Морфолин

Морфолин — это гетероциклическое органическое соединение, относящееся к классу оксазанов. Представляет собой шестичленный цикл, содержащий один атом кислорода и один атом азота. Морфолин представляет собой бесцветную подвижную жидкость с характерным аммиачным запахом, смешивается с водой и большинством органических растворителей. В промышленности используется как промежуточный продукт в органическом синтезе, растворитель, ингибитор коррозии и эмульгатор.

Химические свойства и строение

Морфолин (C₄H₉NO, молярная масса 87,12 г/моль) имеет циклическую структуру, в которой атомы кислорода и азота находятся в пара-положении друг к другу. Благодаря наличию аминогруппы, морфолин проявляет свойства вторичного амина: он способен вступать в реакции алкилирования, ацилирования, а также образовывать соли с кислотами. Атом кислорода придаёт соединению эфирные свойства, обеспечивая растворимость в неполярных средах.

Основные физические свойства:

• Температура кипения: 128,9 °C
• Температура плавления: −4,9 °C
• Плотность: 1,007 г/см³ (при 20 °C)
• Показатель преломления: 1,4545
• Растворимость в воде: неограниченная
• Температура вспышки: 35 °C (в закрытом тигле)

Морфолин является слабым основанием (pKa = 8,36), что позволяет ему образовывать стабильные соли с минеральными и органическими кислотами. В водных растворах он проявляет амфотерные свойства, хотя основные свойства преобладают. При взаимодействии с окислителями, особенно с сильными, морфолин может образовывать взрывоопасные смеси.

История

Впервые морфолин был синтезирован в 1889 году немецким химиком Людвигом Кнорром (Ludwig Knorr) при попытке получить производные пиридина. Кнорр нагревал диэтаноламин с концентрированной серной кислотой, что привело к дегидратации и циклизации с образованием морфолина. Однако промышленное значение соединение приобрело лишь в середине XX века, когда были разработаны эффективные методы его синтеза из оксида этилена и аммиака или аминов.

В СССР и России морфолин производился с 1950-х годов на предприятиях химической промышленности, в частности на Новомосковском химкомбинате и других заводах органического синтеза. Основным потребителем была лакокрасочная промышленность, а также производство ингибиторов коррозии для тепловых сетей и нефтегазового оборудования.

Получение

Основные промышленные способы синтеза морфолина:

1. Реакция оксида этилена с аммиаком (или моноэтаноламином) в присутствии катализаторов (оксиды алюминия, кремния, цеолиты). Процесс ведётся при температуре 200–300 °C и давлении 10–30 МПа. Выход морфолина составляет 60–80%, побочными продуктами являются диэтаноламин и триэтаноламин.

1. Дегидратация диэтаноламина в присутствии серной кислоты или фосфорной кислоты. Этот метод используется в лабораторных условиях и на малотоннажных производствах.

1. Каталитический синтез из диэтиленгликоля и аммиака при температуре 250–350 °C на никелевых или медных катализаторах. Метод позволяет получать морфолин с высокой чистотой.

В лабораторных условиях морфолин может быть получен также восстановлением нитрозоморфолина или циклизацией N-замещённых этаноламинов.

Применение

Растворитель и эмульгатор

Морфолин является эффективным растворителем для многих органических веществ, включая целлюлозу, каучуки, смолы и воски. В производстве лаков и красок он используется как компонент для растворения нитроцеллюлозы и алкидных смол. Благодаря способности смешиваться как с водой, так и с маслами, морфолин применяется как эмульгатор в рецептурах эмульсионных красок, полиролей и чистящих средств.

Ингибитор коррозии

Одно из наиболее массовых применений морфолина — в качестве ингибитора коррозии в системах отопления, паровых котлах и тепловых сетях. Морфолин нейтрализует углекислый газ, растворённый в конденсате, и создаёт защитную плёнку на металлических поверхностях. Он летуч, поэтому может защищать не только заполненные водой участки, но и паровые пространства. В России и странах СНГ морфолин широко используется в тепловых сетях и на ТЭЦ.

Органический синтез

Морфолин является важным полупродуктом в синтезе:

• Фармацевтических препаратов (например, морфолиновые производные используются в составе антибиотиков, противовирусных и противогрибковых средств, а также в синтезе анальгетиков — линезолид, морфолиноэтилрутин).
• Пестицидов (фунгициды, гербициды, инсектициды).
• Полимеров (катализаторы в производстве полиуретанов, эпоксидных смол).
• Красителей и оптических отбеливателей.

Прочие применения

• В фотографии — как компонент проявителей.
• В производстве резины — как ускоритель вулканизации.
• В аналитической химии — как буферный компонент (морфолиновые буферы).
• В косметике — как эмульгатор и стабилизатор pH в кремах и шампунях.

Безопасность и токсикология

Морфолин относится к умеренно опасным веществам (3-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76). Он обладает раздражающим действием на кожу, слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При вдыхании паров может вызывать головную боль, тошноту, кашель и отёк лёгких при длительном воздействии. В высоких концентрациях морфолин оказывает наркотическое действие.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м³. При попадании на кожу вызывает химические ожоги, поэтому при работе с морфолином необходимо использовать защитные перчатки, очки и респираторы. Морфолин легко воспламеняется, его пары образуют взрывоопасные смеси с воздухом в диапазоне концентраций 1,8–10,8% по объёму.

При утилизации морфолин и его отходы должны обезвреживаться методами химического окисления или сжигания. В окружающей среде морфолин разлагается микроорганизмами, но может накапливаться в водных объектах при неконтролируемых выбросах.

Интересные факты

• Морфолин является одним из немногих гетероциклических соединений, которое одновременно содержит атомы кислорода и азота в насыщенном цикле.
• В 1950-х годах морфолин использовался в качестве компонента ракетного топлива (в смеси с гидразином), но из-за высокой токсичности и коррозионной активности был заменён на другие соединения.
• В пищевой промышленности морфолин не применяется, однако его производные (например, морфолиновые соли жирных кислот) могут использоваться как эмульгаторы в некоторых странах (ЕС — разрешён, в РФ — не разрешён для пищевых целей).

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 3.
• Кнунянц И. Л. и др. Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1964.
• ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
• Справочник химика / под ред. Б. П. Никольского. — М.: Химия, 1966.
• Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley-VCH, 2003. — Vol. 23.