Μεθυλοξιράνιο

Το μεθυλοξιράνιο (αγγλικά methyloxirane) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο, με μοριακό τύπο C₃H₆O, αν και συνήθως παριστάνεται με το γραμμικό τύπο του, . Είναι ένας ετεροκυκλικός αιθέρας και, πιο συγκεκριμένα, ανήκει στα «θυγατρικά» οξιράνια.

Το χημικά καθαρό μεθυλοξιράνιο στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, είναι πτητικό υγρό. Το μόριό του αποτελείται από έναν τριμελή οξιρανικό δακτύλιο, δηλαδή από δακτύλιο που σχηματίζεται από ένα (1) άτομο οξυγόνου και δύο (2) άτομα άνθρακα, καθώς και από μία (1) μεθυλομάδα (CH₃-).

Παράγεται σε μεγάλη κλίμακα από τη βιομηχανία, έχοντας ως κύρια εφαρμογή τη χρήση του ως πρόδρομη ένωση για την παραγωγή πολυαιθερικών πολυολών, για να χρησιμοποιηθούν, με τη σειρά τους, για την παραγωγή πλαστικών πολυουρεθάνης. Είναι ένα χειρόμορφο εποξείδιο, αν και συνήθως χρησιμοποιείται με τη μορφή ρακεμικού μείγματος.

Η (κυριότερη) εναλλακτική ονομασία του είναι 1,2-προπυλενοξείδιο. Η χρήση των αριθμών θέσης συνδέσεων (1,2-) γίνεται για να διακριθεί η ένωση από την ισομερἠ της 1,3-προπυλενοξείδιο, δηλαδή το οξετάνιο.

Ισομέρεια

Με βάση χημικό τύπο του (C₃H₆O) έχει τα ακόλουθα οκτώ (8) ισομερή θέσης:

1. Προπανάλη, με μοριακό τύπο CH₃CH₂CHO.
2. Προπανόνη, με μοριακό τύπο CH₃COCH₃.
3. 1-προπεν-1-όλη, με μοριακό τύπο CH₃CH=CHOH, σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή. Αποτελεί έλασον ταυτομερές της προπανάλης.
4. 2-προπεν-1-όλη ή αλλυλική αλκοόλη, με μοριακό τύπο CH₂=CHCH₂OH.
5. Προπεν-2-όλη, με μοριακό τύπο CH₃C(OH)=CH₂. Αποτελεί έλασον ταυτομερές της προπανόνης.
6. Βινυλομεθυλαιθέρας, με μοριακό τύπο CH₂=CHOCH₃.
7. Κυκλοπροπανόλη, με γραμμικό τύπο .
8. Οξετάνιο, με γραμμικό τύπο .

Φυσική παρουσία

Το 2016 αναφέρθηκε ότι εντοπίστηκε μεθυλοξιράνιο, στον Τοξότη Β₂, ένα αέριο νεφέλωμα στο γαλαξία μας, που έχει μάζα περί τα τρία εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Είναι η πρώτη χειρόμορφη ένωση που ανιχνεύθηκε στο διάστημα.

Παραγωγή

Η βιομηχανική παραγωγή μεθυλοξιρανίου ξεκινά από το προπένιο. Δυο παραγωγικές οδοί χρησιμοποιούνται: Η μία εμπλέκει υδροξυχλωρίωση (με υποχλωριώδες οξύ, HClO) και η άλλη εμπλέκει οξείδωση. Το 2005, σχεδόν το ήμισυ της παγκόσμιας παραγωγής της γίνονταν μέσω χλωρυδρίνης (δηλαδή χλωροαλκοόλης) και η άλλη μέσω μεθόδων που περιλαμβάνουν οξείδωση. Η δεύτερη παραγωγική μέθοδος αποκτά αυξανώμενη σημασία, γιατί αποφεύγει τη χρήση χλωρίου, επειδή το τελευταίο προσθέτει επιπλέον κόστος σε υλικά και διαχείρηση.

Υδροξυχλωρίωση

Αυτή η παραδοσιακή παραγωγική οδός διεξάγεται μέσω μετατροπής του προπενίου σε προπυλενοχλωρυδρίνη. Πρακτικά, παράγεται μείγμα δύο (2) ισομερών προπυλενοχλωρυδρινών. Η παραγωγική αντίδραση μπορεί να αποδοθεί σύμφωνα με το ακόλουθο απλοποιημένο σύστημα:

Το παραγώμενο μείγμα 1-χλωρο-2-προπανόλης και 2-χλωρο-1-προπανόλης, στη συνέχεια της αυτής της παραγωγικής οδού αποχλωριώνεται (με κάποια  βάση, OH^-), σχηματίζοντας μεθυλοξιράνιο:

Συχνά, ως βάση χρησιμοποιείται ασβέστης [Ca(OH)₂],  για να απορροφήσει το παραγώμενο υδροχλώριο (HCl), ως χλωριούχο ασβέστιο (CaCl₂).

Η οξείδωση του αιθυλενίου

Η άλλη παραγωγική οδός μεθυλοξιρανίου περιλαμβάνει την οξείδωση προπενίου από από ένα οργανικό υδροϋπεροξείδιο (RO₂H).  Η αντίδραση ακολουθεί την ακόλουθη στοιχειομετρία:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{=}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{R}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\stackrel{}{\to }\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{H}\mathrm{+}$

Πιο συγκεκριμένα, για τη διεργασία αυτή χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα τρία (3) υπεροξείδια:

1. Τριτοταγές βουτυλυδροϋπεροξείδιο (tBuO₂H), που προέρχεται, με τη σειρά του, από οξυγόνωση του ισοβουτανίου [Me₃CH], η οποία (οξείδωση) αυμπαράγει 2-μεθυλο-2-προπανόλη (tBuOH). Αυτό το παραπροϊόν, μπορεί να αφυδατωθεί, σχηματίζοντας ισοβουτένιο (CH₂=CMe₂) ή μετατρέπεται σε μεθυλοτριτοταγή βουτυλαιθέρα (tBuOMe), ένα αντικροτικό πρόσθετο για τη βενζίνη.
2. υδρο(1-φαινυλαιθυλ)υπεροξείδιο [PhCH(O₂H)CH₃], που προέρχεται, με τη σειρά του, από οξυγόνωση του αιθυλοβενζολίου (PhEt), η οποία (οξείδωση) συμπαράγει 1-φαινυλαιθανόλη [PhCH(OH)CH₃]. Αυτό το παραπροϊόν, μπορεί να αφυδατωθεί, σχηματίζοντας στυρένιο (PhVi), ένα χρήσιμο μονομερές.
3. Υδροπεροξείδιο του κουμενίου [PhC(CH₃)₂O₂H], που προέρχεται, με τη σειρά του, από οξυγόνωση του κουμενίου (iPrPh), η οποία (οξείδωση) συμπαράγει κουμυλική αλκοόλη [PhC(CH₂)OH]. Η τελευταία (κουμυλική αλκοόλη), με αφυδάτωση παράγει 2-φαινυλοπροπένιο [PhC(Me)=CH₂], το οποιίο κατόπιν με υδρογόνωση ξαναπαράγει κουμένιο, σχηματίζοντας μια έμμεση ανακύκλωση, της αρχικής πρόδρομης ύλης. Αυτή η τεχνολογία εμπορευματοποιήθηκε από από την εταιρεία Sumitomo Chemical.

Τον Μάρτιο του 2009, οι εταιρείες BASF και Dow Chemical ξεκίνησαν μια νέα μονάδα οξείδωσης προπενίου στην Αμβέρσα. Στη νέα αυτή μονάδα, το προπένιο οξειδώνεται από υπεροξείδιο του υδρογόνου (H₂O₂):

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{=}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{}{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}$

Σε αυτήν τη διεργασία δεν συμπαράγονται άλλα παραπροϊόντα, εκτός από νερό (H₂O).

Εφαρμογές

Το 60-70% όλου του παραγώμενου μεθυλοξιρανίου μετατρέπεται σε πολυαιθερικές πολυόλες, που παράγονται με μια διεργασία που ονομάζεται αλκοξυλίωση. Αυτές οι πολυόλες είναι δομικές μονάδες για την παραγωγή πλαστικών πολυουρεθάνης. Περίπου το 20% του μεθυλοξιρανίου υδρολύεται, παράγοντας 1,2-προπανοδιόλη [CH₃CH(OH)CH₂OH], μέσω μιας διεργασίας που επιταχύνεται με κατάλυση από οξύ ή βάση . Άλλα σημαντικά παράγωγα προϊόντα του μεθυλοξιρανίου είναι η πολυπροπυλενογλυκόλη, οι προπυλενογλυκολαιθέρες και το ανθρακικό προπυλένιο.

Ιστορικές και εξειδικευμένες χρήσεις

Το μεθυλοξιράνιο χρησιμοποιούνταν κάποτε ως αγωνιστικό καύσιμο, αλλά η χρήση του τώρα απαγορεύεται, σύμφωνα με τους κανόνες της National Hot Rod Association, για λόγους ασφαλείας. Επίσης, έχει χρησιμοποιηθεί σε καύσιμα λάμψης, για μοντέλα αεροσκαφών και για (κάποια) οχήματα επιφανείας, αυνήθως σε συνδυασμό, σε μικρά ποσοστά, της τάξης του 2%, στο τυπικό μείγμα μεθανόλης (CH₃OH), νιτρομεθανίου (CH₃NO₂) και ορυκτελαίου. Χρησιμοποιήθηκε επίσης σε θερμοβαρικά όπλα, και για μικροβιακό υποκαπνισμό.

Υποκαπνογόνο

Η Διοίκηση Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ έχει εγκρίνει από την 1^η Σεπτεμβρίου 2007 τη χρήση μεθυλοξιρανίου για παστερίωση ωμών αμυγδάλων, ως απάντηση σε δύο περιστατικά μόλυνσης από σαλμονέλα σε εμπορικούς οπωρώνες, ένα (άλλο) περιστατικό που συνέβη στον Καναδά και (ένα τέταρτο που συνέβηκε) στις Ηνωμένες Πολιτείες. Τα φυστίκια μπορεί επίσης να ψεκάζονται με μεθυλοξιράνιο, επίσης για τον έλεγχο της σαλμονέλας.

Μικροσκοπία

Το μεθυλοξιράνιο χρησιμοποιείται συνήθως για την προετοιμασία βιολογικών δειγμάτων για ηλεκτρονική μικροσκοπία, για να απομακρύνει τα υπολείμματα αιθανόλης (EtOH), που προηγουμένως είχε χρησιμοποιηθεί για αφυδάτωση (των δειγμάτων αυτών). Σε μια τυπική διαδικασία, το δείγμα πρώτα βυθίζεται σε ένα μείγμα από ίσες ποσότητες αιθανόλης και μεθυλοξιρανίου για 5 λεπτά και, στη συνέχεια, τέσσερις φορές σε καθαρό μεθυλοξιράνιο, με χρονική απόσταση 10 λεπτών μεταξύ κάθε βυθίσεως.

Ασφάλεια

Είναι πιθανό καρκινογόνο για τον άνθρωπο, και αναφέρεται από τον Διεθνή Οργανισμός Ερευνών για τον Καρκίνο ως καρκινογόνος ουσία κατηγορίας 2B.

Πηγές

1. Παπαγεωργίου, Β.Π., Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία, Εκδόσεις Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 2005, ISBN 960-260-342-7
2. Μια ιστοσελίδα αποκλειστικά για το οξιράνιο Πρότυπο:Webarchive
3. Πληροφορίες σχετικά με την προστασία των εργαζομένων
4. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
5. «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
6. Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
7. Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ Έκδοση Θεσσαλονίκη 1991
8. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
9. Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
10. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986
11. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη: «Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
12. Διαδικτυακοί τόποι που αναφέρονται στις «Αναφορές και παρατηρήσεις».

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

1. Διαδικτυακό σελίδα για C3H6O
2. Οξείδιο του προπυλενίου στο Ηνωμένες Πολιτείες Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος
3. Οξείδιο του προπυλενίου - από χημικές πληροφορίες για το προϊόν: ιδιότητες, παραγωγή, εφαρμογές.
4. Οξείδιο του προπυλενίου στη Μεταφορά Τεχνολογίας Δικτύου Αέρα Τοξικά Web Site
5. CDC - NIOSH Οδηγός Τσέπης για Χημικοί Κίνδυνοι