环氧乙烷[wán]（英文：Ethylene Oxide，简称为EO），别名氧化乙烯，是一种重要的有机杂环化合物，最简单的环醚，其化学式为C₂H₄O，是乙烯最主要的衍生物之一。环氧乙烷常温下是一种无色气体，具有醚类共有的芳香气味，可以与苯、丙酮、乙醇、乙醚等有机溶剂和水按照任意比例互溶，标准大气压下的沸点为10.7℃，熔点为-111.7℃。环氧乙烷的化学性质十分活泼，属于易燃易爆化合物，易发生开环反应同时放出大量的热量。工业上的环氧乙烷主要通过乙烯的催化氧化来制备，分子极易开环的特性使它能发生许多化学反应，如环氧化反应、烷基化反应和催化异构化反应等。环氧乙烷是第2代化学消毒剂，是优质的冷消毒剂之一。同时，环氧乙烷可以生产出一系列如乙二醇、乙二醇醚、乙醇胺等有价值的衍生物，这些衍生物在合成材料、防冰剂、制动液和清洗剂等方面都有重大应用。
发展历史
1859年，武慈（Charles Adolph Wurtz，法国化学家，1817-1884年）首次从2-氯乙醇（乙烯氯醇）和氢氧化钾水溶液中制备环氧乙烷。1863年，武慈尝试通过乙烯直接氧化法生产环氧乙烷，但没有获得成功，许多其他研究人员的相关试验也没有取得成功。1931年，勒福特（Theodore Lefort，法国化学家）发现了一种金属银直接催化乙烯氧化形成环氧乙烷的方法，并逐渐取代了以氯丙醇为原料生产环氧乙烷工艺。世界上大部分的环氧乙烷是通过乙烯与空气或氧气直接催化氧化而产生的，全球年生产能力巨大，使其成为一种重要的工业化学品。
理化性质
物理性质
环氧乙烷在常温下是一种透明无色气体，具有醚类芳香气味，在257～690ppm时可检测到甜味，可以与苯、丙酮、乙醇、乙醚等有机溶剂和水按照任意比例互溶，在10℃时的密度为0.8222g/mL，临界点为195.8℃，7.2MPa，标准大气压下的沸点为10.7℃，熔点为-111.7°C，分配系数为-0.3，气态下的燃烧热为1306.1KJ/mol，液体状态下的燃烧热为1280.9KJ/mol，气体状态在25℃时的粘度为9.45X10⁻³mPa.s，液体状态在10℃时的粘度为0.25mPa.s。环氧乙烷属于易燃易爆的有机化合物，其闪点为-18～-17.7℃，爆炸极限为3%-100%（W/V）。
化学性质
环氧乙烷是一个由氧原子与两个相邻的碳原子连接形成的三元环，是一种十分活泼的物质，它的反应主要通过开环的方式进行，并且在反应时会放出极高的热量。如果反应环境或反应器皿不能及时散出热量，环氧乙烷的蒸汽可能在较高的温度下发生爆炸性分解。
加成反应
环氧乙烷和含有不稳定氢的化合物反应加成形成含有羟乙基的产物。反应通式为：
其中含有不稳定氢的化合物XH的可以是：H₂O、H₂NH、HRNH、R₂NH、RCOOH、RCONH₂、HSH、RSH、ROH、N≡CH和B₂H₆等物质。
水合反应
水合反应即环氧乙烷与水作用生成乙二醇的反应，化学反应式为：
水合是环氧乙烷最重要的反应，大约60%的环氧乙烷转化为乙二醇。在没有催化剂的情况下，环氧乙烷与水的反应相对较慢。
醇解反应
环氧乙烷在催化剂（固体酸或阳离子交换树脂等酸性物质）的催化作用下可发生醇解反应，产物为乙二醇单（双）醚，化学反应式为：（R为烷基）
与氨反应
环氧乙烷可与氨发生加成反应生成乙醇胺。
氢卤酸的反应
环氧乙烷可与氢卤酸发生加成反应，环氧乙烷和氯化氢反应生成卤化乙醇。
聚合反应
二聚反应
环氧乙烷可以在酸性催化剂的催化作用下二聚生成1，4-二氧杂环己烷，反应方程式为：
低聚反应
环氧乙烷在氟[fú]化Lewis酸的催化下低聚形成环状聚醚（冠醚）。
开环聚合反应
环氧乙烷在一定条件下可以发生开环聚合反应。
环化反应
环氧乙烷可以加入到具有双键的化合物中发生环化反应，即环氧乙烷与含有双键的物质反应开环后形成新的环状物质。例如：CO₂与环氧乙烷反应生成新的环状产物-乙烯碳酸酯；
SO₃与环氧乙烷反应生成新的环状产物-乙二醇硫酸酯。
能与环氧乙烷发生类似环化反应的物质还有R₂C=O、SC=S、O₂S=O和RN=CO等。
氧化反应
在铂黑的催化下，氧气与环氧乙烷的水溶液反应，可将环氧乙烷转化为乙醇酸。
还原反应
环氧乙烷在一定温度、压强和附着在氧化铝上的镍[niè]（Ni）、铜（Cu）、铬（Cr）的催化作用下可被还原为乙醇，反应方程式为：
分解反应
气态环氧乙烷在400℃开始分解主要生成CO、CH₄，同时也可以产生C₂H₆、C₂H₄、H₂、C和CH₃CHO。分解过程的第一步是环氧乙烷异构化生成乙醛。整个反应过程是在气相状态下进行，在一定条件下可能会发生爆炸。
羰基化反应
环氧乙烷在70℃和10MPa，钴Co催化剂的催化下与一氧化碳和水发生羰[tāng]基化反应生成羰基丙酸乙二醇酯[zhǐ]。
催化异构化反应
环氧乙烷在一定温度与Al₂O₃或酸性介质的条件下发生分子重排，异构化生成乙醛，反应历程可以由如下方程式表示：
在此方程式中，质子可以是一个氢离子，也可以是固体催化剂上的一个酸中心。
其他反应
与生物物质反应
环氧乙烷可以和生物物质反应，例如与DNA、RNA和蛋白质反应。其中，环氧乙烷与DNA反应的主要产物是7-(2-羟乙基）鸟嘌呤，进一步的反应产物是（2-羟乙基）鸟嘌呤和3-(2-羟乙基）腺嘌呤。
与格氏试剂反应
环氧乙烷与格氏试剂（格里纳德试剂，是一种金属有机化合物，通式为RMgX，其中R代表烃基，X代表卤素）反应生成具有一级羟基的化合物。反应通式为：
与乙酰基锂反应
乙炔在液氨中用锂处理形成锂盐，即乙酰基锂。环氧乙烷与之反应可生成3-丁烯-1-醇。
与合成气反应
在四乙二醇二甲醚环境中，环氧乙烷与合成气（CO/H₂）反应，得到1,3-丙二醇。
与二甲醚反应
环氧乙烷与二甲醚反应生成聚（乙二醇）二甲醚，该反应用于工业生产低分子质量类同源物，广泛用作溶剂。
制备方法
实验室制备
- 工艺原理
实验室制备环氧乙烷主要通过氯乙醇法（氯醇法），该法以乙烯、氯气、氢氧化钙为原料，主要通过两个步骤制备环氧乙烷。第一步：乙烯首先和次氯酸水溶液反应生成氯乙醇。
第二步：氯乙醇和氢氧化钙反应生成环氧乙烷粗产品。
- 工艺现状
氯醇法对原料乙烯的利用率极高，但是过程需要消耗大量氯气，生产成本大大提高。同时，过程中产生了大量不必要的氯化副产品氯化钙。该工艺对设备腐蚀较大，且会造成一定大气污染和排水污染。大部分国家都不采用该法工业化生产制备环氧乙烷。
工业制备
基本原理
工业制备生产环氧乙烷最主要的方法是催化氧化法。该方法以乙烯为原料通过银催化剂氧化乙烯直接制备环氧乙烷。在银催化剂表面可同时发生反应，形成环氧乙烷。乙烯的选择氧化，也是生成环氧乙烷的主反应：
工艺流程
环氧乙烷的生产技术是相似的，主要区别在于选用空气还是纯氧进行氧化。环氧乙烷的主要生产方式是通过纯氧氧化。下图为以纯氧为原料的氧化过程和以空气为原料的氧化过程的流程图。
a-反应器；b-环氧乙烷洗涤器；c-二氧化碳洗涤器；d-二氧化碳解吸器；e-废气净化；f-空气净化；g-一次反应堆；h-一次环氧乙烷洗涤器；i-二次反应器；j-二次环氧乙烷洗涤器；k-环氧乙烷除氧器；l-剥离柱；m-环氧乙烷蒸馏
- 催化剂
通过完善催化剂的生产过程，提高环氧乙烷生产效率。银催化剂的制备主要分为两种方法，即混合法和浸渍法。浸渍法具有可根据乙烯氧化过程中的特点，可以随意选择反应需要的适合的比表面积，孔分布良好的载体的优点，使用广泛。
其他制备方法
研究团队发现通过在IrO₂上负载一系列第六周期金属氧化物来制备催化剂，可以促进二氧化碳到环氧乙烷的电化学转换。同时，研究人员设计出一种氧化还原介导的配对系统，该系统的法拉第效率比传统的电化学系统高，且工作电压较低，解决了现有电化学技术的转换法拉第效率较低，且电能需求大的问题。下图为该氧化还原介导的配对系统的基本原理。
应用领域
消毒杀菌
- 环氧化乙烷与氮气、二氧化碳或二氯氟甲烷等非爆炸性物质混合使用时，是一种优良的消毒剂和熏蒸剂。环氧乙烷是第2代化学消毒剂（第1代为甲醛），是优质的冷消毒剂之一。环氧乙烷不仅具有强大的消毒效果，而且在常温下使用时具有强大的穿透作用，使用时不会损坏物品，被广泛用于怕热怕湿的医疗器械、合成材料（聚酯薄膜、聚乙烯和牛皮纸等）、棉毛织品及一次性医疗用品和卫生用品的消毒和灭菌。环氧乙烷可以有效地杀除各种微生物，广泛用于杀灭细菌繁殖体、结核分枝杆菌、真菌、细菌芽孢等微生物。
- 与其他通过氧化过程进行消毒杀毒的物质相比，环氧乙烷的消毒过程对物品损坏较小，不会腐蚀塑料、金属和橡胶等材料，不会使物品变黄变脆，不会影响材料的再次使用。但环氧乙烷在水中可能生成乙二醇有毒物质，在灭菌过程中，需要注意防止其对环境的污染，且环氧乙烷灭菌后的物品，需较长时间通风以去除环氧乙烷的残留。
化工生产
在化工生产方面，世界各地的环氧乙烷广泛应用于生产其他有价值的化工产品，如醇类化合物乙二醇、二甘醇、三乙醇；醚类化合物聚醚多元醇、乙二醇醚；酯类化合物醇醚磷酸。
其他应用
环氧乙烷可添加至润滑油，在保持原有性质的同时，避免合成润滑油被灰分污染；环氧乙烷可以与硝基甲烷混合作为火箭和喷气式飞机的燃料；环氧乙烷可以在不影响烟草的香气的前提下，减少其中尼古丁的含量。
衍生物应用
- 乙二醇
世界上生产的大部分环氧乙烷都用来生产乙二醇，其消费量巨大，被广泛用于生产聚酯单体以制造纤维、薄膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯。同时也被用于树脂润滑剂、增塑剂、油漆、胶黏剂、表面活性剂、炸药等领域，同时也可用来配制防冻液或直接用作有机溶剂。
- 乙二醇醚
乙二醇醚分子中醚键和羟基，使其具有两种基团的化学性能——既可溶解有机物小分子、大分子、合成的或天然的高分子物质又可不同程度地与水或水溶性化合物互溶。因此被广泛用作溶剂、防冰剂、制动液、清洗剂、化学中间体等。
- 乙醇胺
乙醇胺是重要的石油化工原料，具有广泛的用途。绝大部分乙醇胺的工业生产是通过环氧乙烷（EO）与氨反应，以水为催化剂，合成并分离出3种产品——一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和三乙醇胺（TEA）。乙醇胺产品主要用途是生产表面活性剂、除草剂、木材防腐剂、金属加工液、柔软剂和印染助剂。乙醇胺还可用来合成树脂、橡胶加工、纺织工业和金属清洗加工等。
安全事宜
危险性
CHS分类：H220：极易燃气体[危险易燃气体]H301：吞咽有毒[危险急性毒性，口服]H314：造成严重皮肤灼伤及眼损伤[危险皮肤腐蚀/刺激]H318：造成严重眼损伤[危险严重眼损伤/眼睛刺激]H331：吸入有毒[危险急性毒性，吸入]H335：可能引起呼吸道刺激[警告特定靶器官毒性，单次暴露；呼吸道刺激]H336：可能引起嗜睡或头晕[警告特定靶器官毒性，单次暴露；麻醉作用]H340：可能导致遗传缺陷[危险生殖细胞致突变性]H350：可能导致癌症[危险致癌性]H360Fd：可能损害生育能力；怀疑对未出生的孩子造成伤害[危险生殖毒性]H372：长期或反复接触对器官造成损害[危险特异性靶器官毒性，反复暴露]
毒性
环氧乙烷是一种在体内和体外系统中均能表达基因毒性的反应性环氧化物，与环氧乙烷的消毒机理类似，环氧乙烷的毒性主要与羧基、氨基或巯基等亲核基团的烷基化反应有关。环氧乙烷在啮齿类动物中表现出了致癌活性，在大鼠和小鼠的毒性实验中发现环氧乙烷可以引发脑胶质瘤、肺腺瘤、单核细胞白血病、淋巴瘤和腹膜间皮瘤。因暂无环氧乙烷直接造成人类癌症的案例，环氧乙烷导致人类癌症的可能性尚未明确。但发现环氧乙烷与人类和实验动物的淋巴和造血系统的恶性肿瘤有关。同时，在环氧乙烷环境下工作的人群中发现，环氧乙烷会诱导血红蛋白加合物频率的剂量相关增加等方面说明环氧乙烷是致癌物质。
健康危害
若吸入环氧乙烷，会引发急性中毒，患者会在几分钟内出现头痛、恶心和呕吐等症状。严重者会出现局部刺激导致呼吸困难，甚至造成肺水肿，心肌损伤，最后昏迷。反复吸入环氧乙烷会导致运动多性神经病变，同时造成严重的记忆损伤。若皮肤接触液态环氧乙烷，皮肤会受到刺激并出现红肿等现象。液态环氧乙烷对消化道有腐蚀性，可对消化道黏膜造成严重的刺激和烧伤。同时，皮肤可以吸收接触的环氧乙烷，相应的症状与吸入环氧乙烷后的症状类似。
急救措施
若患者吸入环氧乙烷，需将受害者转移到新鲜空气处，同时急救人员应避免自行接触环氧乙烷；如果患者眼睛暴露接触环氧乙烷，必须立即用温水冲洗眼睛至少15分钟；如果液体溅到皮肤上，请让环氧乙烷蒸发，然后再用肥皂和水彻底清洗。与此同时，应急人员应穿着与污染类型和程度相适应的防护服。必要时，还应佩戴空气净化或供气呼吸设备。救援车辆应携带塑料布和一次性塑料袋等用品，以帮助防止污染物扩散。
储存运输
环氧乙烷可以用油罐车和集装箱贮存，通过铁路、公路和海上三种途径进行运输。环氧乙烷是易燃易爆、有中等毒性的危险化学品，空气中浓度超过3%时，遇到明火可能引起爆炸，不宜长途运输。
消防相关
环氧乙烷在遇到热源或明火时有严重的爆炸危险。且环氧乙烷在受热时会产生刺激性蒸气，由于其蒸气密度比空气大，会使蒸气传播较远的距离接触火源和闪回；同时，环氧乙烷蒸气会与很大的范围内的空气形成爆炸性混合物。环氧乙烷液体不存在爆炸危险，但其蒸气极有可能发生爆炸。运送环氧乙烷液体时需要避免使用含有铜、银、汞或镁的金属配件和接触氨、氧化剂和酸，有机碱等物质，避免引发爆炸。如果运输环氧乙烷的油罐车或卡车发生火灾，请与火灾现场保持一定的安全距离，同时疏散并封锁现场。救助人员需要佩戴呼吸器和全套防护服进行救援。
参考资料
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