Ethylenoxid | |||
---|---|---|---|
| |||
Všeobecné | |||
Systematický název |
oxiran | ||
Tradiční jména | ethylenoxid, 1,2-epoxyethan, ethylenoxid | ||
Chem. vzorec | C2H4O _ _ _ _ | ||
Krysa. vzorec | C2H4O _ _ _ _ | ||
Fyzikální vlastnosti | |||
Stát | plyn | ||
Molární hmotnost | 44,0526 g/ mol | ||
Hustota | ( pro vodu[ vyjasnit ] při 10 °C pro kapalný ethylenoxid) [1] 0,8824 g/cm³ | ||
Ionizační energie | 10,56 ± 0,01 eV [5] | ||
Tepelné vlastnosti | |||
Teplota | |||
• tání | −111,3 [2] | ||
• vroucí | 10,7 [3] °C | ||
• bliká | < -18 [3] °C | ||
Meze výbušnosti | 3 ± 1 obj. % [5] | ||
Kritický bod | 195,8 °C; 7,19 MPa [3] | ||
Mol. tepelná kapacita | 48,19 [4] J/(mol K) | ||
Entalpie | |||
• vzdělávání | −51,04 [4] kJ/mol | ||
Měrné výparné teplo | 25,82 [3] | ||
Měrné teplo tání | 5.17 [3] | ||
Tlak páry | 145,8 kPa (při 20 °C) [3] | ||
Optické vlastnosti | |||
Index lomu | 1,35965 (při 7 °C) [4] | ||
Klasifikace | |||
Reg. Číslo CAS | 75-21-8 | ||
PubChem | 6354 | ||
Reg. číslo EINECS | 200-849-9 | ||
ÚSMĚVY | C1CO1 | ||
InChI | InChI=1S/C2H4O/cl-2-3-1/h1-2H2IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N | ||
RTECS | 2450000 KX | ||
CHEBI | 27561 | ||
ChemSpider | 6114 | ||
Bezpečnost | |||
Limitní koncentrace | 1 mg/m³ | ||
LD 50 | 72 mg/kg | ||
Toxicita | vysoký | ||
NFPA 704 | čtyři 3 3 | ||
Údaje jsou založeny na standardních podmínkách (25 °C, 100 kPa), pokud není uvedeno jinak. | |||
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Oksiran ( ethylenoxid, ethylenoxid, 1,2-epoxyethan ) je organická chemická heterocyklická látka , chemický vzorec je C 2 H 4 O. Za normálních podmínek je to bezbarvý plyn s charakteristickým nasládlým zápachem. Derivát ethylenu je nejjednodušší epoxid - tříčlenný heterocyklus , jehož molekula kruhu obsahuje jeden atom kyslíku a dva atomy uhlíku .
Vzhledem ke zvláštnostem elektronové struktury molekuly ethylenoxid snadno vstupuje do adičních reakcí s otevřením heterocyklu, a proto snadno podléhá polymeraci .
Směs par látky se vzduchem je extrémně hořlavá a výbušná.
Ethylenoxid má dezinfekční vlastnosti, to znamená, že je silným jedem pro většinu známých mikroorganismů , a to i v plynné formě, který se používá ke sterilizaci plynem , například jednorázové lékařské stříkačky .
Je to také pomalu působící silný jed pro teplokrevná zvířata a lidi , vykazuje karcinogenní , mutagenní , dráždivé a narkotické účinky.
Ethylenoxid je jednou z důležitých látek základní organické syntézy a je široce používán k získání mnoha chemikálií a meziproduktů, zejména ethylenglykolů , ethanolaminů , glykol- a polyglykoletherů a komplexních etherů a dalších sloučenin.
V chemickém průmyslu se ethylenoxid vyrábí přímou oxidací ethylenu v přítomnosti stříbrného katalyzátoru .
Ethylenoxid objevil v roce 1859 francouzský organický chemik Charles Adolf Wurtz působením hydroxidu draselného na 2-chlorethanol [6] :
Vědec jako první zkoumal vlastnosti této látky měřením jejího bodu varu [7] a objevil také její schopnost reagovat se solemi kovů a kyselinami [8] . Wurtz se mylně domníval, že ethylenoxid má vlastnosti organické báze. Tato mylná představa trvala až do roku 1896 , kdy vědci Georg Bredig a Alexei Usov ( německy Usoff ) zjistili, že ethylenoxid není elektrolyt [8] .
Prudká odlišnost látky od etherů a zejména její sklon k adičním reakcím podobným nenasyceným sloučeninám je již dlouho příčinou diskusí chemiků o molekulární struktuře ethylenoxidu. Teprve v roce 1893 byla heterocyklická tříčlenná struktura ethylenoxidu s deformovanými rohy ve srovnání s jinými organickými sloučeninami obsahujícími kyslík [8] .
První způsob, jak získat ethylenoxid, zůstával po dlouhou dobu jediným, a to i přes četné pokusy vědců, včetně samotného Wurtze, syntetizovat sloučeninu přímo z ethylenu [9] . Teprve v roce 1931 francouzský chemik Theodore Lefort vyvinul metodu přímé oxidace ethylenu za přítomnosti stříbrného katalyzátoru [10] . Tato metoda se na konci 20. století stala hlavní metodou moderní průmyslové výroby ethylenoxidu.
Epoxidový cyklus ethylenoxidu je téměř pravidelný trojúhelník s vazebnými úhly asi 60° a výrazným úhlovým napětím [11] , pro srovnání u alkoholů je úhel C–O–H asi 110°, v etherech C–O – Úhel С je 120° . Hodnota tohoto napětí se odhaduje na energii 105 kJ/mol [12] . Momenty setrvačnosti kolem hlavních os: I A = 32,921⋅10 −40 g cm², I B = 37,926⋅10 −40 g cm², IC = 59,510⋅10 −40 g cm² [13] .
Relativní nestabilitu vazeb uhlík-kyslík v molekule ukazuje srovnání energie rozpadu dvou vazeb C-O v ethylenoxidu s energií rozpadu jedné vazby C-O v ethanolu a dimethyletheru : jsou blízko hodnoty - rozdíl je 12,7 % respektive 5,9 % [14] :
Reakční rovnice | AHo 298 , kJ /mol | Způsob stanovení |
---|---|---|
(C 2 H 4 )O → C 2 H 4 + O (přerušení dvou vazeb) | 354,38 | Vypočteno z entalpií tvorby atomů |
C 2 H 5 OH → C 2 H 5 + OH (přerušení jedné vazby) | 405,85 | Elektronický úder |
CH 3 OCH 3 → CH 3 O + CH 3 (přerušení jedné vazby) | 334,72 | Vypočteno z entalpií tvorby radikálů |
Strukturní rysy molekuly ethylenoxidu určují její chemickou aktivitu a vysvětlují snadnost otevření kruhu při četných adičních reakcích (viz část Chemické vlastnosti ).
Ethylenoxid je bezbarvý plyn (při 25 °C) nebo pohyblivá kapalina [15] (při 0 °C) s charakteristickým éterickým nasládlým zápachem, který je patrný při koncentracích ve vzduchu nad 500 ppm [16] . Je vysoce rozpustný ve vodě, alkoholu , éteru a mnoha dalších organických rozpouštědlech [2] . Bod varu: 10,7 °C; teplota tání: -111,3 °C; hustota kapalného ethylenoxidu při 10 °C vzhledem k vodě při stejné teplotě: 0,8824.
Hlavní termodynamické charakteristiky [4] :
Některé fyzikální konstanty ethylenoxidu:
Povrchové napětí v kapalném stavu na rozhraní s vlastní párou [17] :T , °C | σ, mJ/m² |
---|---|
−50,1 | 35.8 |
−0,1 | 27.6 |
P , MPa | P , bankomat | T , °C |
---|---|---|
0,507 | 5 | 57,7 |
1,013 | deset | 83,6 |
2,027 | dvacet | 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 |
Fyzikální vlastnosti kapalného ethylenoxidu v teplotním rozsahu od −40 do 195,8 °C [9] :
Teplota, °C |
Tlak páry, kPa |
Kapalná entalpie, J/g |
Entalpie odpařování, J/g |
Hustota, kg/l |
Tepelná kapacita, J/(kg K) |
Tepelná vodivost, 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 | není k dispozici [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 |
Fyzikální vlastnosti par ethylenoxidu v teplotním rozsahu od 298 do 800 K [9] :
Teplota, K | Entropie, J/(mol K) | Tvořivé teplo, kJ/mol | Volná energie tvorby, kJ/mol | Viskozita, Pa s | Tepelná vodivost, W/(m K) | Tepelná kapacita, 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 |
Vzhledem ke zvláštnostem molekulární struktury (viz část " Struktura a parametry molekuly ") je ethylenoxid velmi reaktivní sloučeninou a snadno reaguje s různými sloučeninami štěpením vazby C-O a otevřením kruhu. Pro sloučeniny jsou nejcharakterističtější reakce s nukleofily , probíhají podle mechanismu S N 2 jak v kyselém (slabé nukleofily : voda, alkoholy), tak v alkalickém prostředí (silné nukleofily : OH - , RO - , NH 3 , RNH 2 , RR 'NH atd.) [12] .
Obecný typ reakcí:
Dále budou zvažovány nejtypičtější chemické reakce zahrnující ethylenoxid.
Vodné roztoky ethylenoxidu jsou poměrně stabilní a mohou existovat po dlouhou dobu bez znatelné chemické reakce, nicméně přidání malého množství kyseliny [23] okamžitě vede k tvorbě ethylenglykolu i při pokojové teplotě:
Reakce může být také provedena v plynné fázi za použití solí kyseliny fosforečné jako katalyzátoru [24] .
Obvykle se v praxi reakce provádí při teplotě asi 60 °C s velkým přebytkem vody, aby se vyloučila reakce výsledného ethylenglykolu s ethylenoxidem, což má za následek tvorbu di- a triethylenglykolů [ 25] :
Použití alkalických katalyzátorů může vést k tvorbě polyethylenglykolu :
Podobně probíhá reakce s alkoholy , v důsledku čehož vznikají ethylenglykolethery ( cellosolvy ):
Reakce s nižšími alkoholy probíhá méně aktivně než s vodou, vyžaduje přísnější podmínky (zahřívání na 160 °C, tlak do 3 MPa) a přítomnost kyselého nebo alkalického katalyzátoru.
Reakce ethylenoxidu s vyššími mastnými alkoholy, používané k získání povrchově aktivních sloučenin , probíhá v přítomnosti kovového sodíku , hydroxidu sodného nebo fluoridu boritého [24] .
Když ethylenoxid reaguje v přítomnosti katalyzátorů s karboxylovými kyselinami , získají se neúplné estery a s anhydridy kyselin se získají plné estery glykolů:
Analogicky je také možné přidání amidů kyselin :
Přidávání ethylenoxidu k vyšším karboxylovým kyselinám se provádí při zvýšené teplotě (obvykle 140-180 °C) a tlaku (0,3-0,5 MPa) v inertní atmosféře za přítomnosti alkalického katalyzátoru (koncentrace: 0,01-2 %) - hydroxid nebo uhličitan sodný (draselný) [26] . Karboxylátový iont působí jako nukleofil v reakci:
Ethylenoxid reaguje s amoniakem [27] za vzniku směsi mono-, di- a triethanolaminu :
Reakce může probíhat podobně s primárními a sekundárními aminy :
Dialkylaminoethanoly mohou dále reagovat s ethylenoxidem za vzniku aminopolyethylenglykolů [9] :
Trimethylamin reaguje s ethylenoxidem v přítomnosti vody za vzniku cholinu [28] :
Aromatické primární a sekundární aminy také reagují s ethylenoxidem za vzniku odpovídajících arylaminoalkoholů.
Ethylenoxid snadno reaguje s vodnými roztoky halogenovodíků HCl , HBr a HI [29] za vzniku halogenhydrinů :
Reakce s halogenovodíky ve vodném roztoku soutěží s kyselinou katalyzovanou hydratací ethylenoxidu, takže ethylenglykol bude vždy vznikat jako vedlejší produkt s příměsí diethylenglykolu . Pro získání čistšího produktu lze reakci provádět v plynné fázi nebo v médiu organického rozpouštědla.
Ethylenfluorhydrin se získává jinak: interakcí fluorovodíku s 5-6% roztokem ethylenoxidu v diethyletheru s obsahem vody 1,5-2% [30] při varu [31] .
Halohydriny lze také získat průchodem ethylenoxidu vodnými roztoky halogenidů kovů [24] :
Interakci ethylenoxidu s organohořečnatými sloučeninami ( Grignardova činidla ) lze považovat za nukleofilní substituci působením karbaniontu organokovové sloučeniny. Konečným produktem reakce bude primární alkohol :
Kromě Grignardových činidel se podobným způsobem přidávají další organokovové sloučeniny, například alkyllithium:
Ethylenoxid snadno reaguje s kyanovodíkem za vzniku ethylenkyanohydrinu :
Místo HCN lze použít chlazený (10–20 °C) vodný roztok kyanidu vápenatého [32] :
Ethylenkyanohydrin snadno ztrácí vodu za vzniku akrylonitrilu :
Přidání sirovodíku a merkaptanůInterakcí se sirovodíkem tvoří ethylenoxid 2-merkaptoethanol a thiodiglykol, s alkylmerkaptany se získá 2-alkylmerkaptoethanol:
Přebytek ethylenoxidu s vodným roztokem sirovodíku vede k tris-(hydroxyethyl)sulfoniumhydroxidu:
Přídavek kyseliny dusité a dusičnéInterakce ethylenoxidu s vodnými roztoky dusitanu barnatého , vápenatého , hořečnatého nebo zinečnatého a také s roztokem dusitanu sodného s oxidem uhličitým vede ke vzniku 2-nitroethanolu [33] :
Reakce ethylenoxidu s kyselinou dusičnou vede k mono- a dinitroglykolu [34] :
Reakce se sloučeninami obsahujícími aktivní methylenovou skupinuReakce ethylenoxidu se sloučeninami obsahujícími aktivní methylenovou skupinu v přítomnosti alkoholátů vede ke vzniku butyrolaktonů [35] :
Vazba na aromatické sloučeninyEthylenoxid reaguje Friedel-Crafts s benzenem za vzniku fenylethylalkoholu :
Provedením reakce za jiných podmínek (teplota 315–440°C, tlak 0,35–0,7 MPa, katalyzátor: hlinitokřemičitan) lze získat styren v jednom stupni [36] .
Reakce pro syntézu korunových etherůS ethylenoxidem lze připravit řadu vícečlenných heterocyklických sloučenin známých jako korunové ethery .
Jednou z dobře známých metod je kationtová cyklopolymerizace ethylenoxidu s omezením velikosti vzniklého cyklu [37] :
K potlačení tvorby postranních lineárních polymerů se používá metoda vysokého ředění – reakce probíhá ve vysoce zředěném roztoku [37] .
Zajímavá je reakce ethylenoxidu s SO 2 v přítomnosti cesiových solí , vedoucí ke vzniku jedenáctičlenné heterocyklické sloučeniny s komplexotvornými vlastnostmi korunových etherů [38] :
Při zahřívání ethylenoxidu na teplotu asi 400 °C nebo 150–300 °C v přítomnosti katalyzátorů ( Al 2 O 3 , H 3 PO 4 atd.) dochází k izomerizaci na acetaldehyd [39] :
Radikální mechanismus navržený Sidney W. Bensonem k vysvětlení reakce probíhající v plynné fázi zahrnuje následující kroky [40] [41] :
Částice ( ) je krátkodobá (životnost 10–8,5 sekund) aktivovaná molekula acetaldehydu, jejíž přebytek energie je přibližně 355,6 kJ/mol, což je o 29,3 kJ/mol více než disociační energie vazby CC v acetaldehydu [ 40] .
Tepelnou izomeraci ethylenoxidu v nepřítomnosti katalyzátoru nelze provádět selektivně za vzniku acetaldehydu, protože za těchto podmínek jsou patrné paralelní radikálové reakce a podíl vedlejších produktů je významný (viz podsekce „ Termický rozklad “) [42 ] .
Ethylenoxid může být hydrogenován za vzniku ethanolu v přítomnosti katalyzátoru:
Nikl , platina a palladium mohou působit jako přímé hydrogenační katalyzátory [42] . Jako hydrogenační činidla je také možné použít lithiumaluminiumhydrid , borany a některé další hydridy [43] .
Ethylenoxid lze také redukovat vodíkem v okamžiku izolace (reakce zinkového prachu s kyselinou octovou ) na ethylen (výtěžek až 70 %) [43] :
Podobně reakce probíhá v přítomnosti směsi lithiumaluminiumhydridu s chloridem titanitým [44] , chloridu železitého s butyllithiem v tetrahydrofuranu , jakož i některých dalších činidel [43] .
Ethylenoxid může být oxidován v závislosti na podmínkách na kyselinu glykolovou nebo na oxid uhličitý :
Hluboká oxidace ethylenoxidu v plynné fázi v reaktoru při teplotě 800–1000 K a tlaku 0,1–1 MPa vede ke směsi produktů obsahujících O 2 , H 2 , CO , CO 2 , CH 4 , C 2 H2 , C2H4 , C2H6 , C3H6 , C3H8 , CH3CHO [ 45 ] . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
V přítomnosti kyselých katalyzátorů může být dimerizace ethylenoxidu provedena za vzniku dioxanu :
Mechanismus reakce je následující [42] :
Dimerizační reakce není selektivní, protože při její realizaci vždy vznikají vedlejší produkty a zejména acetaldehyd (díky izomerační reakci ).
Pro urychlení a zvýšení selektivity reakce lze použít platinové nebo platino- palladiové katalyzátory, ale i elementární jód spolu se sulfolanem (zde jako vedlejší produkt vzniká 2-methyl-1,3-dioxolan). [46] .
Tekutý ethylenoxid může vlivem různých faktorů vytvářet polyethylenglykoly . Proces polymerace může mít jak radikálové, tak iontové mechanismy, ale v praxi se široce používá pouze ten druhý [47] .
Kationtová polymerace ethylenoxidu probíhá za působení protických kyselin ( HClO 4 , HCl ), Lewisových kyselin ( SnCl 4 , BF 3 atd.), organokovových sloučenin nebo složitějších, vícesložkových kompozic [47] :
Mechanismus reakce je následující [48] .
Prvním stupněm je iniciace katalyzátoru (MX m ) působením alkyl nebo acylhalogenidu nebo sloučeniny s aktivním atomem vodíku, obvykle vody, alkoholu nebo glykolu:
Výsledný aktivní komplex reaguje s ethylenoxidem podle mechanismu S N 2 :
Přerušení obvodu:
Aniontová polymerace ethylenoxidu probíhá za působení zásad: alkoholátů , hydroxidů , uhličitanů nebo jiných sloučenin alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin [47] .
Mechanismus reakce je následující [48] :
Ethylenoxid je tepelně stabilní sloučenina: v nepřítomnosti katalyzátorů do 300°C neprochází termolýzou a teprve po 570°C začíná znatelný proces exotermického rozkladu, probíhající radikálovým mechanismem [42] . V první fázi dochází k izomeraci (viz podkapitola „ Izomerační reakce “), se zvyšující se teplotou se však radikálový proces urychluje a jako reakční produkty se získává směs plynů obsahující kromě acetaldehydu ethan , etylen , metan , vodík , oxid uhelnatý (II) , keten , formaldehyd [49] .
Vysokoteplotní pyrolýza (830-1200 K) za zvýšeného tlaku v inertním prostředí vede ke složitějšímu složení plynné směsi, ve které jsou navíc detekovány acetylen a propan [50] .
Iniciace řetězce na rozdíl od izomerační reakce probíhá hlavně takto [50] :
Provedením tepelné destrukce ethylenoxidu v přítomnosti sloučenin přechodných kovů jako katalyzátorů je možné nejen snížit jeho teplotu, ale také získat ethylen jako hlavní produkt , to znamená ve skutečnosti provést obrácený postup. reakce na syntézu ethylenoxidu přímou oxidací.
Působením thiokyanátových iontů nebo thiomočoviny se ethylenoxid přeměňuje na thiiran (ethylensulfid) [51] :
Chlorid fosforečný při interakci s ethylenoxidem tvoří dichlorethan [24] :
Analogicky lze dichlorderiváty z ethylenoxidu získat působením SOCl2 a pyridinu , trifenylfosfinu a CCI4 [ 52 ] .
Chlorid fosforitý s ethylenoxidem tvoří chlorethylestery kyseliny fosforité [24] :
Reakčním produktem ethylenoxidu s chloridy karboxylových kyselin v přítomnosti jodidu sodného je jodethylester [52] :
Když se ethylenoxid zahřeje s oxidem uhličitým v nepolárním rozpouštědle na 100 °C v přítomnosti bis- (trifenylfosfin)-niklu(0), vytvoří se ethylenkarbonát [53] :
V průmyslu se podobná reakce provádí za zvýšeného tlaku a teploty v přítomnosti kvartérních amoniových nebo fosfoniových solí jako katalyzátoru [54] .
Reakce ethylenoxidu s formaldehydem v přítomnosti katalyzátoru při teplotě 80–150 °C vede ke vzniku 1,3-dioxolanu [55] :
Pokud se místo formaldehydu použijí jiné aldehydy nebo ketony , lze získat 2-substituované 1,3-dioxolany (výtěžek 70–85 %, katalyzátor: tetraethylamoniumbromid) [55] .
Katalytická hydroformylace ethylenoxidu vede k tvorbě hydroxypropanalu a poté propan-1,3-diolu [56] :
Dehydrochlorace ethylen-chlorhydrinu , kterou objevil Wurtz, stále zůstává jednou z nejběžnějších laboratorních metod pro získání ethylenoxidu:
Reakce probíhá zahřátím, přičemž kromě hydroxidu sodného nebo draselného lze použít hydroxidy vápenaté , barnaté nebo hořečnaté a také uhličitany alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin [57] .
Ethylenchlorhydrin se zase získává v laboratoři jednou z níže uvedených metod [57] :
nebo
Pohodlnou a jednou z nejstarších preparativních metod pro získání ethylenoxidu je působení alkálie na chlorethylacetát [58] :
S vysokým výtěžkem (až 90 %) lze ethylenoxid získat působením oxidu vápenatého (s jinými alkáliemi výtěžek reakce klesá) na ethylchlornan [58] :
Na druhé straně se ethyl chlornan získá reakcí:
Pro epoxidaci ethylenu v laboratorních podmínkách se používají peroxykyseliny , například kyselina peroxybenzoová nebo meta -chlorperoxybenzoová [59] :
Oxidace perkyselinami je účinná u vyšších alkenů, ale jejich použití pro etylen, i když je možné, nemusí být v praxi zcela opodstatněné vzhledem k délce trvání a nízkému výtěžku reakce [58] .
Mezi další preparativní metody patří následující [58] :
Z nedávných publikací zmiňujeme použití směsného lithium-stříbrno-hliníkového katalyzátoru pro přímou oxidaci ethanolu na ethylenoxid [60] :
Počátek průmyslové výroby etylenoxidu se datuje rokem 1914 , kdy byl zahájen chlorhydrinový proces (reakce etylenchlorhydrinu s hydroxidem vápenatým ), jehož monopol existoval až do roku 1937 . První továrna na výrobu ethylenoxidu byla postavena během 1. světové války společností BASF [61] . Chlorhydrinový proces nebyl zpočátku zcela účinný, a to i bez zohlednění ekonomických ukazatelů, protože v důsledku toho ztratil cenný chlór ve formě chloridu vápenatého .
Od 30. let 20. století se tento proces začal nahrazovat přímou oxidací ethylenu v plynné fázi vzduchem a od roku 1958 kyslíkem za přítomnosti stříbrného katalyzátoru při tlaku 1–3 MPa a teplotě 200 °C. –300 °C (přímá oxidace ethylenu byla objevena v roce 1931 Lefortem) [62] .
Ekonomičtější metoda přímé oxidace etylenu poskytovala do poloviny 50. let zhruba polovinu veškerého ethylenoxidu vyrobeného v USA a po roce 1975 zcela nahradila starou metodu [62] .
V Sovětském svazu byla první průmyslová výroba ethylenoxidu, prováděná v souladu s chlorhydrinovým procesem, zahájena v roce 1936 [63] ; Současně probíhalo intenzivní hledání ekonomičtější technologie. Práce na vytvoření vlastní metody výroby ethylenoxidu přímou oxidací ethylenu na stříbrném katalyzátoru probíhaly pod vedením profesora P. V. Zimakova v letech 1938-1942. [64] , která tvořila základ první domácí průmyslové výroby etylenoxidu přímou katalytickou oxidací etylenu, zahájené krátce po Velké vlastenecké válce [63] .
Chlorhydrinový proces byl první průmyslovou metodou výroby etylenoxidu, a přestože byl na počátku 21. století zcela nahrazen metodou přímé oxidace etylenu, seznámení s ním je nejen historické, ale i praktická zajímavost: metoda se stále používá při výrobě propylenoxidu [65] .
Technologicky se proces chlorhydrinu skládá z následujících kroků:
V praxi se ethylenoxid vyrábí kontinuálním způsobem. V první reakční koloně dochází k hypochloraci ethylenu za vzniku ethylenchlorhydrinu [66] :
Pro snížení přeměny ethylenu na dichlorethan (reakce [3] ) se koncentrace ethylenchlorhydrinu udržuje na úrovni 4-6 % a samotný roztok se zahřívá párou až k bodu varu [66] .
Dále vodný roztok ethylenchlorhydrinu vstupuje do druhé reakční kolony, kde reaguje s 30% roztokem hydroxidu vápenatého při teplotě 100 °C [66] :
Čištění ethylenoxidu od nečistot se provádí destilací . Chlorhydrinový proces umožňuje dosáhnout 95% konverze ethylenu, výtěžek ethylenoxidu je 80% teoretického; na 1 tunu výsledného produktu se získá asi 200 kg dichlorethanu [66] .
Metodu přímé oxidace ethylenu kyslíkem v přítomnosti stříbrného katalyzátoru si poprvé nechal patentovat Lefort v roce 1931. V budoucnu byla tato metoda studována, opakovaně upravována a dostávala různé variace pro průmyslové využití. Existují nejméně čtyři nejběžnější vývojové trendy [67] , které tvořily základ moderních komerčně efektivních řešení [68] :
Zpravidla se ve starších provozech používají schémata výroby etylenoxidu, kde vzduch působí jako oxidační činidlo ( Union Carbide, Scientific Design ). V moderní výrobě se kyslík používá k oxidaci ( Union Carbide - Meteor process, Shell, Scientific Design - druhá verze, Japan Catalytic ) [73] .
Chemie a kinetika přímé oxidace ethylenuFormálně lze proces přímé oxidace ethylenu v přítomnosti stříbrného katalyzátoru zapsat jako rovnici:
Současně při studiu praktického procesu reakce lze pozorovat značné množství oxidu uhličitého a vody v jejích produktech, což lze vysvětlit úplnou oxidací ethylenu nebo ethylenoxidu:
Mechanismus reakce přímé oxidace ethylenu byl široce studován, ale v současné době neexistuje obecně přijímaný názor vědecké komunity na tuto otázku.
V 70. letech 20. století proces heterogenní katalytické oxidace ethylenu studovali a popsali P. A. Kilty a W. M. H. Sachtler, kteří pro něj navrhli následující mechanismus [74] :
Zde (ads) jsou částice adsorbované na povrchu katalyzátoru; (adj) - částice stříbra přímo sousedící s atomy kyslíku.
Obecné reakční schéma bude vypadat takto:
Byl tedy stanoven maximální stupeň konverze ethylenu na ethylenoxid: 6/7 nebo 85,7 % [74] .
Tento mechanismus byl v souladu se studiemi W. Herzoga, který používal oxid dusnatý (I) jako oxidační činidlo [74] :
Pozdější studie mechanismu oxidace ethylenu pomocí stříbrného katalyzátoru ukázaly, že tento mechanismus není zcela správný a proces tvorby ethylenoxidu začíná až poté, co je kov aktivován kyslíkem a molekuly kyslíku jsou zavedeny na povrch katalyzátoru. Právě tento aktivní podpovrchový kyslík vstupuje do další reakce s ethylenem a umožňuje selektivní oxidaci [75] , což umožňuje dotáhnout teoretickou přeměnu ethylenu na epoxid až na 100 % [76] .
Hledání katalyzátoru pro selektivní oxidaci ethylenu, úspěšně provedené ve 30. letech 20. století, vedlo ke kovovému stříbru nanesenému na různé nosiče ( pemza , silikagel , různé silikáty a hlinitokřemičitany , oxid hlinitý , karbid křemíku atd.) a aktivované speciálními přísady ( antimon , vizmut , peroxid barnatý atd.) [77] . Experiment ukázal, že optimální podmínky pro reakci jsou teplota 220–280 °C (nižší teplota způsobí neaktivní katalyzátor a vyšší teplota snižuje selektivitu reakce v důsledku hlubší oxidace ethylenu) a tlak 1–3 MPa (zvyšuje produktivitu katalyzátoru a usnadňuje absorpci ethylenoxidu z reakčních plynů) [77] .
Navzdory existenci jediného základního chemického procesu pro katalytickou oxidaci ethylenu v praxi existují dvě různá technologická schémata oxidace: starší, který zahrnuje použití vzduchu, a novější, využívající kyslík (>95 %). .
Srovnávací analýza těchto dvou schémat je uvedena v následující tabulce [9] :
Možnosti | Oxidace vzduchem | Oxidace kyslíkem |
---|---|---|
Obsah etylenu ve směsi plynů, molární % | 2-10 | 20-35 |
Procesní teplota, °C | 220-277 | 220-235 |
Pracovní tlak, MPa | 1-3 | 2-3 |
Konverze (pro etylen), % | 20-65 | 8-12 |
Skutečný výtěžek ethylenoxidu, molární % | 63-75 | 75-82 |
Kromě obecných ekonomických úvah je výhoda oxidace ethylenu kyslíkem následující [78] :
Ethylenoxid je z hlediska objemu jedním z největších organických meziproduktů ve světové chemické výrobě, na druhém místě za ethylenem (113 milionů tun v roce 2008 [79] ), propylenem (73 milionů tun v roce 2008 [80] ), etanolem (52 milionů tun v roce 2008 [81] ), benzen (41 milionů tun v roce 2008 [82] ), metanol (40 milionů tun v roce 2008 [83] ), kyselina tereftalová (39 milionů tun v roce 2008 [84] ), vinylchlorid (36,7 milionů tun v roce 2008 [85] ), dichlorethan (36,6 milionů tun v roce 2008 [86] ), ethylbenzen (29,2 milionů tun v roce 2008 [87] ), p-xylen (28 milionů tun v roce 2008 [88] ), styren (26 milionů tun v roce 2008 [89] ), n-butylen (21 milionů tun v roce 2008 [90] ) a toluen (20 milionů tun v roce 2008 [91] ) .
Výroba ethylenoxidu je po polyethylenu druhým nejvýznamnějším využitím ethylenu jako nejdůležitější chemické suroviny a představuje 14,6 % jeho světové spotřeby (stav k roku 2008) [92] .
Světová produkce ethylenoxidu v roce 2012 činila 21 milionů tun (v roce 2010 - 19,5 milionů tun, v roce 2008 - 19 milionů tun, v roce 2007 - 18 milionů tun), což je asi 90 % všech světových výrobních kapacit (v roce 2007 - 93 %) [93] [94] . Podle předpovědních údajů společnosti Merchant Research and Consulting Ltd. Archivováno 16. srpna 2014 na Wayback Machine , do roku 2016 spotřeba ethylenoxidu vzroste na 24,2 milionů tun [93] .
Od roku 2004 je světová produkce ethylenoxidu podle regionů následující [95] :
Kraj | Počet výrobců | Výroba, tisíce tun |
---|---|---|
Severní Amerika USA Kanada Mexiko |
10 3 3 |
4009 1084 350 |
Jižní Amerika Brazílie Venezuela |
2 1 |
312 82 |
Evropa Belgie Francie Německo Nizozemsko Španělsko Turecko Spojené království Východní Evropa |
2 1 4 2 1 1 1 žádná data |
770 215 995 460 100 115 300 950 |
Blízký východ Írán Kuvajt Saúdská Arábie |
2 1 2 |
201 350 1781 |
Asie Čína Tchaj-wan Indie Indonésie Japonsko Malajsie Jižní Korea Singapur |
žádné údaje 4 >2 1 4 1 3 1 |
1354 820 488 175 949 385 740 80 |
Největší světoví producenti ethylenoxidu z hlediska výrobní kapacity k roku 2006 (č. 1, 2, 5, 6), 2008-2009 (č. 3, 4, 7):
Podle údajů z roku 2013 je 39 % světové produkce ethylenoxidu v Asii a 45 % je soustředěno ve třech zemích – USA, Číně a Saudské Arábii [93] .
Od roku 2013 jsou největšími světovými producenty ethylenoxidu Shell, Dow Chemical Company, SINOPEC Corp., Honam Petrochemical Corp., Ineos Oxide, Nan Ya Plastics Corp, Yanbu National Petrochemical Co, Saudi Kayan Petrochemical Company, MEGlobal a Shanghai Petrochemical [93 ] .
Asociace výrobců etylenoxidu a derivátů [104] je členem Evropské asociace výrobců etylenoxidu a derivátů [104] a jsou to: Akzo Nobel Functional Chemical, BASF, Clariant, Dow Europe, Ineos Oxide, La Seda de Barcelona, Lukoil Neftochim, ME Global, Sabic, Sasol Německo, Shell Chemicals [105] .
Výroba ethylenoxidu v Rusku se provádí v následujících podnicích:
Celkový objem výroby ethylenoxidu v Rusku v roce 2008 činil 531,7 tisíc tun, což je o 2 % méně než v roce 2007 [110] .
Výroba ethylenoxidu v Rusku se provádí v souladu s GOST 7568-88 [113] .
Hlavním směrem použití etylenoxidu je výroba etylenglykolů [114] : až 75 % celkové celosvětové spotřeby. Mezi další klíčové deriváty patří ethoxyláty, ethanolaminy, ethylenglykolethery a estery a polyethylenglykol .
Ethylenoxid je nejdůležitější surovinou používanou při výrobě chemických produktů ve velkém měřítku, která je základem pro širokou škálu spotřebního zboží ve všech průmyslových zemích.
Hlavní směry použití ethylenoxidu [115] :
Největším využitím ethylenoxidu je výroba ethylenglykolů, ale procento jeho použití v této formě se velmi liší v závislosti na regionu: od 44 % v západní Evropě , 63 % v Japonsku a 73 % v Severní Americe až po 90 % v zbytek Asie a 99 % v Africe [117] .
Výroba ethylenglykoluV průmyslu se etylenglykol získává nekatalytickou hydratací ethylenoxidu při teplotách do 200 °C a tlaku 1,5–2 MPa [118] :
Vedlejšími produkty reakce jsou diethylenglykol , triethylenglykol a polyglykoly (celkem asi 10 %), které se od ethylenglykolu oddělují destilací za sníženého tlaku [119] .
Další způsob: reakce ethylenoxidu a CO 2 s meziprodukcí ethylenkarbonátu (teplota 80–120 °C a tlak 2–5 MPa) a jeho následná hydrolýza s dekarboxylací [118] :
V současnosti jsou na světě nejmodernější technologie výroby etylenglykolu [120] :
Hlavní estery mono-, di- a triethylenglykolů vyráběné v průmyslovém měřítku jsou methyl, ethyl a normální butyl, stejně jako jejich acetáty a ftaláty [122] .
Chemické schéma výroby spočívá v reakci odpovídajícího alkoholu s ethylenoxidem:
Reakce monoesterů s kyselinou nebo jejím anhydridem vede ke vzniku odpovídajících esterů:
Výroba ethanolaminůV průmyslu se ethanolaminy ( mono- , di- a triethanolaminy ) získávají reakcí amoniaku s ethylenoxidem v bezvodém prostředí při teplotě 40–70 °C a tlaku 1,5–3,5 MPa [123] :
Během reakce se tvoří všechny tři ethanolaminy, zatímco amoniak a část monoethanolaminu jsou recyklovány. Separace hotových výrobků se provádí vakuovou destilací .
Podobně se získají různé hydroxyalkylaminy:
Monosubstituované produkty se tvoří, když velký přebytek aminu reaguje s ethylenoxidem v přítomnosti vody a při teplotách pod 100 °C; disubstituované - s mírným přebytkem ethylenoxidu, teplotou 120-140 °C a tlakem 0,3-0,5 MPa [124] .
Výroba ethoxylátůVýroba ethoxylátů v průmyslu se provádí přímou reakcí vyšších alkoholů, kyselin nebo aminů s ethylenoxidem za přítomnosti alkalického katalyzátoru při teplotě 120-180 °C.
V současné době jsou v průmyslu nová ethoxylátová zařízení typicky založena na technologii reaktorů BUSS LOOP® [125] .
Technologie reaktorů BUSS LOOP® je kontinuální proces, který zahrnuje tři fáze [126] :
V současnosti je výroba akrylonitrilu realizována převážně (90 % k roku 2008 ) metodou SOHIO [127] , nicméně až do roku 1960 byl jedním z nejdůležitějších výrobních procesů pro jeho výrobu metoda přidávání kyanovodíku do ethylenoxidu. s následnou dehydratací výsledného kyanohydrinu [128] [129] :
Přidání kyseliny kyanovodíkové k ethylenoxidu se provádí za přítomnosti katalyzátoru ( hydroxid sodný a diethylamin ) a k dehydrataci kyanohydrinu dochází v plynné fázi za katalytického působení aktivního oxidu hlinitého [130] .
Přímé použití ethylenoxidu v různých sektorech ekonomiky je od roku 2004 pouze 0,05 % celkové světové produkce [95] .
Ethylenoxid se používá jako fumigant a dezinfekční prostředek ve směsi s oxidem uhličitým (8,5-80 % etylenoxidu), dusíkem nebo dichlordifluormethanem (12 % etylenoxidu) pro plynovou sterilizaci lékařského vybavení a nástrojů, stříkaček, obalových materiálů a kombinéz, lékových forem, chirurgické a vědecké vybavení [95] ; zpracovatelská místa skladování různých rostlinných produktů (tabák, balíčky obilí, pytle s rýží atd.), oděvů a kožešin a cenných dokumentů [131] .
Kromě toho se ethylenoxid používá jako urychlovač zrání tabákových listů a jako fungicid v zemědělství [131] .
Specifickým směrem použití etylenoxidu je jeho možnost použití jako hlavní složky munice s objemovým výbuchem [132] .
Nejjednodušší kvalitativní reakcí může být vlastnost ethylenoxidu vysrážet nerozpustné hydroxidy kovů , když prochází vodnými roztoky solí, například:
Analogicky, průchod vzduchu vodným roztokem některých sodných nebo draselných solí ( chloridy , jodidy , anorganické thiosírany atd.) s přídavkem fenolftaleinu , ethylenoxidu je detekován výskytem jasně růžové barvy indikátoru [133] :
Existuje mnoho dalších metod pro identifikaci ethylenoxidu v přítomnosti různých doprovodných látek, z nichž můžeme zmínit [133] :
Hlavní fyzikální metodou pro stanovení ethylenoxidu v různých prostředích je plynová chromatografie [95] .
Látka je extrémně hořlavá, její směsi se vzduchem jsou výbušné. Při zahřátí v důsledku rychlého rozkladu hrozí požár a výbuch [134] .
Teplota samovznícení je 429 °C; minimální obsah hořlavosti ve vzduchu: 2,7 % obj. [135]
Požáry etylenoxidu se hasí konvenčními hasicími prostředky, včetně pěny, oxidu uhličitého a vody. Boj proti hoření ethylenoxidu je obtížný, protože za určitých podmínek může hořet v inertní atmosféře i ve formě vodného roztoku - pro zaručené uhašení požáru je nutné jej ředit vodou v poměru alespoň 22:1 [136] .
Hodnocení NFPA 704 [137] [138] :
čtyři 3 3VŮL |
Ethylenoxid inhibuje rozvoj mikroorganismů ( dezinfekční vlastnosti ) a v dostatečné koncentraci je zcela ničí. Silné alkylační vlastnosti dělají z ethylenoxidu univerzální jed pro protoplazmu : [139] látka způsobuje koagulaci bílkovin, deaktivaci enzymů a dalších biologicky důležitých složek živého organismu [140] [141]
Ethylenoxid působí silněji proti bakteriím (zejména grampozitivním ) než proti kvasinkám a plísním [140] .
Dezinfekční účinek etylenoxidu je svým účinkem podobný tepelné sterilizaci s tím rozdílem, že etylenoxid působí na předměty především povrchově díky své omezené penetrační schopnosti.
Úroveň zajištění sterility (SAL) po expozici ethylenoxidu je 10 −6 [142] , tj. šance na detekci bakterií není větší než jedna ku milionu [143] [144]
Ethylenoxid je alkylační činidlo ; má dráždivé, senzibilizující a narkotické účinky [145] . Chronická expozice ethylenoxidu je mutagenní ; IARC klasifikuje ethylenoxid jako skupinu 1, protože jej považuje za prokázaný lidský karcinogen [146] .
Při koncentracích vzduchu kolem 200 ppm dráždí sliznice nosu a krku; vyšší obsah způsobuje poškození průdušnice a průdušek a také částečný kolaps plic. Vysoké koncentrace mohou způsobit plicní edém a poškození kardiovaskulárního systému, zatímco škodlivý účinek ethylenoxidu se může objevit až po 72 hodinách od okamžiku otravy [16] .
Ethylenoxid způsobuje akutní otravu doprovázenou následujícími příznaky: bušení srdce, svalové záškuby, návaly horka v obličeji, bolesti hlavy, nystagmus, ztráta sluchu a acidóza , zvracení, závratě, krátkodobá ztráta vědomí, chuť na sladké v ústech. Při akutní intoxikaci: silná pulzující bolest hlavy, závratě, nejistota při chůzi, potíže s mluvením, poruchy spánku, bolesti nohou, letargie, ztuhlost, pocení, zvýšená dráždivost svalů, přechodné křeče retinálních cév, zvětšení jater a porušení jejich antitoxické funkce [ 145] .
Ethylenoxid má silnou resorpční kapacitu, snadno proniká oblečením a obuví, způsobuje podráždění kůže, puchýřnatou dermatitidu, horečku a leukocytózu [145] [147]
Hodnoty průměrných letálních dávek ethylenoxidu ve vztahu k některým zvířatům:
Hlavní ruské hygienické normy pro ethylenoxid [149] :
Limit etylenoxidu v okolním vzduchu podle norem USA (Americká konference vládních a průmyslových hygieniků): 1,8 mg/m³ [150]
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
|
Okysličené heterocykly | |
---|---|
Trinomial | |
Kvartérní | |
Pětičlenný |
|
Šestičlenná |
|
Sedmičlenná | Kaprolakton (ε-lakton) |