Ацетальдегид

Ацетальдегид (систематическое название этанал) представляет собой органическое химическое соединение с формулой CH3CHO, иногда сокращенно называемое MeCHO (Me = метил). Это один из наиболее важных альдегидов, широко распространенных в природе и производимых в промышленных масштабах. Ацетальдегид встречается в кофе, хлебе и спелых фруктах и производится растениями. Вещество также производится путем частичного окисления этанола ферментом печени алкогольдегидрогеназой, и является причиной похмелья после употребления алкоголя. Пути воздействия на организм включают воздух, воду, землю или грунтовые воды, а также алкоголь и курение. Потребление дисульфирама ингибирует ацетальдегиддегидрогеназу, фермент, ответственный за метаболизм ацетальдегида, тем самым вызывая его накопление в организме.

Международное агентство по исследованию рака (IARC) включило ацетальдегид в группу 1 канцерогенов. Ацетальдегид является «одним из наиболее часто встречающихся токсинов воздуха с риском рака более одного на миллион». ¹⁾

Впервые ацетальдегид был обнаружен шведским фармацевтом / химиком Карлом Вильгельмом Шееле (1774); затем его исследовали французские химики Антуан Франсуа, граф де Фуркруа и Луи Николя Воклен (1800), и немецкие химики Иоганн Вольфганг Доберейнер (1821, 1822, 1832) и Юстус фон Либих (1835). В 1835 году Либих назвал его «альдегидом», позднее название было изменено на «ацетальдегид» ²⁾.

В 2003 году мировое производство ацетальдегида составило около 1 миллиона тонн. До 1962 года этанол и ацетилен были основными источниками ацетальдегида. С тех пор этилен является доминирующим сырьем. ³⁾ Основным методом производства является окисление этилена в процессе Вакера, который включает окисление этилена с использованием гомогенной системы палладий / медь: 2 CH2 = CH2 + O2 → 2 CH3CHO В 1970-х годах мировая производительность процесса прямого окисления Wacker-Hoechst превышала 2 миллиона тонн в год. Меньшие количества могут быть получены путем частичного окисления этанола в экзотермической реакции. Этот процесс обычно проводится на серебряном катализаторе при температуре около 500–650 °C. CH3CH2OH + 1⁄2O2 → CH3CHO + H2O Этот метод является одним из старейших способов промышленного получения ацетальдегида.

До процесса Вакера и доступности дешевого этилена, ацетальдегид производился путем гидратации ацетилена. Эта реакция катализируется солями ртути (II): C2H2 + Hg2 + + H2O → CH3CHO + Hg Механизм включает промежуточный виниловый спирт, который таутомеризуется в ацетальдегид. Реакцию проводят при 90–95 ° С, а образовавшийся ацетальдегид отделяют от воды и ртути и охлаждают до 25–30 ° С. В процессе мокрого окисления, сульфат железа (III) используется для повторного окисления ртути обратно в соль ртути (II). Полученный сульфат железа (II) окисляется в отдельном реакторе азотной кислотой.

Традиционно ацетальдегид получают частичным дегидрированием этанола: CH3CH2OH → CH3CHO + H2 В этом эндотермическом процессе пары этанола пропускаются при температуре 260–290 ° C через катализатор на основе меди. Этот процесс когда-то был привлекателен из-за ценности побочного продукта водорода, но в наше время экономически невыгоден.

Гидроформилирование метанола с помощью катализаторов, таких как соли кобальта, никеля или железа, также приводит к получению ацетальдегида, хотя этот процесс не имеет промышленного значения. Ацетальдегид образуется из синтез-газа с небольшой селективностью.

Как и многие другие карбонильные соединения, ацетальдегид таутомеризуется с образованием энола (винилового спирта; название IUPAC: этенол): CH3CH = O⇌CH2 = CHOH ∆H298, г = +42,7 кДж / моль Константа равновесия составляет 6×10−7 при комнатной температуре, поэтому относительное количество энольной формы в образце ацетальдегида очень мало. ⁴⁾ При комнатной температуре ацетальдегид (CH3CH = O) более стабилен, чем виниловый спирт (CH2 = CHOH), на 42,7 кДж / моль: В целом, кето-энольная таутомеризация происходит медленно, но катализируется кислотами. Фотоиндуцированная таутомеризация кето-энола является жизнеспособной в атмосферных или стратосферных условиях. Эта фототавтомеризация имеет отношение к атмосфере Земли, поскольку считается, что виниловый спирт является предшественником карбоновых кислот в атмосфере.

Ацетальдегид является распространенным электрофилом в органическом синтезе. ⁵⁾ В реакциях конденсации, ацетальдегид является прохиральным. Он используется главным образом в качестве источника синтона «CH3C + H (OH)» в альдоле и связанных с ним реакциях конденсации. Реагенты Гриньяра и литийорганические соединения реагируют с MeCHO с образованием гидроксиэтильных производных. В одной из наиболее впечатляющих реакций конденсации, три эквивалента формальдегида добавляют к MeCHO с получением пентаэритрита, C (CH2OH) 4. В реакции Штрекера ацетальдегид конденсируется с цианидом и аммиаком, давая после гидролиза аминокислоту аланин. Ацетальдегид может конденсироваться с аминами с образованием иминов; например, с циклогексиламином с получением N-этилиденциклогексиламина. Эти имины могут быть использованы для направления последующих реакций, таких как альдольная конденсация. Это вещество также является строительным блоком в синтезе гетероциклических соединений. В одном примере он превращается после обработки аммиаком в 5-этил-2-метилпиридин («альдегид-коллидин»). ⁶⁾

Три молекулы ацетальдегида конденсируются с образованием «паральдегида», циклического тримера, содержащего простые связи C-O. Аналогичным образом, конденсация четырех молекул ацетальдегида дает циклическую молекулу метальдегида. Паральдегид может быть получен с хорошим выходом с использованием сернокислотного катализатора. Метальдегид получают только с выходом в несколько процентов и при охлаждении, часто с использованием HBr вместо H2SO4 в качестве катализатора. При температуре -40 °C в присутствии кислотных катализаторов образуется полиацетальдегид. Ацетальдегид образует стабильный ацеталь при реакции с этанолом в условиях, благоприятствующих дегидратации. Продукт CH3CH (OCH2CH3) 2 формально называют 1,1-диэтоксиэтаном, но обычно называют «ацеталем». Это может привести к путанице, так как «ацеталь» чаще используется для описания соединений с функциональными группами RCH (OR ') 2 или RR'C (OR' ') 2, а не для ссылки на это конкретное соединение - фактически 1,1-диэтоксиэтан также описывается как диэтилацеталь ацетальдегида.

Ацетальдегид является предшественником винилфосфоновой кислоты, которая используется для изготовления клеев и ионопроводящих мембран. Последовательность синтеза начинается с реакции с трихлоридом фосфора: ⁷⁾

• PCl3 + CH3CHO → CH3CH (O-) PCl3 +
• CH3CH (O-) PCl3 + + 2 CH3CO2H → CH3CH (Cl) PO (OH) 2 + 2 CH3COCl
• CH3CH (Cl) PO (OH) 2 → CH2 = CHPO (OH) 2 + HCl

В печени фермент алкогольдегидрогеназа окисляет этанол в ацетальдегид, который затем дополнительно окисляется в безвредную уксусную кислоту ацетальдегиддегидрогеназой. Эти две реакции окисления связаны с восстановлением NAD + до NADH. В головном мозге, фермент каталаза в основном отвечает за окисление этанола в ацетальдегид, а алкогольдегидрогеназа играет незначительную роль. Последние стадии алкогольной ферментации у бактерий, растений и дрожжей включают превращение пирувата в ацетальдегид и диоксид углерода ферментом пируватдекарбоксилазой с последующим превращением ацетальдегида в этанол. Последняя реакция снова катализируется алкогольдегидрогеназой, которая работает в обратном направлении.

Традиционно ацетальдегид использовали, в основном, в качестве предшественника уксусной кислоты. Этот метод больше не используется, потому что уксусная кислота более эффективно производится из метанола в процессах Monsanto и Cativa. Ацетальдегид является важным предшественником производных пиридина, пентаэритрита и кротонового альдегида. Мочевина и ацетальдегид образуют полезную смолу. Уксусный ангидрид реагирует с ацетальдегидом с образованием этилидендиацетата, предшественника винилацетата, который используется для производства поливинилацетата. Мировой рынок ацетальдегида сокращается. На спрос повлияли изменения в производстве пластификаторов, которые сместились из-за того, что н-бутиральдегид реже производится из ацетальдегида, а не образуется при гидроформилировании пропилена. Аналогично, уксусная кислота, однажды произведенная из ацетальдегида, производится преимущественно с помощью более дешевого процесса карбонилирования метанола. Влияние на спрос привело к росту цен и, следовательно, замедлению процессов на рынке. Китай является крупнейшим потребителем ацетальдегида в мире, на его долю пришлось почти половина мирового потребления в 2012 году. Основное использование - производство уксусной кислоты. Ожидается, что другие области применения, такие как пиридины и пентаэритритол, будут расти быстрее, чем уксусная кислота, но объемы не достаточно велики, чтобы компенсировать снижение уксусной кислоты. Как следствие, общее потребление ацетальдегида в Китае может немного вырасти до 1,6% в год до 2018 года. Западная Европа является вторым по величине потребителем ацетальдегида в мире, на долю которого приходится 20% мирового потребления в 2012 году. Как и в случае с Китаем, западноевропейский рынок ацетальдегида будет расти очень незначительно - 1% в год в течение 2012–2018 гг. Однако, Япония может стать потенциальным потребителем ацетальдегида в течение следующих пяти лет из-за нового использования в промышленном производстве бутадиена. Поставки бутадиена были нестабильными в Японии и в остальной части Азии. Это должно обеспечить столь необходимый стимул для вялого рынка с 2013 года. ⁸⁾

Пороговое предельное значение составляет 25 частей на миллион (STEL / потолочное значение), а MAK (максимальная концентрация на рабочем месте) составляет 50 частей на миллион. При 50 ч / млн ацетальдегида не наблюдается раздражения или локального повреждения ткани слизистой оболочки носа. При поглощении организмом, ацетальдегид быстро метаболизируется в печени до уксусной кислоты. Лишь небольшая часть выдыхается без изменений. После внутривенного введения период полураспада в крови составляет приблизительно 90 секунд.

Ацетальдегид токсичен при наружном применении в течение длительного времени, является раздражителем и вероятным канцерогеном. Ацетальдегид естественным образом разрушается в организме человека, но было показано, что он выделяется с мочой крыс.

Ацетальдегид является раздражителем кожи, глаз, слизистых оболочек, горла и дыхательных путей. Это происходит при концентрациях до 1000 чнм. Симптомы воздействия этого соединения включают тошноту, рвоту и головную боль. Эти симптомы могут возникнуть не сразу. Порог восприятия ацетальдегида в воздухе находится в диапазоне от 0,07 до 0,25 ч / млн. При таких концентрациях, очевиден фруктовый запах ацетальдегида. Раздражения конъюнктивы наблюдались после 15-минутного воздействия концентраций 25 и 50 частей на миллион, но о переходном конъюнктивите и раздражении дыхательных путей сообщалось после воздействия 200 частей на миллион ацетальдегида в течение 15 минут. Вещество обладает общим наркотическим действием, и большие дозы могут даже привести к смерти от дыхательного паралича. Ацетальдегид также может вызывать сонливость, бред, галлюцинации и потерю интеллектуальных способностей. Воздействие может также вызывать серьезные повреждения рта, горла и желудка; скопление жидкости в легких, хронические респираторные заболевания, повреждение почек и печени, раздражение горла, головокружение, покраснение и отек кожи.

Ацетальдегид является канцерогенным для человека. ⁹⁾ В 1988 году Международное агентство по исследованию рака заявило: «Существует достаточно доказательств канцерогенности ацетальдегида (основного метаболита этанола) у экспериментальных животных». В октябре 2009 года Международное агентство по исследованию рака обновило классификацию ацетальдегида, и заявило, что ацетальдегид, включенный и выработанный эндогенно из алкогольных напитков, является канцерогеном I группы для людей. Кроме того, ацетальдегид повреждает ДНК и вызывает ненормальное развитие мышц, поскольку он связывается с белками. ¹⁰⁾

Люди с генетическим дефицитом фермента, ответственного за превращение ацетальдегида в уксусную кислоту, могут иметь больший риск болезни Альцгеймера. «Эти результаты показывают, что дефицит ALDH2 является фактором риска для болезни Альцгеймера с поздним началом…» ¹¹⁾

Исследование 818 пьющих алкоголиков показало, что люди, подвергающиеся воздействию большего количества ацетальдегида, чем обычно, из-за дефекта в гене ацетальдегиддегидрогеназы, подвержены большему риску развития рака верхних отделов желудочно-кишечного тракта и печени.

Препарат дисульфирам (антабус) предотвращает окисление ацетальдегида в уксусную кислоту. Антабус иногда используется как средство лечения для алкоголиков, желающих оставаться трезвыми.

Ацетальдегид является потенциальным загрязнителем на рабочем месте, в помещении и окружающей среде. Более того, большинство людей проводят более 90% своего времени в помещениях, увеличивая воздействие и риск для здоровья. Во французском исследовании, средняя концентрация ацетальдегидов в помещении, измеренная в 16 домах, была примерно в семь раз выше, чем концентрация наружного ацетальдегида. В гостиной было в среднем 18,1 ± 17,5 мкг м-3, а в спальне - 18,2 ± 16,9 мкг м-3 ацетальдегида, тогда как наружный воздух содержал среднюю концентрацию 2,3 ± 2,6 мкг м-3. Был сделан вывод, что летучие органические соединения (ЛОС), такие как бензол, формальдегид, ацетальдегид, толуол и ксилолы, должны рассматриваться в качестве приоритетных загрязнителей с точки зрения их воздействия на здоровье. Было отмечено, что в отремонтированных или полностью новых зданиях концентрации ЛОС часто на несколько порядков выше. Основными источниками ацетальдегидов в домах являются строительные материалы, ламинат, линолеум, деревянные лакированные и пробковые / сосновые полы. Он также встречается в пластиковых водоэмульсионных и матовых эмульсионных красках, в деревянных потолках, а также в мебели из дерева, ДСП, фанеры сосны. ¹²⁾

Использование ацетальдегида широко распространено в различных отраслях промышленности, и возможны его сбросы в сточные воды или воздух при производстве, использовании, транспортировке и хранении. Источники ацетальдегида включают выбросы от сжигания топлива от стационарных двигателей внутреннего сгорания и электростанций, которые сжигают ископаемое топливо, древесину или мусор, от добычи нефти и газа, нефтеперерабатывающих заводов, цементных печей, лесозаготовительных и лесоперерабатывающих заводов и бумажных фабрик. Ацетальдегид также присутствует в выхлопных газах автомобилей и дизельных двигателей. В результате, ацетальдегид является «одним из наиболее часто встречающихся авиационных ядов с риском рака более одного на миллион».

Было показано, что природные полисахариды табака, включая целлюлозу, являются основными прекурсорами, делающими ацетальдегид важной составляющей табачного дыма. ¹³⁾ Было продемонстрировано, что ацетальдегид обладает синергетическим эффектом с никотином в исследованиях зависимости на грызунах. Ацетальдегид также является наиболее распространенным канцерогеном в табачном дыме; он растворяется в слюне во время курения.

Ацетальдегид был обнаружен в дыму каннабиса. Это открытие стало возможным благодаря использованию новых химических методов, которые продемонстрировали, что присутствующий ацетальдегид вызывает повреждение ДНК в лабораторных условиях.

Многие микробы производят ацетальдегид из этанола, но они имеют меньшую способность расщеплять ацетальдегид, что может привести к накоплению ацетальдегида в слюне, желудочной кислоте и кишечном содержимом. Ферментированная пища и многие алкогольные напитки также могут содержать значительные количества ацетальдегида. По-видимому, ацетальдегид, полученный в результате окисления этанола, табачного дыма и диеты, в слизистой оболочке или микробами, действует как кумулятивный канцероген в верхних отделах пищеварительного тракта человека. По мнению Научного комитета Европейской комиссии по безопасности потребителей (SCCS) «Мнение об ацетальдегиде» (2012), предел особого риска для косметических средств составляет 5 мг / л, и ацетальдегид не должен использоваться в средствах для полоскания рта. ¹⁴⁾

Ацетальдегид также образуется в результате термического разложения или ультрафиолетового фотодеградации некоторых термопластичных полимеров во время или после изготовления. Один распространенный пример - если оставить бутылку воды в машине без кондиционера на несколько часов в жаркий солнечный день, можно заметить странный сладкий вкус воды после разрушения контейнера из полиэтилентерефталата (PETE). Водная промышленность обычно признает 20-40 частей на миллиард в качестве порога вкуса / запаха для ацетальдегида. Уровень, при котором средний потребитель может обнаружить ацетальдегид, все еще значительно ниже, чем любая токсичность. ¹⁵⁾

Было показано, что у пациентов с потенциально канцерогенными заболеваниями полости рта Candida albicans продуцирует ацетальдегид в количествах, достаточных для возникновения проблем.

:Tags