環氧乙烷

環氧乙烷
	IUPAC名; epoxyethane
別名	氧雜環丙烷, EO
識別
CAS號	75-21-8
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
性質
化學式	C2H4O
摩爾質量	44.05 g·mol⁻¹
外觀	無色氣體
密度	0.882 g/mL
熔點	−111.3 °C
沸點	10.7 °C
溶解性（水）	互溶
危險性
	GHS危險性符號;
NFPA 704	4 3 2
閃點	−20 °C
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

環氧乙烷是一種有機化合物，化學式是C₂H₄O，是一種有毒的致癌物質，以前被用來製造殺菌劑。環氧乙烷易燃易爆，不易長途運輸，因此有強烈的地域性。被廣泛地應用於洗滌、製藥、印染等行業。在化工相關產業可作為清潔劑的起始劑。

實驗室製法

環氧乙烷液體

氯醇法製造環氧乙烷

從2-氯乙醇中脫去氯化氫，是由夏爾-阿道夫·武爾茨在1859年發明的製法，現在仍是實驗室中製取環氧乙烷最普遍的方法：

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

反應需要升高溫度，同時氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鋇、氫氧化鎂或鹼金屬（鹼土金屬）的碳酸鹽亦可作為反應物。^[1]

氯乙醇可由以下途徑製備：^[1]

乙二醇與鹽酸反應：

HO–CH₂CH₂–OH + HCl → HO–CH₂CH₂–Cl + H₂O

乙烯與次氯酸反應：

CH₂=CH₂ + HOCl → HO–CH₂CH₂–Cl

乙烯與氯氣和水反應:

CH₂=CH₂ + Cl₂ + H₂O → HO–CH₂CH₂–Cl + HCl

為抑制乙烯轉變成二氯乙烷，乙烯的濃度需保持在4~6％，且溶液以蒸氣加熱至沸騰。接下來乙烯氯醇溶液進入第二個製程管線中在100℃下與30％氫氧化鈣溶液反應：

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

環氧乙烷產生後再以精餾方式純化，其產率約有80％。

性質

在氧氣充足條件下容易爆炸燃燒: 2C₂H₄O+5O₂ →4CO₂+4H₂O

環氧乙烷能還原硝酸銀: C₂H₄O+ 2AgNO₃ → 2Ag + 2HNO₃ + CO₂ + H₂O

環氧乙烷與許多化合物發生開環加成反應。受熱後易聚合，在有金屬鹽類或氧的存在下能分解。

歷史

環氧乙烷由法國化學家Charles-Adolphe Wurtz於 1859 年首次報道， ^[2]他通過用氫氧化鉀處理2-氯乙醇製備了環氧乙烷：

{\ce {Cl-CH2CH2-OH + KOH -> (CH2CH2)O + KCl + H2O}}

Wurtz 測得環氧乙烷的沸點為13.5 °C（56.3 °F），略高於現有值，並發現環氧乙烷與酸和金屬鹽反應的能力。 ^[3] 武茨錯誤地認為環氧乙烷具有有機鹼的性質。這種誤解一直持續到 1896 年Georg Bredig發現環氧乙烷不是電解質。 ^[3] ^[4] 它與其他醚的不同之處——特別是它參與不飽和化合物典型的加成反應的傾向——長期以來一直是一個爭論的問題。環氧乙烷的雜環三角結構是在1868年或更早提出的。 ^[5]

儘管包括 Wurtz 本人在內的無數次嘗試直接從乙烯生產環氧乙烷，但 Wurtz 1859 年的合成長期以來仍然是製備環氧乙烷的唯一方法。 ^[6] 直到1931年，法國化學家Theodore Lefort才開發出一種在銀催化劑存在下直接氧化乙烯的方法。 ^[7] 自1940年以來，幾乎所有環氧乙烷的工業生產都依賴於這一工藝。 ^[8] 1938年，美國化學家勞埃德·霍爾（Lloyd Hall）獲得了環氧乙烷滅菌法保存香料的專利。環氧乙烷在第一次世界大戰期間作為冷卻劑乙二醇和化學武器芥子氣的前體獲得了工業上的重要性。

分子結構和性質

環氧乙烷的環氧循環幾乎是正三角形，鍵角約為60°，並且具有對應於105 kJ/mol能量的顯着角應變。 ^[9] ^[10] 作為比較，醇中的 C-O-H 角約為 110°；在醚中，C-O-C角為120°。每個主軸的轉動慣量為I _A = 6961329209999999999♠32.921×10⁻⁴⁰ g·cm², I _B = 6961379260000000000♠37.926×10⁻⁴⁰ g·cm²且_IC = 6961595100000000000♠59.510×10⁻⁴⁰ g·cm² 。 ^[11]

通過比較表中斷裂環氧乙烷中的兩個 C-O 鍵或乙醇和二甲醚中的一個 C-O 鍵所需的能量，揭示了分子中碳-氧鍵的相對不穩定性： ^[12]

反應	ΔH° ₂₉₈, kJ/mol	方法
(C ₂ H ₄ )O → C₂H₄ + O （兩個鍵斷裂）	354.38	根據原子焓計算
C ₂ H ₅ OH → C ₂ H ₅ + OH （斷開一個鍵）	405.85	電子撞擊
CH ₃ OCH ₃ → CH ₃ O + CH ₃ （斷開一個鍵）	334.72	使用自由基形成的焓計算

這種不穩定性與其高反應性相關，解釋了其開環反應的容易程度（參見化學性質）。

用途

滅菌

環氧乙烷可殺滅細菌（及其內孢子）、黴菌及真菌，因此可用於消毒一些不能耐受高溫消毒的物品。美國化學家Lloyd Hall在1938年取得以環氧乙烷消毒法保存香料的專利，該方法直到今天仍有人使用。環氧乙烷也被廣泛用於消毒醫療用品諸如繃帶、縫線及手術器具。

工業合成

大部份的環氧乙烷被用於製造其它化學品，主要是乙二醇。乙二醇主要的最終用途是生產聚酯聚合物，也被用作汽車冷卻劑及防凍劑。

軍事

由於環氧乙烷易燃及在空氣中有廣闊的爆炸濃度範圍，它有時被用作燃料氣化爆彈的燃料成份。

參考文獻

^ ^1.0 ^1.1 PV Zimakova and O. Dymenta (編). Chapter V. Producing ethylene oxide through ethylene. Ethylene oxide. Khimiya. 1967: 155–182.
^ Wurtz, A. Sur l'oxyde d'éthylène. Comptes rendus. 1859, 48: 101–105 [2023-09-03]. （原始內容存檔於2023-09-03）. Wurtz, A. (1859).
^ ^3.0 ^3.1 Zimakov, P.V.; Dyment, O. H. (編). Ethylene oxide. Khimiya. 1967: 15–17. Editors list列表缺少|last2= (幫助)Zimakov, P.V.; Dyment, O. H., eds. (1967).
^ Bredig, G.; Usoff, A. Ist Acetylen ein Elektrolyt? [Is acetylene an electrolyte?]. Zeitschrift für Elektrochemie. 1896, 3: 116–117. Bredig, G.; Usoff, A. (1896).
^ 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.
^ 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".
^ Lefort, T.E. (23 April 1935) "Process for the production of ethylene oxide". 美國專利第1,998,878號
^ 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).
^ Knunyants, I. L. (編). Chemical Encyclopedia. Soviet encyclopedia 3: 330–334. 1988.
^ Traven VF. V. F. Traven , 編. Organic chemistry: textbook for schools 2. ECC "Academkniga". 2004: 102–106. ISBN 5-94628-172-0.
^ 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.
^ Kondrat'ev, VN (編). Energy of chemical bonds. Ionization potentials and electron affinity. Nauka. 1974: 77–78.

[oe5-1] 1.0 ^1.1 PV Zimakova and O. Dymenta (編). 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]. （原始內容存檔於2023-09-03）. Wurtz, A. (1859).

[oe1-3] 3.0 ^3.1 Zimakov, P.V.; Dyment, O. H. (編). Ethylene oxide. Khimiya. 1967: 15–17. Editors list列表缺少|last2= (幫助)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.

[ect-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". 美國專利第1,998,878號

[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. (編). Chemical Encyclopedia. Soviet encyclopedia 3: 330–334. 1988.

[traven-10] Traven VF. V. F. Traven , 編. 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 (編). Energy of chemical bonds. Ionization potentials and electron affinity. Nauka. 1974: 77–78.

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