Определение оксиранов. Номенклатура
Оксираны (эпоксиды, этиленоксиды) - это циклические эфиры, содержащие один атом кислорода в цикле. Для простейших соединений сохраняются названия этиленоксид и пропиленоксид.
Применяется номенклатура гетероциклических соединений - «оксираны»: 2,3-эпоксибутан или 2,3-диметилоксиран.
Основу названия оксирана составляет наименование углеводорода, на наличие кислородного мостика указывает приставка эпокси-.
Физические свойства
Низшие оксираны - это жидкости с запахом эфира (исключение: газообразная бесцветная окись этилена). Эпоксиды хорошо растворяются в органических растворителях. Температуры кипения оксиранов выше, чем температуры кипения простых эфиров с близкими значениями молекулярных масс.
Эпоксидный цикл представляет собой почти правильный треугольник со значительно деформированными валентными углами. Угол при атоме кислорода составляет 61$^\circ$24'. Происходит только частичное перекрывание атомных орбиталей, поэтому энергия связей уменьшается.
Длины связей $C-C$ эпоксидного кольца 0,147 нм, $C-O$ - 0,144 нм.
Рисунок 1. Общая структура оксиранов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В инфракрасных спектрах наблюдаются характерные полосы поглощения валентных колебаний кольца при 1250см$^{-1}$, присутствуют полосы при 950-810 см$^{-1}$, 840-750 см$^{-1}$.
Важнейшие представители оксиранов
Этиленоксид (окись этилена, 1,2-эпоксиэтан, оксиран). Гетероциклическое соединение. Молекулярная формула $C_2H_4O$.
Рисунок 2.
Эпоксидный цикл представлен почти правильным треугольником с валентными углами ~ 60$^\circ$ и достаточно большим угловым напряжением (105 кДж/моль).
Бесцветный газ со сладковатым характерным запахом эфира, температура кипения 10,7$^\circ$С, плотность $d^4_4=0,8909.$ Хорошо растворяется в воде и органических растворителях.
Этиленоксид имеет дипольный момент $\mu=6,28^\cdot10^{-30}$ Кл $^\cdot$ м. Эпоксидная группировка полярная. Причинами этого являются полярность связей $C-O$ и небольшой угол с кислородом.
Является важным промышленным продуктом. Для получения этиленоксида в промышленности применяют хлоргидринный метод и прямое окисление этилена:
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Характерны реакции с нуклеофилами, протекающие по $S_N2$-механизму как в щелочной, так и в кислой среде. Общий вид реакции:
Рисунок 5.
Этиленоксид легко подвергается полимеризации.
Этиленоксид нашел широкое применение в органическом синтезе для получения:
- поверхностно активных веществ;
- ценных растворителей;
- этаноламинов;
- полиэтиленоксида;
- гликолиевых и полигликолиевых эфиров;
- синтетических волокон (акрилонитрил) и др.
Пропиленоксид.
Рисунок 6.
Бесцветная жидкость с температурой кипения 34,5$^\circ$С и плотностью $d^{20}_4=0,859$ (рацемат). Молекула пропиленоксида содержит асимметрический атом углерода, хиральна. Известны два энантиомера и рацемат.
Получить пропиленоксид можно по хлоргидринному методу из пропена. Возможно окисление пропена гидропероксидами в присутствии $\pi$-комплексов молибдена:
$CH_3-CH=CH_2+R-O-OH{{\stackrel{катализатор}{\longrightarrow}}}CH_3-CHOCH_2+ROH$
При полимеризации в присутствии катализатора можно получить полипропиленоксид различной молекулярной массой. Так как в молекуле полипропиленоксида присутствуют две концевые гидроксогруппы, его олигомеры используют для получения других полимеров (пенопласты, полиуретаны).
Пропиленоксид применяют в качестве поверхностно - активного вещества и для синтеза некоторых веществ:
- пропандиол-1,2;
- пропионовый альдегид, используемый для получения неопренового каучука;
- ацетон;
- аллиловый спирт для получения глицерина.
Эпихлоргидрин (3-хлор-1,2-эпоксипропан).
Рисунок 7.
Бесцветная жидкость с запахом холороформа и температурой кипения 110$^\circ$С. Плотность $d^{20}_4=1,1807$ (рацемат).
Молекула эпихлоргидрина содержит активную эпоксидную группировку и связь $C-Cl$.
Эпихлогидрин получают по хлоргидринному методу из аллилхлорида:
Рисунок 8.
Эпихлоргидрин является промежуточным продуктом в синтезе глицерина.
Его широко применяют для получения эпоксидных смол. Сначала путем взаимодействия с бис-фенолами образуется активный мономер, который далее взаимодействует с другими молекулами бис-фенола с образованием полимера:
Рисунок 9.
Полученный полимер содержит активные эпоксидные группы, поэтому в присутствии определенных реагентов происходит процесс отверждения (сшивание линейных макромолекул), что увеличивает механическую и термическую стойкость полимера.
