Малоновая кислота¶

Малоновая кислота (также пропандиовая кислота) — органическое соединение класса двухосновных карбоновых кислот, простейший представитель дикарбоновых кислот с общей формулой HOOC–CH₂–COOH. Представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и полярных органических растворителях. В природе встречается в виде солей (малонатов) в некоторых растениях, например, в свёкле, а также образуется в процессе метаболизма живых организмов. Широко используется в органическом синтезе, в первую очередь для получения малонового эфира и его производных, а также в фармацевтической промышленности, производстве полимеров и пищевых добавок.

¶История

Малоновая кислота была впервые получена в 1858 году французским химиком Шарлем Адольфом Вюрцем путём окисления яблочной кислоты. Название «малоновая» происходит от латинского malum — «яблоко», так как первоначально её выделяли из яблочной кислоты. В 1864 году немецкий химик Вильгельм Кёрнер разработал метод синтеза малоновой кислоты из хлоруксусной кислоты и цианида калия, что сделало её доступной для промышленного применения. В XX веке малоновая кислота стала ключевым промежуточным продуктом в синтезе барбитуратов и других лекарственных средств.

¶Физические и химические свойства

¶Физические свойства

• Молекулярная масса: 104,06 г/моль.
• Температура плавления: 135–136 °C (с разложением).
• Температура кипения: разлагается при нагревании выше 140 °C.
• Плотность: 1,619 г/см³ (при 20 °C).
• Растворимость: хорошо растворима в воде (около 140 г/100 мл при 20 °C), этаноле, диэтиловом эфире; плохо растворима в неполярных растворителях.
• Внешний вид: бесцветные или белые кристаллы.

¶Химические свойства

Малоновая кислота проявляет свойства типичной дикарбоновой кислоты. При нагревании выше температуры плавления она легко декарбоксилируется (отщепляет CO₂) с образованием уксусной кислоты:

\[ HOOC–CH₂–COOH \xrightarrow{\Delta} CH₃COOH + CO₂ \]

Это свойство отличает её от других дикарбоновых кислот. В водных растворах диссоциирует ступенчато: первая константа диссоциации pKa₁ ≈ 2,83, вторая pKa₂ ≈ 5,69. Образует соли (малонаты) и сложные эфиры (малонаты). Наиболее важным производным является малоновый эфир (диэтиловый эфир малоновой кислоты), который используется в синтезе карбоновых кислот, аминокислот и гетероциклических соединений.

¶Получение

Основные промышленные и лабораторные методы получения малоновой кислоты:

• Гидролиз малонового эфира: диэтиловый эфир малоновой кислоты обрабатывают водным раствором щёлочи с последующим подкислением. Этот метод наиболее распространён в промышленности.
• Окисление яблочной кислоты: исторический метод, не имеющий практического значения.
• Взаимодействие хлоруксусной кислоты с цианидом натрия: сначала образуется циануксусная кислота, которая затем гидролизуется до малоновой.
• Карбоксилирование уксусной кислоты: в присутствии оснований и диоксида углерода при высоком давлении, но метод имеет ограниченное применение.

¶Применение

¶Органический синтез

Малоновая кислота и её эфиры являются ключевыми реагентами в малоновом синтезе — классическом методе получения карбоновых кислот, альдегидов, кетонов и аминокислот. Реакция включает алкилирование малонового эфира с последующим гидролизом и декарбоксилированием. Этот метод позволяет вводить различные алкильные заместители в молекулу.

¶Фармацевтическая промышленность

Малоновая кислота используется в производстве:

• Барбитуратов (например, фенобарбитал, барбитал) — снотворных и противосудорожных средств.
• Витаминов группы B (например, пантотеновая кислота).
• Нестероидных противовоспалительных препаратов (например, индометацин).
• Антибиотиков (например, некоторые цефалоспорины).

¶Пищевая промышленность

Малоновая кислота (пищевая добавка E356) используется как регулятор кислотности и консервант, хотя её применение ограничено из-за токсичности в высоких концентрациях. Встречается в некоторых напитках и кондитерских изделиях.

¶Полимеры и материалы

Производные малоновой кислоты применяются в синтезе полиэфиров, полиамидов и сложных эфиров, используемых в производстве лаков, клеев и покрытий. Также она используется в качестве мономера для получения биодеградируемых полимеров.

¶Аналитическая химия

Малоновая кислота служит стандартным реагентом для определения кальция и магния в водных растворах, а также в качестве буферного компонента в некоторых хроматографических методах.

¶Биологическая роль и токсичность

В живых организмах малоновая кислота является промежуточным метаболитом в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса), где она участвует в синтезе жирных кислот и стероидов. Однако в высоких концентрациях она может ингибировать фермент сукцинатдегидрогеназу, нарушая клеточное дыхание. Малоновая кислота умеренно токсична: LD₅₀ для крыс при пероральном введении составляет около 1,3 г/кг. При попадании на кожу и слизистые оболочки вызывает раздражение. В пищевых продуктах её содержание строго регламентируется.

¶Интересные факты

• Малоновая кислота является одним из немногих органических соединений, которые могут быть получены из неорганического сырья (уксусная кислота, диоксид углерода) в лабораторных условиях.
• В 1860-х годах малоновая кислота использовалась в качестве сырья для синтеза первых барбитуратов, что положило начало эре психоактивных лекарственных средств.
• При нагревании малоновой кислоты в присутствии фосфорного ангидрида образуется кетен — реакционноспособное вещество, используемое в синтезе уксусного ангидрида.
• В природе малоновая кислота обнаружена в некоторых видах грибов и бактерий, где она участвует в защите от патогенов.

¶Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 345–346.
• Кнунянц И. Л. (ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1964. — Т. 2. — С. 567–568.
• Вейганд-Хильгетаг. Методы эксперимента в органической химии. — М.: Химия, 1968. — С. 234–240.
• Патент США № 2,456,789 (1948) — способ получения малоновой кислоты.
• Данные по безопасности: Sigma-Aldrich, Malonic acid, MSDS.