Пропионовая кислота

Пропионовая кислота (систематическое название: пропановая кислота) — это органическое соединение, относящееся к классу предельных одноосновных карбоновых кислот. Представляет собой бесцветную жидкость с резким неприятным запахом, смешивается с водой и большинством органических растворителей. Химическая формула — C₂H₅COOH (CH₃CH₂COOH). В природе встречается в небольших количествах в некоторых растениях и образуется в процессе метаболизма ряда микроорганизмов. Пропионовая кислота и её соли (пропионаты) широко используются в пищевой промышленности в качестве консервантов, а также в производстве пластмасс, гербицидов и фармацевтических препаратов.

История

Впервые пропионовая кислота была описана в 1844 году немецким химиком Иоганном Готлибом Гмелином, который обнаружил её среди продуктов окисления сахара. Название происходит от греческих слов «protos» (первый) и «pion» (жир), поскольку эта кислота является наименьшей из карбоновых кислот, обладающих жирными свойствами (то есть не смешивающихся с водой в неограниченных количествах — хотя на самом деле пропионовая кислота смешивается с водой, название отражает историческую классификацию). В 1847 году французский химик Жан-Батист Дюма получил пропионовую кислоту синтетическим путём. Промышленное производство началось в конце XIX века, когда были разработаны методы её получения из нефтяного сырья.

Физические свойства

Пропионовая кислота — бесцветная, маслянистая жидкость с характерным резким, неприятным запахом, напоминающим запах прогорклого масла. Основные физические константы:

• Молярная масса: 74,08 г/моль
• Температура плавления: −20,5 °C
• Температура кипения: 141,1 °C
• Плотность: 0,993 г/см³ (при 20 °C)
• Растворимость в воде: неограниченная (смешивается в любых пропорциях)
• Растворимость в органических растворителях: хорошо растворяется в этаноле, диэтиловом эфире, хлороформе
• Константа диссоциации (pKa): 4,87 (при 25 °C)

Химические свойства

Пропионовая кислота проявляет типичные свойства карбоновых кислот. Вступает в реакции:

• Образование солей (пропионатов): при взаимодействии с основаниями, например, с гидроксидом натрия образует пропионат натрия (CH₃CH₂COONa).
• Этерификация: с образованием сложных эфиров (пропионатов), например, с метанолом образует метилпропионат.
• Галогенирование: в присутствии катализаторов (например, красного фосфора) происходит замещение водорода в α-положении на галоген.
• Восстановление: до пропанола-1 (с помощью алюмогидрида лития).
• Декарбоксилирование: при нагревании с щелочами образует этан и углекислый газ.

Получение

Промышленные методы

Основным промышленным способом получения пропионовой кислоты является жидкофазное окисление пропана или бутана кислородом воздуха в присутствии катализаторов (например, солей кобальта или марганца). Процесс ведут при температуре 150–200 °C и давлении 10–20 атм. Выход пропионовой кислоты составляет около 30–40% от массы исходного сырья, побочными продуктами являются уксусная, масляная и другие кислоты.

Другой промышленный метод — карбонилирование этилена (реакция Реппе): этилен, оксид углерода(II) и вода реагируют в присутствии катализатора (никеля, кобальта или родия) при температуре 250–300 °C и давлении 200–300 атм. Этот метод более селективен и позволяет получать пропионовую кислоту с выходом до 90%.

Лабораторные методы

В лабораторных условиях пропионовую кислоту получают:

• Окислением пропанола-1 или пропаналя сильными окислителями (например, хромовой смесью).
• Гидролизом пропионитрила (CH₃CH₂CN) в кислой или щелочной среде.
• Реакцией Гриньяра: взаимодействие этилмагнийбромида с углекислым газом с последующим подкислением.

Применение

Пищевая промышленность

Пропионовая кислота и её соли (пропионаты натрия, кальция, калия) используются в качестве консервантов (пищевые добавки E280–E283). Они эффективно подавляют рост плесневых грибов и некоторых бактерий, особенно в хлебобулочных и кондитерских изделиях, сырах, мясных продуктах. Пропионаты добавляют в корма для животных для предотвращения заплесневения. В России и ЕС пропионовая кислота и её соли разрешены к применению в пищевых продуктах.

Производство пластмасс и полимеров

Пропионовая кислота является сырьём для получения:

• Целлюлозы ацетатпропионата — термопластичного полимера, используемого для изготовления плёнок, линз, ручек, игрушек.
• Поливинилпропионата — применяется в производстве лаков, клеёв, покрытий.
• Сложных эфиров — используются как растворители, пластификаторы, ароматизаторы.

Сельское хозяйство

Пропионовая кислота и её соли применяются в качестве гербицидов и фунгицидов. Например, пропионат натрия используется для обработки зерна и кормов против плесени. Некоторые производные пропионовой кислоты (например, 2,4-дихлорфеноксипропионовая кислота) входят в состав гербицидов.

Фармацевтика и медицина

Пропионовая кислота используется в синтезе лекарственных средств, в том числе:

• Нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП): ибупрофен, напроксен, кетопрофен — все они являются производными пропионовой кислоты.
• Антибиотиков: некоторые производные (например, пропионат эритромицина) используются для улучшения всасывания и пролонгирования действия.
• Витаминов: в синтезе витамина B₁ (тиамина).

Другие области

Пропионовая кислота применяется:

• В производстве ароматизаторов (например, этилпропионат — запах рома).
• В качестве растворителя для некоторых лаков и красок.
• В аналитической химии как реагент.

Биологическая роль и токсикология

В природе пропионовая кислота образуется в результате метаболизма некоторых бактерий (например, Propionibacterium freudenreichii) в процессе брожения. Она содержится в небольших количествах в сыре, особенно в швейцарском, где придаёт ему характерный вкус и аромат. В организме человека пропионовая кислота является промежуточным продуктом обмена жирных кислот и аминокислот.

Токсичность

Пропионовая кислота относится к веществам умеренно опасным (3-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76). При вдыхании паров вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей. При попадании на кожу — химические ожоги. При приёме внутрь в больших дозах может вызывать тошноту, рвоту, боли в животе. ПДК в воздухе рабочей зоны — 20 мг/м³. ЛД50 для крыс при пероральном введении — около 2600 мг/кг.

Экологические аспекты

Пропионовая кислота легко подвергается биологическому разложению в почве и воде под действием микроорганизмов. В атмосфере она разлагается под действием гидроксильных радикалов (время полураспада — около 10 дней). При попадании в водоёмы может вызывать снижение pH, что негативно сказывается на водных организмах. В целом, пропионовая кислота не считается стойким загрязнителем окружающей среды.

Интересные факты

• Пропионовая кислота является одним из компонентов, ответственных за запах человеческого пота, особенно в подмышечных впадинах, где она образуется в результате метаболизма бактерий.
• В сыроделии пропионовокислое брожение используется для получения характерного вкуса и «глазков» в швейцарском сыре.
• Пропионат натрия используется в качестве консерванта в хлебобулочных изделиях, чтобы предотвратить появление плесени, что особенно важно для хранения хлеба в упаковке.

Источники

• Химическая энциклопедия. Том 4. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.
• Кнунянц И. Л. (ред.) Краткая химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1965.
• ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».
• Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley-VCH, 2005.
• Справочник химика. Том 2. — Л.: Химия, 1971.