1,2-αιθανοδιόλη

1,2-αιθανοδιόλη
Γενικά
Όνομα IUPAC	1,2-αιθανοδιόλη
Άλλες ονομασίες	Αιθυλενογλυκόλη
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	C2H6O2
Μοριακή μάζα	62,07 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	HOCH2CH2OH
Συντομογραφίες	EG
Αριθμός CAS	107-21-1
SMILES	C(CO)O
InChI	1S/C2H6O2/c3-1-2-4/h3-4H,1-2H2
Δομή
Ισομέρεια
Ισομερή θέσης	4
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−12,9 °C
Σημείο βρασμού	197,3 °C
Πυκνότητα	1.113,2 kg/m3
Διαλυτότητα στο νερό	Αναμείξιμη
Διαλυτότητα σε άλλους διαλύτες	Διαλυτή στους περισσότερους οργανικούς διαλύτες
Ιξώδες	1,61·10−2 N·s/m
Εμφάνιση	Άχρωμο υγρό
Χημικές ιδιότητες
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	111 °C
Σημείο αυτανάφλεξης	410 °C
Επικινδυνότητα
Βλαβερή (Xn)
Φράσεις κινδύνου	R22 R36
Φράσεις ασφαλείας	S26 S36 S37 S39 S45 S53
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	1 2 1
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Η 1,2-αιθανοδιόλη ή αιθυλενογλυκόλη (EG: Ethylene Glycol) είναι η απλούστερη σταθερή αλκανοδιόλη, δηλαδή άκυκλη, κορεσμένη, δισθενής αλκοόλη. Είναι μια οργανική ένωση που χρησιμοποιήθηκε κυρίως ως πρώτη ύλη για την παραγωγή πολυεστερικών υφασμάτων από την υφαντουργία και πολυαιθυλενικών τερεφθαλικών ρητινών (PET), που χρησιμοποιήθηκαν από βιομηχανίες εμφυάλωσης. Ένα μικρό ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής της χρησιμοποιήθηκε για βιομηχανικές εφαρμογές όπως αντιψυκτικά και άλλα βιομηχανικά προϊόντα. Στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή θερμοκρασία 25 °C και πίεση 1 atm, είναι ένα άοσμο, άχρωμο, σιροπώδες υγρό, με γλυκιά γεύση. Η 1,2-αιθανοδιόλη είναι (σχετικά) αδύναμα τοξική, αλλά οι περιπτώσεις δηλητηρίασης από αυτήν δεν είναι ασυνήθιστες. Είναι ιδιαίτερα βλαβερή για τα κατοικίδια και για τα παιδιά . Αν καταπωθεί είναι απαραίτητη η άμεση ιατρική βοήθεια. Η 1,2-αιθανοδιόλη παρατηρήθηκε ότι υπάρχει και στο διάστημα.

Ιστορία

Παρόλο που σχεδόν όλες οι πηγές δηλώνουν ότι η 1,2-αιθανοδιόλη παρασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1859, από το Γάλλο χημικό Τσαρλς-Αντόλφ Βουρτζ (Charles-Adolphe Wurtz, 1817-1884), στην πραγματικότητα ο ίδιος πρωτοπαρασκεύασε την ένωση το 1856. Αρχικά χρησιμοποίησε 1,2-διιωδαιθάνιο, στο οποίο επέδρασε με αιθανικό άργυρο, παράγοντας 1,2-δι(μεθυλοκαρβοξυ)αιθάνιο και ιωδιούχο άργυρο. Στη συνέχεια υδρόλυσε με υδροξείδιο του καλίου το 1,2-δι(μεθυλοκαρβοξυ)αιθάνιο, παράγοντας 1,2-αιθανοδιόλη:

$\mathrm {ICH_{2}CH_{2}I+2CH_{3}COOAg{\xrightarrow {}}CH_{3}COOCH_{2}CH_{2}OOCCH_{3}+2AgI\downarrow }$
$\mathrm {CH_{3}COOCH_{2}CH_{2}OOCCH_{3}+2KOH{\xrightarrow {}}HOCH_{2}CH_{2}OH+2CH_{3}COOK}$

Ο Βουρτζ ονόμασε τη νέα (τότε) ένωση «γλυκόλη», γιατί θεώρησε ότι η ένωση είναι ενδιάμεση μεταξύ της αιθανόλης, που περιέχει ένα (1) υδροξύλιο ανά μόριο, και της γλυκερίνης, που περιέχει τρία (3). Το 1860, πάλι ο Βουρτζ παρασκεύασε 1,2-αιθανοδιόλη, αυτήν τη φορά με υδρόλυση οξιρανίου (βλέπετε παρακάτω την αντίδραση). Φαίνεται ότι δεν υπήρξε εμπορική παραγωγή ούτε εφαρμογή 1,2-αιθανοδιόλης πριν από τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, οπότε άρχισε να παράγεται στη Γερμανία από 1,2-διχλωραιθάνιο, ως υποκατάστατο της γλυκερίνης, από τη βιομηχανία εκρηκτικών. Στις ΗΠΑ, από το 1917 επίσης άρχισε μια ημιεμπορική παραγωγή της 1,2-διαιθανοδιόλης από 2-χλωραιθανόλη. Το πρώτο εργοστάσιο μεγάλης κλίμακας εμπορικής ποιότητας 1,2-διαιθανοδιόλης χτίστηκε το 1925 στο Νότιο Τσάρλεστον, της Δυτικής Βιρτζίνιας, από την Carbide and Carbon Chemicals Co. (τώρα Union Carbide Corp.). Μέχρι το 1929, η 1,2-αιθανοδιόλη χρησιμοποιόταν σχεδόν αποκλειστικά από τους παραγωγούς δυναμίτη. Το 1937, η Carbide εγκαινίασε το πρώτο εργοστάσιο που βασίζονταν στη διεργασία Λεφόρτ (Lefort's process), για τη μερική οξείδωση αιθένιου στην αέρια κατάσταση, παράγοντας οξιράνιο. Η Carbide είχε το μονοπώλιο της μεθόδου αυτής μέχρι το 1953, οπότε η διεργασία επιστημονικού σχεδιασμού την εμπορικοποίησε και πρόσφερε άδειες χρήσης και σε άλλες εταιρίες.

Παραγωγή

Από οξιράνιο

Η 1,2-αιθανοδιόλη παράγεται συνήθως έμμεσα από το αιθένιο, μέσω οξιρανίου. Το τελευταίο υδρολύεται παράγοντας 1,2-αιθανοδιόλη:

$\mathrm {+H_{2}O{\xrightarrow {}}HOCH_{2}CH_{2}OH}$

Αυτή η αντίδραση καταλύεται με οξέα ή με βάσεις, αλλά μπορεί να πραγματοποιηθεί και σε ουδέτερο pH, αλλά σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η μεγαλύτερη απόδοση σε 1,2-αιθανοδιόλη παίρνεται σε όξινο ή ουδέτερο pH με μεγάλη περίσσεια σε νερό. Σε τέτοιες συνθήκες η απόδοση της αντίδρασης μπορεί να φθάσεις ως και το 90%. Τα κυριότερα παραπροϊόντα της αντίδρασης είναι τα ολιγομερή της 1,2-αιθανοδιόλης, δηλαδή η διαιθυλενογλυκόλη (HOCH₂CH₂OCH₂CH₂OH), η τριαιθυλενογλυκόλη (HOCH₂CH₂(OCH₂CH₂)₂CH₂CH₂OH) και η τετραιθυλενογλυκόλη (HOCH₂CH₂(OCH₂CH₂)₃CH₂CH₂OH). Η παγκόσμια παραγωγή 1,2-αιθανοδιόλης ανέρχεται σε περίπου 6,7 εκατομμύρια τόννους.

Μια υψηλότερη εκλεκτικότητα έχει επιτευχθεί με τη χρήση της διεργασίας Ω της Shell. Σύμφωνα με τη διεργασία αυτή, το οξιράνιο επιδρά πρώτα με διοξείδιο του άνθρακα, σχηματίζοντας 1,3-διοξολαν-2-όνη, που υδρολύεται στη συνέχεια, σχηματίζοντας εκλεκτικά 1,2-αιθανοδιόλη και διοξείδιο του άνθρακα, που μπορεί να συλλεχθεί και να ξαναχρησιμοποιηθεί:

$\mathrm {+CO_{2}{\xrightarrow {Ni_{2}(Ph_{3}P)}}}$
$\mathrm {+H_{2}O{\xrightarrow {}}HOCH_{2}CH_{2}OH+CO_{2}}$

Το διοξείδιο του άνθρακα προέρχεται από την παραγωγή οξιρανίου, γιατί κατά την οξείδωση του αιθενίου, από την οποία παράγεται το οξιράνιο, ένα μέρος του αιθενίου υφίσταται πλήρη οξείδωση, παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Από αιθένιο

Η παραγωγή 1,2-αιθανοδιόλης είναι δυνατή και άμεσα από αιθένιο, με διυδροξυλίωση, που αντιστοιχεί με έμμεση προσθήκη υπεροξειδίου του υδρογόνου. Είναι πραγματοποιήσιμη με τις ακόλουθες μεθόδους:

1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου. Π.χ.:

$\mathrm {5CH_{2}=CH_{2}+4KMnO_{4}+2H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}5HOCH_{2}CH_{2}OH+4MnO+2K_{2}SO_{4}+2H_{2}O}$

2. Επίδραση καρβονικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου:

$\mathrm {CH_{2}=CH_{2}+H_{2}O_{2}{\xrightarrow {RCOOH}}HOCH_{2}CH_{2}OH}$

3. Μέθοδος Σάρπλες:

$\mathrm {CH_{2}=CH_{2}+OsO_{4}+2H_{2}O+2KOH{\xrightarrow {}}HOCH_{2}CH_{2}OH+K_{2}[OsO_{2}(OH)_{4}]}$

4. Μέθοδος Woodward:

$\mathrm {CH_{2}=CH_{2}+2RCOOAg+I_{2}{\xrightarrow {}}HOCH_{2}CH_{2}OH+2AgI+2RCOOH}$

Εφαρμογές

Η κύρια χρήση της 1,2-αιθανοδιόλης είναι ως πρώτη ύλη για την παραγωγή πολυεστερικών υφασμάτων από την υφαντουργία και οι πολυαιθυλενικές τερεφθαλικές ρητίνες (PET), που χρησιμοποιούνται από τις βιομηχανίες εμφυάλωσης. Ένα μικρό ποσοστό της παγκόσμιας παραγωγής της χρησιμοποιείται σε άλλες εφαρμογές, όπως αντιψυκτικά υγρά και άλλα προϊόντα.

Μέσο ψύξης και μεταφοράς θερμότητας

Η κύρια (άμεση) χρήση της 1,2-αιθανοδιόλης είναι ως ένα μέσο για τη μεταφορά θερμότητας, για παράδειγμα στα ψυκτικά υγρά αυτοκινήτων και υγρόψυκτων ηλεκτρονικών υπολογιστών. Χρησιμοποιείται ακόμη συχνά σε κλιματιστικά ψυχρού νερού που έχουν τοποθετημένο τον ψυκτικό μηχανισμό ή τους διαχειριστές αέρα σε εξωτερικούς χώρους, ή σε συστήματα που πρέπει να ψύχονται κάτω από το σημείο τήξης του νερού. Σε γεωθερμικά συστήματα θέρμανσης - ψύξης, η 1,2-αιθανοδιόλη είναι το υγρό που μεταφέρει τη θερμότητα μέσω της χρήσης μιας γεωθερμικής αντλίας θερμότητας. Η 1,2-αιθανοδιόλη απορροφά ενέργεια από τη γεωθερμική πηγή (λίμνη, ωκεανό ή πηγάδι) ή αντίθετα αποδίδει θερμότητα στην πηγή (ψύξης), ανάλογα αν το σύστημα χρησιμοποιείται για θέρμανση ή για ψύξη.

Η καθαρή 1,2-αιθανοδιόλη έχει ειδική θερμοχωρητικότητα περίπου τη μισή από αυτήν του νερού. Επομένως, ενώ προσφέρει προστασία από το πάγωμα και αυξημένο σημείο βρασμού, χαμηλώνει την ειδική θερμοχωρητικότητα σε σύγκριση με το καθαρό νερό. Ένα μίγμα 50% κατά μάζα έχει ειδική θερμοχωρητικότητα 3.140 J/Kg·K, δηλαδή τα 3/4 αυτής του καθαρού νερού, οπότε απαιτείται αυξημένη ροή του παραπάνω μίγματος, στο ίδιο σύστημα και για το ίδιο ψυκτικό αποτέλεσμα, σε σύγκριση με το καθαρό νερό. Επιπλέον, η αύξηση της θερμοκρασίας βρασμού, σε σύγκριση με το καθαρό νερό, αποκλείει πυρήνες βρασμού σε επιφάνειες μεταφοράς θερμότητας, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα μεταφοράς θερμότητος, σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως στα χιτώνια των κυλίνδρων. Γι' αυτό η καθαρή 1,2-αιθανοδιόλη δεν πρέπει να χρηαιμοποιείται ως ψυκτικό υγρό κινητήρων, στις περισσότερες περιπτώσεις.

Αντιψυκτικό

Η 1,2-αιθανοδιόλη διακόπτει τους δεσμούς υδρογονου όταν διαλύεται στο νερό. Η καθαρή 1,2-αιθανοδιόλη πήζει περίπου στους −12 °C, αλλά όταν αναμιγνύεται με το νερό, το μίγμα που προκύπτει δεν κρυσταλλώνεται γρήγορα, και γι' αυτό η θερμοκρασία τήξης τους μίγματος είναι ελαττωμένη. Ειδικά, ένα μίγμα με 60% 1,2-αιθανοδιόλη και 40% νερό παγώνει στους −45 °C. Η διαιθυλενογλυκόλη συμπεριφέρεται παρομοίως. Χρησιμοποιούνται και οι δυο (1,2-αιθανοδιόλη και διαιθυλενογλυκόλη, συνήθως σε μίγματα) ως αποπαγωτικό υγρό για ανεμοφράκτες (παρμπρίζ) αυτοκινήτων και αεροσκαφών. Οι αντιψυκτικές ιδιότητες της 1,2-αιθανοδιόλης την έχουν κάνει συστατικό σε αντικρυσταλλωτικά μίγματα σε χαμηλής θερμοκρασίας συντήρησης βιολογικών ιστών και οργάνων.

Σημεία πήξης μιγμάτων 1,2-αιθανοδιόλης - νερού

Κατά βάρος περιεκτικότητα 1,2-αιθανοδιόλης (%)	Σημείο πήξης (°C)
0	0
10	-4
20	-7
30	-15
40	-23
50	-34
60	-48
70	-51
80	-45
90	-29
100	-12

Ωστόσο, το σημείο βρασμού των υδατικών διαλυμάτων 1,2-αιθανοδιόλης αυξάνεται μονότονα με την αύξηση της περιεκτικότητάς της στο εκάστοτε διάλυμα. Έτσι, η 1,2-αιθανοδιόλη όχι μόνο ελαττώνει το σημείο πήξης, αλλά και αυξάνει ταυτόχρονα το σημείο βρασμού και έτσι αυξάνει το θερμοκρασιακό εύρος χρήσης της ως ρευστό μεταφοράς θερμότητας και στα δυο άκρα της θερμοκρασιακής κλίμακας. Η αύξηση στο σημείο βρασμού των υδατικών διαλυμάτων 1,2-αιθανοδιόλης συμβαίνει επειδή η 1,2-αιθανοδιόλη έχει υψηλότερο σημείο βρασμού και άρα μικρότερη τάση ατμών από ότι το καθαρό νερό. Δηλαδή δεν υπάρχει χημική σταθεροποίηση κατά του βρασμού στην υγρή φάση, ενώ αντίθετα υπάρχει όσον αφορά κατά του παγώματος.

-

Κατά βάρος περιεκτικότητα 1,2-αιθανοδιόλης (%)	Σημείο βρασμού (°C)
0	100
10	102
20	102
30	104
40	104
50	107
60	110
70	116
80	124
90	140
100	197

Πρόδρομη ένωση για πολυμερή

Στη βιομηχανία πλαστικών, η 1,2-αιθανοδιόλη είναι σημαντική πρόδρομη ένωση για πολυεστερικά υφάσματα και ρητίνες. Ακόμη, τα πολυαιθυλενικά τερεφθαλικά, που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πλαστικών φυαλών για εμφυάλωση (κυρίως) αναψυκτικών, παράγονται επίσης από 1,2-αιθανοδιόλη.

Παρεμπόδιση σχηματισμού υδριτών

Εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας βρασμού της και της συνάφειάς της με το νερό, η 1,2-αιθανοδιόλη είναι ένα χρήσιμο αφυδατικό μέσο. Έτσι χρησιμοποιείται πολύ για να παρεμποδίζει το σχηματισμό υδριτών, από το φυσικό αέριο, που περνά μέσα σε μακρούς πολυφασικούς αγωγούς, που μεταφέρουν το φυσικό αέριο από απομονωμένα (κυρίως υποθαλάσσια) κοιτάσματα του αερίου σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας τους, στην ξηρά. Μετά, η 1,2-αιθανοδιόλη μπορεί να ανακτηθεί από το φυσικό αέριο και να ξαναχρησιμοποιηθεί ως παρεμποδιστής, μετά από μια διεργασία που απομακρύνει (ταυτόχρονα) το νερό και τα ανόργανα άλατα.

Το φυσικό αέριο αφυδατώνεται από την 1,2-αιθανοδιόλη. Σ' αυτήν την εφαρμογή, η 1,2-αιθανοδιόλη κυλά από την κορυφή ενος πύργου (εξόρυξης) και συναντά το ανερχόμενο μίγμα υδρατμών και αερίων υδρογονανθράκων. Το ξηρό αέριο εξέρχεται από την κορυφή του πύργου. Η 1,2-αιθανοδιόλη και το νερό διαχωρίζονται στη συνέχεια, και η 1,2-αιθανοδιόλη ανακυκλώνεται. Αντί να αφαιρέσει το νερό, η 1,2-αιθανοδιόλη μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να ελαττώσει τη θερμοκρασία στην οποία σχηματίζονται οι υδρίτες. Η καθαρότητα της 1,2-αιθανοδιόλης που χρησιμοποιείται για καταστολή σχηματισμού υδριτών είναι τυπικά γύρω στο 80%, ενώ η καθαρότητα της 1,2-αιθανοδιόλης που χρησιμοποιείται ως αφυδατικό μέσο (συχνά για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται η τριαιθυλενογλυκόλη) είναι περίπου από 95-99%. Επιπλέον, ο ρυθμός έγχυσης για καταστολή παραγωγής υδριτών είναι πολύ μικρότερος, από ότι ο ρυθμός κυκλοφορίας σε έναν αφυδατικό πύργο 1,2-αιθανοδιόλης.

Πηγές

• Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972
• Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
• SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
• Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
• Δημήτριου Ν. Νικολαΐδη: Ειδικά μαθήματα Οργανικής Χημείας, Θεσσαλονίκη 1983.
• Ν. Αλεξάνδρου, Α. Βάρβογλη, Δ. Νικολαΐδη: Χημεία Ετεροχημικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1985

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Ethylene glycol στο Wikimedia Commons