اتیلن اکساید یک ترکیب آلی و یک اتر حلقوی و ساده ترین اپوکسید می باشد که شامل یک حلقه سه عضوی متشکل از یک اتم اکسیژن و دو اتم کربن است. این ماده یک گاز بی رنگ و قابل اشتعال با بوی کمی شیرین میی باشد.
اکسید اتیلن به راحتی در تعدادی از واکنش های اضافی شرکت می کند که منجر به باز شدن حلقه می شود و با استالدهید و وینیل الکل ایزومر است. این ماده به صورت صنعتی با اکسیداسیون اتیلن در حضور کاتالیزور نقره تولید می شود.
واکنش پذیری این ماده که مسئول بسیاری از خطرات اتیلن اکسید می باشد نیز آن را مفید می کند. اگرچه برای استفاده مستقیم خانگی بسیار خطرناک است و عموماً برای مصرف کنندگان ناآشنا است، اتیلن اکسید برای ساخت بسیاری از محصولات مصرفی و همچنین مواد شیمیایی و واسطه های غیر مصرفی استفاده می شود.
این محصولات شامل مواد شوینده، ضخیم کننده، حلال ها، پلاستیک ها و مواد شیمیایی آلی مختلف مانند اتیلن گلیکول، اتانول آمین ها، گلیکول های ساده و کمپلکس، اترهای پلی گلیکول و سایر ترکیبات می باشد. اتیلن اکسید خود یک ماده بسیار خطرناک است و در دمای اتاق یک گاز قابل اشتعال، سرطان زا، جهش زا، تحریک کننده و بیهوشی می باشد.
خواص و مشخصات شناسایی اتیلن اکساید
| خواص | مشخصات |
| شکل فیزیکی گاز بی رنگ | فرمول شیمیایی C۲H۴O |
| دانسیته (g/cm۳)۰/۸۸۲۱ | وزن مولکولی (g/mol)44/052 |
| نقطه ذوب (۰C) 112/46- | شماره (CAS No) ۷۵-۲۱-۸ |
| حلالیت در آب مخلوط می شود | نقطه اشتعال (۰C) 20- |
تاریخچه اکسید اتیلن
اتیلن اکساید اولین بار در سال ۱۸۵۹ توسط شیمی دان فرانسوی شارل-آدولف وورتز معرفی و گزارش شد، که آن را می توان از طریق تصفیه ۲-کلرواتانول با هیدروکسید پتاسیم تهیه کرد:
Cl–CH۲CH۲–OH + KOH → (CH۲CH۲)O + KCl + H۲O
ورتز نقطه جوش اتیلن اکسید را ۱۳/۵ درجه سانتی گراد اندازه گیری کرد که کمی بیشتر از مقدار فعلی است و توانایی واکنش آن در واکنش با اسیدها و نمک های فلزات را کشف کرد. وورتز به اشتباه فرض کرد که اتیلن اکساید دارای خواص یک باز آلی است.
این تصور غلط تا سال ۱۸۹۶ زمانی ادامه یافت که گئورگ بردیگ دریافت که اتیلن اکسید الکترولیت نیست. تفاوت آن با سایر اترها، به ویژه به دلیل تمایل آن برای انجام واکنش های اضافی، که معمولا از ترکیبات غیر اشباع است، مدت ها محل بحث بود. ساختار مثلثی هتروسیکلیک اتیلن اکساید تا سال ۱۸۶۸ یا قبل از آن پیشنهاد شد.
سنتز وورتز در سال ۱۸۵۹ به رغم تلاش های متعدد، از جمله توسط خودش، برای تولید مستقیم اتیلن اکسید مستقیماً از اتیلن، تنها روش تهیه اتیلن اکسید باقی ماند. فقط در سال ۱۹۳۱ شیمیدان فرانسوی تئودور لفورت روش اکسیداسیون مستقیم اتیلن را در حضور کاتالیزور نقره توسعه داد.
از سال ۱۹۴۰، تقریباً تمام تولیدات صنعتی اتیلن اکساید بر این فرایند متکی بوده است. عقیم سازی با اکسید اتیلن برای حفظ ادویه جات در سال ۱۹۳۸ توسط شیمیدان آمریکایی لوید هال ثبت شد. اتیلن اکسید در طول جنگ جهانی اول به عنوان یک پیش ماده برای خنک کننده اتیلن گلیکول و سلاح شیمیایی گاز خردل به اهمیت صنعتی دست یافت.
واکنش پذیری شیمیایی اتیلن اکساید
اکسید اتیلن با باز شدن حلقه به راحتی با ترکیبات مختلف واکنش می دهد. واکنش های معمولی آن با نوکلئوفیلی است که از طریق مکانیسم SN2 هم در اسید ( ضعیف: آب، الکل ها) و هم در محیط های قلیایی (نوکلئوفیل های قوی: OH− ،RO− ،NH3 ، RNH2 ، RR’NH و غیره) ادامه می یابد. طرح کلی واکنش در شکل بالا آورده شده است.
محلول های آبی اتیلن اکساید نسبتاً پایدار هستند و می توانند برای مدت طولانی بدون هیچ گونه واکنش شیمیایی قابل توجه وجود داشته باشند، اما افزودن مقدار کمی اسید، مانند اسید سولفوریک به شدت رقیق شده، بلافاصله منجر به تشکیل اتیلن حتی در دمای اتاق گلیکول می شود:
O(CH۲CH۲)O + H۲O → HO–CH۲CH۲–OH
این واکنش همچنین در فاز گازی، در حضور نمک اسید فسفریک به عنوان کاتالیزور رخ می دهد. این واکنش معمولاً در دمای ۶۰ درجه سانتی گراد با مقدار زیادی آب انجام می شود تا از واکنش اتیلن گلیکول تشکیل شده با اکسید اتیلن که دی و تری اتیلن گلیکول را تشکیل می دهد جلوگیری شود:
O۲(CH۲CH۲)O + H۲O → HO–CH۲CH۲–O–CH۲CH۲–OH
O۳(CH۲CH۲) + H۲O → HO–CH۲CH۲–O–CH۲CH۲–O–CH۲CH۲–OH
سنتز آزمایشگاهی
دهیدروکلرنیز ۲-کلرواتانول، که توسط وورتز در سال ۱۸۵۹ توسعه یافته است، یک مسیر آزمایشگاهی معمول برای تولید اتیلن اکساید است:
Cl–CH۲CH۲–OH + NaOH → (CH۲CH۲)O + NaCl + H۲O
واکنش در دمای بالا انجام می شود و در کنار هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم، هیدروکسید کلسیم، هیدروکسید باریم، هیدروکسید منیزیم یا کربنات فلزات قلیایی یا قلیایی خاکی می توان استفاده کرد.
با عملکرد بالا (۹۰درصد) اتیلن اکساید را می توان با تصفیه اکسید کلسیم با اتیل هیپوکلریت تولید کرد. جایگزینی کلسیم با سایر فلزات قلیایی خاک باعث کاهش عملکرد می شود:
۲CH۳CH۲–OCl + CaO → ۲ (CH۲CH۲)O + CaCl۲ + H۲O
تولید صنعتی اتیلن اکساید
تولید تجاری اتیلن اکسید به سال ۱۹۱۴ برمی گردد که BASF اولین کارخانه ای را که از فرآیند کلروهیدرین استفاده کرد و واکنش اتیلن کلرو هیدرین با هیدروکسید کلسیم را تشکیل داد که به دلایل متعددی از جمله بازده پایین و از دست دادن کلر با ارزش به کلرید کلسیم جذاب نبود.
اکسیداسیون مستقیم کارآمدتر اتیلن توسط هوا توسط Lefort در سال ۱۹۳۱ اختراع شد و در ۱۹۳۷ شخصی به نام Union Carbide اولین کارخانه را با استفاده از این فرایند افتتاح کرد.
اگرچه فرآیند کلرهیدرین تقریباً به طور کامل در صنعت با اکسیداسیون مستقیم اتیلن جایگزین می شود، اما دانش این روش هنوز به دلایل آموزشی مهم است، زیرا هنوز در تولید پروپیلن اکسید مورد استفاده قرار می گیرد.
این فرآیند شامل سه مرحله اصلی است: سنتز اتیلن کلرهیدرین، دهیدروکلرنیز اتیلن کلرهیدرین به اتیلن اکسید و تصفیه اتیلن اکسید که این مراحل به طور مداوم انجام می شود. در ستون اول، کلر زنی اتیلن به شرح زیر انجام می شود:
Cl۲ + H۲O → HOCl + HCl
CH۲=CH۲ + HOCl → HO–CH۲CH۲–Cl
CH۲=CH۲ + Cl۲ → Cl–CH۲CH۲–Cl
برای سرکوب تبدیل اتیلن به دی کلرید اتیلن یعنی آخرین واکنش، غلظت اتیلن در حدود ۴-۶ درصد حفظ می شود و محلول با بخار تا نقطه جوش گرم می شود.
ساختار و طیف IR فاز بخار اکسید اتیلن
کاربردها
اکسید اتیلن یکی از مهمترین مواد اولیه مورد استفاده در تولید مواد شیمیایی در مقیاس بزرگ است. بیشترین میزان این ترکیب برای سنتز اتیلن گلیکول ها از جمله دی اتیلن گلیکول و تری اتیلن گلیکول استفاده می شود که تا ۷۵ درصد از مصرف جهانی را تشکیل می دهد.
سایر محصولات مهم شامل اتیلن گلیکول اترها، اتانول آمین ها و اتوکسیلات ها است. در میان گلیکول ها، اتیلن گلیکول به عنوان ضد یخ، در تولید پلی استر و پلی اتیلن ترفتالات (PET – مواد اولیه بطری های پلاستیکی)، خنک کننده های مایع و حلال ها به کار می رود.
از اتانول آمین ها در تولید صابون و مواد شوینده و تصفیه گاز طبیعی استفاده می شود. اتوکسیلات ها محصولات واکنش اتیلن اکسید با الکل ها ، اسیدها یا آمین های بالاتر هستند. از آنها در ساخت مواد شوینده، سورفاکتانت، امولسیفایر و پراکندگی استفاده می شود.
قرار گرفتن در معرض گاز اتیلن اکسید باعث آلکیل شدن میکروارگانیسم ها در سطح هسته ای می شود. اثر ضدعفونی کننده اتیلن اکساید مشابه استریل شدن با حرارت است، اما به دلیل نفوذ محدود، فقط روی سطح تأثیر می گذارد.