Węglan propylenu (4-metylo-1,3-dioksolan-2-on)

Węglan propylenu

Inne nazwy: 1,2-węglan propylenu, 4-metylo-1,3-dioksolan-2-on, cykliczny węglan propano-1,2-diolu, PC
Wzór chemiczny: C₄ H₆ O₃
Masa molowa: 102.09 g/mol
Numer CAS: 108-32-7
Wygląd: Przezroczysta, bezbarwna ciecz
Zapach: Łagodny, charakterystyczny zapach
SMILES: CC1COC(=O)O1

Węglan propylenu jest cyklicznym węglanem organicznym należącym do pięcioczłonowej rodziny 1,3-dioksolan-2-onów. Jego struktura cząsteczkowa zawiera silnie polarną grupę węglanową wbudowaną w układ cykliczny oraz podstawnik metylowy, który tworzy centrum stereogeniczne. Handlowy węglan propylenu jest zwykle dostarczany jako mieszanina racemiczna, chyba że przygotowano określony enancjomer. Połączenie wysokiej polarności cząsteczkowej, znacznej stałej dielektrycznej, niskiej lotności i szerokiego zakresu temperatur stanu ciekłego czyni węglan propylenu ważnym polarnym rozpuszczalnikiem aprotycznym w chemii fizycznej, elektrochemii i nauce o materiałach.

Grupa węglanowa zapewnia silne oddziaływania dipolarne i efektywne solwatowanie wielu jonowych i polarnych gatunków, podczas gdy węglan propylenu nie zawiera donora wiązania wodorowego O–H ani N–H. Te cechy odróżniają go od rozpuszczalników proticznych i są istotne w badaniach solwatacji jonów, przewodnictwa elektrolitów i reakcji elektrochemicznych. Jego właściwości fizykochemiczne badano zatem szeroko w kontekście niewodnych elektrolitów i materiałów do magazynowania energii.

Właściwości chemiczne i fizyczne

Węglan propylenu jest klarowną cieczą w warunkach otoczenia. Doświadczalne dane termofizyczne podają temperaturę topnienia około −49 °C i normalną temperaturę wrzenia bliską 242 °C. Połączenie niskiej temperatury topnienia i względnie wysokiej temperatury wrzenia zapewnia szeroki zakres temperatur fazy ciekłej.

Gęstość węglanu propylenu wynosi około 1.20 g/cm³ w pobliżu temperatury pokojowej. Ma znacznie niższe ciśnienie pary niż wysoko lotne rozpuszczalniki organiczne, co przyczynia się do ograniczenia strat przez odparowanie podczas obsługi i podczas jego użycia jako ośrodka reakcyjnego lub elektrolitowego.

Węglan propylenu ma wysoką względną przenikalność elektryczną, często podawaną około 64 w temperaturze pokojowej. Ta wysoka stała dielektryczna sprzyja dysocjacji i solwatacji wielu gatunków jonowych i jest jedną z głównych przyczyn jego znaczenia jako rozpuszczalnika dla niewodnych układów elektrolitowych.

Cząsteczka jest silnie polarna i posiada znaczny moment dipolowy. Jej atomy tlenu karbonylowego i eterowego mogą działać jako donory par elektronowych i akceptory wiązań wodorowych. W konsekwencji węglan propylenu efektywnie oddziałuje z kationami metali, solami i innymi polarnymi substancjami rozpuszczonymi.

Węglan propylenu jest chemicznie stabilny w wielu zwykłych warunkach przechowywania i przetwarzania, choć grupa węglanowa w pierścieniu może uczestniczyć w reakcjach otwarcia pierścienia i reakcjach nukleofilowych w odpowiednich warunkach katalitycznych lub silnie reaktywnych. Redukcja elektrochemiczna węglanu propylenu jest również ważnym tematem w badaniach baterii, ponieważ jego sposób rozkładu na interfejsach elektrodowych silnie zależy od składu elektrody, formulacji elektrolitu i warunków pracy.

Zastosowania

Węglan propylenu jest szeroko stosowany jako aprotyczny rozpuszczalnik o wysokiej polarności w syntezie chemicznej i przetwórstwie materiałów. Jego wysoka temperatura wrzenia, niska lotność i silna zdolność solwatująca czynią go użytecznym do rozpuszczania polarnych związków organicznych, polimerów i wybranych soli nieorganicznych oraz do prowadzenia reakcji wymagających polarnego, nieprotycznego ośrodka.

Jednym z najintensywniej badanych zastosowań węglanu propylenu jest rola składnika rozpuszczalnikowego w niewodnych elektrolitach. Jego wysoka stała dielektryczna ułatwia dysocjację soli, dzięki czemu nadaje się do formulacji elektrolitów zawierających sole litu i innych metali. Węglan propylenu odegrał w konsekwencji ważną rolę w badaniach podstawowych nad transportem jonów, przewodnictwem elektrolitu, strukturami solwatacyjnymi i interfejsami elektrochemicznymi.

W układach elektrochemicznych opartych na licie węglan propylenu jest szczególnie użyteczny do badania oddziaływań rozpuszczalnik–elektroda oraz formowania stałej międzywarstwy elektrolitowej. Jego kompatybilność silnie zależy od materiału elektrody. Na przykład redukcja elektrochemiczna węglanu propylenu na węglu grafitowym może prowadzić do współinterkalacji rozpuszczalnika i jego rozkładu, podczas gdy odpowiednie materiały elektrodowe, dodatki lub modyfikacje międzyfazowe mogą znacząco zmieniać to zachowanie.

Węglan propylenu jest również stosowany w nauce o polimerach i materiałach jako rozpuszczalnik, ośrodek przetwórczy i składnik uplastyczniający. Jego polarność umożliwia oddziaływanie z różnymi matrycami polimerowymi, a niska lotność może być korzystna, gdy wymagane jest długotrwałe zatrzymanie rozpuszczalnika lub kontrolowane odparowanie.

Funkcjonalność cyklicznego węglanu dodatkowo czyni węglan propylenu użytecznym jako związek modelowy i półprodukt w badaniach chemii węglanów. Reakcje otwarcia pierścienia z nukleofilami oraz przemiany katalityczne cyklicznych węglanów są badane w syntezie organicznej, katalizie i chemii polimerów.

W chemii fizycznej węglan propylenu jest często stosowany jako modelowa ciecz aprotyczna do badań relaksacji dielektrycznej, dynamiki molekularnej, lepkości, dyfuzji, asocjacji jonów i solwatacji. Jego niezwykle szeroki zakres ciekły oraz wyraźne właściwości dielektryczne czynią go szczególnie cennym w badaniach zależnych od temperatury nad transportem molekularnym i jonowym.

Źródła literaturowe

Barthel, J.; Buchner, R.; Münsterer, M. Electrolyte Data Collection, Part 2: Dielectric Properties of Water and Aqueous Electrolyte Solutions. DECHEMA Chemistry Data Series, Frankfurt am Main.

Xu, K. “Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries.” Chemical Reviews, 2004, 104, 4303–4418. DOI: 10.1021/cr030203g.

Xu, K. “Electrolytes and Interphases in Li-Ion Batteries and Beyond.” Chemical Reviews, 2014, 114, 11503–11618. DOI: 10.1021/cr500003w.

Aurbach, D.; Ein-Eli, Y.; Chusid, O.; Carmeli, Y.; Babai, M.; Yamin, H. “The Correlation Between the Surface Chemistry and the Performance of Li-Carbon Intercalation Anodes for Rechargeable ‘Rocking-Chair’ Type Batteries.” Journal of The Electrochemical Society, 1994, 141, 603–611. DOI: 10.1149/1.2054782.

National Institute of Standards and Technology. NIST Chemistry WebBook, SRD 69. Propylene carbonate, CAS Registry Number 108-32-7.

National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 7924, Propylene Carbonate. PubChem, U.S. National Library of Medicine.