環氧乙烷[wán]（英文：乙烯氧化物，簡稱為EO），別名氧化乙烯，是一種重要的有機雜環化合物，最簡單的環醚，其化學式為C?H?O，是乙烯最主要的衍生物之一。環氧乙烷常溫下是一種無色氣體，具有醚類共有的芳香氣味，可以與苯、丙酮、乙醇、乙醚等有機溶劑和水按照任意比例互溶，標準大氣壓下的沸點為10.7℃，熔點為-111.7℃。環氧乙烷的化學性質十分活潑，屬于易燃易爆化合物，易發生開環反應同時放出大量的熱量。工業上的環氧乙烷主要通過乙烯的催化氧化來制備，分子極易開環的特性使它能發生許多化學反應，如環氧化反應、烷基化反應和催化異構化反應等。環氧乙烷是第2代化學消毒劑，是優質的冷消毒劑之一，在消毒與滅菌中的應用已久，是唯一得到全世界公認的最可靠的化學氣體滅菌劑。同時，環氧乙烷可以生產出一系列如乙二醇、乙二醇醚、乙醇胺等有價值的衍生物，這些衍生物在合成材料、防冰劑、制動液和清洗劑等方面都有重大應用。環氧乙烷是一種有毒的致癌物質，以前被用來制造殺菌劑。環氧乙烷不易長途運輸，因此有強烈的地域性。
發展歷史
1859年，武慈（Charles Adolph Wurtz，法國化學家，1817-1884年）首次從2-氯乙醇（乙烯氯醇）和氫氧化鉀水溶液中制備環氧乙烷。
1863年，武慈嘗試通過乙烯直接氧化法生產環氧乙烷，但沒有獲得成功，許多其他研究人員的相關試驗也沒有取得成功。
1931年，勒福特（Theodore Lefort，法國化學家）發現了銀催化乙烯直接催化氧化生成環氧乙烷工藝并很快投入工業化生產，這一方法大大簡化了生產流程，提高了效率，降低了成本，并逐漸取代了以氯丙醇為原料生產環氧乙烷工藝。世界上大部分的環氧乙烷是通過乙烯與空氣或氧氣直接催化氧化而產生的，全球年生產能力巨大，使其成為一種重要的工業化學品。
理化性質
物理性質
環氧乙烷在常溫下是一種透明無色氣體，具有醚類芳香氣味，在257～690ppm時可檢測到甜味，其蒸氣對眼和鼻粘膜有刺激性，可以與苯、丙酮、乙醇、乙醚等有機溶劑和水按照任意比例互溶，在10℃時的密度為0.8222g/mL，臨界點為195.8℃，7.2MPa，標準大氣壓下的沸點為10.7℃，熔點為-111.7°C，分配系數為-0.3，氣態下的燃燒熱為1306.1KJ/mol，液體狀態下的燃燒熱為1280.9KJ/mol，氣體狀態在25℃時的粘度為9.45X10?3mPa.s，液體狀態在10℃時的粘度為0.25mPa.s。環氧乙烷屬于易燃易爆的有機化合物，其閃點為-18～-17.7℃，爆炸極限為3%-100%（體積）。
化學性質
環氧乙烷是一個由氧原子與兩個相鄰的碳原子連接形成的三元環，是一種十分活潑的物質，它的反應主要通過開環的方式進行，并且在反應時會放出極高的熱量。如果反應環境或反應器皿不能及時散出熱量，環氧乙烷的蒸汽可能在較高的溫度下發生爆炸性分解。
加成反應
環氧乙烷和含有不穩定氫的化合物反應加成形成含有羥乙基的產物。反應通式為：
其中含有不穩定氫的化合物XH的可以是：H?O、H?NH、HRNH、R?NH、RCOOH、RCONH?、HSH、RSH、ROH、N≡CH和B?H?等物質。
水合反應
水合反應即環氧乙烷與水作用生成乙二醇的反應，這一過程通常在酸或堿催化劑的作用下進行，化學反應式為：
水合是環氧乙烷最重要的反應，大約60%的環氧乙烷轉化為乙二醇。在沒有催化劑的情況下，環氧乙烷與水的反應相對較慢。
醇解反應
環氧乙烷在催化劑（固體酸或陽離子交換樹脂等酸性物質）的催化作用下可發生醇解反應，產物為乙二醇單（雙）醚，化學反應式為：（R為烷基）
與氨反應
環氧乙烷可與氨發生加成反應生成乙醇胺。
氫鹵酸的反應
環氧乙烷可與氫鹵酸發生加成反應，環氧乙烷和氯化氫反應生成鹵化乙醇。
聚合反應
二聚反應
環氧乙烷可以在酸性催化劑的催化作用下二聚生成1，4-二氧雜環己烷，反應方程式為：
低聚反應
環氧乙烷在化Lewis酸的催化下低聚形成環狀聚醚（冠醚）。
開環聚合反應
環氧乙烷在一定條件下可以發生開環聚合反應。
環化反應
環氧乙烷可以加入到具有雙鍵的化合物中發生環化反應，即環氧乙烷與含有雙鍵的物質反應開環后形成新的環狀物質。例如：
CO?與環氧乙烷反應生成新的環狀產物-乙烯碳酸酯；
SO?與環氧乙烷反應生成新的環狀產物-乙二醇硫酸酯。
能與環氧乙烷發生類似環化反應的物質還有R?C=O、SC=S、O?S=O和RN=CO等。
氧化反應
在鉑黑的催化下，氧氣與環氧乙烷的水溶液反應，可將環氧乙烷轉化為乙醇酸。
還原反應
環氧乙烷在一定溫度、壓強和附著在氧化鋁上的（Ni）、銅（Cu）、鉻（Cr）的催化作用下可被還原為乙醇，反應方程式為：
分解反應
氣態環氧乙烷在400℃開始分解主要生成CO、CH?，同時也可以產生C?H?、C?H?、H?、C和CH?CHO。
分解過程的第一步是環氧乙烷異構化生成乙醛。整個反應過程是在氣相狀態下進行，在一定條件下可能會發生爆炸。
羰基化反應
環氧乙烷在70℃和10MPa，鈷Co催化劑的催化下與一氧化碳和水發生基化反應生成羰基丙酸乙二醇。
催化異構化反應
環氧乙烷在一定溫度與Al?O?或酸性介質的條件下發生分子重排，異構化生成乙醛，反應機理可以由如下方程式表示：
在此方程式中，質子可以是一個氫離子，也可以是固體催化劑上的一個酸中心。
其他反應
與生物物質反應
環氧乙烷可以和生物物質反應，例如與脫氧核糖核酸、RNA和蛋白質反應。
其中，環氧乙烷與DNA反應的主要產物是7-(2-羥乙基）鳥嘌呤，進一步的反應產物是（2-羥乙基）鳥嘌呤和3-(2-羥乙基）腺嘌呤。
與格氏試劑反應
環氧乙烷與格氏試劑（格里納德試劑，是一種金屬有機化合物，通式為RMgX，其中R代表烴基，X代表鹵素）反應生成具有一級羥基的化合物。反應通式為：
與乙酰基鋰反應
乙炔在液氨中用鋰處理形成鋰鹽，即乙酰基鋰。環氧乙烷與之反應可生成3-丁烯-1-醇。
與合成氣反應
在四乙二醇二甲醚環境中，環氧乙烷與合成氣（CO/H?）反應，得到1,3-丙二醇。
與二甲醚反應
環氧乙烷與二甲醚反應生成聚（乙二醇）二甲醚，該反應用于工業生產低分子質量類同源物，廣泛用作溶劑。
制備方法
實驗室制備
實驗室制備環氧乙烷主要通過氯乙醇法（氯醇法），該法以乙烯、氯氣、氫氧化鈣為原料，主要通過兩個步驟制備環氧乙烷。
第二步：氯乙醇和氫氧化鈣反應生成環氧乙烷粗產品。
氯醇法對原料乙烯的利用率極高，但是過程需要消耗大量氯氣，生產成本大大提高。同時，過程中產生了大量不必要的氯化副產品氯化鈣。該工藝對設備腐蝕較大，且會造成一定大氣污染和排水污染。大部分國家都不采用該法工業化生產制備環氧乙烷。
工業制備
基本原理
工業制備生產環氧乙烷最主要的方法是催化氧化法。該方法以乙烯為原料通過銀催化劑氧化乙烯直接制備環氧乙烷。在銀催化劑表面可同時發生反應，形成環氧乙烷。
乙烯的選擇氧化，也是生成環氧乙烷的主反應：
工藝流程
環氧乙烷的生產技術是相似的，主要區別在于選用空氣還是純氧進行氧化。環氧乙烷的主要生產方式是通過純氧氧化。下圖為以純氧為原料的氧化過程和以空氣為原料的氧化過程的流程圖。
a-反應器；b-環氧乙烷洗滌器；c-二氧化碳洗滌器；d-二氧化碳解吸器；
e-廢氣凈化；f-空氣堡；g-一次反應堆；h-一次環氧乙烷洗滌器；i-二次反應器；
j-二次環氧乙烷洗滌器；k-環氧乙烷除氧器；l-剝離柱；m-環氧乙烷蒸餾
通過完善催化劑的生產過程，提高環氧乙烷生產效率。銀催化劑的制備主要分為兩種方法，即混合法和浸漬法。浸漬法具有可根據乙烯氧化過程中的特點，可以隨意選擇反應需要的適合的比表面積，孔分布良好的載體的優點，使用廣泛。
其他制備方法
研究團隊發現通過在IrO?上負載一系列第六周期金屬氧化物來制備催化劑，可以促進二氧化碳到環氧乙烷的電化學轉換。同時，研究人員設計出一種氧化還原介導的配對系統，該系統的邁克爾·法拉第效率比傳統的電化學系統高，且工作電壓較低，解決了現有電化學技術的轉換法拉第效率較低，且電能需求大的問題。
下圖為該氧化還原介導的配對系統的基本原理。
應用領域
消毒殺菌
化工生產
在化工生產方面，世界各地的環氧乙烷廣泛應用于生產其他有價值的化工產品，如醇類化合物乙二醇、二甘醇、三乙醇；醚類化合物聚醚多元醇、乙二醇醚；酯類化合物醇醚磷酸。
其他應用
環氧乙烷可添加至潤滑油，在保持原有性質的同時，避免合成潤滑油被灰分污染；環氧乙烷可以與硝基甲烷混合作為火箭和噴氣式飛機的燃料；環氧乙烷可以在不影響煙草的香氣的前提下，減少其中尼古丁的含量。
衍生物應用
世界上生產的大部分環氧乙烷都用來生產乙二醇，其消費量巨大，被廣泛用于生產聚酯單體以制造纖維、薄膜和聚對苯二甲酸乙二醇酯。同時也被用于沒藥樹潤滑劑、fe5、油漆、膠黏劑、表面活性劑、炸藥等領域，同時也可用來配制防凍液或直接用作有機溶劑。
乙二醇醚分子中醚鍵和羥基，使其具有兩種基團的化學性能——既可溶解有機化合物小分子、大分子、合成的或天然的有機高分子化合物物質又可不同程度地與水或水溶性化合物互溶。因此被廣泛用作溶劑、防冰劑、制動液、清洗劑、化學中間體等。
乙醇胺是重要的石油化工原料，具有廣泛的用途。絕大部分乙醇胺的工業生產是通過環氧乙烷（EO）與氨反應，以水為催化劑，合成并分離出3種產品——一乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和三乙醇胺（TEA）。
乙醇胺產品主要用途是生產表面活性劑、除草劑、木材防腐劑、金屬加工液、柔軟劑和印染助劑。乙醇胺還可用來合成樹脂、橡膠加工、紡織工業和金屬清洗加工等。
安全事宜
危險性
CHS分類：
H220：極易燃氣體[危險易燃氣體]
H301：吞咽有毒[危險急性毒性，口服]
H314：造成嚴重皮膚灼傷及眼損傷[危險皮膚腐蝕/刺激]
H318：造成嚴重眼損傷[危險嚴重眼損傷/眼睛刺激]
H331：吸入有毒[危險急性毒性，吸入]
H335：可能引起呼吸道刺激[警告特定靶器官毒性，單次暴露；呼吸道刺激]
H336：可能引起嗜睡或頭暈[警告特定靶器官毒性，單次暴露；麻醉作用]
H340：可能導致遺傳缺陷[危險配子致突變性]
H350：可能導致癌癥[危險致癌性]
H360Fd：可能損害生育能力；懷疑對未出生的孩子造成傷害[危險生殖毒性]
H372：長期或反復接觸對器官造成損害[危險特異性靶器官毒性，反復暴露]
毒性
環氧乙烷是一種在體內和體外系統中均能表達基因毒性的反應性環氧化物，與環氧乙烷的消毒機理類似，環氧乙烷的毒性主要與羧基、氨基或巰基等親核基團的烷基化反應有關。
環氧乙烷在嚙齒動物中表現出了致癌活性，在大鼠和小鼠的毒性實驗中發現環氧乙烷可以引發腦膠質瘤、肺腺瘤、急性單核細胞白血病、淋巴瘤和腹膜間皮瘤。
因水溶性偶氮引發劑環氧乙烷直接造成人類癌癥的案例，環氧乙烷導致人類癌癥的可能性尚未明確。但發現環氧乙烷與人類和實驗動物的淋巴和造血系統的惡性腫瘤有關。同時，在環氧乙烷環境下工作的人群中發現，環氧乙烷會誘導血紅蛋白加合物頻率的劑量相關增加等方面說明環氧乙烷是致癌物質。
健康危害
若吸入環氧乙烷，會引發急性中毒，患者會在幾分鐘內出現頭痛、惡心和嘔吐等癥狀。嚴重者會出現局部刺激導致呼吸困難，甚至造成肺水腫，心肌損傷，最后昏迷。反復吸入環氧乙烷會導致運動多性神經病變，同時造成嚴重的記憶損傷。
若皮膚接觸液態環氧乙烷，皮膚會受到刺激并出現紅腫等現象。液態環氧乙烷對消化道有腐蝕性，可對消化道黏膜造成嚴重的刺激和燒傷。同時，皮膚可以吸收接觸的環氧乙烷，相應的癥狀與吸入環氧乙烷后的癥狀類似。 長期暴露：長期接觸環氧乙烷可能會導致慢性呼吸系統疾病，包括慢性支氣管炎、肺部纖維化等，并且可能增加慢性阻塞性肺疾病（COPD）的風險。環氧乙烷通過與呼吸道的上皮細胞反應，影響氣道的正常功能。
急救措施
若患者吸入環氧乙烷，需將受害者轉移到新鮮空氣處，同時急救人員應避免自行接觸環氧乙烷；如果患者眼睛暴露接觸環氧乙烷，必須立即用溫水沖洗眼睛至少15分鐘；如果液體濺到皮膚上，請讓環氧乙烷蒸發，然后再用肥皂和水徹底清洗。
與此同時，應急人員應穿著與污染類型和程度相適應的防護服。必要時，還應佩戴空氣凈化或供氣呼吸設備。救援車輛應攜帶塑料布和一次性塑料袋等用品，以幫助防止污染物擴散。
儲存運輸
環氧乙烷可以用油罐車和集裝箱貯存，通過鐵路、公路和海上三種途徑進行運輸。環氧乙烷是易燃易爆、有中等毒性的危險化學品，空氣中濃度超過3%時，遇到明火可能引起爆炸，不宜長途運輸。
消防相關
環氧乙烷在遇到熱源或明火時有嚴重的爆炸危險。且環氧乙烷在受熱時會產生刺激性蒸氣，由于其蒸氣密度比空氣大，會使蒸氣傳播較遠的距離接觸火源和閃回；同時，環氧乙烷蒸氣會與很大的范圍內的空氣形成爆炸性混合物。
環氧乙烷液體不存在爆炸危險，但其蒸氣極有可能發生爆炸。運送環氧乙烷液體時需要避免使用含有銅、銀、汞或鎂的金屬配件和接觸氨、氧化劑和酸，有機堿等物質，避免引發爆炸。
如果運輸環氧乙烷的油罐車或卡車發生火災，請與火災現場保持一定的安全距離，同時疏散并封鎖現場。救助人員需要佩戴呼吸器和全套防護服進行救援。
參考資料 >