Propylenoxid

Vorlage:Infobox Chemikalie

Propylenoxid oder 1,2-Epoxypropan (PO) ist eine heterocyclische organische Verbindung aus der Gruppe der Epoxide (Oxirane). Die leicht entflammbare, in Wasser und Alkohol lösliche, farblose Flüssigkeit besitzt einen ätherischen Geruch. Propylenoxid wird aus Propen gewonnen und hauptsächlich zur Herstellung von wasserlöslichen Propylenglycol-Derivaten verwendet, kann aber auch als Korrosionsschutzzusatz für Pestizide, Kühlflüssigkeiten und Desinfektionsmittel Verwendung finden. Das Epoxid Propylenoxid ist kein natürlich vorkommender Stoff, sein Vorkommen in der Atmosphäre wird auf Industrieemissionen und deren Weiterverarbeitung zurückgeführt.

Darstellung und Gewinnung

1985 belief sich die Produktion von Propylenoxid weltweit auf etwa 2,9 Mt, 1991 auf etwa 4,2 Mt, 2001 ca. 4,8 Mt und 2008 rund 5,5 Mt. Die installierte weltweite jährliche Produktionskapazität lag am 1. Januar 2002 bei 5,8 Mt.<ref name="CEH report Propylene Oxide">CEH report Propylene Oxide</ref>

Eine Direktoxidation von Propen mit Sauerstoff zu Propylenoxid, wie bei der Herstellung von Ethylenoxid aus Ethen, ist zwar technisch möglich, aber unwirtschaftlich, weil die Reaktion mit einer geringen Selektivität und unter Bildung mehrerer Oxidationsprodukte abläuft, die aufwendig getrennt werden müssten. Typische Nebenprodukte sind Acetaldehyd, Formaldehyd sowie Kohlenmonoxid und deren Oxidationsfolgeprodukte.<ref>Karl Hans Simmrock: Die Herstellungsverfahren für Propylenoxid und ihre elektrochemische Alternative. In: Chemie Ingenieur Technik. 48, 1976, S. 1085–1096. doi:10.1002/cite.330481203.</ref> Insofern haben sich die im Folgenden beschriebenen Verfahren durchgesetzt.

Chlorhydrinverfahren

Beim Chlorhydrinverfahren wird aus Propen mit Chlor und Wasser (wobei Hypochlorige Säure in situ erzeugt wird) ein Isomerengemisch von 1-Chlor-2-propanol und 2-Chlor-1-propanol erzeugt. In einem zweiten Reaktionsschritt werden diese Isomere mit Hydroxidionen zu Propylenoxid und Wasser umgesetzt. Die Hydroxidionen werden aus Kalkmilch (Ca(OH)₂) gewonnen, so dass als Folgeprodukt Calciumchlorid (CaCl₂) anfällt (auf 100 kg Propylenoxid kommen 200 kg Calciumchlorid). Dieses führt zu einer großen Abwasserbelastung.

Synthese von Propylenoxid

Der Propylenoxid-Herstellkapazitätsanteil nach dem Chlorhydrinverfahren lag 1985 weltweit bei rund 55 %, 1991 bei etwa 52 % und 2010 nur noch bei rund 34 %.

Oxiran-Verfahren (Prileschajew-Reaktion)

Die Epoxidierung von Propen erfolgt bei der Prileschajew-Reaktion über die katalytische Umsetzung mit einem Hydroperoxid, dessen stark reaktionsfreudige Peroxidgruppe mit der Doppelbindung des Propens reagiert.

In der Styrol-Variante wird Ethylbenzol mit Sauerstoff in das entsprechende Peroxid überführt, das mit Propen zu Propylenoxid reagiert. Das parallel entstehende 1-Phenylethanol (Phenylmethylcarbinol) wird mit Aluminiumoxid unter Abspaltung von Wasser zu Styrol umgesetzt.

Synthese von Styrol

<math>\mathrm{C_3H_6 \ + \ C_8H_{10}O_2 \xrightarrow{Kat.} C_3H_6O \ + \ C_8H_{10}O \xrightarrow{Al2O3} C_3H_6O \ + \ C_8H_8 \ + \ H_2O}</math>

Pro Tonne produziertes Propylenoxid fallen bei diesem Verfahren ca. 1,8 Tonnen Styrol als Koppelprodukt an.

In der iso-Butan-Variante wird iso-Butan durch Oxidation in tert-Butylhydroperoxid überführt, das mit Propen zu Propylenoxid und tert-Butanol reagiert. Das tert-Butanol kann anschließend durch Dehydratisierung in iso-Buten und dieses mit Wasserstoff wieder in iso-Butan zurückgeführt werden.

HPPO-Verfahren

Bei diesem der Prileschajew-Reaktion ähnlichen Verfahren erfolgt die Umsetzung des Propylens mit Wasserstoffperoxid (engl. Kürzel HP):

<math>\mathrm{C_3H_6 \ + \ H_2O_2 \longrightarrow \ C_3H_6O \ + \ H_2O}</math>

Da als einziges Folgeprodukt Wasser entsteht, gilt dieses Verfahren als besonders wirtschaftlich und umweltfreundlich. Es benötigt eine vorgeschaltete Anlage zur Herstellung von Wasserstoffperoxid, aber muss im Gegensatz zu den anderen Verfahren keine Infrastruktur oder Märkte für Nebenprodukte aufweisen. Die koreanische SKC hat in Ulsan (Südkorea) im Jahr 2008 die weltweit erste großtechnische Anlage zur Herstellung für Propylenoxid nach dem Evonik/Uhde-HPPO-Verfahren in Betrieb genommen.<ref>Weltweit erste HPPO-Anlage nach Lizenz von Evonik und Uhde bei SKC, Korea, erfolgreich in Betrieb genommen. auf chemie.de, 29. Juli 2008.</ref> Die Anlage hat eine Kapazität von 100.000 Tonnen jährlich. Eine weitere, deutlich größere Anlage, die ein ähnliches Verfahren nutzt, wurde 2008 in Antwerpen errichtet und wird gemeinsam von BASF und Dow Chemical betrieben.<ref>BASF, Dow und Solvay setzen neue innovative HPPO-Technologie in Antwerpen ein (PDF; 23 kB).</ref> Dow Chemical nimmt 2016 in Jubail eine weitere Großanlage in Betrieb.

Enantiomerenreines Propylenoxid

Die Synthese der Propylenoxidenantiomeren geht vom (R)- bzw. (S)-Alanin aus. Dieses wird zunächst unter Retention mit Natriumnitrit und Salzsäure zur 2-Chlorpropionsäure umgesetzt. Nach Reduktion mit Lithiumaluminiumhydrid zum Alkohol und Ringschluss mittels Natriumhydroxid unter Inversion werden das (S)- bzw. (R)-Propylenoxid erhalten.<ref>V. Schurig, B. Koppenhofer, W. Bürkle: Korrelation der absoluten Konfiguration chiraler Epoxide durch Komplexierungschromatographie; Synthese und Enantiomerenreinheit von (+)-(R)- und (−)-(S)-1,2-Epoxypropan. In: Angew. Chem. 90, 1978, S. 993–995.</ref>

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log₁₀(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 4,09487, B = 1065,27 und C = −46,86 im Temperaturbereich von 199,7 bis 307,4 K.<ref name="McDonald">R. A. McDonald, S. A. Shrader, D. R. Stull: Vapor Pressures and Freezing Points of Thirty Pure Organic Compounds. In: J. Chem. Eng. Data. 4, 1959, S. 311–313, doi:10.1021/je60004a009.</ref>

Zusammenstellung der wichtigsten thermodynamischen Eigenschaften
Eigenschaft	Typ	Wert [Einheit]	Bemerkungen
Standardbildungsenthalpie	Δ_fH⁰_liquid Δ_fH⁰_gas	−122,6 kJ·mol⁻¹<ref name="Sinke" /> −94,68 kJ·mol⁻¹<ref name="Sinke">G. C. Sinke, D. L. Hildenbrand: Heat of formation of propylene oxide. In: J. Chem. Eng. Data. 7, 1962, S. 74.</ref>	als Flüssigkeit als Gas
Verbrennungsenthalpie	Δ_cH⁰_liquid	−1917,4 kJ·mol⁻¹<ref name="Sinke" />
Wärmekapazität	c_p	125,1 J·mol⁻¹·K⁻¹ (25 °C)<ref name="Beaumont">R. H. Beaumont, B. Clegg, G. Gee, J. B. M. Herbert, D. J. Marks, R. C. Roberts, D. Sims: Heat capacities of propylene oxide and of some polymers of ethylene and propylene oxides. In: Polymer. 7, 1966, S. 401–416.</ref> 75,55 J·mol⁻¹·K⁻¹ (25 °C)<ref name="Chao">J. Chao: Thermodynamic properties of key organic oxygen compounds in the carbon range C1 to C4. Part 2. Ideal gas properties. In: J. Phys. Chem. Ref. Data. 15, 1986, S. 1369–1436, doi:10.1063/1.555769.</ref>	als Flüssigkeit als Gas
Kritische Temperatur	T_c	482,3 K<ref name="Kobe" />
Kritischer Druck	p_c	49,23 bar<ref name="Kobe" />
Kritisches Volumen	ρ_c	0,186 l·mol⁻¹<ref name="Kobe">K. A. Kobe, A. E. Ravicz, S. P. Vohra: Critical Properties and Vapor Pressures of Some Ethers and Heterocyclic Compounds. In: J. Chem. Eng. Data. 1, 1956, 50.</ref>
Schmelzenthalpie	Δ_fH⁰	6,569 kJ·mol⁻¹<ref name="Beaumont" />	beim Schmelzpunkt
Verdampfungsenthalpie	Δ_VH⁰	30,1 kJ·mol⁻¹<ref name="McDonald" />	beim Normaldrucksiedepunkt

Chemische Eigenschaften

Propylenoxid neigt weniger stark zur Selbstpolymerisation als Ethylenoxid, eine solche kann jedoch säurekatalysiert von Katalysatoren wie den Salzen Aluminium-, Eisen- oder Zinnchlorid, sowie allen Säuren und Alkalimetallen initiiert werden und explosionsartig erfolgen. Die Polymerisationswärme beträgt −76 kJ·mol⁻¹ bzw. −1310 kJ·kg⁻¹.<ref>Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie, Merkblatt R 008 Polyreaktionen und polymerisationsfähige Systeme. Ausgabe 05/2015, ISBN 978-3-86825-069-5.</ref> Mit Wasser erfolgt in der Kälte langsame, bei hohen Temperaturen von 200–220 °C rasche Hydrolyse zu 1,2-Propandiol (Propylenglycol).

Sicherheitstechnische Kenngrößen

Propylenoxid bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt von −38 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Explosionsbereich liegt zwischen 1,9 Vol.‑% (45 g/m³) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 38,8 Vol.‑% (938 g/m³) als obere Explosionsgrenze (OEG).<ref name="Brandes">E. Brandes, W. Möller: Sicherheitstechnische Kenngrößen. Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase. Wirtschaftsverlag NW – Verlag für neue Wissenschaft, Bremerhaven 2003.</ref><ref name="GESTIS" /> Eine Korrelation der Explosionsgrenzen mit der Dampfdruckfunktion ergibt einen unteren Explosionspunkt von −44 °C.<ref name="GESTIS" /> Der maximale Explosionsdruck beträgt 9,1 bar.<ref name="GESTIS" /><ref name="Brandes" /> Die Grenzspaltweite wurde mit 0,7 mm (50 °C) bestimmt.<ref name="GESTIS" /><ref name="Brandes" /> Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB.<ref name="GESTIS" /> Mit einer Mindestzündenergie von 0,13 mJ sind Dampf-Luft-Gemische extrem zündfähig.<ref name="GESTIS" /><ref name="GESTIS"/><ref name="Chen">Hsu-Fang Chen, Chan-Cheng Chen: A quantitative structure activity relationship model for predicting minimum ignition energy of organic substance in J. Loss Prev. Proc. Ind. 67 (2020) 104227, Vorlage:DOI.</ref> Die Zündtemperatur beträgt 430 °C.<ref name="GESTIS" /><ref name="Brandes" /> Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T2.

Toxizität

Propylenoxid hat sich in Tierversuchen als karzinogen (krebserzeugend) und mutagen (erbgutverändernd) erwiesen. Der auch akut gesundheitsschädliche Stoff reizt Haut, Augen und Atemwege, seine Dämpfe wirken narkotisch; zu einer gesundheitsschädlichen Kontamination der Luft kann es bereits bei Temperaturen um 20 °C kommen. Seine Aufnahme kann oral, pulmonal oder perkutan, also über die Haut, erfolgen. Bei kontinuierlicher oder wiederholter Exposition kann es zur Sensibilisierung kommen. Als Meeresschadstoff ist die Substanz in die Wassergefährdungsklasse 3 eingeordnet.

Tierversuche zeigen, dass das Einatmen von Propylenoxid bis zu einer Konzentration von 150 ppm keinerlei nachweisbare Auswirkung hat. Bei wiederholtem Kontakt der Tiere mit dem Stoff kam es zur Depression des ZNS und Augen- und Atemwegsreizung. Da die Geruchsschwelle in der Luft zwischen 100 und 350 ppm, die maximal zulässige Arbeitsplatzkonzentration jedoch bei nur 2,5 ppm liegt, ist der charakteristische Geruch des Stoffes kein ausreichender Indikator für Propylenoxid.

Propylenoxid wurde am 19. Dezember 2012 in der Liste der besonders besorgniserregenden Stoffe aufgenommen.<ref name="SVHC_100.000.800" />

Weiteres

Propylenoxid ist das erste chirale Molekül, das außerhalb des Sonnensystems nachgewiesen wurde. Die Mengenanteile der Jeweiligen Enantiomere konnten dabei aber nicht bestimmt werden.<ref>Vorlage:Literatur</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

Literatur

Wolfgang Swodenk, Helmut Waldmann: Moderne Verfahren der Großchemie: Ethylenoxid und Propylenoxid. In: Chemie in unserer Zeit. 12. Jahrg. Nr. 3, 1978, S. 65–70. Vorlage:Doi

Weblinks

Vorlage:Commonscat

www.petrochemistry.net: Richtlinien für die Distribution von Propylenoxid (PDF-Datei; 1,1 MB)

Einzelnachweise

Vorlage:Normdaten