Εποξυαιθάνιο

Εποξυαιθάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Εποξυαιθάνιο
Άλλες ονομασίες	Οξιράνιο Αιθυλενοξείδιο Οξακυκλοπροπάνιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C2H4O
Μοριακή μάζα	44,05 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος
Αριθμός CAS	75-21-8
SMILES	O1CC1
InChI	1S/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2
Αριθμός EINECS	200-849-9
Αριθμός RTECS	KX2450000
Αριθμός UN	JJH7GNN18P
PubChem CID	6354
ChemSpider ID	6114
Δομή
Μοριακή γεωμετρία	τριγωνική ως προς C-C-O.
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	2 Αιθενόλη Αιθανάλη
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-111,3°C
Σημείο βρασμού	10,7°C
Πυκνότητα	882 kg/m3
Διαλυτότητα στο νερό	Αναμείξιμο
Χημικες ιδιότητες
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	-20°C
Σημείο αυτανάφλεξης	429 °C
Επικινδυνότητα
Καρκινογόνο
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 3 3
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το εποξυαιθάνιο ή οξιράνιο ή αιθυλενοξείδιο είναι ο απλούστερος ετεροκυκλικός αιθέρας. Στις συνηθισμένες συνθήκες (θερμοκρασία 25 °C, πίεση 1 atm), είναι ένα άχρωμο, εύφλεκτο αέριο, με μια γλυκιά οσμή παρόμοια με αυτή του αιθέρα σε τοξικά επίπεδα. Είναι ένα από τα πιο σημαντικά ενδιάμεσα προϊόντα της χημικής βιομηχανίας.

Λόγω της δομής του τριμελούς δακτυλίου έχει υψηλή «ενέργεια τάσης δεσμών», όπως π.χ. και τα ανάλογα μόρια του κυκλοπροπανίου και της αζιριδίνης. Αυτό συνεπάγεται σχετικά εύκολες αντιδράσεις προσθηκοδιάσπασης με θραύση του ενός δεσμού C-O. Με βάση το χημικό τύπο του, C₂H₄O, έχει δύο (2) ισομερή θέσης, την αιθανάλη και την ελάσσονα ταυτομερή της αιθενόλη.

Παρόλο που είναι μια ζωτικής σημασίας ενδιάμεση ύλη για τη χημική βιομηχανία, με πολλά χρήσιμα παράγωγα, που περιλαμβάνουν και πολυμερή, το ίδιο το εποξυαιθάνιο είναι μια πολύ βλαβερή ουσία, καθώς στις συνηθισμένες συνθήκες είναι αέριο εύφλεκτο, καρκινογόνο, τερατογόνο, ερεθιστικό και αναισθητικό, με ένα παραπλανητικό ευχάριστο άρωμα.

Η χημική δραστικότητα του εποξταιθανίου που είναι υπεύθυνη για πολλές από τις βλαβερές ιδιότηττές του είναι επίσης υπεύθυνη για το ότι είναι μια ουσία - κλειδί για τη χημική βιομηχανία που υποστηρίζει το επίπεδο ζωής των προηγμένων κοινωνιών. Παρόλο που είναι πολύ επικύνδινο για οικιακή χρήση και σχετικά άγνωστο στους καταναλωτές, το εποξυαιθάνιο χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή πολλών καταναλωτικών και μη χημικών προϊόντων και ενδιαμέσων. Είναι κρίσιμο για την παραγωγή απορρυπαντικών, πηκτικών, διαλυτών, πλαστικών και διαφόρων οργανικών χημικών, όπως η αιθανοδιόλη-1,2, οι αιθανολαμίνες, διάφορες απλές και σύνθετες γλυκόλες, οι πολυγλυκολικοί αιθέρες και άλλες ενώσεις. Ως ένα δηλητηριώδες αέριο που δεν αφήνει ίχνη στα αντικείμενα με τα οποία έρχεται σε επαφή, το καθαρό εποξυαιθάνιο είναι ένα αποστειρωτικό που χρησιμοποιείται ευρύτατα από νοσοκομεία και από τη βιομηχανία παραγωγής ιατρικού εξοπλισμού σε αντικατάσταση της χρήσης ατμού σε υλικά που είναι ευαίσθητα στη θερμότητα όπως οι μίας χρήσης πλαστικές σύριγγες.

Ιστορία

Το αιθυλενοξείδιο παρασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1859 από το Γάλλο χημικό Charles Wurtz με την κατεργασία 2-χλωραιθανόλης με υδροξείδιο του καλίου. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιήθηκε και για τη βιομηχανική παραγωγή του αιθυλενοξειδίου μέχρι περίπου το 1931, οπότε και ανακαλύφθηκε η μέθοδος που χρησιμοποιείται και σήμερα, η καταλυτική οξείδωση του αιθυλενίου με οξυγόνο ή ατμοσφαιρικό αέρα.

Παραγωγή

Από αιθένιο

1. Το αιθυλενοξείδιο παράγεται σήμερα βιομηχανικά από καθαρό αιθένιο, με οξείδωση από ατμοσφαιρικό αέρα ή καθαρό οξυγόνο, όπως φαίνεται στην παρακάτω αντίδραση:

$\mathrm{CH_2=CH_2 + \frac{1}{2}O_2 \xrightarrow[1-2MPa,\; 280^oC]{Ag}}$

Η απόδοση της αντίδρασης μπορεί να φθάσει και το 80%. Η παγκόσμια ετήσια παραγωγή είναι 11 εκατομμύρια τόνοι.

2. Εναλλακτικά, η οξείδωση μπορεί να γίνει και με αιθανικό υπεροξύ:

$\mathrm{CH_2=CH_2 + CH_3CO_3H \xrightarrow{} CH_3COOH +}$

Από χλωραιθανόλη

Με απόσπαση υδροχλωρίου (HCl) από 2-χλωραιθανόλη παράγεται οξιράνιο:

$\mathrm{ClCH_2CH_2OH + NaOH \xrightarrow{} NaCl + H_2O +}$

Από μεθανάλη

Με επίδραση μεθυλενίου σε μεθανάλη παράγεται και οξιράνιο:

$\mathrm{HCHO + CH_3Cl + KOH \xrightarrow{} \frac{2}{3} CH_3CHO + \frac{1}{3}}$

• Μεγαλύτερη απόδοση σε οξιράνιο έχει η παραγωγή μεθυλενίου με το σύστημα ψευδαργύρου - διιωδομεθανίου, που ευνοεί την παραγωγή κυκλικών ενώσεων:

:

$\mathrm{HCHO + CH_2I_2 + Zn \xrightarrow{Cu} ZnI_2 +}$

Από δι(βρωμομεθυλ)αιθέρα

Με τη χρήση ενδομοριακής αντίδρασης Würtz, από δι(βρωμομεθυλ)αιθέρα

$\mathrm{BrCH_2OCH_2Br + 2Na \xrightarrow{} 2NaBr +}$

• Όμως η απόδοση αυτής της αντίδρασης είναι σχετικά μικρή, αφού ταυτόχρονα διεξάγεται αναπόφευκτα και διαμοριακή:

$\mathrm{2BrCH_2OCH_2Br + 2Na \xrightarrow{} 2NaBr + BrCH_2O2CH_2CH_2OCH_2Br}$

• Σήμερα χρησιμοποιείται περισσότερο η τροποποιημένη αντίδραση Freund με Zn, που δίνει μεγαλύτερη απόδοση στην ενδομοριακή αντίδραση. Σ' αυτήν την περίπτωση η στοιχειομετρική εξίσωση της αντίδρασης γίνεται:

$\mathrm{BrCH_2OCH_2Br + Zn \xrightarrow{} ZnBr_2 +}$

Φυσικές και φασματοσκοπικές ιδιότητες

Το εποξυαιθάνιο είναι αέριο (σημείο ζέσης 10°C) κι έχει διπολική ροπή 1,9 D. Οι αποστάσεις μεταξύ των ατόμων του μορίου του και οι γωνίες των δεσμών του μετρήθηκαν με ακρίβεια με φασματοσκοπία μικροκυμάτων κι έχουν τις ακόλουθες τιμές:

H ενέργεια τάσης δεσμών υπολογίστηκε σε 105 kJ/mol (η αντίστοιχη τιμή για το κυκλοπροπάνιο είναι 117 kJ/mole). Στα φάσματα υπερύθρου η δόνηση του δεσμού C-H εμφανίζεται στην περιοχή των αντίστοιχων των αλκενίων (>C=CH₂), δηλαδή γύρω στα 3050 cm^-1, ενώ η δόνηση του δεσμού C-O βρίσκεται στην περιοχή των αντίστοιχων των αλκενυλαιθέρων (>C=C-OR), δηλαδή στα 1250 cm^-1.

Χημική συμπεριφορά και παράγωγα

Το εποξυαιθάνιο και τα υπόλοιπα οξιράνια (αλκυλιωμένα παράγωγα του εποξυαιθάνιου) χαρακτηρίζονται από αντιδράσεις προσθήκης με διάνοιξη του δακτυλίου. Αντιδρούν εύκολα με πυρηνόφιλα αντιδραστήρια (π.χ. H^-, X^-, HO^-, RO^-, RMgI, NH₃, κτλ. που παρακάτω συμβολίζονται γενικά ως AB), κατά την ακόλουθη γενική αντίδραση:

$\mathrm{+ AB \xrightarrow{} ACH_2CH_2OB}$

Οι αντιδράσεις αυτές είναι τύπου S_N² με αντιπροβολή σε σχέση με το οξυγόνο, με σχηματισμό ρακεμικών και διαστερεομερών μιγμάτων. Σε ορισμένα οξιράνια, με υποκαταστάτες ισχυρούς δέκτες ηλεκτρονίων, όπως π.χ. CN, μπορεί να διασπαστεί ο δεσμός C-C, οπότε με αλκένια, παράγονται οξολάνια.

Προσθήκη ύδατος

Με επίδραση ύδατος έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = OH και B = H. Παράγεται αιθανοδιόλη-1,2. Τα υδατικά διαλύματα εποξυαιθανίου είναι μάλλον σταθερά και μπορούν να διατηρηθούν για μακρά χρονικά διαστήματα χωρίς εμφανή αντίδραση, αλλά αν προσθέσουμε σ' αυτά και μια μικρή ποσότητα οξέος, π.χ. θεικού οξέος, αρχίζει αμέσως να παράγεται η αιθανοδιόλη-1,2, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου (20°C). Η αντίδραση μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί στην αέρια κατάσταση, δηλαδή με επίδραση υδρατμών, παρουσία ενός φωσφορικού άλατος ως ένας καταλύτης.. Η αντίδραση συνήθως πραγματοποίείται γύρω στους 60 °C, με μεγάλη περίσσεια ύδατος, ώστε να παρεμποδιστεί η αντίδραση της παραγώμενης αιθαδιόλης-1,2 με το εποξυαιθάνιο που δεν πρόλαβε να αντιδράσει, η οποία αντίδραση θα έδινε 2-(2΄-υδροξυαιθοξυ)αιθανόλη ή και 1,2-δι(2΄-υδροξυαιθοξυ)αιθάνιο :

$\mathrm{+ H_2O \xrightarrow{} HOCH_2CH_2OH}$
$\mathrm{+ HOCH_2CH_2OH \xrightarrow{} HOCH_2CH_2OCH_2CH_2OH}$
$\mathrm{+ \frac{1}{2} HOCH_2CH_2OH \xrightarrow{} \frac{1}{2} HOCH_2CH_2OCH_2CH_2OCH_2CH_2OH}$

Προσθήκη υδριδίου του λιθίου

Με επίδραση υδριδίου του λιθίου έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = H και B = Li. Παράγεται αιθανολικό λίθιο, το οποίο με υδρόλυση δείνει αιθανόλη:

$\mathrm{+ LiH \xrightarrow{} CH_3CH_2OLi \xrightarrow{+H_2O} CH_3CH_2OH + LiOH}$

Προσθήκη υδραλογόνου

Με επίδραση υδραλογόνου (HX, όπου Χ = Cl, Br, I) έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = X και B = H. Παράγεται 2-αλαιθανόλη (XCH₂CH₂OH):

$\mathrm{+ HX \xrightarrow{} XCH_2CH_2OH}$

• Η 2-φθοραιθανόλη παράγεται με ανάλογη αντίδραση, αλλά λίγο διαφορετικές συνθήκες: Η επίδραση των άλλων υδραλογόνων γίνεται με υδατικά τους διαλύματα, ενώ αυτή του υδροφθορίου γίνεται από βραστό υδροφθόριο σε διαιθυλαιθέρα που περιέχει 1,5%-2% νερό. Αν χρησιμοποιηθεί άνυδρος αιθέρας, το εποξυαιθάνιο πολυμερίζεται.
• Οι 2-αλοαιθανόλες μπορούν να παραχθούν επίσης με επίδραση υδατικών διαλυμάτων αλογονούχων μετάλλων σε εποξυαιθάνιο. Π.χ. με επίδραση υδατικού διαλύματος χλωριούχου χαλκού σε εποξυαιθάνιο έχουμε την ακόλουθη αντίδραση:

$\mathrm{+\frac{1}{2} CuCl_2 + H_2O \xrightarrow{} ClCH_2CH_2OH + \frac{1}{2} Cu(OH)_2 \downarrow}$

Προσθήκη υδροκυανίου

Με επίδραση υδροκυανίου έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = CN και B = H. Παράγεται 3-υδροξυπροπανονιτρίλιο:

$\mathrm{+ HCN \xrightarrow{} HOCH_2CH_2CN}$

• Το ίδιο προϊόν παράγεται και με επίδραση υδατικών διαλυμάτων κυανιούχων αλάτων. Π.χ. με επίδραση κυανιούχου ασβεστίου έχουμε την ακόλουθη αντίδραση:

$\mathrm{+\frac{1}{2} Ca(CN)_2 + H_2O \xrightarrow{10-20^oC} HOCH_2CH_2CN +\frac{1}{2} Ca(OH)_2}$

Προσθήκη αμμωνίας ή αμινών

1. Με επίδραση αμμωνίας έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = NH₂ και B = H. Παράγεται 2-αμιναιθανόλη:

$\mathrm{+ NH_3 \xrightarrow{} H_2NCH_2CH_2OH}$

• Συμπαράγονται επίσης δι(2-υδροξυαιθυλ)αμίνη και τρι(2-υδροξυαιθυλ)αμίνη:

$\mathrm{+ \frac{1}{2} NH_3 \xrightarrow{} (HOCH_2CH_2OH)_2NH}$
$\mathrm{+ \frac{1}{3} NH_3 \xrightarrow{} (HOCH_2CH_2OH)_3N}$

2. Με επίδραση πρωτοταγούς αμίνης (RNH₂) έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = RNH και B = H. Παράγεται 2-αλκυλαμιναιθανόλη:

$\mathrm{+ RNH_2 \xrightarrow{} RNHCH_2CH_2OH}$

3. Με επίδραση δευτεροταγούς αμίνης (R₂NH, όπου τα δύο R όχι απαραίτητα ίδια) έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = R₂N και B = H. Παράγεται 2-διαλκυλαμιναιθανόλη:

$\mathrm{+ R_2NH \xrightarrow{} R_2NCH_2CH_2OH}$

• Οι παραπάνω αντιδράσεις διεγείρονται με την προσθηκη μικρής ποσότητας ύδατος.
• Επειδή οι παραγόμενες αμιναλκοόλες αντιδρούν επίσης με το εποξυαιθάνιο που δεν πρόλαβε να αντιδράσει, συμπαράγονται τα ανάλογα παράγωγα, δηλαδή αμινοπολυαιθυλενογλυκόλες:

$\mathrm{+ \frac{1}{n} R_2NCH_2CH_2OH \xrightarrow{} \frac{1}{n} R_2NCH_2CH_2O(CH_2CH_2O)_nH}$

4. Με επίδραση υδατικού διαλύματος τριτοταγούς αμίνης (που δρα ως R₃NH⁺OH^-, όπου τα τρία R όχι απαραίτητα ίδια) έχουμε την εφαρμογή της παραπάνω αναφερόμενης γενικής αντίδρασης για A = R₃N⁺ και B = H. Παράγεται υδροξείδιο του (2-υδροξυλαιθυλο)τριαλκυλαμμωνίου:

$\mathrm{+ R_3N + H_2O \xrightarrow{} [R_3NCH_2CH_2OH]^+OH^-}$

Χρήσεις

Η κυριότερη χρήση του αιθυλενοξειδίου είναι η παραγωγή της αιθυλενογλυκόλης. Χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή αιθυλενογλυκολικών αιθέρων, καθώς επίσης και στην παρασκευή αιθανολαμινών. Οι αιθανολαμίνες χρησιμοποιούνται στην παραγωγή μη ιονικών απορρυπαντικών και υφάνσιμων ινών.

Το αιθυλενοξείδιο αυτοπολυμερίζεται κατά την παραμονή προς πολυαιθυλενοξείδιο. Το πολυαιθυλενοξείδιο προστίθεται στους πυροσβεστήρες νερού, έτσι ώστε να αυξάνεται η απόσταση εξακοντισμού του νερού.

Το αιθυλενοξείδιο χρησιμοποιείται επίσης ως απολυμαντικό στα νοσοκομεία και γενικότερα για την αποστείρωση ιατρικών εργαλείων και εξοπλισμού, ως βακτηριοκτόνο και ως παρασιτοκτόνο στη Γεωπονία.

Κίνδυνοι για την υγεία

Παρά τη μεγάλη του χρησιμότητα, το αιθυλενοξείδιο είναι τοξικό και εύφλεκτο και έχει συνδεθεί με κάποια σοβαρά ατυχήματα.

Πέραν του ερεθισμού του αναπνευστικού συστήματος και των οφθαλμών, η έκθεση στο αιθυλενοξείδιο μπορεί να προκαλέσει δύσπνοια, θολότητα στην όραση, ναυτία, ζάλη και πονοκεφάλους. Προκαλεί επίσης καρκίνο στα ζώα και τους ανθρώπους. Για την προστασία των εργαζομένων, στις ΗΠΑ ορίζεται ως αποδεκτό όριο έκθεσης το 1 ppm αιθυλενοξειδίου στον αέρα ως μέσο όρο μετρήσεων κατά τη διάρκεια του οκταώρου.

Μεγάλη προσοχή συνιστάται και λόγω της ευφλεκτότητας του αιθυλενοξειδίου. Σε καμία περίπτωση δεν πρέπει η θερμοκρασία του να ξεπεράσει τους 560 °C, καθώς θα αυταναφλεγεί, ακόμη και απουσία οξυγόνου.

Πηγές πληροφόησης

1. Παπαγεωργίου, Β.Π., Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία, Εκδόσεις Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 2005, ISBN 960-260-342-7
2. Μια ιστοσελίδα αποκλειστικά για το αιθυλενοξείδιο
3. Πληροφορίες σχετικά με την προστασία των εργαζομένων
4. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
5. «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
6. Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
7. Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ Έκδοση Θεσσαλονίκη 1991
8. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
9. Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
10. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986
11. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη: «Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
12. Διαδικτυακοί τόποι που αναφέρονται στις «Αναφορές και παρατηρήσεις».