Эпоксиды представляют собой трёхчленные циклические простые эфиры, содержащие атом кислорода, связанный с двумя атомами углерода в составе оксиранового цикла. Их общая формула соответствует C₂H₄O для простейшего представителя — оксирана (этиленоксида). Характерной особенностью молекулы эпоксидов является наличие сильно напряжённого трёхчленного цикла, что определяет высокую реакционную способность этих соединений.
По строению эпоксиды подразделяются на:
Эпоксиды — бесцветные летучие жидкости или низкоплавкие твёрдые вещества со своеобразным эфирным запахом. Простые представители (этиленоксид, пропиленоксид) хорошо растворяются в органических растворителях и ограниченно — в воде. Наличие полярной связи C–O и напряжённого цикла обуславливает более высокие температуры кипения по сравнению с непредельными углеводородами аналогичной молекулярной массы.
Этиленоксид характеризуется высокой летучестью и значительной токсичностью, что требует осторожного обращения. Замещённые эпоксиды обычно менее летучи и более стабильны.
Высокая реакционная способность эпоксидов объясняется напряжением трёхчленного цикла и полярностью связи C–O. Открытие цикла происходит легко под действием различных реагентов, что делает эпоксиды универсальными интермедиатами в органическом синтезе.
Основные типы реакций:
Гидролиз Под действием воды в присутствии кислот или щелочей эпоксиды превращаются в двухатомные спирты (гликоли). Например:
$$ CH₂–O–CH₂ \xrightarrow{H₂O, H⁺} HO–CH₂–CH₂–OH $$
Реакция с галогеноводородами Взаимодействие с HCl, HBr или HI приводит к образованию галогангидринов. При этом раскрытие цикла может происходить по правилу Марковникова в присутствии кислотных катализаторов.
Реакция с аммиаком и аминами Приводит к образованию β-аминоспиртов, которые являются ценными промежуточными продуктами в фармацевтической и полимерной промышленности.
Реакции с алкоголями Под действием спиртов в кислой или щелочной среде образуются алкоксиспирты, что используется для получения сложных эфиров и полиэфиров.
Полимеризация Эпоксиды способны к катионной или анионной полимеризации с образованием полимеров различного строения. Эпоксидные смолы находят широкое применение в производстве пластмасс, клеёв, покрытий, лаков.
Восстановление Под действием литийалюминийгидрида и других сильных восстановителей эпоксиды раскрываются с образованием спиртов.
Окисление алкенов
Наиболее распространённый метод — каталитическое окисление олефинов перкислотами (например, реакция Прилежаева):
RCH = CHR′ + R″CO₃H → RCH–O–CHR′ + R″CO₂H
Альтернативный вариант — использование кислорода в присутствии катализаторов на основе серебра (промышленное получение этиленоксида).
Внутримолекулярное замыкание галогенгидринов Обработка галогенгидринов щёлочами приводит к образованию эпоксидов:
$$ HO–CH₂–CH₂–Cl \xrightarrow{NaOH} CH₂–O–CH₂ $$
Реакции диазосоединений с алкенами В лабораторной практике применяется метод эпоксидирования через карбеноидные промежуточные частицы.
Эпоксиды обладают широким практическим значением. Этиленоксид служит исходным веществом для производства этиленгликоля, диоксанов, поверхностно-активных веществ, пластмасс, растворителей. Пропиленоксид используется для получения полипропиленгликоля, полиуретанов, а также в качестве стабилизатора и компонента синтетических масел.
Эпоксидные смолы, основанные на реакционной способности эпоксидов, применяются как конструкционные материалы, электроизоляционные покрытия, в композиционных материалах высокой прочности.
Фармакологическая ценность эпоксидов связана с их использованием при синтезе β-аминоспиртов, антибиотиков и ряда других биологически активных соединений.