1,4-Dioxan
1,4-Dioxan ist ein alicyclischer Diether und als solcher eine heterocyclische organische Verbindung.
Gewinnung und Darstellung
Die kommerzielle Herstellung von 1,4-Dioxan erfolgt weitestgehend durch säurekatalysierte Dehydratisierung und gleichzeitiger Cyclisierung von Diethylenglycol bei Temperaturen von 130–200 °C und leichtem Unter- bzw. Überdruck von 0,25–1,1 bar.<ref name="Ullmann">Kenneth S. Surprenant: Dioxane. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley‐VCH Verlag, 15. Juni 2000, Vorlage:DOI.</ref>
Man verwendet verdünnte Schwefelsäure (bis 5 %), Phosphorsäure, p-Toluolsulfonsäure oder auch stark saure Kationenaustauscher und destilliert das gebildete Dioxan kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch ab. Das Rohprodukt wird neutralisiert und in Rektifikationskolonnen destillativ gereinigt. Bei diesem Prozess sind Ausbeuten im Bereich von 90 % erreichbar.<ref name="Ullmann" />
1,4-Dioxan fällt in großen Mengen als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Polyethylenglycol (PEG) und Ethersulfaten wie SLES an.<ref>1,4-Dioxan: Was tun?, PROCESS 4-2006.</ref><ref>Lead the charge to reformulate for 1,4-Dioxane limits, BASF US.</ref>
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
1,4-Dioxan ist eine farblose und niedrigviskose Flüssigkeit, die bei Normaldruck bei 101 °C siedet. Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log10(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 4,58135, B = 1570,093 und C = −31.297 im Temperaturbereich von 293 bis 378 K.<ref>J. L. Crenshaw, A. C. Cope, N. Finkelstein, R. Rogan: The Dioxanates of the Mercuric Halides. In: J. Am. Chem. Soc. 60, 1938, S. 2308–2311, doi:10.1021/ja01277a010.</ref> In fester Phase existieren zwei unterschiedliche Kristallformen. Bei 0 °C wandelt sich Form II in Form I um, die bei 11 °C schmilzt.<ref name="Jacobs">C. J. Jacobs, G. S. Parks: Thermal data on organic compounds. XIV. Some heat capacity, entropy and free energy data for cyclic substances. In: J. Am. Chem. Soc. 56, 1934, S. 1513–1517, doi:10.1021/ja01322a020.</ref> Die Umwandlungsenthalpie beträgt 2,351 kJ·mol−1, die Schmelzenthalpie 12,845 kJ·mol−1.<ref name="Jacobs" /> Die Wärmekapazität beträgt bei 25 °C 149,65 J·mol−1·K−1 bzw. 1,70 J·g−1·K−1.<ref name="Grolier">Grolier, J.-P.E.; Roux-Desgranges, G.; Berkane, M.; Jimenez, E.; Wilhelm, E.: Heat capacities and densities of mixtures of very polar substances 2. Mixtures containing N,N-dimethylformamide in J. Chem. Thermodynam. 25 (1993) 41–50, Vorlage:DOI.</ref> Der cyclische Diether ist beliebig mit Wasser mischbar.
Das Molekül liegt wie Cyclohexan oder Pyranosen hauptsächlich in der inversionssymmetrischen Sesselform vor. Für das Dipolmoment von 0,45 D (zum Vergleich: Tetrahydrofuran hat ein Dipolmoment von 1,63 D) sind weitere Konformere, insbesondere die Wannenform verantwortlich. Vorlage:Absatz
Dioxan ist mit den meisten organischen Lösungsmitteln, wie Ethanol, Diethylether und Aceton sowie Wasser gut mischbar.<ref name="römpp" /> Bei Normaldruck wird in dem binären System Dioxan/Wasser bei 82,1 Massenprozent Dioxan ein azeotroper Siedepunkt von 87,6 °C beobachtet.<ref>C. H. Schneider, C. C. Lynch: The Ternary System: Dioxane-Ethanol-Water. In: J. Am. Chem. Soc. 65 (6), 1943, S. 1063–1066, doi:10.1021/ja01246a015.</ref> Im binären System Dioxan/Ethanol findet sich ein bei 78,1 °C azeotrop siedendes Gemisch mit einem Dioxangehalt von 9,3 Ma%.<ref name="römpp" />
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Dampfdruckfunktion von 1,4-Dioxan
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Binäres Phasendiagramm des Systems 1,4-Dioxan/Wasser
Sicherheitstechnische Kenngrößen
Dioxan bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei 11 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Explosionsbereich liegt zwischen 1,4 Vol.‑% (51 g/m3) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 22,5 Vol.‑% (820 g/m3) als obere Explosionsgrenze (OEG).<ref name="GESTIS" /> Eine Korrelation der Explosionsgrenzen mit der Dampfdruckfunktion ergibt einen unteren Explosionspunkt von 9 °C sowie einen oberen Explosionspunkt von 58 °C.<ref name="GESTIS" /> Der maximale Explosionsdruck beträgt 9,1 bar.<ref name="GESTIS" /> Die Grenzspaltweite wurde mit 0,7 mm bestimmt.<ref name="GESTIS" /><ref name="Brandes" /> Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB.<ref name="Brandes" /> Die Zündtemperatur beträgt 375 °C.<ref name="Brandes">E. Brandes, W. Möller: Sicherheitstechnische Kenngrößen. Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase. Wirtschaftsverlag NW – Verlag für neue Wissenschaft, Bremerhaven 2003.</ref> Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T2. Die elektrische Leitfähigkeit ist mit 5·10−13 S·m−1 sehr gering.<ref>Technische Regel für Gefahrstoffe TRGS 727, BG RCI Merkblatt T033 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen, Stand August 2016, Jedermann-Verlag Heidelberg, ISBN 978-3-86825-103-6 (PDF).</ref>
Chemische Eigenschaften - Peroxidbildung
Wie alle Ether kann auch Dioxan Peroxide bilden.<ref name="römpp" /><ref name="GESTIS" /> Beim Abdestillieren können sich diese im Sumpf anreichern und zu Explosionen führen. Zur Vermeidung der Peroxidbildung soll Dioxan über festem Kaliumhydroxid oder metallischem Natrium, mit Hydrochinon, oder mit 2,6-Di-tert.-butylkresol versetzt, sowie dunkel (Braunglasflasche) und kühl gelagert werden.<ref name="GESTIS" /><ref>Vorlage:Literatur</ref>
Verwendung
Da 1,4-Dioxan relativ inert und gut mischbar mit anderen Lösungsmitteln ist, findet es Verwendung als Lösungsmittel z. B. bei der Produktion von Klebstoffen, Abbeizmitteln, Farbstoffen, Entfettern, Gewebereinigern und Papier.<ref name=lfu /> Als Methylchloroform noch intensiv eingesetzt wurde, war 1,4-Dioxan der übliche Stabilisator (2–8 % Anteil).<ref>Thomas K.G. Mohr, Santa Clara Valley Water District: Solvent Stabilizers White Paper, 14. Juni 2001.</ref>
Die EU stufte 1,4-Dioxan 2021 als besonders besorgniserregenden Stoff (SVHC) ein.<ref name="SVHC_100.004.239" />
Auftreten von 1,4-Dioxan in Umwelt und Trinkwasser
In Oder, Main und Rhein wurde der Stoff in Konzentrationen zwischen 0,86 und 2,2 µg/L nachgewiesen, in deutschen Trinkwässern in Konzentrationen bis zu 0,6 µg/L.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Im Beobachtungszeitraum 11/2014–09/2015 wurden im Rhein Konzentrationen zwischen 0,5 µg/L und 2 µg/L nachgewiesen; im Mittel waren noch 0,5 µg/L im Uferfiltrat vorhanden.<ref>Vorlage:Literatur</ref> Der Stoff kann mittels der üblicherweise eingesetzten technischen Methoden der Wasseraufbereitung (Ozonung, Aktivkohlebehandlung) nicht entfernt werden.<ref name=":0">Vorlage:Literatur</ref> 2016 wurden in der Alz<ref>Vorlage:Internetquelle</ref> erhöhte Gehalte an 1,4-Dioxan nachgewiesen. Die Hauptemittenten (Hersteller von Papier, Kunstfasern und Tensiden) wurden identifiziert und Gegenmaßnahmen eingeleitet.<ref name=":0" /> Die bislang höchste nachgewiesene Konzentration von 1,4-Dioxan in einem bayerischen oberflächenwasserbeeinflussten Brunnen lag bei 2,4 μg/L.<ref name=lfu>LfU Bayern: PM 44/16: Umweltmonitoring wird ausgeweitet, 30. November 2016.</ref>
In Deutschland gilt ein Trinkwasserleitwert von 5 µg/L, der nicht überschritten werden sollte.<ref name=":0" /> In den USA hingegen wird eine Vorlage:Lang von 0,35 µg/L angewendet.<ref name=":1">Vorlage:Literatur</ref> Ein umfangreiches Monitoring der öffentlichen Trinkwasserversorgung in den USA (~35.000 Proben, 4864 Trinkwassersysteme) ergab eine Detektionshäufigkeit von 21 % und in 6,9 % wurde eine Überschreitung der abgeleiteten Referenzkonzentration von 0,35 µg/L festgestellt.<ref name=":1" />
Gesundheitliche Aspekte
Da 1,4-Dioxan als Zwischenprodukt der Synthese von Natriumdodecylpoly(oxyethylen)sulfat anfällt, kann es auch in messbaren Mengen in Kosmetikprodukten wie Shampoo oder Zahnpasta vorkommen. Eine krebserregende Wirkung ist bisher weder sicher nachgewiesen noch sicher auszuschließen.<ref>BASF: Lead the charge to reformulate for 1,4-Dioxane limits, abgerufen am 9. Januar 2023.</ref> Das National Toxicology Program des amerikanischen Bundesgesundheitsministeriums kommt zu dem Schluss, die Substanz sei „reasonably anticipated to be a human carcinogen based on sufficient evidence of carcinogenicity from studies in experimental animals“, stehe also in dem begründeten Verdacht, in Menschen karzinogen zu sein, nachdem entsprechende Effekte in Tieren nachgewiesen worden sind. Laut amerikanischer Arzneimittelbehörde FDA sind jedoch die gemessenen Werte in Produkten für Endkonsumenten sowohl unbedenklich als auch im Vergleich zur Vergangenheit – aufgrund verbesserter Herstellungsverfahren – rückläufig.<ref>FDA: 1,4-Dioxane in Cosmetics: A Manufacturing Byproduct, abgerufen am 9. Januar 2023.</ref>
Weblinks
Einzelnachweise
<references />