Окиси олефинов, или эпоксиды, представляют собой трёхчленные циклические эфиры, образующиеся при присоединении атома кислорода к двойной связи олефина. Наиболее распространённым представителем этого класса является этиленоксид (эпоксиэтан), а также пропиленоксид и бутиленоксид. Эпоксидное кольцо обладает значительным напряжением, что обуславливает высокую реакционную способность этих соединений и их широкое применение в органическом синтезе и промышленности.
Основным сырьём для производства окисей олефинов служат олефины, получаемые из углеводородов нефтяного происхождения — главным образом этилен и пропилен.
Наиболее распространённый метод промышленного синтеза — прямое окисление олефинов. Процесс осуществляется при повышенных температурах (200–300 °C) и давлениях (1–3 МПа) в присутствии серебряных катализаторов, нанесённых на носители (оксид алюминия, диоксид кремния).
Пример реакции для этилена: [ _2 = _2 + _2 _2_2]
Процесс высокоэкзотермичен и требует строгого контроля температуры, так как побочные реакции могут приводить к образованию диоксида углерода и воды. Для предотвращения термического разложения применяются ингибиторы радикальных реакций и специальные системы охлаждения.
Исторически одним из первых способов получения эпоксидов был хлоргидриновый процесс, основанный на взаимодействии олефина с хлором и водой с последующим обезвоживанием хлоргидрина щелочью:
[ _2 = _2 + _2 + _2 _2_2] [ _2_2 + _2_2 + + _2]
Этот метод в настоящее время применяется ограниченно из-за экологических проблем, связанных с использованием и утилизацией хлорсодержащих соединений. Однако он остаётся важным для получения некоторых специализированных эпоксидов.
Современные технологии используют органические гидропероксиды или перкислоты для мягкого эпоксидирования. Примером служит реакция пропилена с изопропилгидропероксидом:
[ _3 = _2 + _3_3 _3_2 + _3_3]
Этот процесс широко используется для получения пропиленоксида, а сопутствующий продукт ацетон находит самостоятельное применение в химической промышленности.
Эпоксиды характеризуются высокой реакционной способностью, обусловленной напряжением трёхчленного цикла. Они легко вступают в реакции раскрытия кольца под действием кислот, оснований, нуклеофильных реагентов и восстановителей.
Основные реакции:
Эти реакции широко используются для синтеза промежуточных и конечных продуктов нефтехимии.
Этиленоксид — важнейший промышленный представитель эпоксидов. Он представляет собой бесцветный газ с характерным запахом, хорошо растворимый в воде и органических растворителях. Основное промышленное значение этиленоксида заключается в его способности к гидратации:
[ _2_2 + _2 _2_2]
Полученный этиленгликоль используется как антифриз, растворитель, сырьё для полиэфирных волокон (лавсан, полиэтилентерефталат). Кроме того, этиленоксид применяют для получения поверхностно-активных веществ, этаноламинов, полиуретанов и моющих средств.
Пропиленоксид получают аналогичными методами и используют как ключевой промежуточный продукт. Основное направление переработки — получение пропиленгликоля, полиэфирных полиолов и эпоксидных смол. Полиолы, образующиеся при взаимодействии пропиленоксида с многоатомными спиртами, служат основой для производства полиуретановых пен, применяемых в теплоизоляции, мебели, строительстве и транспорте.
Кроме того, пропиленоксид служит сырьём для получения диоловых эфиров, применяемых как пластификаторы и компоненты синтетических масел.
Окиси олефинов — важные промежуточные продукты петрохимического синтеза. Их применение охватывает несколько направлений:
Производство и использование окисей олефинов требует строгого соблюдения мер безопасности. Этиленоксид и пропиленоксид являются взрывоопасными и токсичными веществами, а также потенциальными канцерогенами. В технологических процессах применяются герметичные реакционные системы, автоматизированное управление и рекуперация паров.
Современные тенденции направлены на экологизацию синтеза — разработку катализаторов для мягкого окисления олефинов кислородом без образования побочных соединений и без использования хлора. Перспективным направлением является каталитическое эпоксидирование в присутствии перекисей водорода, отличающееся высокой селективностью и экологической чистотой.
Окиси олефинов занимают центральное место в цепочке превращений углеводородного сырья. Они связывают первичные продукты нефтепереработки (этилен, пропилен) с синтетическими материалами — полиэфирами, полиуретанами, смолами и ПАВ. Развитие технологий их получения и применения является важнейшим направлением современной петрохимии, определяющим эффективность и экологичность химической промышленности в целом.