Ethoxylace

Ethoxylace je chemická reakce, při níž se na substrát připojuje molekula ethylenoxidu. Jedná se o nejčastěji prováděnou alkoxylaci, což může být jakékoliv připojování epoxidu na substrát.

Nejběžnějším uplatněním tohoto procesu je přeměna alkoholů a fenolů na sloučeniny se vzorcem R(OC₂H₄)_nOH, kde n je 1 až 10, nazývané obecně alkoholethoxyláty. Často se z nich dále získávají ethoxysulfáty. Alkoholethoxyláty a ethoxysulfáty se dále používají jako tenzidy například v kosmetických přípravcích.^[1] Tímto postupem se ročně vyrobí přes 2 miliony tun ethoxylátů.^[2]

Provedení

V průmyslu se ethoxylují zejména mastné alkoholy, a to za účelem získání jejich ethoxylátů, které se používají jako neiontové tenzidy (takovou látkou je například oktaethylenglykolmonododecylether). Některé z těchto alkoholů se získají hydrogenací^[3] nebo hydroformylací mastných kyselin z rostlinných olejů.^[4]

Při ethoxylaci se zahřívá ethylenoxid s příslušným alkoholem při teplotě 180 °C a tlaku 100-200 kPa za přítomnosti hydroxidu draselného, který slouží jako katalyzátor.^[5] Reakce je značně exotermní (ΔH = 92 kJ/mol).^[5]

ROH + n C₂H₄O → R(OC₂H₄)_nOH

Výchozími látkami jsou obvykle primární alkoholy, protože reagují 10krát až 30krát rychleji než sekundární alkoholy.^[6]

Na každý alkohol se obvykle napojí 5 až 10 molekul ethylenoxidu,^[4] ovšem ethoxylované alkoholy jsou často náchylnější k ethoxylaci než výchozí alkoholy, kvůli čemuž je regulace reakce obtížná a vznikají produkty s rozdílnými počty připojených ethylenoxidových jednotek. Lepší regulace lze dosáhnout použitím pokročilejších katalyzátorů,^[7] které vytvářejí ethoxyláty s užším rozmezím molekulových hmotností.

Ethoxylace/propoxylace

Ethoxylace se někdy kombinuje s propoxylací, obdobnou reakcí, kdy se místo ethylenoxidu používá propylenoxid. Obě reakce obvykle probíhají v jednom reaktoru a mohou probíhat současně, za vzniku náhodných polymerů, nebo postupně za vzniku blokových kopolymerů jako jsou poloxamery.^[5] Propylenoxid je hydrofobnější než ethylenoxid a přidání jeho malého množství do reakční soustavy může výrazně ovlivnit vlastnosti produktu. Ethoxylované mastné alkoholy s přídavkem přibližně jedné jednotky propylenoxidu se často označují za málo pěnící tenzidy.

Ethoxysulfáty

Ethoxylované mastné alkoholy se často převádějí na příslušné organosulfáty, které je snadné deprotonovat za vzniku aniontových tenzidů jako je laurethsulfát sodný. Jelikož jde o soli, tak jsou dobře rozpustné ve vodě. Přeměna se provádí reakcí ethoxylovaných alkoholů s oxidem sírovým.^[8] Při laboratorní přípravě lze použít kyselinu chlorsulfonovou:

R(OC₂H₄)_nOH + SO₃ → R(OC₂H₄)_nOSO₃H

R(OC₂H₄)_nOH + HSO₃Cl → R(OC₂H₄)_nOSO₃H + HCl

Vzniklé sulfátové estery se neutralizují na soli:

R(OC₂H₄)_nOSO₃H + NaOH → R(OC₂H₄)_nOSO₃Na + H₂O

Malé objemy lze také neutralizovat pomocí aminoalkoholů jako je triethanolamin.^[9]

Ethoxylace ostatních látek

I když se ethoxylace většinou provádí u alkoholů, tak mohou s ethylenoxidem reagovat i mnohé další nukleofily. Primární aminy reagují za vzniku dvouřetězcových produktů. Reakcí amoniaku lze získat mimo jiné ethanolamin, diethanolamin a triethanolamin.

Využití produktů ethoxylace

Ethoxyláty a ethoxysulfáty alkoholů jsou tenzidy používané v prostředcích na čištění oblečení, v kosmetických výrobcích, barvách a zemědělských produktech.^[10]

Využití ethoxylátů

Jelikož jsou ethoxyláty alkoholů neiontové tenzidy, tak jsou u nich k zajištění rozpustnosti ve vodě zpravidla potřebné delší ethoxylátové řetězce než u ethoxysulfátů.^[11] Příklady vyráběných ethoxylátů jsou oktylfenolethoxylát, polysorbát 80 a poloxamery. Ethoxylace se často, i když v menším měřítku, využívá v biotechnologiích a farmaceutickém průmyslu na zlepšení rozpustnosti látek ve vodě. Zde se používá označení „PEGylace“, protože se k reakci používá polyethylenglykol (zkráceně PEG). Hlavní řetězec obsahuje 8 až 18 atomů uhlíku, zatímco ethoxylační řetězec se obvykle skládá ze 3 až 12 ethylenoxidových jednotek.^[12] Tyto látky se skládají z dlouhého hydrofobního řetězce a polární části obsahující skupiny s obecným vzorcem (OC₂H₄)_nOH.

Využití ethoxysulfátů

Běžně používané ethoxysulfáty jsou většinou lineární alkoholy, jejichž molekuly mohou být kombinací lineárních a jednonásobně rozvětvených alkylových řetězců.^[13] Příkladem takové látky je laurethsulfát sodný, používaný jako pěnotvorná látka v šamponech a zubních pastách i v průmyslových přípravcích.