Ethylen oxide

| SystematicName = EpoxyethaneOxacyclopropane
| OtherNames = Ethylene oxideDimethylene oxide1,2-Epoxyethane[3]-crown-1Epoxide
|Section1=
| ChemSpiderID = 6114
| Gmelin = 676
| UNII_Ref =
| UNII = JJH7GNN18P
| InChIKey = IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYAX
| StdInChI_Ref =
| StdInChI = 1S/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2
| StdInChIKey_Ref =
| StdInChIKey = IAYPIBMASNFSPL-UHFFFAOYSA-N
| CASNo = 75-21-8
| CASNo_Ref =
| EINECS = 200-849-9
| PubChem = 6354
| SMILES = O1CC1
| InChI = 1/C2H4O/c1-2-3-1/h1-2H2
| RTECS = KX2450000
| MeSHName = Ethylene+Oxide
| ChEBI_Ref =
| ChEBI = 27561
| KEGG_Ref =
| KEGG = D03474
}}
|Section2=g·mol−1
| Appearance = Colorless gas
| Odor = Ether-like
| Density = 0.8821g·cm−3
}}
|Section3=
|Section4=kJ·mol−1
| DeltaHc =
| DeltaGf = −13.0kJ·mol
| FlashPtC = −20
| FlashPt_ref =
| AutoignitionPtC = 429
| AutoignitionPt_ref=
| REL = Ca TWA 2CH2–OH + KOH → (CH2CH2)O + KCl + H2O

Wurtz đo điểm sôi của ethylen oxide là , cao hơn một chút so với giá trị hiện tại và phát hiện ra khả năng phản ứng của ethylen oxide với acid và muối của kim loại. Wurtz đã nhầm tưởng rằng ethylen oxide có các đặc tính của một bazơ hữu cơ. Quan niệm sai lầm này vẫn tồn tại cho đến năm 1896 khi Georg Bredig phát hiện ra rằng ethylen oxide không phải là chất điện phân. Bredig thấy nó khác với các ether khác - đặc biệt bởi xu hướng tham gia vào các phản ứng cộng, đặc trưng của các hợp chất không bão hòa - đã là một vấn đề tranh luận từ lâu. Cấu trúc tam giác dị vòng của ethylen oxide được đề xuất vào năm 1868 hoặc sớm hơn.

Quá trình tổng hợp năm 1859 của Wurtz từ lâu vẫn là phương pháp điều chế ethylen oxide duy nhất, mặc dù đã có nhiều nỗ lực, bao gồm cả chính Wurtz, để sản xuất ethylen oxide trực tiếp từ Ethylen. Chỉ đến năm 1931, nhà hóa học người Pháp Theodore Lefort mới phát triển phương pháp oxy hóa trực tiếp ethylen với sự có mặt của chất xúc tác bạc. Kể từ năm 1940, hầu hết tất cả các sản xuất công nghiệp của ethylen oxide đều dựa vào quy trình này. Tiệt trùng bằng ethylen oxide để bảo quản gia vị đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1938 cho nhà hóa học người Mỹ Lloyd Hall. Ethylen oxide đã đạt được tầm quan trọng công nghiệp trong Chiến tranh thế giới thứ nhất như là tiền thân của cả chất làm mát ethylen glycol và khí mù tạt của vũ khí hóa học.

Cấu trúc và tính chất phân tử

Vòng epoxy của ethylen oxide là một tam giác gần như đều với các góc liên kết khoảng 60° và biến dạng góc đáng kể tương ứng với năng lượng 105 kJ/mol. Để so sánh, trong rượu, góc C–O–H là khoảng 110°; trong ether, góc C–O–C là 120°. Mômen quán tính của mỗi trục chính là IA = 32,921×10−40 g·cm², IB = 37,926×10−40 g·cm² và I C = 59,510×10−40 g·cm².

Tính không ổn định tương đối của liên kết carbon-oxy trong phân tử được thể hiện bằng cách so sánh trong bảng năng lượng cần thiết để phá vỡ hai liên kết C – O trong ethylen oxide hoặc một liên kết C – O trong etanol và dimethyl ether:

Tính không ổn định này tương quan với khả năng phản ứng cao của ethylen oxide, giải thích sự dễ dàng của các phản ứng mở vòng của nó (xem phần Tính chất hóa học).

Tính chất vật lý
Ethylen oxide là một chất khí không màu ở và là chất lỏng di động ở - độ nhớt của ethylen oxide lỏng ở 0&nbsp;°C thấp hơn khoảng 5,5 lần so với nhiệt độ của nước. Khí này có mùi ngọt đặc trưng của ether, dễ nhận thấy khi nồng độ của nó trong không khí vượt quá 500ppm. Ethylen oxide dễ dàng hòa tan trong nước, etanol, diethyl ether và nhiều dung môi hữu cơ.

Tính chất hóa học
Ethylen oxide dễ dàng phản ứng với các hợp chất khác nhau khi mở vòng. Các phản ứng điển hình của nó là với các nucleophile tiến hành thông qua cơ chế SN2 cả trong môi trường acid (nucleophile yếu: nước, rượu) và môi trường kiềm (nucleophile mạnh: OH -, RO -, NH 3 , RNH 2, RR'NH, v.v.).

Phản ứng thường được thực hiện ở khoảng với lượng nước dư lớn, để ngăn phản ứng của ethylen glycol được tạo thành với ethylen oxide sẽ tạo thành di- và Triethylen glycol:

2 (CH2CH2)O + H2O → HO–CH2CH2–O–CH2CH2–OH

3 (CH2CH2)O + H2O → HO–CH2CH2–O–CH2CH2–O–CH2CH2–OH

Việc sử dụng chất xúc tác kiềm có thể dẫn đến sự hình thành polyethylen glycol:

n (CH2CH2)O + H2O → HO–(–CH2CH2–O–)n–H

Các phản ứng với rượu diễn ra tương tự tạo ra ether ethylen glicol:

(CH2CH2)O + C2H5OH → HO–CH2CH2–OC2H5

2 (CH2CH2)O + C2H5OH → HO–CH2CH2–O–CH2CH2–OC2H5

Phản ứng với rượu thấp hơn xảy ra ít tích cực hơn với nước và đòi hỏi các điều kiện khắc nghiệt hơn, chẳng hạn như đun nóng đến và điều áp đến và thêm chất xúc tác acid hoặc kiềm.

Phản ứng của ethylen oxide với rượu béo tiến hành với sự có mặt của natri kim loại, natri hydroxide hoặc boron trifluoride và được sử dụng cho quá trình tổng hợp các chất hoạt động bề mặt. Ion carboxylat đóng vai trò là nucleophile trong phản ứng:

(CH2CH2)O + RCO2− → RCO2CH2CH2O−

RCO2CH2CH2O− + RCO2H → RCO2CH2CH2OH + RCO2−

Phản ứng cộng amoniac và amin
Ethylen oxide phản ứng với amoniac tạo thành hỗn hợp của etanolamin đơn chức (mono-), di- và tri-. Phản ứng được kích thích bằng cách thêm một lượng nhỏ nước.

(CH2CH2)O + NH3 → HO–CH2CH2–NH2

2 (CH2CH2)O + NH3 → (HO–CH2CH2)2NH

3 (CH2CH2)O + NH3 → (HO–CH2CH2)3N

Tương tự, có các phản ứng với amin bậc một và bậc hai:

(CH2CH2)O + RNH2 → HO–CH2CH2–NHR

Dialkylamino ethanol có thể phản ứng cộng với ethylen oxide, tạo thành amino polyethylen glycol:

(CH2CH2)O + (CH3)3N + H2O → [HOCH2CH2N (CH3)3]+OH−

Các amin bậc một và bậc hai thơm cũng phản ứng với ethylen oxide, tạo thành rượu arylamino tương ứng.

Phản ứng cộng halogen
Ethylen oxide dễ dàng phản ứng với dung dịch nước của acid hydrochloric, hydrobromic và hydroiodic để tạo thành các halohydrin. Phản ứng xảy ra dễ dàng hơn với hai acid cuối cùng:

(CH2CH2)O + HCl → HO–CH2CH2–Cl

Phản ứng với các acid này cạnh tranh với phản ứng hyđrat hóa ethylen oxide được xúc tác bằng acid; do đó, luôn có sản phẩm phụ của ethylen glycol với phụ gia là diethylen glycol. Để có sản phẩm sạch hơn, phản ứng được tiến hành trong pha khí hoặc trong dung môi hữu cơ.

Ethylen fluorohydrin thu được theo cách khác, bằng cách đun sôi hydro fluoride với dung dịch 5–6% của ethylen oxide trong diethyl ether. Ether thường có hàm lượng nước 1,5–2%; trong trường hợp không có nước, ethylen oxide trùng hợp.

Halohydrin cũng có thể thu được bằng cách cho ethylen oxide đi qua dung dịch nước của các halogen kim loại:

2 (CH2CH2)O + Ca(CN)2 + 2 H2O → 2 HO–CH2CH2–CN + Ca(OH)2

Ethylen cyanohydrin dễ mất nước, tạo ra acrylonitril:

HO–CH2CH2–CN → CH2=CH–CN + H2O

Cộng hydro sunfua và mercaptan
Khi phản ứng với hydro sunfua, ethylen oxide tạo thành 2-mercaptoethanol và thiodiglycol, và với alkylmercaptan, nó tạo ra 2-alkyl mercaptoethanol:

(CH2CH2)O + H2S → HO–CH2CH2–HS

2 (CH2CH2)O + H2S → (HO–CH2CH2)2S

(CH2CH2)O + RHS → HO–CH2CH2–SR

Lượng dư của ethylen oxide với dung dịch nước của hydro sunfua dẫn đến tris- (hydroxyethyl) sulfonyl hydroxide:

3 (CH2CH2)O + H2S → [(HO–CH2CH2)3S+]OH−

Cộng acid nitơrơ và acid nitric
Phản ứng của ethylen oxide với dung dịch nước của bari nitrit, calci nitrit, magnesi nitrit, kẽm nitrit hoặc natri nitrit dẫn đến sự hình thành 2-nitroethanol:

2 (CH2CH2)O + Ca(NO2)2 + 2 H2O → 2 HO–CH2CH2–NO2 + Ca(OH)2

Với acid nitric, ethylen oxide tạo thành mono- và dinitroglycol:

(CH2CH2)O{} + \overset{nitric\atop acid}{HNO3} -> HO-CH2CH2-ONO2 ->[\ce{+HNO3}] [\ce{-H2O}] O2NO-CH2CH2-ONO_2

Phản ứng với các hợp chất có chứa nhóm methylen hoạt động
Khi có mặt các alkoxide, phản ứng của ethylen oxide với các hợp chất có chứa nhóm methylen hoạt động dẫn đến sự hình thành butyrolacton:

: 550x550px|Synthesis of 2-acetylbutyrolactone

Alkyl hóa các hợp chất thơm
Ethylen oxide tham gia vào phản ứng Friedel – Crafts với benzen để tạo thành rượu phenethyl:

: 400x400px|Friedel-Crafts reaction with ethylene oxide

Styren có thể thu được trong một giai đoạn nếu phản ứng này được tiến hành ở nhiệt độ cao () và áp suất cao (), với sự có mặt của chất xúc tác aluminosilicat.

Tổng hợp ether vương miện
Một loạt các hợp chất dị vòng đa thức, được gọi là ether vương miện, có thể được tổng hợp bằng ethylen oxide. Một phương pháp là quá trình tạo vòng tạo cation của ethylen oxide, giới hạn kích thước của vòng hình thành:

n (CH2CH2)O → (–CH2CH2–O–)n

Để ngăn chặn sự hình thành các polyme mạch thẳng khác, phản ứng được thực hiện trong một dung dịch rất loãng.

: 350x350px|Synthesis of 1,3,6,9,2 λ 4-Tetraoksatia-2-tsikloundekanona

Đồng phân hóa
Khi đun nóng đến khoảng , hoặc đến với sự có mặt của chất xúc tác (Al2O3, H3PO4, v.v.), ethylen oxide đồng phân hóa thành acetaldehyde:

(CH2CH2)O ->[\ce{200^\circ C}] [\ce{Al2O3}] \overset{acetaldehyde}{CH3CHO}

Cơ chế gốc tự do đã được đề xuất để giải thích phản ứng này trong pha khí; nó bao gồm các giai đoạn sau:}}}}}}Trong phản ứng (), M dùng để chỉ thành bình phản ứng hoặc chất xúc tác dị thể. Gốc CH 3 CHO đại diện cho một phân tử acetaldehyde tồn tại trong thời gian ngắn (thời gian tồn tại là 10 - 8,5 giây). Năng lượng dư thừa của nó là khoảng 355,6 kJ/mol, vượt quá năng lượng liên kết 29,3 kJ/mol của liên kết CC trong acetaldehyde.

Phản ứng khử
Ethylen oxide có thể được hydro hóa thành ethanol với sự có mặt của chất xúc tác, chẳng hạn như niken, bạch kim, palađi,

(CH2CH2)O{} + H2 ->[{}\atop\ce{Ni, Pt, Pd, BH3, LiAlH4}\text{ or other hydrides}] [\ce{80^\circ C}] \underset{ethanol}{C2H5OH}

Ngược lại, với một số chất xúc tác khác, ethylen oxide có thể bị khử bởi hydro thành ethylen với hiệu suất lên đến 70%. Các chất xúc tác khử bao gồm hỗn hợp của bụi kẽm và acid acetic, của lithi nhôm hydride với titani(III) trichloride (chất khử thực sự là titani(II) dichloride, được tạo thành do phản ứng giữa LiAlH4 và TiCl3) và của sắt(III) chloride với butyllithi trong tetrahydrofuran.

Dimer hóa
Khi có mặt xúc tác acid, ethylen oxide đime hóa để tạo ra dioxan:

: 250x250px|Synthesis of dioxane

Cơ chế phản ứng như sau:

Trùng hợp
Ethylen oxide lỏng có thể tạo thành polyethylen glycol. Quá trình trùng hợp có thể tiến hành thông qua cơ chế gốc và cơ chế ion, nhưng chỉ có cơ chế sau mới có ứng dụng thực tế rộng rãi. Sự trùng hợp cation của ethylen oxide được hỗ trợ bởi acid protic (Hchlo4, HCl), acid Lewis (SnCl4, BF3, v.v.), các hợp chất cơ kim hoặc tác nhân phức tạp hơn: Ở giai đoạn đầu, chất xúc tác (MX m) được bắt đầu bởi alkyl-hoặc acylhalogen hoặc bởi các hợp chất có nguyên tử hydro hoạt động, thường là nước, rượu hoặc glycol:

MXm + ROH → MXmRO−H+

Phức chất hoạt động tạo thành phản ứng với ethylen oxide thông qua cơ chế SN2:

(CH2CH2)O + MXmRO−H+ → (CH2CH2)O•••H+O−RMXm

(CH2CH2)O•••H+ O−RMXm → HO–CH2CH2+ + MXmRO−2

HO–CH2CH2+ + n (CH2CH2)O → HO–CH2CH2–(O–CH2CH2)n+

Mắt xích bị bẻ gãy như sau

HO–CH2CH2–(O–CH2CH2)n+ + MXmRO− → HO–CH2CH2–(O–CH2CH2)n–OR + MXm

H(O–CH2CH2)n–O–CH2–CH2+ + MXmRO− → H(O–CH2CH2)n–O–CH=CH2 + MXm + ROH

Sự trùng hợp anion của ethylen oxide được hỗ trợ bởi bazơ, chẳng hạn như alkoxide, hydroxide, carbonat hoặc các hợp chất khác của kim loại kiềm hoặc kiềm thổ. Nhiệt phân ở nhiệt độ cao () ở áp suất cao trong môi trường trơ dẫn đến thành phần phức tạp hơn của hỗn hợp khí, hỗn hợp này cũng chứa acetylen và propan. Trái ngược với quá trình đồng phân hóa, sự khởi đầu của chuỗi xảy ra chủ yếu như sau:

(CH2CH2)O + (NH2)2C=S → (CH2CH2)S + (NH2)2C=O

Phản ứng của Phosphor pentachloride với ethylen oxide tạo ra ethylen dichloride:

Phosphor trichloride phản ứng với ethylen oxide tạo thành các esterchlorethyl của acid phospho:

: 380x380px|Synthesis of ethylene carbonate

Trong công nghiệp, một phản ứng tương tự được thực hiện ở áp suất và nhiệt độ cao với sự có mặt của muối amoni bậc bốn hoặc muối phosphonium làm chất xúc tác.

Phản ứng của ethylen oxide với formaldehyde ở 80-150&nbsp;°C khi có mặt chất xúc tác dẫn đến sự hình thành 1,3-dioxolane:

: 330x330px|Synthesis of 1,3-dioxolane

Thay thế fomaldehyde bằng các aldehyde hoặc xeton khác tạo ra 1,3-dioxolan được thế 2 (hiệu suất: 70–85%, xúc tác: tetraethylamoni bromide).

(CH2CH2)O + CO + H2 -> CHO-CH2CH2-OH ->[\ce{+H2}] HO-CH2CH2CH2-OH

Tổng hợp trong phòng thí nghiệm

Dehydro hóa ethylen và các dẫn xuất của nó
Quá trình khử chlor bằng 2-chloroethanol, được phát triển bởi Wurtz vào năm 1859, vẫn là một phương pháp phổ biến trong phòng thí nghiệm để điều chế ethylen oxide:

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

Phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao, bên cạnh natri hydroxide hoặc kali hydroxide, calci hydroxide, bari hydroxide, magnesi hydroxide hoặc carbonat của kim loại kiềm hoặc kiềm thổ có thể được sử dụng.

Với sản lượng cao (90%) ethylen oxide có thể được sản xuất bằng cách xử lý calci oxide với ethyl hypochlorit; thay calci bằng các kim loại kiềm thổ khác làm giảm hiệu suất phản ứng:

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

Oxy hóa trực tiếp ethylen bằng acid peroxy
Ethylen có thể được oxy hóa trực tiếp vào ethylen oxide sử dụng acid peroxy, ví dụ, acid peroxybenzoic hoặc acid meta -chloro-peroxybenzoic:

: 500x500px|Oxidation of ethylene by peroxy acids

Quá trình oxy hóa bằng acid peroxy có hiệu quả đối với anken cao hơn, nhưng không hiệu quả đối với ethylen. Phản ứng trên xảy ra chậm và năng suất thấp nên không được sử dụng trong công nghiệp. Quá trình oxy hóa ethylen trực tiếp hiệu quả hơn bằng không khí được Lefort phát minh vào năm 1931 và vào năm 1937 Union Carbide đã mở nhà máy đầu tiên sử dụng quy trình này. Nó đã được Shell Oil Co. cải tiến hơn nữa vào năm 1958 bằng cách thay thế không khí bằng oxy và sử dụng nhiệt độ cao và áp suất (). Quy trình hiệu quả hơn này chiếm khoảng một nửa sản lượng ethylen oxide trong những năm 1950 ở Mỹ, và sau năm 1975, nó thay thế hoàn toàn các phương pháp trước đó.

Quy trình sản xuất ethylen oxide bằng chlorohydrin
Mặc dù quá trình chlorohydrin hầu như được thay thế hoàn toàn trong công nghiệp bằng quá trình oxy hóa trực tiếp ethylen, kiến thức về phương pháp này vẫn quan trọng vì lý do giáo dục và vì nó vẫn được sử dụng trong sản xuất propylen oxide. Quá trình này bao gồm ba bước chính: tổng hợp ethylen chlohydrin, khử chlohydrin ethylen chlorohydrin thành ethylen oxide và tinh chế ethylen oxide. Các bước đó được thực hiện liên tục. Trong cột đầu tiên, quá trình khử chlor của ethylen được thực hiện như sau:

Cl2 + H2O → HOCl + HCl

CH2=CH2 + HOCl → HO–CH2CH2–Cl

CH2=CH2 + Cl2 → Cl–CH2CH2–Cl

Để ngăn chặn sự chuyển hóa ethylen thành ethylen dichloride (phản ứng cuối cùng), nồng độ của ethylen được duy trì ở khoảng 4–6%, và dung dịch được đun nóng bằng hơi nước đến điểm sôi.

Union Carbide (hiện là một bộ phận của Dow Chemical Company) là công ty đầu tiên phát triển quá trình oxy hóa trực tiếp.

Một phương pháp sản xuất tương tự đã được phát triển bởi Công ty thiết kế khoa học, nhưng nó được sử dụng rộng rãi hơn do hệ thống cấp phép - nó chiếm 25% sản lượng trên thế giới và 75% sản lượng ethylen oxide được cấp phép trên thế giới. Một biến thể độc quyền của phương pháp này được sử dụng bởi Công ty hóa chất xúc tác Nhật Bản, công ty đã điều chỉnh quá trình tổng hợp cả ethylen oxide và ethylen glycol trong một khu phức hợp công nghiệp.

Một sửa đổi khác đã được phát triển Shell International Chemicals BV. Phương pháp của họ khá linh hoạt đối với các yêu cầu cụ thể của các ngành cụ thể; nó được đặc trưng bởi độ chọn lọc cao đối với sản phẩm ethylen oxide và tuổi thọ dài của chất xúc tác (3 năm). Nó chiếm khoảng 40% sản lượng toàn cầu.

Hóa học và động học của quá trình oxy hóa trực tiếp
Về hình thức, quá trình oxy hóa trực tiếp được biểu diễn bằng phương trình sau:

2CH_2=CH2 + O2 ->[\ce{Ag}] 2(CH2CH2)O

, ΔH = −105 kJ/mol

Tuy nhiên, khối lượng đáng kể của carbon dioxide và nước được quan sát thấy trong thực tế, điều này có thể được giải thích bằng quá trình oxy hóa hoàn toàn ethylen hoặc ethylen oxide:

CH2=CH2 + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O, ΔH = −1327 kJ/mol

(CH2CH2)O + 2.5 O2 → 2 CO2 + 2 H2O, ΔH = −1223 kJ/mol

Theo phân tích động học của Kilty và Sachtler, các phản ứng sau đây mô tả con đường dẫn đến ethylen oxide. Trong bước đầu tiên, một loại superoxide (O2-) được hình thành:

O2 + Ag → Ag+O2−-

Chất này phản ứng với ethylen

Ag+O2−- + H2C=CH2 → H2COCH2)O + AgO

Bạc oxide tạo thành sau đó sẽ oxy hóa ethylen hoặc ethylen oxide thành CO2 và nước. Phản ứng này bổ sung chất xúc tác bạc. Do đó, phản ứng tổng thể được biểu thị bằng

7 CH2=CH2 + 6 O2 → 6 (CH2CH2)O + 2 CO2 + 2 H2O

và mức độ chuyển hóa ethylen thành ethylen oxide tối đa là 6/7 hoặc 85,7%. Nhiệt độ quá trình được tối ưu hóa là . Nhiệt độ thấp hơn làm giảm hoạt tính của chất xúc tác, và nhiệt độ cao hơn thúc đẩy quá trình oxy hóa hoàn toàn ethylen do đó làm giảm sản lượng của ethylen oxide. Tăng áp suất làm tăng năng suất của chất xúc tác và tạo điều kiện hấp thụ ethylen oxide từ các khí phản ứng.

Ứng dụng

Ethylen oxide là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất được sử dụng trong sản xuất hóa chất quy mô lớn. Hầu hết ethylen oxide được sử dụng để tổng hợp Ethylen glycol, bao gồm diethylen glycol và triethylen glycol, chiếm tới 75% lượng tiêu thụ toàn cầu. Các sản phẩm quan trọng khác bao gồm ether ethylen glycol, ethanolamin và etoxylat. Trong số các glycol, ethylen glycol được sử dụng làm chất chống đông, trong sản xuất polyester và polyethylen terephthalat (PET - nguyên liệu cho chai nhựa), chất làm mát lỏng và dung môi.

Polyethylen glycol được sử dụng trong nước hoa, mỹ phẩm, dược phẩm, chất bôi trơn, chất pha loãng sơn và chất làm dẻo. Ether ethylen glycol là một phần của dầu phanh, chất tẩy rửa, dung môi, sơn mài và sơn.

Ethanolamins được sử dụng trong sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa và để lọc khí tự nhiên. Etoxylat là sản phẩm phản ứng của ethylen oxide với rượu, acid hoặc amin cao hơn. Chúng được sử dụng trong sản xuất chất tẩy rửa, chất hoạt động bề mặt, chất nhũ hóa và chất phân tán.

Trong khi tổng hợp ethylen glycol là ứng dụng chính của ethylen oxide, tỷ lệ phần trăm của nó rất khác nhau tùy thuộc vào khu vực: từ 44% ở Tây Âu, 63% ở Nhật Bản và 73% ở Bắc Mỹ đến 90% ở phần còn lại của châu Á và 99 % ở Châu Phi.

Sản xuất ethylen glycol
Ethylen glycol được sản xuất công nghiệp bằng cách hydrat hóa ethylen oxide không xúc tác ở nhiệt độ và áp suất :

(CH2CH2)O + H2O → HOCH2CH2OH

Sản phẩm phụ của phản ứng là diethylen glycol, triethylen glycol và polyglycol với tổng số khoảng 10%, được tách ra khỏi ethylen glycol bằng cách chưng cất ở áp suất giảm.

Một phương pháp tổng hợp khác là phản ứng của ethylen oxide và CO 2 (nhiệt độ và áp suất ) tạo ra ethylen carbonat và quá trình thủy phân tiếp theo của nó với quá trình khử carboxyl: Công nghệ Shell OMEGA (Only Mono-Ethylen Glycol Advantage) là tổng hợp hai bước của ethylen carbonat sử dụng một chất xúc tác là phosphonium halogenua. Hiệu suất tạo glycol là 99–99,5%, với các glycol khác thực tế không có. Ưu điểm chính của quy trình là sản xuất ethylen glycol tinh khiết mà không cần phải tinh chế thêm. Nhà máy thương mại đầu tiên sử dụng phương pháp này đã được khai trương vào năm 2008 tại Hàn Quốc. Dow MEtherOR (Công nghệ hiệu quả nhất cho các phản ứng với ethylen oxide) là một công nghệ tích hợp để sản xuất ethylen oxide và quá trình thủy phân tiếp theo của nó thành ethylen glycol. Hiệu suất tạo glycol là 90–93%. Ưu điểm chính của quy trình là tương đối đơn giản, sử dụng ít công đoạn hơn và ít thiết bị hơn.

Chuyển đổi thành ethylen glycol cũng là phương tiện mà chất thải ethylen oxide được tẩy rửa trước khi thải ra môi trường. Thông thường, EtO được cho qua chất nền có chứa acid sunfuric hoặc kali permanganat.

Sản xuất ether glycol
Các estercông nghiệp chính của mono-, di- và triethylen glycol là methyl, ethyl và ether butyl thông thường, cũng như acetat và phthalat của chúng. Quá trình tổng hợp bao gồm phản ứng của rượu thích hợp với ethylen oxide:

: (CH2CH2)O + ROH → HOCH2CH2OR
: (CH2CH2)O + HOCH2CH2OR → HOCH2CH2OCH2CH2OR
: (CH2CH2)O + HOCH2CH2OCH2CH2OR → HOCH2CH2OCH2CH2OCH2CH2OR

Phản ứng của monoestervới một acid hoặc anhydrit của nó dẫn đến sự hình thành các este:

CH3CO2H + HOCH2CH2OR → ROCH2CH2OCOCH3 + H2O

Sản xuất các ethanolamin
Trong công nghiệp, các ethanolamin (mono-, di- và trietanolamin) được sản xuất bằng cách cho amoniac phản ứng với ethylen oxide trong môi trường khan ở nhiệt độ và áp suất MPa:

: (CH2CH2)O + NH3 → HOCH2CH2NH2
: 2 (CH2CH2)O + NH3 → (HOCH2CH2)2NH
: 3 (CH2CH2)O + NH3 → (HOCH2CH2)3N

Cả ba ethanolamin đều được sản xuất trong quá trình này, còn amoniac và một phần methylamin được tái chế. Các sản phẩm cuối cùng được tách bằng phương pháp chưng cất chân không. Các hydroxyalkylamin được sản xuất theo một quy trình tương tự:

: (CH2CH2)O + RNH2 → HOCH2CH2NHR
: 2 (CH2CH2)O + RNH2 → (HOCH2CH2)2NR

Các sản phẩm đơn phân được tạo thành bằng cách cho một lượng dư lớn amin phản ứng với ethylen oxide khi có nước và ở nhiệt độ dưới . Sản phẩm chưng cất thu được với một lượng dư nhỏ ethylen oxide, ở nhiệt độ và áp suất .

Sản xuất ethoxylate
Công nghiệp sản xuất etoxylat được thực hiện bằng phản ứng trực tiếp của rượu, acid hoặc amin cao hơn với ethylen oxide với sự có mặt của chất xúc tác kiềm ở nhiệt độ . Các nhà máy hiện đại sản xuất ethoxylate thường dựa trên công nghệ lò phản ứng BUSS LOOP, dựa trên quy trình liên tục ba giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, chất khơi mào hoặc chất xúc tác của phản ứng và nguyên liệu thô được đưa vào thùng chứa, nơi chúng được trộn, làm nóng và làm khô chân không. Sau đó, phản ứng được thực hiện trong một lò phản ứng cách nhiệt đặc biệt trong môi trường trơ (nitơ) để ngăn chặn sự nổ có thể xảy ra của ethylen oxide. Cuối cùng, hỗn hợp phản ứng được trung hòa, khử khí và tinh chế.

Sản xuất acrylonitrile
Hiện nay, hầu hết acrylonitril (90% năm 2008) được sản xuất theo phương pháp SOHIO, dựa trên xúc tác oxy hóa propylen với sự có mặt của amoniac và bismuth phosphomolybdat. Tuy nhiên, cho đến năm 1960, một quy trình sản xuất quan trọng là bổ sung hydrogen cyanide vào ethylen oxide, tiếp theo là khử nước tạo thành cyanohydrin:

(CH2CH2)O + HCN -> HOCH2CH2CN ->[][\ce{-H2O}] CH2=CH-CN

Phản ứng cộng acid hydrocyanic vào ethylen oxide được thực hiện với sự có mặt của chất xúc tác (natri hydroxide và diethylamin), và sự khử nước của xyanohydrin xảy ra trong pha khí khi có xúc tác của nhôm oxide.

Ứng dụng phi công nghiệp
Việc sử dụng trực tiếp ethylen oxide chỉ chiếm 0,05% (số liệu năm 2004) trong sản lượng toàn cầu của nó.

Chất tiệt trùng trong chăm sóc sức khỏe
Khử trùng dùng ethylen oxide là một trong những phương pháp khử trùng được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp chăm sóc sức khỏe vì tác dụng không gây hại cho các dụng cụ và thiết bị tinh vi cần tiệt trùng cũng như khả năng tương thích với nhiều loại vật liệu. Nó được sử dụng cho các dụng cụ không chịu được nhiệt, độ ẩm hoặc hóa chất mài mòn, chẳng hạn như thiết bị điện tử, thiết bị quang học, giấy, cao su và nhựa. Nó được phát triển vào những năm 1940 như một chất tiệt trùng của quân đội Hoa Kỳ, và việc sử dụng nó như một chất tiệt trùng y tế bắt đầu từ cuối những năm 1950, khi quy trình McDonald được cấp bằng sáng chế cho các thiết bị y tế. Hệ thống Anprolene đã được cấp bằng sáng chế vào những năm 1960 bởi Andersen Products, và nó vẫn là hệ thống được sử dụng phổ biến nhất ở một số thị trường ngách, đặc biệt là thị trường thú y và một số thị trường quốc tế. Nó dựa trên việc sử dụng một buồng tiệt trùng linh hoạt và một hộp mực EtO để khử trùng với khối lượng nhỏ, và khi các cân nhắc về môi trường và/hoặc tính di động cho phép sử dụng liều lượng thấp. Do đó, nó được gọi là phương pháp "khử trùng trong buồng mềm", hoặc phương pháp "khử trùng bằng khuếch tán khí".

Tại Hoa Kỳ, hoạt động khử trùng bằng EtO được EPA giám sát thông qua Tiêu chuẩn khí thải quốc gia về các chất gây ô nhiễm không khí nguy hiểm.

Sử dụng đặc biệt
Ethylen oxide được sử dụng như một chất diệt nấm và như một chất thúc đẩy quá trình trưởng thành của lá thuốc lá.

Ethylen được sử dụng trong quá trình tổng hợp 2-butoxyethanol, là dung môi được sử dụng trong nhiều sản phẩm.

Xác định ethylen oxide
Sắc ký khí là phương pháp chính để phân tích và phát hiện ethylen oxide.

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

Các phương pháp phát hiện ethylen oxide khác là Một số tai nạn công nghiệp đã được cho là do nổ ethylen oxide.

Nhiệt độ tự động cháy của nó là , nhiệt độ phân hủy là ở , hàm lượng chất cháy tối thiểu trong không khí là 2,7%, và giới hạn tối đa là 100%. Xếp hạng NFPA 704. Ethylen oxide khi gặp nước có thể thủy phân thành ethylen glycol và tạo thành polyethylen oxide, sau đó sẽ bị oxy hóa bởi không khí và dẫn đến các điểm nóng có thể kích hoạt sự phân hủy bùng nổ.

Các đám cháy gây ra bởi ethylen oxide được dập tắt bằng các phương tiện thông thường bao gồm bọt, carbon dioxide hoặc nước. Việc ngăn chặn hoạt động này có thể được thực hiện bằng cách làm trống bằng khí trơ cho đến khi tổng áp suất đạt đến phạm vi không nổ. Việc dập cháy ethylen oxide rất phức tạp do khả năng tiếp tục cháy trong môi trường trơ và trong dung dịch nước. Việc dập lửa chỉ đạt được khi pha loãng với nước trên 22:1.

Tác động sinh lý

Ảnh hưởng đến vi sinh vật
Tiếp xúc với khí ethylene oxide gây ra quá trình alkyl hóa đối với vi sinh vật ở cấp độ hạt nhân. Hiệu quả khử trùng của ethylene oxide tương tự như khử trùng bằng nhiệt, nhưng vì sự xâm nhập hạn chế, nó chỉ ảnh hưởng đến bề mặt. Quá trình khử trùng bằng ETO có thể mất đến 12 giờ do tác động chậm của nó đối với vi sinh vật cũng như thời gian xử lý và sục khí kéo dài.

Ảnh hưởng đến con người và động vật
Ethylene oxide là một chất alkyl hóa; nó có tác dụng kích thích, nhạy cảm và gây mê. Tiếp xúc mãn tính với ethylene oxide cũng có thể gây đột biến. Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế xếp ethylene oxide vào nhóm 1, có nghĩa là nó là chất gây ung thư đã được chứng minh. Ethylene oxide được ủy ban MAK của Đức phân loại là chất gây ung thư loại 2 và là ACGIH phân loại là chất gây ung thư loại A2. Một nghiên cứu năm 2003 trên 7.576 phụ nữ tiếp xúc khi làm việc trong các cơ sở khử trùng thương mại ở Mỹ cho thấy ethylene oxide có liên quan đến tỷ lệ mắc ung thư vú. Một nghiên cứu tiếp theo năm 2004 phân tích 18.235 công nhân nam và nữ tiếp xúc với ethylene oxide từ năm 1987 đến năm 1998 đã kết luận "Có rất ít bằng chứng về bất kỳ tỷ lệ tử vong do ung thư vượt quá nào đối với toàn bộ nhóm, ngoại trừ ung thư xương dựa trên số lượng nhỏ. Xu hướng phản ứng tiếp xúc tích cực đối với các khối u bạch huyết chỉ được tìm thấy ở nam giới. Lý do cho tính đặc hiệu giới tính của hiệu ứng này không được biết đến. Cũng có một số bằng chứng về phản ứng tiếp xúc tích cực đối với tỷ lệ tử vong do ung thư vú." Sự gia tăng tỷ lệ mắc các khối u não và bệnh bạch cầu tế bào đơn nhân được tìm thấy ở những con chuột đã hít phải ethylene oxide ở nồng độ trong khoảng thời gian hai năm. Tỷ lệ ung thư trung biểu mô phúc mạc tăng lên cũng được quan sát thấy ở động vật tiếp xúc với nồng độ 10, 33 or 100 mL/m3 trong vòng 2 năm. Kết quả nghiên cứu dịch tễ học ở người trên những công nhân tiếp xúc với ethylene oxide khác nhau. Có bằng chứng từ các nghiên cứu trên người và động vật cho thấy việc hít phải tiếp xúc với ethylene oxide có thể dẫn đến một loạt các tác động gây ung thư.

Ethylene oxide là chất độc khi hít phải, với giới hạn phơi nhiễm cho phép của OSHA Hoa Kỳ được tính là TWA (trung bình theo thời gian) 1ppm trong 8 giờ và giới hạn tiếp xúc ngắn hạn được tính bằng TWA 5ppm trong 15 phút. Ở nồng độ trong không khí khoảng 200 phần triệu, ethylene oxide gây kích ứng màng nhầy của mũi và cổ họng; chất chứa nhiều hơn gây tổn thương khí quản và phế quản, tiến triển thành phổi xẹp một phần. Nồng độ cao của chất này có thể gây phù phổi và làm hỏng hệ thống tim mạch; tác hại của ethylene oxide có thể xảy ra chỉ sau 72 giờ sau khi tiếp xúc. NIOSH đã xác định rằng mức Nguy hiểm ngay lập tức đến tính mạng và sức khỏe (IDLH) là 800 ppm.

Bởi vì ngưỡng mùi đối với ethylene oxide thay đổi trong khoảng 250 đến 700 ppm, khí đã vượt nồng độ độc hại khi mũi con người có thể ngửi thấy. Ngay cả khi đó, mùi của etylen oxit rất ngọt và thơm và có thể dễ bị nhầm với mùi thơm của ete dietyl, một dung môi thông thường trong phòng thí nghiệm có độc tính rất thấp. Do những đặc tính gây nhầm lẫn này, việc giám sát điện hóa liên tục là tiêu chuẩn bắt buộc và không được sử dụng ethylene oxide để tẩy trùng nội thất tòa nhà ở khu vực EU và một số khu vực pháp lý khác.

Ethylene oxide gây ngộ độc cấp tính,kèm theo một loạt các triệu chứng. rằng với liều lượng thấp, việc hít phải ethylene oxide trong suốt cuộc đời có thể làm tăng nguy cơ ung thư suốt đời của một cá nhân lên tới 3,0×10 −3 mỗi μg/m³ (không tính đến việc phơi nhiễm trong thời kỳ đầu đời có khả năng cao hơn). USEPA đã ước tính độ dốc của sự suy giảm phản ứng với liều lượng ở liều cao hơn và ước tính nguy cơ ung thư bổ sung cho một số tình huống phơi nhiễm nghề nghiệp được tính toán.

Nhu cầu trên toàn cầu
Nhu cầu về ethylene oxide trên toàn cầu đã tăng từ 16,6 triệu tấn trong năm 2004 đến 20 triệu tấn vào năm 2009, trong khi nhu cầu đối với ethylene oxide tinh chế tăng từ 4,64 triệu tấn vào năm 2004 lên 5,6 triệu tấn vào năm 2008. Trong năm 2009, nhu cầu ước tính đã giảm xuống khoảng 5,2 triệu tấn. Tổng nhu cầu ethylene oxide ghi nhận tốc độ tăng trưởng 5,6% mỗi năm trong giai đoạn 2005-2009 và dự kiến sẽ tăng 5,7% mỗi năm trong giai đoạn 2009-2013.

Xem thêm
Thiiran

Tham khảo