Ethylene (tên IUPAC: ethene, công thức hóa học: ) là hợp chất hydrocacbon không no đơn giản nhất thuộc dãy đồng đẳng anken. Phân tử ethylene bao gồm hai nguyên tử cacbon liên kết đôi với nhau và bốn nguyên tử hydro đối xứng. Với cấu trúc hóa học đặc thù và tính phản ứng cao, ethylene giữ vị trí trung tâm trong công nghiệp hóa dầu hiện đại với tư cách là khối xây dựng cơ bản (building block) để tổng hợp vô số polyme và hóa chất thứ cấp, đồng thời là một phytohormone dạng khí thiết yếu chi phối sâu sắc vòng đời của thực vật.
Cấu trúc phân tử và tính chất vật lý của Ethylene
Về mặt cấu trúc không gian, cả hai nguyên tử carbon trong phân tử ethylene đều ở trạng thái lai hóa . Mỗi nguyên tử carbon sử dụng ba vân đạo lai hóa để tạo ba liên kết sigma đồng phẳng (một liên kết sigma C-C và hai liên kết sigma C-H) với góc liên kết gần như lý tưởng là 120 độ. Vân đạo p thuần khiết còn lại của mỗi nguyên tử carbon vuông góc với mặt phẳng phân tử xen phủ bên với nhau tạo thành một liên kết pi phân bố đều ở hai phía, hình thành liên kết đôi hoàn chỉnh .
Liên kết đôi C=C có năng lượng liên kết khoảng 614 kJ/mol (trong đó liên kết sigma chiếm khoảng 347 kJ/mol và liên kết pi chiếm khoảng 267 kJ/mol). Sự hiện diện của liên kết pi kém bền và giàu mật độ điện tử khiến ethylene rất dễ tham gia vào các phản ứng cộng ái điện tử (electrophilic addition) và phản ứng trùng hợp chuỗi.
Ở điều kiện tiêu chuẩn về nhiệt độ và áp suất, ethylene là chất khí không màu, có mùi ngọt dịu đặc trưng, khối lượng mol xấp xỉ 28.05 g/mol và nhẹ hơn không khí (tỷ khối so với không khí khoảng 0.97). Nhiệt độ nóng chảy của ethylene là -169.2 độ C và nhiệt độ sôi là -103.7 độ C. Phân tử ethylene không phân cực nên độ hòa tan trong nước rất hạn chế (chỉ khoảng 0.13 g/L ở 25 độ C), nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như diethyl ether, benzen, dicloromethan và ethanol.
Tính chất hóa học và các phản ứng công nghiệp đặc trưng
Do tính bất bão hòa của liên kết đôi, ethylene thể hiện hoạt tính hóa học phong phú thông qua bốn loại phản ứng chính:
- Phản ứng cộng Hydro (Hydrogenation): Khi có mặt xúc tác kim loại chuyển tiếp như Niken, Platin hoặc Palađi ở nhiệt độ khoảng 150 đến 200 độ C, ethylene phản ứng cộng với khí hydro tạo thành alkane tương ứng là ethane:
Phản ứng này tỏa nhiệt mạnh và là mô hình kinh điển để nghiên cứu động học xúc tác dị thể.
- Phản ứng cộng Halogen và Nhận biết: Ethylene phản ứng tức thì với dung dịch nước brom ở nhiệt độ phòng làm mất màu vàng nâu đặc trưng và tạo thành hợp chất 1,2-dibromoethane không màu:
Đây là phản ứng định tính tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm để xác định sự hiện diện của liên kết đôi carbon-carbon trong hợp chất hữu cơ chưa biết.
- Phản ứng Hydrat hóa tạo Ethanol: Trong công nghiệp hóa chất, ethylene được cộng nước trực tiếp ở nhiệt độ cao (250 đến 300 độ C) và áp suất 60 đến 70 atm với xúc tác acid phosphoric (H3PO4) mang trên chất mang silica vô cơ để sản xuất cồn công nghiệp tinh khiết:
- Phản ứng Trùng hợp (Polymerization): Dưới tác dụng của hệ xúc tác dị thể Ziegler-Natta (hỗn hợp TiCl4 và Triethylaluminium) hoặc xúc tác cơ kim metallocene hiện đại ở nhiệt độ và áp suất thích hợp, hàng vạn phân tử monomer ethylene liên kết với nhau tạo thành chuỗi cao phân tử polyethylene (PE). Tùy thuộc vào điều kiện áp suất và cấu trúc nhánh, quy trình này cho ra các dòng vật liệu nhựa thông dụng nhất thế giới như PE tỷ trọng thấp (LDPE), PE tỷ trọng cao (HDPE) và PE mạch thẳng tỷ trọng thấp (LLDPE).
Công nghệ sản xuất Ethylene quy mô công nghiệp
Ethylene được sản xuất với sản lượng hàng trăm triệu tấn mỗi năm trên toàn thế giới, đóng vai trò là thước đo năng lực phát triển công nghiệp hóa chất của mỗi quốc gia. Quy trình thương mại chủ đạo chiếm hơn 90% sản lượng toàn cầu là cracking nhiệt bằng hơi nước (steam cracking) các phân đoạn hydrocacbon.
Tại các khu vực có nguồn tài nguyên khí tự nhiên dồi dào (như Bắc Mỹ và Trung Đông), nguồn nguyên liệu ethane tinh chế từ khí đồng hành được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào chính. Quá trình khử hydro nhiệt phân ethane diễn ra theo phương trình:
Tại các quốc gia công nghiệp hóa ở châu Âu và Đông Á vốn dựa chủ yếu vào dầu mỏ nhập khẩu, phân đoạn naphta lỏng được nạp vào lò cracking nhiệt độ cao (750 đến 875 độ C) với sự hiện diện của hơi nước áp suất cao đóng vai trò chất pha loãng nhằm giảm áp suất riêng phần của hydrocacbon và ức chế sự đóng muội than (coke) trên thành ống lò. Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi lò cracking được làm lạnh cực nhanh (quench) bằng dầu làm nguội và nước để chặn đứng các phản ứng phụ thứ cấp, sau đó đi qua hệ thống tháp chưng cất phân đoạn ở nhiệt độ cực thấp (-100 độ C) để tách riêng dòng ethylene tinh khiết đạt cấp độ polymer (độ tinh khiết > 99.95%).
Sinh lý học thực vật và cơ chế hoạt động của Phytohormone Ethylene
Trong thực vật học, ethylene là phytohormone duy nhất tồn tại ở thể khí, được tổng hợp nội sinh ở hầu hết các mô thực vật (lá, rễ, hoa, quả, mầm) và khuếch tán tự do qua các gian bào. Con đường sinh tổng hợp Yang bắt đầu từ amino acid L-methionine chuyển đổi thành S-adenosyl-L-methionine (SAM) qua enzym SAM synthetase, tiếp tục chuyển thành acid 1-aminocyclopropane-1-carboxylic (ACC) nhờ enzym ACC synthase (ACS - bước giới hạn tốc độ), và cuối cùng ACC oxidase (ACO) oxy hóa ACC tạo thành ethylene giải phóng CO2 và xyanua (sau đó xyanua được giải độc nhanh chóng bởi beta-cyanoalanine synthase).
Ethylene điều hòa một phổ rộng các phản ứng sinh trưởng và thích nghi sinh học:
- Kích hoạt sự chín ở quả có hô hấp đột biến (Climacteric Ripening): Ở các loại trái cây như chuối, xoài, cà chua, bơ và táo, sự gia tăng đột biến nồng độ ethylene khởi phát chuỗi biểu hiện gen mã hóa các enzyme thủy phân vách tế bào (polygalacturonase, pectin lyase) làm mềm quả, enzym chuyển hóa tinh bột thành đường đơn tạo vị ngọt và enzyme tổng hợp các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tạo hương thơm hấp dẫn động vật phát tán hạt giống.
- Quá trình lão hóa và rụng cơ quan (Senescence & Abscission): Ethylene kích thích sự phân giải diệp lục, thoái hóa protein tại lá và cánh hoa già cỗi, đồng thời hoạt hóa các enzyme cellulase tại tầng rời ở cuống lá và cuống quả làm cơ quan rụng khỏi thân cây mẹ.
- Phản ứng ba bước của mầm non (Triple Response): Khi cây mầm gặp vật cản cơ học trong lòng đất, sự tích tụ ethylene ức chế kéo dài thân, làm thân cây dày lên theo chiều ngang và tăng độ cong móc ngọn giúp cây mầm có đủ lực cơ học xuyên qua lớp đất đá trồi lên mặt đất.
- Phản ứng phòng vệ và thích ứng với stress: Tình trạng ngập úng ngập nước làm rễ cây bị yếm khí, kích thích vận chuyển tiền chất ACC lên thân lá để tổng hợp ethylene, từ đó kích hoạt quá trình tự hủy tế bào có kiểm soát (aerenchyma formation) tạo ra các kênh rỗng dẫn khí từ lá xuống rễ nuôi sống cây ngập nước.
Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp, nông nghiệp và an toàn
Trong chuỗi cung ứng nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch, các giải pháp điều tiết ethylene mang lại giá trị kinh tế hàng tỷ USD. Khí 1-methylcyclopropene (1-MCP) được ứng dụng rộng rãi làm chất ức chế thụ thể ethylene cạnh tranh trên màng tế bào, giúp kéo dài thời gian lưu trữ táo, lê và hoa cắt cành trong kho lạnh lên gấp nhiều lần. Ngược lại, tại các trung tâm phân phối hoa quả, các buồng làm chín nhân tạo sử dụng khí ethylene nồng độ thấp (100-1000 ppm) được kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm chính xác giúp làm chín đồng loạt hàng loạt container chuối và xoài theo đúng kế hoạch cung ứng thị trường.
Trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ, ethylene là nguyên liệu đầu vào để sản xuất ethylene oxide (tiền chất của ethylene glycol dùng trong chất chống đông và sợi tổng hợp polyester), vinyl chloride monomer (VCM để sản xuất nhựa xây dựng PVC), ethylbenzene (sản xuất polystyrene) và các chất hoạt động bề mặt ethoxylate. Về mặt an toàn lao động, ethylene là khí dễ bắt cháy với giới hạn cháy nổ trong không khí từ 2.7% đến 36% thể tích, đòi hỏi các quy trình thông gió cưỡng bức, van ngắt tự động chống nổ và thiết bị giám sát nồng độ khí liên tục tại các cơ sở lưu trữ và vận hành.