環氧乙烷（Ethylene oxide）(VI)

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

為抑制乙烯轉變成二氯乙烷（上式中的第三個反應），乙烯的濃度需保持在4~6％，且溶液以蒸氣加熱至沸騰。接下來乙烯氯醇溶液進入第二個製程管線中在100℃下與30％氫氧化鈣溶液反應。
2OH–CH₂CH₂–Cl + Ca(OH)₂ → 2 (CH₂CH₂)O + CaCl₂ + H₂O

環氧乙烷產生後再以精餾（rectification）方式純化，其產率約有80％。

直接氧化乙烯法（Direct oxidation of ethylene）
直接氧化乙烯法的反應方程式如下：

然而在實際反應中我們發現有相當量的二氧化碳與水生成，這是乙烯或環氧乙烷完全氧化後的產物：
CH₂=CH₂ + 3 O₂ → 2 CO₂ + 2 H₂O
2 (CH₂CH₂)O + 5 O₂ → 4 CO₂ + 4 H₂O

因此後來P. A. Kilty 與 W. M. H. Sachtler二位化學家提出非勻相催化的反應機構如下所示：
O₂ + 4 Ag(adj) → 4 Ag + 2 O₂–(ads)
O₂ + Ag → Ag⁺ + O₂^–
O₂^–(ads) + CH₂=CH₂ → (CH₂CH₂)O + O(ads)
6 O (ads) + CH₂=CH₂ → 2 CO₂ + 2 H₂O

式中(ads) 表粒子吸附於催化劑表面，(ads)表銀粒子直接與氧原子緊鄰
因此全反應可表示成：
7 CH₂=CH₂ + 6 O₂ → 6 (CH₂CH₂)O + 2 CO₂ + 2 H₂O

環氧乙烷的檢驗（Identification of ethylene oxide）
環氧乙烷最簡單的定性方式，是使其通過金屬鹽類水溶液會產生不溶性的金屬氫氧化物沉澱。
2 (CH₂CH₂)O + MnCl₂ + 2 H₂O → 2 HO–CH₂CH₂–Cl + Mn(OH)₂↓

類似的方式也可將環氧乙烷與鈉、鉀的氯化物或碘化物等鹽類水溶液反應，並以酚酞當指示劑會有深粉紅色的變化產生。
(CH₂CH₂)O + NaCl + H₂O → HO–CH₂CH₂–Cl + NaOH

檢驗環氧乙烷的物理方式為氣相層析法（gas chromatography）。

參考資料:
1.Ethylene_oxide。檢索日期 2011.6.5，http://en.wikipedia.org/wiki/Ethylene_oxide
2.楊思廉（1991），工業化學概論，五洲出版社，p.264~266。