliciumcarbid osv.) og aktiveret med specielle tilsætningsstoffer ( antimon , bismuth , bariumperoxid osv.) [77] . Forsøget viste, at de optimale betingelser for reaktionen er en temperatur på 220-280 °C (en lavere temperatur gør katalysatoren inaktiv, og en højere temperatur reducerer reaktionens selektivitet på grund af en dybere oxidation af ethylen) og et tryk på 1-3 MPa (øger katalysatorens produktivitet og letter absorptionen af ethylenoxid fra reaktionsgasser) [77] .
På trods af eksistensen af en enkelt grundlæggende kemisk proces til katalytisk oxidation af ethylen, er der i praksis to forskellige teknologiske systemer til oxidation: den ældre, som involverer brugen af luft, og den nyere, der bruger oxygen (>95 %) .
En sammenlignende analyse af de to ordninger er præsenteret i følgende tabel [9] :
Muligheder | Luftoxidation | Oxidation med ilt |
---|---|---|
Ethylenindhold i gasblandingen, molprocent | 2-10 | 20-35 |
Procestemperatur, °C | 220-277 | 220-235 |
Arbejdstryk, MPa | 1-3 | 2-3 |
Omregning (for ethylen), % | 20-65 | 8-12 |
Faktisk udbytte af ethylenoxid, molprocent | 63-75 | 75-82 |
Ud over generelle økonomiske overvejelser er fordelen ved ethylenoxidation med oxygen som følger [78] :
Ethylenoxid er et af de største organiske mellemprodukter i verdens kemiske produktion målt i volumen, kun næst efter ethylen (113 millioner tons i 2008 [79] ), propylen (73 millioner tons i 2008 [80] ), ethanol (52 millioner tons i 2008 [81] ), benzen (41 millioner tons i 2008 [82] ), methanol (40 millioner tons i 2008 [83] ), terephthalsyre (39 millioner tons i 2008 [84] ), vinylchlorid (36,7 millioner tons i 2008 [85] ), dichlorethan (36,6 millioner tons i 2008 [86] ), ethylbenzen (29,2 millioner tons i 2008 [87] ), p-xylen (28 millioner tons i 2008 [88] ), styren (26 millioner tons i 2008 [89] ), n-butylen (21 millioner tons i 2008 [90] ) og toluen (20 millioner tons i 2008 [91] ).
Produktionen af ethylenoxid er den næstvigtigste anvendelse af ethylen efter polyethylen som det vigtigste kemiske råmateriale og tegner sig for 14,6 % af dets verdensforbrug (fra 2008) [92] .
Verdensproduktionen af ethylenoxid udgjorde i 2012 21 millioner tons (i 2010 - 19,5 millioner tons, i 2008 - 19 millioner tons, i 2007 - 18 millioner tons), hvilket er omkring 90% af verdens produktionskapacitet (i 2007 - 93%) [93] [94] . Ifølge prognosedata fra Merchant Research and Consulting Ltd. Arkiveret 16. august 2014 på Wayback Machine vil forbruget af ethylenoxid i 2016 stige til 24,2 millioner tons [93] .
Fra 2004 er verdensproduktionen af ethylenoxid efter region som følger [95] :
Område | Antal producenter | Produktion, tusinde tons |
---|---|---|
Nordamerika USA Canada Mexico |
10 3 3 |
4009 1084 350 |
Sydamerika Brasilien Venezuela |
2 1 |
312 82 |
Europa Belgien Frankrig Tyskland Holland Spanien Tyrkiet Storbritannien Østeuropa |
2 1 4 2 1 1 1 ingen data |
770 215 995 460 100 115 300 950 |
Mellemøsten Iran Kuwait Saudi-Arabien |
2 1 2 |
201 350 1781 |
Asien Kina Taiwan Indien Indonesien Japan Malaysia Sydkorea Singapore |
ingen data 4 >2 1 4 1 3 1 |
1354 820 488 175 949 385 740 80 |
Verdens største producenter af ethylenoxid målt i produktionskapacitet, fra 2006 (nr. 1, 2, 5, 6), 2008-2009 (Nr. 3, 4, 7):
Ifølge 2013-data er 39% af verdensproduktionen af ethylenoxid i Asien , og 45% er koncentreret i tre lande - USA, Kina og Saudi-Arabien [93] .
Fra 2013 er verdens største ethylenoxidproducenter Shell, Dow Chemical Company, SINOPEC Corp., Honam Petrochemical Corp, Ineos Oxide, Nan Ya Plastics Corp, Yanbu National Petrochemical Co, Saudi Kayan Petrochemical Company, MEGlobal og Shanghai Petrochemical [93] ] .
Ethylene Oxide & Derivatives Producers Association [104] er medlem af European Ethylene Oxide & Derivatives Producers Association [104] og er: Akzo Nobel Functional Chemical, BASF, Clariant, Dow Europe, Ineos Oxide, La Seda de Barcelona, Lukoil Neftochim, ME Global, Sabic, Sasol Tyskland, Shell Chemicals [105] .
Ethylenoxidproduktion i Rusland udføres på følgende virksomheder:
Den samlede mængde ethylenoxidproduktion i Rusland i 2008 udgjorde 531,7 tusinde tons, hvilket er 2% lavere end i 2007 [110] .
Produktionen af ethylenoxid i Rusland udføres i overensstemmelse med GOST 7568-88 [113] .
Hovedretningen for brugen af ethylenoxid er produktionen af ethylenglycoler [114] : op til 75 % af det samlede globale forbrug. Andre nøglederivater omfatter ethoxylater, ethanolaminer, ethylenglycolethere og -estere og polyethylenglycol .
Ethylenoxid er det vigtigste råmateriale, der bruges til fremstilling af kemiske produkter i stor skala, som er grundlaget for en lang række forbrugsvarer i alle industrilande.
De vigtigste brugsanvisninger for ethylenoxid [115] :
Den største anvendelse af ethylenoxid er produktionen af ethylenglycoler, men procentdelen af dets anvendelse i denne form varierer meget afhængigt af regionen: fra 44 % i Vesteuropa , 63 % i Japan og 73 % i Nordamerika til 90 % i resten af Asien og 99 % i Afrika [117] .
EthylenglycolproduktionI industrien opnås ethylenglycol ved ikke-katalytisk hydrering af ethylenoxid ved temperaturer op til 200°C og et tryk på 1,5-2 MPa [118] :
Biprodukter fra reaktionen er diethylenglycol , triethylenglycol og polyglycoler (ca. 10% i alt), som adskilles fra ethylenglycol ved destillation under reduceret tryk [119] .
En anden metode: reaktionen af ethylenoxid og CO 2 med den mellemliggende produktion af ethylencarbonat (temperatur 80-120 °C og tryk 2-5 MPa) og dens efterfølgende hydrolyse med decarboxylering [118] :
I øjeblikket er de mest moderne teknologier til produktion af ethylenglycol i verden [120] :
De vigtigste estere af mono-, di- og triethylenglycoler fremstillet i industriel skala er methyl, ethyl og normal butyl, samt deres acetater og phthalater [122] .
Det kemiske produktionsskema består i reaktionen af den tilsvarende alkohol med ethylenoxid:
Reaktionen af monoestere med en syre eller dens anhydrid fører til dannelsen af de tilsvarende estere:
Produktion af ethanolaminerI industrien opnås ethanolaminer ( mono- , di- og triethanolaminer ) ved omsætning af ammoniak med ethylenoxid i et vandfrit medium ved en temperatur på 40-70 °C og et tryk på 1,5-3,5 MPa [123] :
Under reaktionen dannes alle tre ethanolaminer, mens ammoniak og en del af monoethanolaminen recirkuleres. Separering af færdige produkter udføres ved vakuumdestillation .
Tilsvarende opnås forskellige hydroxyalkylaminer:
Monosubstituerede produkter dannes, når et stort overskud af amin behandles med ethylenoxid i nærværelse af vand og ved temperaturer under 100 °C; disubstitueret - med et lille overskud af ethylenoxid, en temperatur på 120-140 ° C og et tryk på 0,3-0,5 MPa [124] .
Fremstilling af ethoxylaterFremstillingen af ethoxylater i industrien udføres ved direkte reaktion af højere alkoholer, syrer eller aminer med ethylenoxid i nærværelse af en alkalisk katalysator ved en temperatur på 120-180 °C.
I øjeblikket i industrien er nye ethoxylatfaciliteter typisk baseret på BUSS LOOP®-reaktorteknologien [125] .
BUSS LOOP®-reaktorteknologien er en kontinuerlig proces, der omfatter tre trin [126] :
I øjeblikket udføres produktionen af acrylonitril hovedsageligt (90% fra 2008 ) ved SOHIO-metoden [127] , men indtil 1960 var en af de vigtigste produktionsprocesser for dets produktion metoden til at tilsætte hydrogencyanid til ethylenoxid , efterfulgt af dehydrering af det resulterende cyanohydrin [128] [129] :
Tilsætningen af blåsyre til ethylenoxid udføres i nærværelse af en katalysator ( natriumhydroxid og diethylamin ), og dehydreringen af cyanohydrin sker i gasfasen under den katalytiske virkning af aktivt aluminiumoxid [130] .
Den direkte brug af ethylenoxid i forskellige sektorer af økonomien udgør i 2004 kun 0,05 % af den samlede verdensproduktion [95] .
Ethylenoxid anvendes som røggas- og desinfektionsmiddel blandet med kuldioxid (8,5-80 % ethylenoxid), nitrogen eller dichlordifluormethan (12 % ethylenoxid) til gassterilisering af medicinsk udstyr og værktøj, sprøjter, emballagematerialer og overalls, doseringsformer, kirurgisk og videnskabeligt udstyr [95] ; forarbejdningssteder for opbevaring af forskellige planteprodukter (tobak, kornpakker, poser med ris osv.), tøj og pelse og værdifulde dokumenter [131] .
Derudover bruges ethylenoxid som en accelerator for tobaksbladmodning og som et fungicid i landbruget [131] .
En specifik retning i brugen af ethylenoxid er dets evne til at blive brugt som hovedkomponenten i volumeneksplosionsammunition [132] .
Den enkleste kvalitative reaktion kan være ethylenoxids egenskab til at udfælde uopløselige metalhydroxider , når det ledes gennem vandige saltopløsninger, for eksempel:
I analogi med at passere luft gennem en vandig opløsning af nogle natrium- eller kaliumsalte ( chlorider , iodider , uorganiske thiosulfater , etc.) med tilsætning af phenolphtalein , detekteres ethylenoxid ved udseendet af en lys lyserød farve på indikatoren [133] :
Der er mange andre metoder til at identificere ethylenoxid i nærvær af forskellige ledsagende stoffer, blandt hvilke vi kan nævne [133] :
Den vigtigste fysiske metode til bestemmelse af ethylenoxid i forskellige medier er gaskromatografi [95] .
Stoffet er ekstremt brandfarligt, dets blandinger med luft er eksplosive. Ved opvarmning på grund af hurtig nedbrydning er der risiko for brand og eksplosion [134] .
Selvantændelsestemperaturen er 429 °C; mindste brandfarlige indhold i luft: 2,7 % vol. [135]
Ethylenoxidbrande slukkes ved hjælp af konventionelle slukningsmidler, herunder skum, kuldioxid og vand. Kampen mod afbrænding af ethylenoxid er vanskelig, da den under visse forhold kan fortsætte med at brænde i en inert atmosfære såvel som i form af en vandig opløsning - for garanteret slukning af en brand skal den fortyndes med vand i et forhold på mindst 22:1 [136] .
![]() |
Ethylenoxid hæmmer udviklingen af mikroorganismer ( desinficerende egenskaber ), og i tilstrækkelig koncentration ødelægger dem fuldstændigt. Stærke alkylerende egenskaber gør ethylenoxid til en universel gift for protoplasma : [139] stoffet forårsager proteinkoagulation, deaktivering af enzymer og andre biologisk vigtige komponenter i en levende organisme [140] [141]
Ethylenoxid virker stærkere mod bakterier (især gram -positive) end mod gær og skimmelsvampe [140] .
Den desinficerende effekt af ethylenoxid ligner i sin virkning termisk sterilisering, med den forskel, at ethylenoxid virker på genstande hovedsageligt overfladisk på grund af dets begrænsede gennemtrængningsevne.
Sterility Assurance Level (SAL) efter eksponering for ethylenoxid er 10 −6 [142] , dvs. chancen for at opdage bakterier er ikke mere end én ud af en million [143] [144]
Ethylenoxid er et alkyleringsmiddel ; har irriterende, sensibiliserende og narkotiske virkninger [145] . Kronisk eksponering for ethylenoxid er mutagen ; IARC klassificerer ethylenoxid som gruppe 1, idet det betragtes som et bevist kræftfremkaldende stof for mennesker [146] .
Ved luftkoncentrationer på omkring 200 ppm er det irriterende for slimhinderne i næse og svælg; et højere indhold forårsager skader på luftrøret og bronkierne, samt delvist kollaps af lungerne. Høje koncentrationer kan forårsage lungeødem og skader på det kardiovaskulære system, mens skadevirkningen af ethylenoxid først kan opstå efter 72 timer fra forgiftningsøjeblikket [16] .
Ethylenoxid forårsager akut forgiftning, ledsaget af følgende symptomer: hjertebanken, muskeltrækninger, rødmen i ansigtet, hovedpine, nystagmus, høretab og acidose , opkastning, svimmelhed, kortvarigt bevidsthedstab, sød smag i munden. Ved akut forgiftning: alvorlig bankende hovedpine, svimmelhed, usikkerhed ved gang, talebesvær, søvnforstyrrelser, smerter i benene, sløvhed, stivhed, svedtendens, øget muskelspænding, forbigående spasmer i nethindens kar, leverforstørrelse og krænkelse af dens antitoksiske funktion [ 145] .
Ethylenoxid har en stærk resorptionskapacitet, let gennemtrængende tøj og fodtøj, hvilket forårsager hudirritation, blærer dermatitis, feber og leukocytose [145] [147]
Værdierne af de gennemsnitlige dødelige doser af ethylenoxid i forhold til nogle dyr:
De vigtigste russiske hygiejniske standarder for ethylenoxid [149] :
Ethylenoxidgrænse i omgivende luft i henhold til amerikanske standarder (American Conference of Governmental and Industrial Hygienists): 1,8 mg/m³ [150]
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|
Oxygenerede heterocykler | |
---|---|
Trinomial | |
Kvartær | |
Fem-medlemmer |
|
Seks-medlemmer |
|
Syvmand | Caprolacton (ε-lacton) |