乙二醇（Ethylene 二醇，簡稱EG），又被稱作甘醇或1,2-亞乙基二醇，其化學(xué)式為C?H?O?，是最簡單的脂肪族二元醇。常溫下，乙二醇是一種無色、無臭、有甜味的粘稠狀液體，其分子中含有兩個羥基分別連接在兩個碳原子上。乙二醇的分子量為62.07，熔點13 °C，沸點197.3 °C（760 mm Hg），密度1.1135 g/mL（20 °C）。乙二醇具有沸點高、凝固點低和還原性弱等特點，能以任意比例與水相混溶，微溶于乙醚。乙二醇化學(xué)性質(zhì)活潑，可發(fā)生氧化、化、縮聚和脫水等一系列反應(yīng)，是一種重要的有機(jī)化工原料及中間體，廣泛應(yīng)用于聚酯纖維、塑料、防凍液、精細(xì)化學(xué)品、納米粒子制備等領(lǐng)域。乙二醇本身具有較低的毒性，會在人體中產(chǎn)生有毒的代謝物，即便少量攝入也會對人類的中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及各個臟器產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的危害。
發(fā)現(xiàn)歷史
乙二醇（EG）是最簡單的二醇，1859年由法國化學(xué)家查爾斯-阿道夫·武茨（charles-adolphe wurtz）通過乙二醇二乙酸酯與氫氧化鉀皂化反應(yīng)首次研制出來。在早期階段，乙二醇的生產(chǎn)規(guī)模非常小，直到第一次世界大戰(zhàn)期間，其作為冷卻劑和生產(chǎn)炸藥中重要的原料而得以快速發(fā)展。在一戰(zhàn)期間，德國科學(xué)家采用二氯乙烷水解法生產(chǎn)乙二醇；20世紀(jì)20年代，美國則采用氯乙醇法生產(chǎn)乙二醇；20世紀(jì)50年代，以石油為基礎(chǔ)的乙烯、環(huán)氧乙烷合成乙二醇的技術(shù)有了突破，再次提高和促進(jìn)了乙二醇的生產(chǎn)。隨著進(jìn)一步發(fā)展，以乙二醇為原料生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)涵蓋了日常生活的方方面面，特別是在能源、化工、汽車、紡織、運輸和制造技術(shù)相關(guān)的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
化學(xué)結(jié)構(gòu)
乙二醇的化學(xué)式為（CH?OH）?，其分子中兩個碳原子上各連接著一個羥基。由于碳和氧的電負(fù)性不同，得其形成的碳氧鍵為極性鍵，因此乙二醇是一個極性分子。乙二醇中的氧是sp?雜化，兩對孤對電子分占兩根sp?雜化軌道，另外兩根sp?雜化軌道一根與氫形成σ鍵，另一根與碳的sp?雜化軌道形成σ鍵。乙二醇的兩個羥基基團(tuán)處于鄰交叉構(gòu)象，這是因為乙二醇分子內(nèi)形成的氫鍵可以增加分子的穩(wěn)定性（氫鍵的鍵能大約為21~30 kJ·摩爾?1），因此乙二醇具有更高的沸點。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì)
乙二醇是一種具有甜味無色無臭的粘稠液體，故而俗稱“甘醇”。其密度為1.1135 g/cm3（20 ℃），沸點197.3 ℃（760 mm Hg），熔點-13 ℃，閃點111 ℃，飽和蒸氣壓為0.06 mm Hg（20 ℃）在空氣中發(fā)生自燃的溫度為412.8 ℃，爆炸范圍為3.2%-15.3%。乙二醇在水和丙酮中有很好的溶解度，能溶于大多數(shù)常見溶劑，微溶于乙醚，不溶于石油烴及其油類。當(dāng)乙二醇被冷卻時，其會形成一種高粘性、過冷的物質(zhì)，最終凝固形成一種類似玻璃的物質(zhì)。
化學(xué)性質(zhì)
氧化反應(yīng)
乙二醇可以發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)所使用的氧化劑不同，乙二醇的氧化產(chǎn)物也會不同。
重鉻酸鈉（鉀）和硫酸氧化法
將乙二醇用重鉻酸鈉（鉀）和硫酸氧化時會生成一系列氧化程度不同的產(chǎn)物，反應(yīng)如下。用三氧化鉻和乙酸或高錳酸鉀氧化時發(fā)生相似反應(yīng)。
四乙酸鉛氧化法
乙二醇用四乙酸鉛在食用醋酸或苯溶液中氧化時，會生成二分子醛或，其反應(yīng)如下：
高碘酸氧化法
乙二醇用高碘酸氧化時也生成二分子醛或酮，其反應(yīng)如下：
酯化反應(yīng)
乙二醇可以和含氧無機(jī)酸發(fā)生酯化反應(yīng)，例如乙二醇與硝酸反應(yīng)如下：
縮聚反應(yīng)
乙二醇可以發(fā)生縮聚反應(yīng)，例如，在乙二醇與鄰苯二甲酸酐中加進(jìn)一些丙三醇，則可以縮聚成網(wǎng)狀的聚酯（醇酸樹脂）：
脫水反應(yīng)
在硫酸條件下，乙二醇能發(fā)生脫水反應(yīng)生成乙醛，其反應(yīng)如下：
其他反應(yīng)
與金屬反應(yīng)
乙二醇能與堿金屬發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)中醇羥基中的氫原子被金屬取代，生成氫氣。例如乙二醇和鈉反應(yīng)如下：
與硼酸反應(yīng)
乙二醇能與硼酸反應(yīng)生成形化合物，其反應(yīng)如下：
與氫鹵酸反應(yīng)
乙二醇可以和氫鹵酸發(fā)生反應(yīng)，其中鹵族元素原子會取代羥基基團(tuán)。例如乙二醇與氫溴酸反應(yīng)如下：
酯交換反應(yīng)
乙二醇可以發(fā)生酯交換反應(yīng)，例如：
環(huán)合反應(yīng)
在加熱條件下，乙二醇在硫酸或磷酸中可以發(fā)生環(huán)合反應(yīng)，其反應(yīng)如下：
制備方法
石油制備路線
環(huán)氧乙烷直接水合法
環(huán)氧乙直接水合法在乙二醇制備工藝中占主導(dǎo)地位，其反應(yīng)是在高溫條件下直接水合生成乙二醇，伴隨的副產(chǎn)物有二甘醇（DEG）、三乙二醇（TEG）等乙二醇同系物。反應(yīng)式如下：
由于產(chǎn)物中含有副產(chǎn)物二乙二醇、三乙二醇和少量的聚乙二醇，因此為了提高此工藝中乙二醇的選擇性，需要在反應(yīng)中消耗大量的水。由于水量大，故導(dǎo)致乙二醇分離脫水的流程較為復(fù)雜。并且此工藝具有流程長、水耗高、分離困難、生產(chǎn)成本高等缺點。
環(huán)氧乙烷催化水合法
環(huán)氧乙烷催化水合法是在環(huán)氧乙烷直接水合法的基礎(chǔ)上，加入高效的催化劑，從而提高環(huán)氧乙烷的轉(zhuǎn)化率，并提高乙二醇的選擇性。催化劑的加入使得此工藝中水的消耗大大降低，減少了能耗并降低了生產(chǎn)成本。
碳酸乙烯酯法
碳酸乙烯酯（EC）合成法制取乙二醇要經(jīng)歷三個步驟。首先要通過乙烯的氧化反應(yīng)制得環(huán)氧乙烷，之后環(huán)氧乙烷再與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成碳酸乙烯酯，最終采用碳酸乙烯酯水解或酯交換的方式制取乙二醇。此方法在合成乙二醇中具有選擇性高，收率高和整套工藝綠色環(huán)保等優(yōu)點，在原料、能耗和轉(zhuǎn)化率方面均優(yōu)于環(huán)氧乙烷水合法，但此方法的缺點是其采用的酸性催化劑會造成嚴(yán)重的設(shè)備腐蝕。
EC法反應(yīng)過程如式（1）～式（3）。
煤基制備路線
煤制乙二醇工藝包括直接法和間接法，實質(zhì)上是煤基合成氣制乙二醇。直接法生產(chǎn)工藝是將合成氣作為原料直接轉(zhuǎn)化得到乙二醇，間接法生產(chǎn)工藝首先利用合成氣生成甲醇、甲醛等中間體產(chǎn)物，再通過催化加氫的方法生成乙二醇，而根據(jù)中間產(chǎn)物的不同，間接法又被分為甲醛羰基化法、草酸二甲酯加氫法以及甲醛氫甲酰化法等。
直接法
合成氣直接法制乙二醇是通過CO和H?一步直接合成乙二醇的方法，該反應(yīng)需要在高溫、高壓和催化劑條件才能進(jìn)行。其反應(yīng)方程式如下：
間接法
以甲醇為原料制備乙二醇是在引發(fā)劑作用下，甲醇激發(fā)產(chǎn)生自由基·CH?OH，再進(jìn)行氧化偶聯(lián)反應(yīng)制得。反應(yīng)需要在紫外線照射和有氧條件下經(jīng)或鍺催化進(jìn)行。
甲醛基化法制備乙二醇是由合成氣制備的甲醛通過與CO羰基化生成乙醇酸，接著乙醇酸和甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙醇酸甲酯，然后乙醇酸甲酯通過加氫進(jìn)一步生成乙二醇。反應(yīng)過程如下：
甲醛氫甲酰化法制乙二醇是通過合成氣先與甲醛反應(yīng)生成乙醇醛，隨后通過催化加氫生成乙二醇，反應(yīng)采用鈷、銠催化劑。具體反應(yīng)如下：
甲醛電化學(xué)加氫法制乙二醇是通過對低濃度的甲醛與水混合溶液直接進(jìn)行電解制得。該反應(yīng)制得的乙二醇收率高，制備條件溫和，但是能量消耗大。其反應(yīng)方程如下：
甲醛縮合法是通過兩步反應(yīng)得到乙二醇。首先以甲醛水溶液為反應(yīng)液，在堿性催化劑中，以沸石為催化劑，通過自身縮合生成乙醇醛；然后在常壓，溫度為94 ℃的條件下，采用蘭尼鎳催化乙醇醛合成乙二醇。
乙二醇還可以通過草酸酯法制備。草酸酯法又叫CO偶聯(lián)法，由于液相反應(yīng)對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，因此研究人員開發(fā)出氣相加氫路線。草酸酯氣相加氫反應(yīng)主要分為CO偶聯(lián)制草酸二甲酯（DMO）和DMO加氫生成乙二醇兩個階段。在CO偶聯(lián)制DMO階段，CO和亞硝酸甲酯發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成DMO，接著亞硝酸甲酯通過甲醇和氧氣與NO發(fā)生反應(yīng)實現(xiàn)再生，然后進(jìn)入到第二階段，即DMO加氫生成乙二醇，具體反應(yīng)過程如圖所示：
生物基制備路線
除了煤和石油外，纖維素、糖類、植物秸稈和丙三醇等也可用于生產(chǎn)乙二醇。并且具有原材料價廉且容易獲得的特點。其中纖維素制乙二醇實質(zhì)是利用水解反應(yīng)所生成的葡萄糖為原料來制備乙二醇。在反應(yīng)過程中，含鎢催化劑還原為鎢青銅，鎢青銅溶解在水溶液中，電離產(chǎn)生H?，纖維素在H?的催化下水解成纖維低聚糖和葡萄糖，并從熱水和溶解的鎢青銅中釋放出來（R1）。低聚糖和葡萄糖一旦形成，在鎢青銅催化劑的催化下，經(jīng)過C—C鍵的斷裂，生成關(guān)鍵中間體乙醇醛（R2）。最后乙醇醛在過渡金屬如Ru或Ni的多相催化下迅速氫化成乙二醇（R3）。
應(yīng)用領(lǐng)域
聚酯工業(yè)
乙二醇可以作為生產(chǎn)聚酯纖維和聚酯塑料的原料，如聚琥珀酸乙烯酯，聚氨酯等；其中最主要的是用于合成聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），PET可作為滌綸纖維、涂料和聚酯塑料的原料。其次，馬來酸、富馬酸等多元酸與乙二醇反應(yīng)可制備醇酸樹脂。乙二醇的另一項重要應(yīng)用是用于下游紡織行業(yè)生產(chǎn)聚酯纖維（滌綸），此外還可用于生產(chǎn)聚酯薄膜等。
防凍劑、除冰劑
乙二醇的冰點為-13 ℃，且可與水以任意比例互溶，其水溶液的冰點隨乙二醇濃度的降低而降低，沸點隨之升高，在乙二醇濃度為66%時達(dá)最低冰點為-68 ℃，進(jìn)一步降低乙二醇濃度，混合物冰點反而上升。由于乙二醇由于擁有較低的比熱容和傳熱效率，因此可用作飛機(jī)、汽車、儀器儀表的防凍劑和除冰劑等。市場上大多使用的是乙二醇的水基型防凍液。
水合物抑制劑
天然氣開采及儲運過程中，天然氣水合物常常造成管道、閥門和設(shè)備等的堵塞，從而影響天然氣的開采、集輸和加工的正常運轉(zhuǎn)。乙二醇可用于天然氣的水合物抑制劑，因為它可以去除水分，并通過降低天然氣水合物的形成溫度，改變天然氣分子和水分子的熱力學(xué)平衡，來抑制天然氣水合物的形成。乙二醇無毒，沸點較高，蒸發(fā)損失小，其水溶液的冰點低，不易凍結(jié)，因此適用于天然氣處理量大的場合，并能在凈化處理后重復(fù)使用。
燃料電池
乙二醇可作為燃料電池開發(fā)中的新型液體燃料。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，乙二醇的Gibbs自由能為-1181 kJ·摩爾?1，比能量為5.27 kW/h·kg?1，電池的理論效率為98.9%，其具有高理論容量（4.8 Ah/m·L?1）、高沸點（198 ℃）以及低揮發(fā)性，這使乙二醇作為燃料電池更安全；此外乙二醇還具有較低的燃料滲透率、較高的能量密度和高電能轉(zhuǎn)換率等特點。理論上，1 mol乙二醇分子完全氧化成CO?會產(chǎn)生10 mol電子，乙二醇電解反應(yīng)方程式為：
乙二醇燃料電池工作原理為：乙二醇通過電池的陽極進(jìn)入，在催化劑表面發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)子或電子，質(zhì)子經(jīng)過離子交換膜傳導(dǎo)到陰極，而電子通過外電路到達(dá)陰極；在陰極對氧氣進(jìn)行還原生成水，完成氧化還原反應(yīng)?？捎糜谝叶嫉碾娀瘜W(xué)氧化催化的有Pt基，Pd基，Pt-Ru合金，Pt-Pd合金，Pt-Sn合金電極和薄膜等材料。
制取氫氣
乙二醇可以用于制取氫氣，是一種可再生的、易獲得的能源載體。由于乙二醇是結(jié)構(gòu)最簡單的多元醇，且具有所有多元醇類的特征基團(tuán)，因此是水相重整制氫（APR）的最佳研究模型。在乙二醇水相重整過程的第一步反應(yīng)中，乙二醇的C-C鍵和C-H鍵被打破，形成少量CO和H?，然后進(jìn)行水煤氣變換（WGS）反應(yīng)，CO與H?O反應(yīng)生成大量H?和CO?，反應(yīng)方程式為：
其他
乙二醇可以作為合成乙二醇醚、乙二醛、乙二酸、羥基乙酸等化工產(chǎn)品的原料，也可用于生產(chǎn)潤滑劑、色譜填充劑和染料等。此外，用乙二醇和聚乙二醇能衍生出多種類型表面活性劑，用于增塑劑、干燥劑、柔軟劑的生產(chǎn)，乙二醇的二硝基化合物可作為為炸藥，乙二醇的甲基、乙基和丁基醚可用作溶劑。此外，乙二醇還廣泛應(yīng)用于制造合成纖維、橡膠、化妝品、聚酯漆、膠粘劑、氣相色譜固定液、合成樹脂等。
安全事宜
消防相關(guān)
乙二醇為可燃物，屬于IIIB類可燃液體，閃點為110 ℃，空氣中爆炸極限濃度為3.2%~15.3%。若發(fā)生乙二醇火災(zāi)事故，可使用“酒精”泡沫、干粉或二氧化碳滅火劑處理。乙二醇蒸氣密度大于空氣，會聚集在通風(fēng)不良、低洼或密閉區(qū)域（例如下水道、地下室和儲罐）中，使區(qū)域內(nèi)危險性上升。
乙二醇化學(xué)性質(zhì)活潑，儲運時應(yīng)存放在密閉容器中，置于陰涼、通風(fēng)良好的區(qū)域，遠(yuǎn)離氧化劑、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿，以免發(fā)生事故。
健康相關(guān)
攝入暴露
乙二醇進(jìn)入人體后2-4小時會在肝臟和腎臟中代謝，大多數(shù)乙二醇及其代謝產(chǎn)物會在24至48小時內(nèi)排出。在人體中，乙醇脫氫酶促進(jìn)了新陳代謝，乙二醇被氧化為草酸，并導(dǎo)致各種器官中鈣晶體的形成，因此尿液中會含有草酸鈣結(jié)晶等。此外，乙二醇具有輕微的麻醉作用。
乙二醇急性中毒后，隨著時間的增加會產(chǎn)生三個或者四個（較少）臨床階段。第一階段，在攝入乙二醇后30 min-12 h內(nèi)，患者可能表現(xiàn)出類似醉酒的癥狀。第二階段為在攝入乙二醇后12-72 h發(fā)生的心肺毒性階段，出現(xiàn)的癥狀包括心動過速、呼吸急促、肺水腫和/或心力衰竭。第三階段為攝入后24-72 h內(nèi)，主要由乙二醇的代謝產(chǎn)物乙醇酸和乙醛酸的積累引起嚴(yán)重酸中毒。乙醛酸進(jìn)一步代謝為草酸，之后形成草酸鈣沉淀在腎臟中，造成腎功能衰竭。乙醇酸和乙醛酸與碳酸氫鹽反應(yīng)，導(dǎo)致體液，特別是血液中的pH值降低。其他神經(jīng)癥狀-對顱神經(jīng)的影響。在攝入后6天或更長時間后可能構(gòu)成第四個臨床階段。神經(jīng)系統(tǒng)的延遲會導(dǎo)致面癱、聽力喪失、腦脊液中蛋白質(zhì)水平升高和雙側(cè)顱神經(jīng)功能障礙。其他神經(jīng)后遺癥包括不等視、視力模糊、吞咽困難、嘔吐、反射亢進(jìn)和脊髓小腦性共濟(jì)失調(diào)。
其他暴露
眼睛接觸乙二醇蒸氣可能會引起刺激，接觸液態(tài)乙二醇可能導(dǎo)致眼瞼和角膜腫脹、結(jié)膜和虹膜腫脹以及結(jié)膜或角膜損傷。人體吸入高濃度乙二醇蒸氣時會導(dǎo)致粘膜和上呼吸道的刺激。當(dāng)暴露在高于80 ppm的乙二醇濃度中會導(dǎo)致嚴(yán)重的呼吸不適和咳嗽。此外，乙二醇還對皮膚具有刺激性。
急救措施
眼睛接觸：立即遠(yuǎn)離暴露源，同時用大量溫水清洗眼睛至少15分鐘（如有隱形眼鏡應(yīng)先取下），并立即就醫(yī)。
皮膚接觸：使用冷水或溫水徹底沖洗受影響的皮膚，同時去除并隔離所有受污染的衣物，還可用肥皂水清洗受影響的皮膚區(qū)域。如果出現(xiàn)發(fā)紅或刺激等癥狀，立即就醫(yī)。
吸入：立即離開污染區(qū)域，并深呼吸新鮮空氣。如果出現(xiàn)喘證、咳嗽、呼吸急促或口腔、喉嚨或胸部灼熱等不適癥狀，立即就醫(yī)。
攝入：立即漱口，不要催吐，確保呼吸通暢，立即就醫(yī)，在醫(yī)生的指導(dǎo)下治療，并監(jiān)測心臟功能，評估低血壓、低血糖、心律異常、呼吸功能下降，電解質(zhì)紊亂等情況。
參考資料 >