環氧乙烷

環氧乙烷（Ethylene oxide）(VI)
台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

工業合成（Industrial synthesis）
有關環氧乙烷的商業製造方式要迴溯到1914年BASF公司建立第一座環氧乙烷的生產工廠，他們當時使用氯醇的製程法。但此製程是不具吸引力的，因為它效率低且又使有利用價值的氯氣轉變成氯化鈣，不符合經濟效益。到了1931年由Lefort發明了較有效率的直接用空氣氧化乙烯的方法，並到了1937年由Union Carbide公司率先使用此製程。而到了1958年Shell Oil 公司改良此製程，他們以氧氣來取代空氣並將反應溫度調高到200~300℃、壓力1~3Mpa，這種製程方式到了1975年以後就完全取代舊式的製程。

氯醇法製造環氧乙烷（Chlorohydrin process of production of ethylene oxide）
雖然氯醇法的製程已完全被直接氧化乙烯的方法所取代，但這個方法中所蘊含的知識在教育上有很重要的意義，而且我們仍然使用此方法來製造環氧丙烷。其流程有三個主要步驟：

• 合成乙烯氯醇
• 乙烯氯醇脫去氯化氫形成環氧乙烷
•  純化環氧乙烷，這些步驟是連續性的進行著。在第一個製程管線中進行乙烯的次氯化反應（hypochlorination），其反應步驟如下：
  Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl
  CH₂=CH₂ + HOCl → OH–CH₂CH₂–Cl
  CH₂=CH₂ + Cl₂ → Cl–CH₂CH₂–Cl

環氧乙烷（Ethylene oxide）(V)
台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

熱分解（Thermal decomposition）
環氧乙烷在無催化劑的情況下是相當安定的，加熱的溫度不超過300℃時不會分解，溫度高於570℃時主要是進行自由基反應機構的放熱分解反應。分解的第一階段為異構化，然而高溫使自由基的流程加快。產生許多混合的氣體產物如：乙醛、乙烷、乙基、甲烷、氫、二氧化碳、乙烯酮（ketene）和甲醛等。在惰性氣體下進行高壓高溫（830~1200℃）熱裂解會產生更複雜的產物，但仍含有乙炔及丙烷。與異構化不同其起始的反應如下：
(CH₂CH₂)O → •CH₂CH₂O• → CH₂O + CH₂:₂CH₂)O + (NH₂)₂C=S → (CH₂CH₂)S + (NH₂)₂C=O

當環氧乙烷的熱分解反應在有過渡金屬的催化條件下，不僅反應溫度可以降低也可得到以乙基為主的產物。

其他反應
硫氰離子（Thiocyanate）或硫脲（thiourea）可將環氧乙烷轉變成環硫乙烯（thiiranes）(ethylene sulfides)：
(CH

環氧乙烷（Ethylene oxide）(IV)
台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

亞硝酸與硝酸的加成反應（Addition of nitrous and nitric acids）
亞硝酸鋇、亞硝酸鈣、亞硝酸鎂、亞硝酸鋅與亞硝酸鈉等物質的水溶液可與環氧乙烷作用形成2-硝基乙醇（2-nitroethanol）：
2 (CH₂CH₂)O + Ca(NO₂)₂ + 2 H₂O → 2 HO–CH₂CH₂–NO₂ + Ca(OH)₂而硝酸與環氧乙烷反應則產生單與雙硝基乙二醇（mono- and dinitroglycols）：

芳香烴化合物的加成反應（Additions with aromatic compounds）
苯與與環氧乙烷反應會進行”夫里德耳-夸夫特”反應（Friedel-Crafts reaction）產生苯乙醇：

假如將反應的溫度調高到315~440℃，壓力為0.35~0.7MPa下，以矽酸鋁為催化劑則產生苯乙烯（Styrene）。

環氧乙烷（Ethylene oxide）(III)
台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

與羧酸及其衍生物反應
環氧乙烷在催化條件下與羧酸反應產生不完整（incomplete）的乙二醇酯，但若與酸酐作用則產生完整（complete）的乙二醇酯：
(CH₂CH₂)O + CH₃COOH → HO–CH₂CH₂–OCOCH₃

(CH₂CH₂)O + (CH₃CO)₂O → CH₃COO–CH₂CH₂–OCOCH₃

與乙醯胺反應其結果也類似：
(CH₂CH₂)O + CH₃CONH₂ → HO–CH₂CH₂–NHCOCH₃

環氧乙烷在140~180℃、0.3~0.5Mpa及惰性氣體的條件下，以鹼（可用氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉或碳酸鉀等）當催化劑（濃度0.01~2％）與高碳數的羧酸反應，此時羧酸離子可當親核試劑得到下列結果：
RCOOH + OH^– → RCOO– + H₂O
(CH₂CH₂)O + RCOO^– → RCOOCH₂CH₂O^–

RCOOCH₂CH₂O– + RCOOH → RCOOCH₂CH₂OH + RCOO^–

環氧乙烷（Ethylene oxide）(II)
台北市立永春高級中學一年級錢立珩/台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

分子結構與性質（Molecular structure and properties）
環氧乙烷的形狀幾乎為正三角形，鍵角大約為60°，與醇類及醚類相比，醇類的C–O–H鍵角為110°而醚類C–O–C 鍵角為 120°，環氧乙烷的60°鍵角顯然小很多，因此有明顯的鍵角張力其能量為105 kJ/mol（如下圖）。

環氧乙烷（Ethylene oxide）(I)
台北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師 / 國立臺灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

環氧乙烷是一種有機化合物，其化學式為C₂H₄O。它是一種環醚類，這意味著它是由二個烷基與一個氧原子相連接所構成的環狀分子。最簡單的環氧類為三員環分子它只含二個碳原子與一個氧原子其結構如下所示：

此分子為無色易燃及帶微微甜味的氣體。因為其特殊的分子結構，環氧乙烷容易進行加成反應而開環，因此容易聚合。此外環氧乙烷與乙醛為同分異構物。