Oxid de etilenă | |||
---|---|---|---|
| |||
General | |||
Nume sistematic |
oxiran | ||
Nume tradiționale | oxid de etilenă, 1,2-epoxietan, oxid de etilenă | ||
Chim. formulă | C2H4O _ _ _ _ | ||
Şobolan. formulă | C2H4O _ _ _ _ | ||
Proprietăți fizice | |||
Stat | gaz | ||
Masă molară | 44,0526 g/ mol | ||
Densitate | ( pentru apă[ clarifica ] la 10 °C pentru oxid de etilenă lichid) [1] 0,8824 g/cm³ | ||
Energie de ionizare | 10,56 ± 0,01 eV [5] | ||
Proprietati termice | |||
Temperatura | |||
• topirea | −111,3 [2] | ||
• fierbere | 10,7 [3] °C | ||
• clipește | < -18 [3] °C | ||
Limite de explozie | 3 ± 1% vol. [5] | ||
Punct critic | 195,8°C; 7,19 MPa [3] | ||
Mol. capacitate termică | 48,19 [4] J/(mol K) | ||
Entalpie | |||
• educaţie | −51,04 [4] kJ/mol | ||
Căldura specifică de vaporizare | 25,82 [3] | ||
Căldura specifică de fuziune | 5.17 [3] | ||
Presiunea aburului | 145,8 kPa (la 20 °C) [3] | ||
Proprietati optice | |||
Indicele de refracție | 1,35965 (la 7°C) [4] | ||
Clasificare | |||
Reg. numar CAS | 75-21-8 | ||
PubChem | 6354 | ||
Reg. numărul EINECS | 200-849-9 | ||
ZÂMBETE | C1CO1 | ||
InChI | InChI=1S/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N | ||
RTECS | KX2450000 | ||
CHEBI | 27561 | ||
ChemSpider | 6114 | ||
Siguranță | |||
Limitați concentrația | 1 mg/m³ | ||
LD 50 | 72 mg/kg | ||
Toxicitate | înalt | ||
NFPA 704 |
![]() |
||
Datele se bazează pe condiții standard (25 °C, 100 kPa), dacă nu este menționat altfel. | |||
Fișiere media la Wikimedia Commons |
Oksiran ( oxid de etilenă, oxid de etilenă, 1,2-epoxietan ) este o substanță heterociclică chimică organică , formula chimică este C 2 H 4 O. În condiții normale , este un gaz incolor cu un miros dulce și dulce. Un derivat de etilenă este cel mai simplu epoxid - un heterociclu cu trei membri , a cărui moleculă inelă conține un atom de oxigen și doi atomi de carbon .
Datorită particularităților structurii electronice a moleculei, oxidul de etilenă intră cu ușurință în reacții de adiție odată cu deschiderea heterociclului și, prin urmare, suferă ușor polimerizare .
Un amestec de vapori ai unei substanțe cu aer este extrem de inflamabil și exploziv.
Oxidul de etilenă are proprietăți dezinfectante , adică este o otravă puternică pentru majoritatea microorganismelor cunoscute , chiar și sub formă gazoasă, care este folosită pentru sterilizarea cu gaz, de exemplu, seringile medicale de unică folosință .
Este, de asemenea, o otravă puternică cu acțiune lentă pentru animale și oameni cu sânge cald , prezentând efecte cancerigene , mutagene , iritante și narcotice .
Oxidul de etilenă este una dintre substanțele importante în sinteza organică de bază și este utilizat pe scară largă pentru a obține multe substanțe chimice și intermediari, în special etilenglicoli , etanolamine , eteri de glicol și poliglicol și eteri complecși și alți compuși.
În industria chimică, oxidul de etilenă este produs prin oxidarea directă a etilenei în prezența unui catalizator de argint .
Oxidul de etilenă a fost descoperit în 1859 de chimistul organic francez Charles Adolf Wurtz prin acțiunea hidroxidului de potasiu asupra 2-cloretanolului [6] :
Omul de știință a fost primul care a studiat proprietățile acestei substanțe prin măsurarea punctului ei de fierbere [7] și, de asemenea, a descoperit capacitatea acesteia de a reacționa cu sărurile metalice și acizii [8] . Wurtz a presupus în mod eronat că oxidul de etilenă are proprietățile unei baze organice. Această concepție greșită a durat până în 1896 , când oamenii de știință Georg Bredig și Alexei Usov ( germană: Usoff ) au descoperit că oxidul de etilenă nu este un electrolit [8] .
Diferența accentuată a substanței față de eteri și, în special, tendința sa la reacții de adiție similare cu compușii nesaturați, a fost de multă vreme cauza discuțiilor chimiștilor în jurul structurii moleculare a oxidului de etilenă. Abia în 1893 a fost structura heterociclică cu trei membri a oxidului de etilenă cu colțuri distorsionate în comparație cu alți compuși organici care conțineau oxigen [8] .
Prima modalitate de obținere a oxidului de etilenă pentru o lungă perioadă de timp a rămas singura, în ciuda numeroaselor încercări ale oamenilor de știință, inclusiv Wurtz însuși, de a sintetiza compusul direct din etilenă [9] . Abia în 1931, chimistul francez Theodore Lefort a dezvoltat o metodă de oxidare directă a etilenei în prezența unui catalizator de argint [10] . Această metodă a devenit, la sfârșitul secolului al XX-lea, principala metodă de producție industrială modernă a oxidului de etilenă.
Ciclul epoxidic al oxidului de etilenă este un triunghi aproape regulat cu unghiuri de legătură de aproximativ 60° și o tensiune unghiulară semnificativă [11] , pentru comparație, în alcooli unghiul C–O–H este de aproximativ 110°, în eteri C–O Unghiul –С este de 120°. Valoarea acestei tensiuni este estimată prin energia de 105 kJ/mol [12] . Momente de inerție în jurul axelor principale: I A = 32,921⋅10 −40 g cm², I B = 37,926⋅10 −40 g cm², IC = 59,510⋅10 −40 g cm² [13] .
Instabilitatea relativă a legăturilor carbon-oxigen dintr-o moleculă este demonstrată prin compararea energiei de rupere a două legături C-O din oxidul de etilenă cu energia de rupere a unei legături C-O din etanol și dimetil eter : acestea sunt apropiate ca valoare - diferența este de 12,7% respectiv 5,9% [14] :
Ecuația reacției | AH0298 , kJ / mol | Metoda de determinare |
---|---|---|
(C 2 H 4 )O → C 2 H 4 + O (ruperea a două legături) | 354,38 | Calculat din entalpiile de formare a atomilor |
C 2 H 5 OH → C 2 H 5 + OH (o rupere a legăturii) | 405,85 | Grevă electronică |
CH 3 OCH 3 → CH 3 O + CH 3 (o rupere a legăturii) | 334,72 | Calculat din entalpiile de formare a radicalilor |
Caracteristicile structurale ale moleculei de oxid de etilenă determină activitatea sa chimică și explică ușurința deschiderii inelului în numeroase reacții de adiție (vezi secțiunea Proprietăți chimice ).
Oxidul de etilenă este un gaz incolor (la 25 °C) sau un lichid mobil [15] (la 0 °C) cu un miros dulce și eteric caracteristic, care este vizibil la concentrații în aer de peste 500 ppm [16] . Este foarte solubil în apă, alcool , eter și mulți alți solvenți organici [2] . Punct de fierbere: 10,7 °C; punct de topire: -111,3 °C; densitatea oxidului de etilenă lichid la 10 °C față de apa la aceeași temperatură: 0,8824.
Principalele caracteristici termodinamice [4] :
Câteva constante fizice ale oxidului de etilenă:
Tensiunea superficială în stare lichidă la limita cu vaporii proprii [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 | zece | 83,6 |
2.027 | douăzeci | 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 |
Proprietățile fizice ale oxidului de etilenă lichid în intervalul de temperatură de la -40 la 195,8 °C [9] :
Temperatura, °C |
Presiunea aburului, kPa |
Entalpie lichidă, J/g |
Entalpia de vaporizare, J/g |
Densitate, kg/l |
Capacitate termică, J/(kg K) |
Conductivitate termică, 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 |
Proprietățile fizice ale vaporilor de oxid de etilenă în intervalul de temperatură de la 298 la 800 K [9] :
Temperatura, K | Entropie, J/(mol K) | Căldura de formare, kJ/mol | Energia liberă de formare, kJ/mol | Vâscozitate, Pa s | Conductivitate termică, W/(m K) | Capacitate termică, 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 |
Datorită particularităților structurii moleculare (a se vedea secțiunea „ Structura și parametrii moleculei ”), oxidul de etilenă este un compus foarte reactiv și reacționează cu ușurință cu diverși compuși cu scindarea legăturii C-O și deschiderea inelului. Pentru compuși, reacțiile cu nucleofile sunt cele mai caracteristice, având loc după mecanismul S N 2 atât în medii acide ( nucleofile slabe : apă, alcooli) cât și alcaline ( nucleofile puternice : OH - , RO - , NH 3 , RNH 2 , RR). 'NH și etc.) [12] .
Tipul general de reacții:
În continuare, vor fi luate în considerare cele mai tipice reacții chimice care implică oxidul de etilenă.
Soluțiile apoase de oxid de etilenă sunt destul de stabile și pot exista o lungă perioadă de timp fără o reacție chimică vizibilă, cu toate acestea, adăugarea unei cantități mici de acid [23] duce imediat la formarea de etilen glicol chiar și la temperatura camerei:
Reacția poate fi efectuată și în fază gazoasă, folosind săruri de acid fosforic ca catalizator [24] .
De obicei, în practică, reacția se efectuează la o temperatură de aproximativ 60 °C cu un exces mare de apă pentru a exclude reacția etilenglicolului rezultat cu oxidul de etilenă, rezultând formarea de di- și trietilen glicoli . 25] :
Utilizarea catalizatorilor alcalini poate duce la formarea de polietilen glicol :
Reacția cu alcoolii se desfășoară în mod similar , în urma căreia se formează etilenglicol eteri ( cellosolves ):
Reacția cu alcooli inferiori are loc mai puțin activ decât cu apă, necesită condiții mai stricte (încălzire la 160 °C, presiune până la 3 MPa) și prezența unui catalizator acid sau alcalin.
Reacția oxidului de etilenă cu alcoolii grași superiori, utilizați pentru a obține compuși activi de suprafață , are loc în prezența metalului de sodiu , hidroxid de sodiu sau trifluorura de bor [24] .
Când oxidul de etilenă reacționează în prezența catalizatorilor cu acizi carboxilici , se obțin esteri incompleti, iar cu anhidride acide se obțin esteri plini de glicoli:
Prin analogie, este posibilă și adăugarea de amide acide :
Adăugarea de oxid de etilenă la acizii carboxilici superiori se efectuează la temperatură ridicată (de obicei 140-180 ° C) și presiune (0,3-0,5 MPa) într-o atmosferă inertă în prezența unui catalizator alcalin (concentrație: 0,01-2%) - hidroxid sau carbonat de sodiu (potasiu) [26] . Ionul carboxilat acționează ca un nucleofil în reacție:
Oxidul de etilenă reacționează cu amoniacul [27] , formând un amestec de mono-, di- și trietanolamină :
Reacția poate avea loc în mod similar cu aminele primare și secundare :
Dialchilaminoetanolii pot reacționa în continuare cu oxidul de etilenă, formând aminopolietilen glicoli [9] :
Trimetilamina reacţionează cu oxidul de etilenă în prezenţa apei pentru a forma colina [28] :
Aminele aromatice primare și secundare reacţionează, de asemenea, cu oxidul de etilenă pentru a forma arilaminoalcoolii corespunzători.
Oxidul de etilenă reacționează ușor cu soluțiile apoase de halogenuri de hidrogen HCl , HBr și HI [29] pentru a forma halohidrine :
Reacția cu halogenuri de hidrogen în soluție apoasă concurează cu hidratarea oxidului de etilenă catalizată de acid, astfel încât etilenglicolul se va forma întotdeauna ca produs secundar cu un amestec de dietilen glicol . Pentru a obține un produs mai pur, reacția poate fi efectuată în fază gazoasă sau într-un mediu de solvent organic.
Etilenfluorhidrina se obține în mod diferit: prin interacțiunea fluorurii de hidrogen cu o soluție de oxid de etilenă 5-6% în eter dietilic cu un conținut de apă de 1,5-2% [30] în timpul fierberii [31] .
Halohidrinele pot fi obținute și prin trecerea oxidului de etilenă prin soluții apoase de halogenuri metalice [24] :
Interacțiunea oxidului de etilenă cu compușii organomagneziului ( reactivi Grignard ) poate fi considerată ca o substituție nucleofilă sub acțiunea unui carbanion al unui compus organometalic. Produsul final al reacției va fi un alcool primar :
În plus față de reactivii Grignard, alți compuși organometalici, de exemplu, alchilitiu, sunt adăugați într-un mod similar:
Oxidul de etilenă reacționează ușor cu cianura de hidrogen pentru a forma etilen cianohidrina :
În loc de HCN, se poate folosi o soluție apoasă răcită (10–20 °C) de cianură de calciu [32] :
Etilencianhidrina pierde ușor apă pentru a forma acrilonitril :
Adăugarea de hidrogen sulfurat și mercaptaniInteracționând cu hidrogenul sulfurat , oxidul de etilenă formează 2-mercaptoetanol și tiodiglicol, cu alchilmercaptanii se obține 2-alchilmercaptoetanol:
Un exces de oxid de etilenă cu o soluție apoasă de hidrogen sulfurat duce la hidroxid de tris-(hidroxietil)sulfoniu:
Adăugarea de acizi azotic și azoticInteracțiunea oxidului de etilenă cu soluții apoase de nitrit de bariu , calciu , magneziu sau zinc , precum și cu o soluție de nitrit de sodiu cu dioxid de carbon , duce la formarea de 2-nitroetanol [33] :
Reacția oxidului de etilenă cu acidul azotic duce la mono- și dinitroglicol [34] :
Reacția cu compuși care conțin o grupare metilen activăReacția oxidului de etilenă cu compuși care conțin o grupare metilen activă în prezența alcoolaților duce la formarea de butirolactone [35] :
Atașarea la compuși aromaticiOxidul de etilenă reacționează Friedel-Crafts cu benzenul pentru a forma alcool feniletilic :
Efectuând reacția în alte condiții (temperatura 315–440°C, presiune 0,35–0,7 MPa, catalizator: aluminosilicat), stirenul se poate obține într-o singură etapă [36] .
Reacții pentru sinteza eterului coroanăCu oxid de etilenă, se pot prepara o serie de compuși heterociclici poli-membri cunoscuți sub numele de eteri coroană .
Una dintre metodele binecunoscute este ciclopolimerizarea cationică a oxidului de etilenă cu limitarea mărimii ciclului format [37] :
Pentru a suprima formarea polimerilor liniari laterali, se folosește o metodă de diluție ridicată - reacția se efectuează într-o soluție foarte diluată [37] .
De interes este reacția oxidului de etilenă cu SO 2 în prezența sărurilor de cesiu , conducând la formarea unui compus heterociclic cu unsprezece membri cu proprietățile de complexare ale eterului coroană [38] :
Când oxidul de etilenă este încălzit la o temperatură de aproximativ 400 °C sau 150–300 °C în prezența catalizatorilor ( Al 2 O 3 , H 3 PO 4 etc.), are loc izomerizarea la acetaldehidă [39] :
Mecanismul radical propus de Sidney W. Benson pentru a explica reacția care are loc în faza gazoasă include următorii pași [40] [41] :
Particula ( ) este o moleculă de acetaldehidă activată de scurtă durată (durată de viață 10–8,5 secunde), a cărei energie în exces este de aproximativ 355,6 kJ/mol, ceea ce este cu 29,3 kJ/mol mai mult decât energia de disociere a legăturii CC în acetaldehidă . 40] .
Izomerizarea termică a oxidului de etilenă în absența unui catalizator nu poate fi efectuată selectiv cu formarea de acetaldehidă, deoarece reacțiile radicalice paralele sunt vizibile în aceste condiții, iar proporția de subproduși este semnificativă (a se vedea subsecțiunea " Descompunerea termică ") [42] ] .
Oxidul de etilenă poate fi hidrogenat pentru a forma etanol în prezența unui catalizator:
Nichelul , platina și paladiul pot acționa ca catalizatori de hidrogenare directă [42] . De asemenea, este posibil să se utilizeze hidrură de litiu-aluminiu , borani și alte hidruri ca agenți de hidrogenare [43] .
Oxidul de etilenă poate fi redus și cu hidrogen în momentul izolării (reacția prafului de zinc cu acidul acetic ) la etilenă (randament până la 70%) [43] :
În mod similar, reacția are loc în prezența unui amestec de hidrură de litiu aluminiu cu clorură de titan (III) [44] , clorură de fier cu butilitiu în tetrahidrofuran , precum și alți agenți [43] .
Oxidul de etilenă poate fi oxidat, în funcție de condiții, la acid glicolic sau la dioxid de carbon :
Oxidarea profundă în fază gazoasă a oxidului de etilenă într-un reactor la o temperatură de 800–1000 K și o presiune de 0,1–1 MPa conduce la un amestec de produse care conțin O 2 , H 2 , CO , CO 2 , CH 4 , C 2 H2 , C2H4 , C2H6 , C3H6 , C3H8 , CH3CHO [ 45 ] . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
În prezența catalizatorilor acizi, dimerizarea oxidului de etilenă poate fi efectuată pentru a forma dioxan :
Mecanismul de reacție este următorul [42] :
Reacția de dimerizare nu este selectivă, deoarece în cursul implementării sale se formează întotdeauna produse secundare și, în special, acetaldehidă (datorită reacției de izomerizare ).
Pentru a accelera și a crește selectivitatea reacției, se pot utiliza catalizatori de platină sau platină- paladiu , precum și iod elementar împreună cu sulfolan (în acest caz, se formează 2-metil-1,3-dioxolan ca produs secundar) [46] .
Oxidul de etilenă lichid sub influența diverșilor factori poate forma polietilenglicoli . Procesul de polimerizare poate avea atât mecanisme radicale, cât și ionice, dar în termeni practici, doar acesta din urmă este utilizat pe scară largă [47] .
Polimerizarea cationică a oxidului de etilenă are loc sub acțiunea acizilor protici ( HClO 4 , HCl ), acizilor Lewis ( SnCl 4 , BF 3 , etc.), compușilor organometalici sau a compozițiilor mai complexe, multicomponente [47] :
Mecanismul de reacție este următorul [48] .
Prima etapă este inițierea catalizatorului (MXm ) sub acțiunea unei halogenuri de alchil sau de acil sau a unui compus cu un atom de hidrogen activ, de obicei apă, alcool sau glicol:
Complexul activ rezultat reacţionează cu oxidul de etilenă conform mecanismului S N 2 :
Întreruperea circuitului:
Polimerizarea anionică a oxidului de etilenă are loc sub acțiunea bazelor: alcoolați , hidroxizi , carbonați sau alți compuși ai metalelor alcaline sau alcalino -pământoase [47] .
Mecanismul de reacție este următorul [48] :
Oxidul de etilenă este un compus stabil termic: în absența catalizatorilor până la 300°C, nu suferă termoliză și abia după 570°C începe un proces sesizabil de descompunere exotermă , decurgând printr-un mecanism radical [42] . În prima etapă, are loc izomerizarea (vezi subsecțiunea „ Reacția de izomerizare ”), cu toate acestea, odată cu creșterea temperaturii, procesul radical se accelerează și, ca produse de reacție, se obține un amestec gazos care conține, pe lângă acetaldehidă , etan , etilenă , metan , hidrogen , monoxid de carbon (II) , cetenă , formaldehidă [49] .
Piroliza la temperatură ridicată (830-1200 K) la presiune ridicată într-un mediu inert conduce la o compoziție mai complexă a amestecului de gaze, în care sunt detectate suplimentar acetilena și propanul [50] .
Inițierea lanțului, spre deosebire de reacția de izomerizare, se desfășoară în principal după cum urmează [50] :
Efectuând distrugerea termică a oxidului de etilenă în prezența compușilor metalelor tranziționale ca catalizatori, este posibil nu numai să se reducă temperatura acestuia, ci și să se obțină etilenă ca produs principal , adică, de fapt, să se efectueze invers. reacție la sinteza oxidului de etilenă prin oxidare directă.
Sub acțiunea ionilor de tiocianat sau tiouree , oxidul de etilenă este transformat în tiiran (sulfură de etilenă) [51] :
Pentaclorura de fosfor , interacționând cu oxidul de etilenă, formează dicloroetan [24] :
Prin analogie, derivații dicloro din oxidul de etilenă pot fi obținuți prin acțiunea SOCl 2 și piridinei , trifenilfosfinei și CCl 4 [52] .
Triclorura de fosfor cu oxidul de etilenă formează esteri cloroetilici ai acidului fosforic [24] :
Produsul de reacție al oxidului de etilenă cu clorurile de acid carboxilic în prezența iodurii de sodiu este iodoetil ester [52] :
Când oxidul de etilenă este încălzit cu dioxid de carbon într-un solvent nepolar la 100°C în prezența bis- (trifenilfosfină)-nichel(0), se formează carbonat de etilenă [53] :
În industrie, o reacție similară este efectuată la presiune și temperatură ridicate în prezența sărurilor cuaternare de amoniu sau fosfoniu ca catalizator [54] .
Reacția oxidului de etilenă cu formaldehida în prezența unui catalizator la o temperatură de 80–150°C duce la formarea 1,3-dioxolanului [55] :
Dacă în locul formaldehidei se folosesc alte aldehide sau cetone , se pot obține 1,3-dioxolani 2-substituiți (randament 70–85%, catalizator: bromură de tetraetilamoniu) [55] .
Hidroformilarea catalitică a oxidului de etilenă duce la formarea de hidroxipropanal și apoi de propan-1,3-diol [56] :
Dehidroclorurarea etilenclorhidrinei , descoperită de Wurtz, rămâne încă una dintre cele mai comune metode de laborator pentru obținerea oxidului de etilenă:
Reacția se desfășoară la încălzire, în timp ce, pe lângă hidroxidul de sodiu sau potasiu , se pot folosi hidroxidi de calciu , bariu sau magneziu , precum și carbonați de metale alcaline sau alcalino -pământoase [57] .
La rândul său, etilenclorhidrina se obține în laborator folosind una dintre metodele enumerate mai jos [57] :
sau
O metodă convenabilă și una dintre cele mai vechi metode de preparare pentru obținerea oxidului de etilenă este acțiunea alcalinei asupra acetatului de cloretil [58] :
Cu un randament mare (până la 90%), oxidul de etilenă poate fi obținut prin acțiunea oxidului de calciu (cu alte alcalii, randamentul de reacție scade) asupra hipocloritului de etil [58] :
La rândul său, hipocloritul de etil se obține prin reacția:
Pentru epoxidarea etilenei în condiții de laborator, se folosesc peroxiacizi , de exemplu, acid peroxibenzoic sau meta - clorperoxibenzoic [59] :
Oxidarea cu peracizi este eficientă pentru alchenele superioare, dar utilizarea lor pentru etilenă, deși posibilă, poate să nu fie pe deplin justificată în practică datorită duratei și randamentului scăzut al reacției [58] .
Alte metode de pregătire includ următoarele [58] :
Din publicațiile recente, menționăm utilizarea unui catalizator mixt litiu-argint-aluminiu pentru oxidarea directă a etanolului la oxid de etilenă [60] :
Începutul producției industriale de oxid de etilenă datează din 1914 , când a fost lansat procesul de clorhidrina (reacția clorhidrinei de etilenă cu hidroxid de calciu ), monopol care a existat până în 1937 . Prima fabrică de oxid de etilenă a fost construită în timpul Primului Război Mondial de către BASF [61] . Procesul clorhidrinei nu a fost inițial destul de eficient, chiar și fără a lua în considerare indicatorii economici, deoarece a pierdut clor valoros sub formă de clorură de calciu .
Începând cu anii 1930, acest proces a început să fie înlocuit prin oxidarea directă în fază gazoasă a etilenei cu aer, iar începând cu anul 1958 cu oxigen, în prezența unui catalizator de argint, la o presiune de 1–3 MPa și la o temperatură de 200°C. –300 °C (oxidarea directă a etilenei a fost descoperită în anul 1931 de către Lefort) [62] .
O metodă mai economică de oxidare directă a etilenei a furnizat aproximativ jumătate din tot oxidul de etilenă produs în SUA până la mijlocul anilor 1950 , iar după 1975 a înlocuit complet vechea metodă [62] .
În Uniunea Sovietică , prima producție industrială de oxid de etilenă, realizată în conformitate cu procedeul clorhidrinei, a fost lansată în 1936 [63] ; În același timp, a fost efectuată o căutare intensă a unei tehnologii mai economice. Lucrările privind crearea propriei metode de producere a oxidului de etilenă prin oxidarea directă a etilenei pe un catalizator de argint au fost efectuate sub îndrumarea profesorului P. V. Zimakov în 1938-1942. [64] , care a stat la baza primei producții industriale interne de oxid de etilenă prin oxidarea catalitică directă a etilenei, lansată la scurt timp după Marele Război Patriotic [63] .
Procesul cu clorhidrina a fost prima metodă industrială de producere a oxidului de etilenă și, deși la începutul secolului al XXI-lea a fost complet înlocuită de metoda de oxidare directă a etilenei, cunoașterea acesteia nu este doar de interes istoric, ci și de interes practic: metoda este încă folosită la producerea propilenoxidului [65] .
Din punct de vedere tehnologic, procesul de clorhidrina constă din următoarele etape:
În practică, oxidul de etilenă este produs printr-o metodă continuă. În prima coloană de reacție, hipoclorurarea etilenei are loc cu formarea etilenclorhidrinei [66] :
Pentru a reduce conversia etilenei în dicloroetan (reacția [3] ), concentrația de etilen clorhidrina este menținută la un nivel de 4-6%, iar soluția în sine este încălzită cu abur până la punctul de fierbere [66] .
Apoi, o soluție apoasă de etilen clorhidrin intră în a doua coloană de reacție, unde reacţionează cu o soluţie 30% de hidroxid de calciu la o temperatură de 100 °C [66] :
Purificarea oxidului de etilenă de impurități se realizează prin distilare . Procesul cu clorhidrina face posibilă realizarea unei conversii de etilenă de 95%, randamentul de oxid de etilenă este de 80% din cel teoretic; se obţin circa 200 kg de dicloroetan la 1 tonă de produs rezultat [66] .
Metoda de oxidare directă a etilenei cu oxigen în prezența unui catalizator de argint a fost brevetată pentru prima dată de Lefort în 1931. În viitor, această metodă a fost studiată, modificată în mod repetat și a primit diverse variații pentru uz industrial. Există cel puțin patru dezvoltări cele mai comune [67] , care au stat la baza soluțiilor moderne eficiente din punct de vedere comercial [68] :
De regulă, în instalațiile mai vechi, se folosesc scheme de producție de oxid de etilenă, unde aerul acționează ca un agent oxidant ( Union Carbide, Scientific Design ). În producția modernă, oxigenul este folosit pentru oxidare ( procedeul Union Carbide - Meteor, Shell, Scientific Design - a doua versiune, Japan Catalytic ) [73] .
Chimia și cinetica oxidării directe a etileneiFormal, procesul de oxidare directă a etilenei în prezența unui catalizator de argint poate fi scris ca o ecuație:
În același timp, studiind procesul practic al reacției, se poate observa o cantitate semnificativă de dioxid de carbon și apă în produsele sale, care ar putea fi explicată prin oxidarea completă a etilenei sau oxidului de etilenă:
Mecanismul reacției de oxidare directă a etilenei a fost studiat pe scară largă, dar în prezent nu există o opinie general acceptată a comunității științifice cu privire la această problemă.
În anii 1970, procesul de oxidare catalitică heterogenă a etilenei a fost studiat și descris de P. A. Kilty și W. M. H. Sachtler, care au sugerat următorul mecanism pentru acesta [74] :
Aici (ads) sunt particulele adsorbite pe suprafața catalizatorului; (adj) - particule de argint învecinate direct cu atomii de oxigen.
Schema generală de reacție va arăta astfel:
Astfel, s-a determinat gradul maxim de conversie a etilenei în oxid de etilenă: 6/7 sau 85,7% [74] .
Acest mecanism a fost în concordanță cu studiile lui W. Herzog, care a folosit oxid nitric (I) ca oxidant [74] :
Studiile ulterioare ale mecanismului de oxidare a etilenei folosind un catalizator de argint au arătat că acest mecanism nu este chiar corect, iar procesul de formare a oxidului de etilenă începe numai după ce metalul este activat de oxigen și moleculele de oxigen sunt introduse în suprafața catalizatorului. Acest oxigen activ de sub suprafață este cel care intră în reacție ulterioară cu etilena, permițând oxidarea selectivă [75] , ceea ce face posibilă aducerea conversiei teoretice a etilenei în epoxid până la 100% [76] .
Căutarea unui catalizator pentru oxidarea selectivă a etilenei, realizată cu succes în anii 1930, a condus la depunerea de argint metalic pe diverse suporturi ( piatră ponce , silicagel , diverși silicați și aluminosilicați , alumină , carbură de siliciu etc.) și activat cu speciali. aditivi ( antimoniu , bismut , peroxid de bariu etc.) [77] . Experimentul a arătat că condițiile optime pentru reacție sunt o temperatură de 220–280 °C (o temperatură mai scăzută face catalizatorul inactiv, iar o temperatură mai mare reduce selectivitatea reacției datorită unei oxidări mai profunde a etilenei) și o presiune de 1–3 MPa (crește productivitatea catalizatorului și facilitează absorbția oxidului de etilenă din gazele de reacție) [77] .
În ciuda existenței unui singur proces chimic fundamental pentru oxidarea catalitică a etilenei, în practică există două scheme tehnologice diferite de oxidare: cea mai veche, care presupune utilizarea aerului, și cea mai nouă, cu oxigen (>95%). .
O analiză comparativă a celor două scheme este prezentată în următorul tabel [9] :
Opțiuni | Oxidarea aerului | Oxidarea cu oxigen |
---|---|---|
Conținutul de etilenă în amestecul de gaze, % molar | 2-10 | 20-35 |
Temperatura procesului, °C | 220-277 | 220-235 |
Presiune de lucru, MPa | 1-3 | 2-3 |
Conversie (pentru etilenă), % | 20-65 | 8-12 |
Randamentul real de oxid de etilenă, % molar | 63-75 | 75-82 |
Pe lângă considerentele economice generale, avantajul oxidării etilenei cu oxigen este următorul [78] :
Oxidul de etilenă este unul dintre cei mai mari intermediari organici din producția chimică mondială ca volum, al doilea după etilenă (113 milioane de tone în 2008 [79] ), propilenă (73 milioane de tone în 2008 [80] ), etanol (52 milioane de tone ). în 2008 [81] ), benzen (41 milioane de tone în 2008 [82] ), metanol (40 milioane de tone în 2008 [83] ), acid tereftalic (39 milioane de tone în 2008 [84] ), clorură de vinil (36,7 milioane de tone ). în 2008 [85] ), dicloroetan (36,6 milioane de tone în 2008 [86] ), etilbenzen (29,2 milioane de tone în 2008 [87] ), p-xilen (28 milioane de tone în 2008 [88] ), stiren (26 milioane de tone ). în 2008 [89] ), n-butilenă (21 milioane de tone în 2008 [90] ) și toluen (20 milioane de tone în 2008 [91] ) .
Producția de oxid de etilenă este a doua cea mai importantă utilizare a etilenei după polietilenă ca materie primă chimică cea mai importantă și reprezintă 14,6% din consumul său mondial (din 2008) [92] .
Producția mondială de oxid de etilenă în 2012 a fost de 21 de milioane de tone (în 2010 - 19,5 milioane de tone, în 2008 - 19 milioane de tone, în 2007 - 18 milioane de tone), ceea ce reprezintă aproximativ 90% din toate capacitățile de producție mondiale (în 2007 - 93%) [93] [94] . Conform datelor de prognoză de la Merchant Research and Consulting Ltd. Arhivat 16 august 2014 pe Wayback Machine , până în 2016 consumul de oxid de etilenă va crește la 24,2 milioane de tone [93] .
Din 2004, producția mondială de oxid de etilenă pe regiune este următoarea [95] :
Regiune | Numar de producatori | Producție, mii de tone |
---|---|---|
America de Nord SUA Canada Mexic |
10 3 3 |
4009 1084 350 |
America de Sud Brazilia Venezuela |
2 1 |
312 82 |
Europa Belgia Franța Germania Țările de Jos Spania Turcia Regatul Unit Europa de Est |
2 1 4 2 1 1 1 fără date |
770 215 995 460 100 115 300 950 |
Orientul Mijlociu Iran Kuweit Arabia Saudită |
2 1 2 |
201 350 1781 |
Asia China Taiwan India Indonezia Japonia Malaezia Coreea de Sud Singapore |
fără date 4 >2 1 4 1 3 1 |
1354 820 488 175 949 385 740 80 |
Cei mai mari producători mondiali de oxid de etilenă în ceea ce privește capacitatea de producție, din 2006 (nr. 1, 2, 5, 6), 2008-2009 (Nr. 3, 4, 7):
Conform datelor din 2013, 39% din producția mondială de oxid de etilenă se află în Asia , iar 45% este concentrată în trei țări - SUA, China și Arabia Saudită [93] .
Din 2013, cei mai mari producători de oxid de etilenă din lume sunt Shell, Dow Chemical Company, SINOPEC Corp., Honam Petrochemical Corp, Ineos Oxide, Nan Ya Plastics Corp, Yanbu National Petrochemical Co, Saudi Kayan Petrochemical Company, MEGlobal și Shanghai Petrochemical [93] ] .
Asociația producătorilor de oxid de etilenă și derivate [104] este membru al Asociației producătorilor de oxid de etilenă și derivate [104] și sunt: Akzo Nobel Functional Chemical, BASF, Clariant, Dow Europe, Ineos Oxide, La Seda de Barcelona, Lukoil Neftochim, ME Global, Sabic, Sasol Germania, Shell Chemicals [105] .
Producția de oxid de etilenă în Rusia se realizează la următoarele întreprinderi:
Volumul total al producției de oxid de etilenă în Rusia în 2008 a fost de 531,7 mii tone, ceea ce este cu 2% mai mic decât în 2007 [110] .
Producția de oxid de etilenă în Rusia se realizează în conformitate cu GOST 7568-88 [113] .
Principala direcție de utilizare a oxidului de etilenă este producerea de etilenglicoli [114] : până la 75% din consumul total global. Alți derivați cheie includ etoxilați, etanolamine, eteri și esteri de etilen glicol și polietilen glicol .
Oxidul de etilenă este cea mai importantă materie primă utilizată în producția de produse chimice la scară largă, care stă la baza unei game largi de bunuri de larg consum în toate țările industrializate.
Principalele direcții de utilizare a oxidului de etilenă [115] :
Cea mai mare utilizare a oxidului de etilenă este producția de etilenglicoli, dar procentul de utilizare a acestuia în această formă variază foarte mult în funcție de regiune: de la 44% în Europa de Vest , 63% în Japonia și 73% în America de Nord până la 90% în restul Asiei și 99% în Africa [117] .
Producția de etilenglicolÎn industrie , etilenglicolul se obține prin hidratarea necatalitică a oxidului de etilenă la temperaturi de până la 200°C și o presiune de 1,5–2 MPa [118] :
Produsele secundare ale reacției sunt dietilenglicolul , trietilenglicolul și poliglicolii (aproximativ 10% în total), care sunt separați de etilenglicolul prin distilare la presiune redusă [119] .
O altă metodă: reacția oxidului de etilenă și a CO 2 cu producția intermediară de carbonat de etilenă (temperatura 80–120 °C și presiunea 2–5 MPa) și hidroliza ulterioară a acestuia cu decarboxilare [118] :
În prezent, cele mai moderne tehnologii de producere a etilenglicolului din lume sunt [120] :
Principalii esteri ai mono-, di- și trietilenglicolilor produși la scară industrială sunt metil, etil și butil normal, precum și acetații și ftalații acestora [122] .
Schema chimică de producție constă în reacția alcoolului corespunzător cu oxidul de etilenă:
Reacția monoesterilor cu un acid sau anhidrida acestuia duce la formarea esterilor corespunzători:
Producția de etanolamineÎn industrie, etanolaminele ( mono- , di- și trietanolamine ) sunt obținute prin reacția amoniacului cu oxidul de etilenă într-un mediu anhidru la o temperatură de 40–70 °C și o presiune de 1,5–3,5 MPa [123] :
În timpul reacției, se formează toate cele trei etanolamine, în timp ce amoniacul și o parte din monoetanolamină sunt reciclate. Separarea produselor finite se realizează prin distilare în vid .
În mod similar, se obțin diferite hidroxialchilamine:
Produsele monosubstituite se formează atunci când un exces mare de amină este tratat cu oxid de etilenă în prezența apei și la temperaturi sub 100 °C; disubstituit - cu un exces ușor de oxid de etilenă, o temperatură de 120-140 ° C și o presiune de 0,3-0,5 MPa [124] .
Producția de etoxilațiProducerea etoxilaților în industrie se realizează prin reacția directă a alcoolilor superiori, acizilor sau aminelor cu oxidul de etilenă în prezența unui catalizator alcalin la o temperatură de 120-180 °C.
În prezent, în industrie, noile instalații de etoxilat se bazează de obicei pe tehnologia reactoarelor BUSS LOOP® [125] .
Tehnologia reactoarelor BUSS LOOP® este un proces continuu care include trei etape [126] :
În prezent, producția de acrilonitril se realizează în principal (90% din 2008 ) prin metoda SOHIO [127] , cu toate acestea, până în 1960, unul dintre cele mai importante procese de producție pentru producerea acestuia a fost metoda de adăugare a cianurii de hidrogen la oxidul de etilenă. , urmată de deshidratarea cianohidrinei rezultate [128 ] [129] :
Adăugarea acidului cianhidric la oxidul de etilenă se realizează în prezența unui catalizator ( hidroxid de sodiu și dietilamină ), iar deshidratarea cianohidrinei are loc în faza gazoasă sub acțiunea catalitică a aluminei active [130] .
Utilizarea directă a oxidului de etilenă în diferite sectoare ale economiei, din 2004, reprezintă doar 0,05% din producția mondială totală [95] .
Oxidul de etilenă este utilizat ca fumigant și dezinfectant amestecat cu dioxid de carbon (8,5-80% oxid de etilenă), azot sau diclorodifluormetan (12% oxid de etilenă) pentru sterilizarea cu gaz a echipamentelor și instrumentelor medicale, seringilor, materialelor de ambalare și salopete, forme de dozare, echipamente chirurgicale și științifice [95] ; locuri de prelucrare de depozitare a diverselor produse vegetale (tutun, pachete de cereale, saci de orez etc.), haine și blănuri, precum și documente valoroase [131] .
În plus, oxidul de etilenă este folosit ca accelerator de maturare a frunzelor de tutun și ca fungicid în agricultură [131] .
O direcție specifică în utilizarea oxidului de etilenă este capacitatea acestuia de a fi utilizat ca componentă principală a muniției cu explozie de volum [132] .
Cea mai simplă reacție calitativă poate fi proprietatea oxidului de etilenă de a precipita hidroxizi metalici insolubili atunci când este trecut prin soluții apoase de sare, de exemplu:
Prin analogie, trecerea aerului printr-o soluție apoasă a unor săruri de sodiu sau potasiu ( cloruri , ioduri , tiosulfați anorganici etc.) cu adaos de fenolftaleină , oxidul de etilenă este detectat prin apariția unei culori roz strălucitoare a indicatorului [133] :
Există multe alte metode de identificare a oxidului de etilenă în prezența diferitelor substanțe însoțitoare, dintre care putem aminti [133] :
Principala metodă fizică de determinare a oxidului de etilenă în diverse medii este cromatografia gazoasă [95] .
Substanța este extrem de inflamabilă, amestecurile sale cu aerul sunt explozive. Când este încălzit din cauza descompunerii rapide, există riscul de incendiu și explozie [134] .
Temperatura de autoaprindere este de 429 °C; conținut minim de inflamabil în aer: 2,7% vol. [135]
Incendiile cu oxid de etilenă sunt stinse folosind mijloace de stingere convenționale, inclusiv spumă, dioxid de carbon și apă. Lupta împotriva arderii oxidului de etilenă este dificilă, deoarece în anumite condiții poate continua să ardă într-o atmosferă inertă, precum și sub formă de soluție apoasă - pentru stingerea garantată a unui incendiu, trebuie diluat cu apă într-un raport. de cel puțin 22:1 [136] .
Evaluare NFPA 704 [137] [138] :
![]() |
Oxidul de etilenă inhibă dezvoltarea microorganismelor ( proprietăți dezinfectante ) și, în concentrație suficientă, le distruge complet. Proprietățile de alchilare puternice fac din oxidul de etilenă o otravă universală pentru protoplasmă : [139] substanța provoacă coagularea proteinelor, dezactivarea enzimelor și a altor componente biologic importante ale unui organism viu [140] [141]
Oxidul de etilenă acționează mai puternic împotriva bacteriilor (în special a celor gram pozitive) decât împotriva drojdiilor și mucegaiurilor [140] .
Efectul dezinfectant al oxidului de etilenă este similar ca efect cu sterilizarea termică, cu diferența că oxidul de etilenă acționează asupra obiectelor în principal superficial datorită puterii sale de penetrare limitate.
Nivelul de asigurare a sterilității (SAL) după expunerea la oxid de etilenă este 10 −6 [142] , adică șansa de a detecta bacterii nu este mai mare de una la un milion [143] [144]
Oxidul de etilenă este un agent de alchilare ; are efecte iritante, sensibilizante și narcotice [145] . Expunerea cronică la oxidul de etilenă este mutagenă ; IARC clasifică oxidul de etilenă în Grupa 1, considerând că este un cancerigen uman dovedit [146] .
La concentrații în aer de aproximativ 200 ppm, este iritant pentru membranele mucoase ale nasului și gâtului; un conținut mai mare provoacă leziuni ale traheei și bronhiilor, precum și colapsul parțial al plămânilor. Concentrațiile mari pot provoca edem pulmonar și afectarea sistemului cardiovascular, în timp ce efectul dăunător al oxidului de etilenă poate apărea abia după 72 de ore din momentul intoxicației [16] .
Oxidul de etilenă provoacă otrăvire acută, însoțită de următoarele simptome: palpitații, contracții musculare, înroșirea feței, dureri de cap, nistagmus, pierderea auzului și acidoză , vărsături, amețeli, pierderea pe termen scurt a conștienței, gust dulce în gură. În intoxicație acută: cefalee pulsantă severă, amețeli, incertitudine la mers, dificultăți de vorbire, tulburări de somn, durere la nivelul picioarelor, letargie, rigiditate, transpirație, excitabilitate musculară crescută, spasm tranzitoriu al vaselor retiniene, mărirea ficatului și încălcarea funcției sale antitoxice . 145] .
Oxidul de etilenă are o capacitate puternică de resorbție, pătrunde ușor în îmbrăcăminte și încălțăminte, provocând iritații ale pielii, dermatită cu vezicule, febră și leucocitoză [145] [147]
Valorile dozelor letale medii de oxid de etilenă în raport cu unele animale:
Principalele standarde igienice rusești pentru oxidul de etilenă [149] :
Limita de oxid de etilenă în aerul ambiant conform standardelor SUA (Conferința Americană a Igieniștilor Guvernamentali și Industriali): 1,8 mg/m³ [150]
![]() | |
---|---|
În cataloagele bibliografice |
|
Heterocicluri oxigenate | |
---|---|
Trinom | |
Cuaternar | |
Cu cinci membri |
|
Cu șase membri |
|
Cu șapte membri | Caprolactonă (ε-lactonă) |