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环氧乙烷

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环氧乙烷
IUPAC名
epoxyethane
别名 氧杂环丙烷, EO
识别
CAS号 75-21-8  checkY
PubChem 6354
ChemSpider 6114
SMILES
 
  • C1CO1
InChI
 
  • 1/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2
InChIKey IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYAX
EINECS 200-849-9
RTECS KX2450000
KEGG C06548
MeSH Ethylene+Oxide
性质
化学式 C2H4O
摩尔质量 44.05 g·mol⁻¹
外观 无色气体
密度 0.882 g/mL
熔点 −111.3 °C
沸点 10.7 °C
溶解性（水） 互溶
危险性
GHS危险性符号
《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中易燃物的标签图案《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中高压气体的标签图案《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中有毒物质的标签图案《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中对人体有害物质的标签图案
NFPA 704
4
3
2
 
闪点 −20 °C
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

环氧乙烷是一种有机化合物，化学式是C2H4O，是一种有毒的致癌物质，以前被用来制造杀菌剂。环氧乙烷易燃易爆，不易长途运输，因此有强烈的地域性。被广泛地应用于洗涤、制药、印染等行业。在化工相关产业可作为清洁剂的起始剂。

实验室制法

环氧乙烷液体

氯醇法制造环氧乙烷

从2-氯乙醇中脱去氯化氢，是由 夏尔-阿道夫·武尔茨 在1859年发明的制法，现在仍是实验室中制取环氧乙烷最普遍的方法：

Cl–CH2CH2–OH + NaOH → (CH2CH2)O + NaCl + H2O

反应需要升高温度，同时氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、氢氧化镁或碱金属（碱土金属）的碳酸盐亦可作为反应物。[1]

氯乙醇可由以下途径制备：[1]

  • 乙二醇与盐酸反应：
HO–CH2CH2–OH + HCl → HO–CH2CH2–Cl + H2O
  • 乙烯与次氯酸反应：
CH2=CH2 + HOCl → HO–CH2CH2–Cl
  • 乙烯与氯气和水反应:
CH2=CH2 + Cl2 + H2O → HO–CH2CH2–Cl + HCl

为抑制乙烯转变成二氯乙烷，乙烯的浓度需保持在4~6％，且溶液以蒸气加热至沸腾。接下来乙烯氯醇溶液进入第二个制程管线中在100℃下与30％氢氧化钙溶液反应：

2 CH3CH2–OCl + CaO → 2 (CH2CH2)O + CaCl2 + H2O

环氧乙烷产生后再以精馏方式纯化，其产率约有80％。

性质

在氧气充足条件下容易爆炸燃烧: 2C2H4O+5O2 →4CO2+4H2O

环氧乙烷能还原硝酸银: C2H4O+ 2AgNO3 → 2Ag + 2HNO3 + CO2 + H2O

环氧乙烷与许多化合物发生开环加成反应。 受热后易聚合，在有金属盐类或氧的存在下能分解。

历史

环氧乙烷由法国化学家Charles-Adolphe Wurtz于 1859 年首次报道， [2]他通过用氢氧化钾处理2-氯乙醇制备了环氧乙烷：

Wurtz 测得环氧乙烷的沸点为13.5 °C（56.3 °F） ，略高于现有值，并发现环氧乙烷与酸和金属盐反应的能力。 [3] 武茨错误地认为环氧乙烷具有有机碱的性质。 这种误解一直持续到 1896 年Georg Bredig发现环氧乙烷不是电解质。 [3] [4] 它与其他醚的不同之处——特别是它参与不饱和化合物典型的加成反应的倾向——长期以来一直是一个争论的问题。 环氧乙烷的杂环三角结构是在1868年或更早提出的。 [5]

尽管包括 Wurtz 本人在内的无数次尝试直接从乙烯生产环氧乙烷，但 Wurtz 1859 年的合成长期以来仍然是制备环氧乙烷的唯一方法。 [6] 直到1931年，法国化学家Theodore Lefort才开发出一种在银催化剂存在下直接氧化乙烯的方法。 [7] 自1940年以来，几乎所有环氧乙烷的工业生产都依赖于这一工艺。 [8] 1938年，美国化学家劳埃德·霍尔（Lloyd Hall）获得了环氧乙烷灭菌法保存香料的专利。 环氧乙烷在第一次世界大战期间作为冷却剂乙二醇和化学武器芥子气的前体获得了工业上的重要性。

分子结构和性质

环氧乙烷的环氧循环几乎是正三角形，键角约为60°，并且具有对应于105 kJ/mol能量的显着角应变。 [9] [10] 作为比较，醇中的 C-O-H 角约为 110°；在醚中，C-O-C角为120°。 每个主轴的转动惯量为I A = 32.921×10−40 g·cm2, I B = 37.926×10−40 g·cm2且IC = 59.510×10−40 g·cm2 。 [11]

通过比较表中断裂环氧乙烷中的两个 C-O 键或乙醇和二甲醚中的一个 C-O 键所需的能量，揭示了分子中碳-氧键的相对不稳定性： [12]

反应 ΔH° 298, kJ/mol 方法
(C 2 H 4 )O → C2H4 + O （两个键断裂） 354.38 根据原子焓计算
C 2 H 5 OH → C 2 H 5 + OH （断开一个键） 405.85 电子撞击
CH 3 OCH 3 → CH 3 O + CH 3 （断开一个键） 334.72 使用自由基形成的焓计算

这种不稳定性与其高反应性相关，解释了其开环反应的容易程度（参见化学性质）。

用途

灭菌

环氧乙烷可杀灭细菌（及其内孢子）、霉菌及真菌，因此可用于消毒一些不能耐受高温消毒的物品。美国化学家Lloyd Hall在1938年取得以环氧乙烷消毒法保存香料的专利，该方法直到今天仍有人使用。环氧乙烷也被广泛用于消毒医疗用品诸如绷带、缝线及手术器具。

工业合成

大部份的环氧乙烷被用于制造其它化学品，主要是乙二醇。乙二醇主要的最终用途是生产聚酯聚合物，也被用作汽车冷却剂及防冻剂。

军事

由于环氧乙烷易燃及在空气中有广阔的爆炸浓度范围，它有时被用作燃料气化爆弹的燃料成份。

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 PV Zimakova and O. Dymenta (编). Chapter V. Producing ethylene oxide through ethylene. Ethylene oxide. Khimiya. 1967: 155–182. 
  2. ^ Wurtz, A. Sur l'oxyde d'éthylène. Comptes rendus. 1859, 48: 101–105 [2023-09-03]. （原始内容存档于2023-09-03）. Wurtz, A. (1859).
  3. ^ 3.0 3.1 Zimakov, P.V.; Dyment, O. H. (编). Ethylene oxide. Khimiya. 1967: 15–17.  Editors list列表缺少|last2= (帮助)Zimakov, P.V.; Dyment, O. H., eds. (1967).
  4. ^ Bredig, G.; Usoff, A. Ist Acetylen ein Elektrolyt? [Is acetylene an electrolyte?]. Zeitschrift für Elektrochemie. 1896, 3: 116–117. Bredig, G.; Usoff, A. (1896).
  5. ^ Eugen F. von Gorup-Besanez, ed., Lehrbuch der organischen Chemie für den Unterricht auf Universitäten … [Textbook of Organic Chemistry for Instruction at Universities … ], 3rd ed.
  6. ^ Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Elastomers, synthetic to Expert Systems 9 4. New York: John Wiley & Sons. 1994: 450–466. ISBN 978-0-471-48514-8. "Ethylene Oxide".
  7. ^ Lefort, T.E. (23 April 1935) "Process for the production of ethylene oxide". 美国专利第1,998,878号
  8. ^ McClellan, P. P. Manufacture and Uses of Ethylene Oxide and Ethylene Glycol. Ind. Eng. Chem. 1950, 42 (12): 2402–2407. doi:10.1021/ie50492a013. McClellan, P. P. (1950).
  9. ^ Knunyants, I. L. (编). Chemical Encyclopedia. Soviet encyclopedia 3: 330–334. 1988. 
  10. ^ Traven VF. V. F. Traven , 编. Organic chemistry: textbook for schools 2. ECC "Academkniga". 2004: 102–106. ISBN 5-94628-172-0. 
  11. ^ Cunningham G. L.; Levan W. I.; Gwinn W. D. The Rotational Spectrum of Ethylene Oxide. Phys. Rev. 1948, 74 (10): 1537. Bibcode:1948PhRv...74.1537C. doi:10.1103/PhysRev.74.1537. 
  12. ^ Kondrat'ev, VN (编). Energy of chemical bonds. Ionization potentials and electron affinity. Nauka. 1974: 77–78. 
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