stringtranslate.com

Этоксилирование

В органической химии этоксилирование представляет собой химическую реакцию , в которой оксид этилена ( C 2 H 4 O ) присоединяется к субстрату . Это наиболее широко практикуемое алкоксилирование , которое включает добавление эпоксидов к субстратам.

При обычном применении спирты и фенолы превращаются в R(OC 2 H 4 ) n OH , где n находится в диапазоне от 1 до 10. Такие соединения называются этоксилатами спиртов. Этоксилаты спиртов часто превращаются в родственные виды, называемые этоксисульфатами. Этоксилаты и этоксисульфаты спирта представляют собой поверхностно-активные вещества , широко используемые в косметических и других коммерческих продуктах. [1] Этот процесс имеет большое промышленное значение: в 1994 году во всем мире было произведено более 2 000 000 метрических тонн различных этоксилатов. [2]

Производство

Этот процесс был разработан в лабораториях IG Farben в Людвигсхафене Конрадом Шёллером и Максом Виттвером  [ де ] в 1930-х годах. [3] [4]

Этоксилаты спирта

Промышленное этоксилирование в основном проводят на спиртах. Низшие спирты реагируют с образованием эфиров гликоля , которые обычно используются в качестве растворителей, тогда как более длинные жирные спирты превращаются в этоксилаты жирных спиртов (FAE), которые являются распространенной формой неионогенных поверхностно-активных веществ . Реакция обычно протекает путем продувания оксида этилена через спирт при температуре 180 °C и давлении 1–2 бара , при этом катализатором служит гидроксид калия (КОН) . [5] Процесс является сильно экзотермическим ( Δ H  = -92 кДж/моль прореагировавшего оксида этилена) и требует тщательного контроля, чтобы избежать потенциально катастрофического термического выхода из-под контроля . [5]

Исходными материалами обычно являются первичные спирты , поскольку они имеют тенденцию реагировать в 10–30 раз быстрее, чем вторичные спирты. [6] Обычно к каждому спирту добавляют 5-10 единиц этиленоксида, [7] однако этоксилированные спирты могут быть более склонны к этоксилированию, чем исходный спирт, что затрудняет контроль реакции и приводит к образованию продукта с различной повторить единичную длину (значение n в приведенном выше уравнении). Лучший контроль можно обеспечить за счет использования более сложных катализаторов [8] , которые можно использовать для получения этоксилатов узкого диапазона . Агентство по охране окружающей среды США считает этоксилированные спирты химикатами , производящимися в больших объемах (HPV). [9]

Этоксилирование/пропоксилирование

Этоксилирование иногда сочетают с пропоксилированием, аналогичной реакцией с использованием оксида пропилена в качестве мономера. Обе реакции обычно проводятся в одном и том же реакторе и могут проводиться одновременно для получения статистического полимера или поочередно для получения блок-сополимеров , таких как полоксамеры . [5] Оксид пропилена более гидрофобен, чем оксид этилена, и его включение в низких концентрациях может существенно повлиять на свойства поверхностно-активного вещества. В частности, этоксилированные жирные спирты, которые были «закрыты» ~1 единицей пропиленоксида, широко продаются как пеногасители .

Этоксисульфаты

Этоксилированные жирные спирты часто превращаются в соответствующие органосульфаты , которые легко депротонируются с образованием анионных поверхностно-активных веществ , таких как лауретсульфат натрия . Будучи солями, этоксисульфаты обладают хорошей растворимостью в воде (высокое значение ГЛБ ). Превращение достигается обработкой этоксилированных спиртов триоксидом серы. [10] Синтез в лабораторном масштабе может быть осуществлен с использованием хлорсерной кислоты :

Полученные сложные эфиры сульфата нейтрализуют с получением соли:

[11] [ нужна страница ]

В 2008 году в Северной Америке было потреблено 381 000 метрических тонн этоксисульфатов спирта. [12]

Другие материалы

Хотя спирты, безусловно, являются основным субстратом этоксилирования, многие нуклеофилы реагируют с оксидом этилена. Первичные амины реагируют с образованием двухцепочечных материалов, таких как полиэтоксилированный талловый амин . Реакция аммиака приводит к образованию важных химических веществ, таких как этаноламин , диэтаноламин и триэтаноламин.

Применение этоксилированных продуктов

Этоксилаты спирта (AE) и этоксисульфаты спирта (AES) представляют собой поверхностно-активные вещества , содержащиеся в таких продуктах, как стиральные порошки, средства для очистки поверхностей, косметика, сельскохозяйственная продукция, текстиль и краски. [13] [ нужен неосновной источник ]

Этоксилаты спирта

Поскольку поверхностно-активные вещества на основе этоксилата спирта неионогенны, им обычно требуются более длинные этоксилатные цепи, чем их сульфонированным аналогам, чтобы быть водорастворимыми. [14] Примеры, синтезированные в промышленном масштабе, включают этоксилат октилфенола , полисорбат 80 и полоксамеры . Этоксилирование обычно практикуется, хотя и в гораздо меньших масштабах, в биотехнологической и фармацевтической промышленности для увеличения растворимости в воде и, в случае фармацевтических препаратов, периода полураспада неполярных органических соединений в крови. В данной заявке этоксилирование известно как « ПЭГилирование » (полиэтиленоксид является синонимом полиэтиленгликоля, сокращенно ПЭГ). Длина углеродной цепи составляет 8-18, тогда как длина этоксилированной цепи в домашних продуктах обычно составляет от 3 до 12 оксидов этилена. [15] [ нужна страница ] Они имеют как липофильные хвосты, обозначаемые аббревиатурой алкильной группы R, так и относительно полярные головные группы, представленные формулой R(OC 2 H 4 ) n OH .

Этоксисульфаты спиртов

AES, обнаруженные в потребительских товарах, обычно представляют собой линейные спирты, которые могут представлять собой смеси полностью линейных алкильных цепей или как линейных, так и моноразветвленных алкильных цепей. [16] [ нужна страница ] Ярким примером этого является лауретсульфат натрия, пенообразователь в шампунях и жидком мыле, а также в промышленных моющих средствах . [ нужна цитата ]

Экология и безопасность

Этоксилаты спиртов (АЭ)

Здоровье человека

Этоксилаты спирта не являются мутагенными , канцерогенными или сенсибилизирующими кожу , а также не оказывают воздействия на репродуктивную функцию или развитие. [17] Одним из побочных продуктов этоксилирования является 1,4-диоксан , возможный канцероген для человека. [18] Неразбавленные АЕ могут вызвать раздражение кожи или глаз. В водном растворе уровень раздражения зависит от концентрации. Считается, что НЯ имеют низкую или умеренную токсичность при остром пероральном воздействии, низкую острую дермальную токсичность и обладают легким потенциалом раздражения кожи и глаз в концентрациях, обнаруженных в потребительских товарах. [15] Недавние исследования показали, что высушенные остатки АЭ, аналогичные тем, которые можно найти на ресторанных блюдах (эффективные концентрации от 1:10 000 до 1:40 000), убивают эпителиальные клетки кишечника при высоких концентрациях. Более низкие концентрации делали клетки более проницаемыми и склонными к воспалительной реакции [2].

Водные и экологические аспекты

АЭ обычно выбрасываются в канализацию, где они могут адсорбироваться в твердые частицы и подвергаться биологическому разложению посредством анаэробных процессов, при этом ~28–58% разлагаются в канализации. [19] [ необходим неосновной источник ] Остальные АЕ очищаются на очистных сооружениях и подвергаются биоразложению посредством аэробных процессов, при этом менее 0,8% АЭ выбрасываются в сточные воды. [19] При попадании в поверхностные воды, отложения или почву АЕ будут разлагаться в результате аэробных и анаэробных процессов или поглощаться растениями и животными.

Токсичность для некоторых беспозвоночных имеет диапазон значений EC50 для линейного АЭ от 0,1 мг/л до более 100 мг/л. Для разветвленных экзоксилатов спиртов токсичность колеблется от 0,5 до 50 мг/л. [15] Токсичность EC50 для водорослей от линейных и разветвленных АЭ составляла от 0,05 до 50 мг/л. Острая токсичность для рыб колеблется в пределах значений ЛК50 для линейного АЭ от 0,4 мг/л до 100 мг/л и для разветвленного - от 0,25 мг/л до 40 мг/л. Считается, что для беспозвоночных, водорослей и рыб по существу линейные и разветвленные АЭ не обладают большей токсичностью, чем линейные АЭ. [15]

Этоксисульфаты спиртов (AES)

Биодеградация

Деградация АЭС протекает путем ω- или β-окисления алкильной цепи, ферментативного гидролиза сульфатного эфира и разрыва эфирной связи в АЭС с образованием спирта или этоксилата спирта и сульфата этиленгликоля. Исследования аэробных процессов также показали, что AES легко биоразлагается. [11] Период полураспада как АЭ, так и АЕС в поверхностных водах оценивается менее чем в 12 часов. [20] [ необходим неосновной источник ] Удаление AES вследствие разложения посредством анаэробных процессов оценивается в пределах от 75 до 87%.

В воде

Проточные лабораторные тесты в терминальном пуле AES с моллюсками показали, что NOEC улитки Goniobasis и азиатского моллюска Corbicula превышает 730 мкг/л. Было установлено, что на рост корбикулы влияет концентрация 75 мкг/л. [21] [ необходим неосновной источник ] Подёнка рода Tricorythodes имеет нормализованное значение плотности NOEC 190 мкг/л. [22] [ нужен неосновной источник ]

Безопасность человека

AES не оказался генотоксичным, мутагенным или канцерогенным. [16] Исследование 2022 года показало, что экспрессия генов, участвующих в выживании клеток, эпителиальном барьере, передаче сигналов цитокинов и метаболизме, изменяется при использовании ополаскивателя в концентрациях, используемых в профессиональных посудомоечных машинах. Этоксилаты спирта, присутствующие в ополаскивателе, были идентифицированы как виновный компонент, вызывающий воспаление эпителия и повреждение барьера. [23]

Рекомендации

  1. ^ Смолдерс, Э.; фон Рыбинский, В.; Сун, Э.; Рэзе, В.; Стебер, Дж.; Вибель, Ф.; Нордског, А. (2011). «Средства для стирки, 1. Введение». В Элверсе, Барбара; и другие. (ред.). Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a08_315.pub3. ISBN 978-3527306732.
  2. ^ Арно Кан (30 января 1994 г.). Материалы 3-й Всемирной конференции по моющим средствам: глобальные перспективы. Американское общество нефтехимиков. п. 141. ИСБН 978-0-935315-52-3.
  3. ^ Елинек, Чарльз Ф.; Мэйхью, Раймонд Л. (сентябрь 1954 г.). «Неионогенные моющие средства». Промышленная и инженерная химия . 46 (9): 1930–1934. дои : 10.1021/ie50537a045.
  4. ^ Патент США 1970578 A, Schoeller, Conrad & Wittwer, Max, «Помощники в текстильной и смежных отраслях», выдан 21 августа 1934 г., передан IG Farbenindustrie AG. 
  5. ^ abc Ди Серио, Мартино; Тессер, Риккардо; Сантачесария, Элио (декабрь 2005 г.). «Сравнение различных типов реакторов, используемых при производстве этоксилированных и пропоксилированных продуктов». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 44 (25): 9482–9489. дои : 10.1021/ie0502234.
  6. ^ Ди Серио, М.; Вайро, Г.; Йенго, П.; Фелиппоне, Ф.; Сантачесария, Э. (январь 1996 г.). «Кинетика этоксилирования и пропоксилирования 1- и 2-октанола, катализируемого КОН». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 35 (11): 3848–3853. дои : 10.1021/ie960200c.
  7. ^ Коссвиг, Курт (2002). «Поверхностно-активные вещества». В Элверсе, Барбара; и другие. (ред.). Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a25_747. ISBN 978-3527306732.
  8. ^ Кокс, Майкл Ф. (сентябрь 1990 г.). «Влияние «пика» распределения этиленоксида на характеристики этоксилатов спиртов и сульфатов эфиров». Журнал Американского общества нефтехимиков . 67 (9): 599–604. дои : 10.1007/BF02540775. S2CID  85521585.
  9. ^ Агентство по охране окружающей среды США (июль 2006 г.). «Программа поддержки высоких объемов производства (ВПЧ)». Архивировано из оригинала 17 ноября 2011 г.
  10. ^ Робертс, Дэвид В. (май 1998 г.). «Технология сульфирования для производства анионных ПАВ». Исследования и разработки органических процессов . 2 (3): 194–202. дои : 10.1021/op9700439.
  11. ^ аб Анон. [Команда веществ HERA] (15 июня 2004 г.). Этоксисульфаты спирта (AES). Оценка экологического риска (PDF) . Брюссель, Бельгия: Проект оценки человеческих и экологических рисков (HERA). Проект HERA (Оценка рисков для человека и окружающей среды) — это европейская добровольная инициатива, запущенная в 1999 году следующими организациями: AISE, представляющая разработчиков и производителей чистящих средств для дома и ухода. Cefic представляет поставщиков и производителей сырья.[ нужна страница ] Этот 36-страничный отчет представляет собой документ HERA об этом ингредиенте европейских бытовых чистящих средств.
  12. ^ Сандерсон, Ганс; Ван Компернолл, Реми; Дайер, Скотт Д.; Прайс, Брэдфорд Б.; Нильсен, Аллен М.; Селби, Мартин; Феррер, Дарси; Стэнтон, Кэтлин (2013). «Обнаружение и проверка рисков поверхностно-активных веществ этоксилата спирта в трех отложениях рек США, связанных с очистными сооружениями». Наука об общей окружающей среде . 463–464: 600–610. Бибкод : 2013ScTEn.463..600S. doi : 10.1016/j.scitotenv.2013.05.047 . ПМИД  23835070.
  13. ^ Федерле, Томас В.; Нина Р. Итрич (2004). «Влияние этоксилатного числа и длины алкильной цепи на путь и кинетику линейного биоразложения этоксилата спирта в активном иле». Экологическая токсикология и химия . 23 (12): 2790–2798. дои : 10.1897/04-053.1. PMID  15648751. S2CID  37587650.
  14. ^ Варадарадж, Рамеш; Бок, Ян; Бронс, Нил; Зушма, Стив (1994). «Влияние структуры ПАВ на модификацию смачиваемости гидрофобных зернистых поверхностей». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 167 (1): 207–210. Бибкод : 1994JCIS..167..207V. doi : 10.1006/jcis.1994.1350. ISSN  0021-9797.
  15. ^ abcd Анон. [Команда веществ HERA] (1 сентября 2009 г.). Этоксилаты спиртов, версия 2.0 (PDF) . Брюссель, Бельгия: Проект оценки человеческих и экологических рисков (HERA).[ нужная страница ] См. предыдущую ссылку HERA для объяснения издательской организации. Эта 244-страничная книга представляет собой новейший документ HERA по ингредиентам европейских бытовых чистящих средств.
  16. ^ аб Анон. [Команда веществ HERA] (2 декабря 2003 г.). Оценка риска для здоровья человека этоксисульфатов спирта, проект (PDF) . Брюссель, Бельгия: Проект оценки человеческих и экологических рисков (HERA) . Проверено 14 марта 2016 г.[ нужная страница ] См. предыдущую ссылку HERA для объяснения издательской организации. Этот 57-страничный отчет представляет собой последний документ HERA об этом ингредиенте европейских бытовых чистящих средств. Обратите внимание, что на веб-сайте HERA, [1], дата доступа, указанная выше, указана в декабре; на документе стоит дата январь 2003 года.
  17. ^ Фруйтье-Пёллот, Клаудия (2005). «Оценка безопасности полиэтиленгликолей (ПЭГ) и их производных, используемых в косметической продукции». Токсикология . 214 (1–2): 1–38. doi :10.1016/j.tox.2005.06.001. ISSN  0300-483X. ПМИД  16011869.
  18. ^ Стикни, Джули А; Сагер, Шон Л; Кларксон, Жаклин Р.; Смит, Ли Энн; Лоси, Бетти Дж; Бок, Майкл Дж; Хартунг, Рольф; Олп, Стивен Ф (2003). «Обновленная оценка канцерогенного потенциала 1,4-диоксана». Нормативная токсикология и фармакология . 38 (2): 183–195. дои : 10.1016/S0273-2300(03)00090-4. ISSN  0273-2300. ПМИД  14550759.
  19. ^ аб Пратс, Дэниел; Кармен Лопес; Диана Вальехо; Педро Варо; Виктор М. Леон (2006). «Влияние температуры на биоразложение линейного алкилбензолсульфоната и этоксилата спирта». Журнал поверхностно-активных веществ и моющих средств . 9 (1): 69–75. дои : 10.1007/s11743-006-0377-8. S2CID  94398901.
  20. ^ Гукерт, Дж.Б.; Уокер, Д.Д.; Беланджер, SE (1996). «Химия окружающей среды для исследования экзотоксикологии поверхностно-активных веществ подтверждает быструю деградацию алкилсульфата C12 в мезокосме с непрерывным потоком». Окружающая среда. хим. Токсикол . 15 (3): 262–269. дои : 10.1002/etc.5620150306.
  21. ^ Беланджер, SE; КЛ Рупе; Р.Г. Бауш (1995). «Реакция беспозвоночных и рыб на анионные поверхностно-активные вещества алкилсульфат и алкил этоксилатсульфат при хроническом воздействии». Загрязнение окружающей среды и токсикология . 55 (5): 751–758. дои : 10.1007/BF00203763. PMID  8563210. S2CID  27669051.
  22. ^ ван де Пласше, Эрик Дж.; де Брёйн, Джек Х.М.; Стивенсон, Ричард Р.; Маршалл, Стюарт Дж.; Фейтель, Том CJ; Белэнджер, Скотт Э. (1999). «Прогнозируемые концентрации, не оказывающие воздействия, и характеристика риска четырех поверхностно-активных веществ: линейного алкилбензолсульфоната, этоксилатов спирта, этоксилированных сульфатов спирта и мыла». Экологическая токсикология и химия . 18 (11): 2653–2663. дои : 10.1002/etc.5620181135. ISSN  0730-7268. S2CID  34750467.
  23. ^ Огулур, Исмаил; Пэт, Ягыз; Айдын, Укротитель; Язычи, Дуйгу; Рюкерт, Беате; Пэн, Яки; Ким, Юнона; Радзиковска, Уршула; Вестерманн, Патрик (01 декабря 2022 г.). «Повреждение эпителиального барьера кишечника, вызванное моющими средствами и ополаскивателями для посудомоечных машин». Журнал аллергии и клинической иммунологии . 151 (2): 469–484. дои : 10.1016/j.jaci.2022.10.020 . PMID  36464527. S2CID  254244862.