环氧乙烷(Ethylene oxide)(II)


2020-07-24


分子结构与性质(Molecular structure and properties)
环氧乙烷的形状几乎为正三角形,键角大约为60°,与醇类及醚类相比,醇类的C–O–H键角为110°而醚类C–O–C 键角为 120°,环氧乙烷的60°键角显然小很多,因此有明显的键角张力其能量为105 kJ/mol(如下图)。

环氧乙烷(Ethylene oxide)(II)


分子主轴的转动惯量:IA = 32.921×10−40 g•cm2, IB = 37.926×10−40 g•cm2; 及 IC = 59.510×10−40 g•cm2;.在17~176℃的温度範围时其偶极矩为6.26×10−30 C•m。我们可由比较破坏环氧乙烷二个C–O键及醇与醚中一个C–O键所需的能量大小来判断C–O键在分子中的稳定度。其实验结果如下表所示:

环氧乙烷(Ethylene oxide)(II)

这个不稳定性决定它的化学活性,也解释它在进行加成反应时开环是如此容易。

物理性质
环氧乙烷在25℃时为无色气体,0℃时为流动的液体其黏度为水的5.5倍。它具有一般醚类微甜气味的特性,尤其当其在空气中的浓度超过500ppm时特别显着。
它易溶于水、乙醇、二乙醚及许多种有机溶剂中。其主要热力学常数如下:

标準莫耳热容量:Cp° = 48.19 J/(mol•K)标準生成热:ΔH°298 = –51.037 kJ/mol标準熵:S°298 = 243.4 J/(mol•K)吉布斯自由能:ΔG°298 = –11.68 kJ/mol燃烧热:ΔHc° = –1306 kJ/mol

而液态环氧乙烷的表面张力在–50.1 °C 时为35.8 mJ/m2,在–0.1 °C时为27.6 mJ/m2 。

化学性质
环氧乙烷分子内的C–O键很容易断裂开环而与各种不同的化学物质反应。典型的反应为环氧乙烷分子与亲核试剂(nucleophiles)在酸性(弱亲核试剂:水与醇类)或硷性(强亲核试剂:OH–, RO–, NH3, RNH2, RR’NH等)条件下进行SN2取代反应。其反应的简单流程如下:

环氧乙烷(Ethylene oxide)(II)

加水或加醇反应(Addition of water and alcohols)
环氧乙烷的水溶液是相当安定,可长时间存在无显着的化学反应,但若加入少量的酸如稀硫酸时,即使在常温下也会立刻生成乙二醇:

(CH2CH2)O + H2O → HO–CH2CH2–OH

此反应在气相中以磷酸盐当催化剂时也能进行。上述反应通常在约60℃下与大量的水作用,如此可避免产生的乙二醇再与环氧乙烷反应产生二聚或三聚合的二醇类。

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

若以硷当催化剂能产生多聚合二醇类。

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

与醇作用产生乙二醇醚。

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

环氧乙烷与脂肪醇作用在金属钠、氢氧化钠或三氟化硼的反应条件下可合成界面活性剂。

参考资料:
1.Ethylene_oxide。检索日期 2011.6.5,http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_oxide
2.杨思廉(1991),工业化学概论,五洲出版社,p.264~266。



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