Ацетон ( 2-пропанон или диметилкетон ) — органическое соединение с формулой (CH 3 ) 2 CO . [22] Это простейший и наименьший кетон ( >C=O ). Это бесцветная, очень летучая и легковоспламеняющаяся жидкость с характерным резким запахом, очень напоминающим запах грушевых леденцов .
Ацетон смешивается с водой и служит важным органическим растворителем в промышленности, дома и лаборатории. Около 6,7 миллионов тонн было произведено во всем мире в 2010 году, в основном для использования в качестве растворителя и для производства метилметакрилата и бисфенола А , которые являются предшественниками широко используемых пластиков . [23] [24] Это распространенный строительный блок в органической химии . Он служит растворителем в бытовых продуктах, таких как жидкость для снятия лака и разбавитель для краски . Он имеет статус освобождения от летучих органических соединений (ЛОС) в Соединенных Штатах. [25]
Ацетон вырабатывается и выводится из организма человека в ходе нормальных метаболических процессов. Обычно он присутствует в крови и моче. Люди с диабетическим кетоацидозом вырабатывают его в больших количествах. Кетогенные диеты , которые увеличивают количество кетоновых тел (ацетона, β-гидроксимасляной кислоты и ацетоуксусной кислоты ) в крови, используются для борьбы с эпилептическими приступами у детей, страдающих рефрактерной эпилепсией. [26]
С 17-го века и до современных разработок в области номенклатуры органической химии ацетону давали много разных названий. Среди них было «дух Сатурна», которое было дано, когда его считали соединением свинца , а позднее — «пироуксусный спирт» и «пироуксусный эфир». [6]
До того, как название «ацетон» было придумано французским химиком Антуаном Бюсси , его называли «мезит» (от греческого μεσίτης, что означает посредник) Карлом Рейхенбахом , который также утверждал, что метиловый спирт состоит из мезита и этилового спирта . [27] [6] Названия, полученные от мезита, включают мезитилен и оксид мезитила , которые были впервые синтезированы из ацетона.
В отличие от многих соединений с префиксом acet-, которые имеют 2-углеродную цепь, ацетон имеет 3-углеродную цепь. Это вызвало путаницу, поскольку не может быть кетона с 2 атомами углерода. Префикс указывает на связь ацетона с уксусом ( acetum на латыни , также источник слов «кислота» и «уксусный»), а не на его химическую структуру. [28]
Ацетон был впервые получен Андреасом Либавиусом в 1606 году путем перегонки ацетата свинца (II) . [29] [30]
В 1832 году французский химик Жан-Батист Дюма и немецкий химик Юстус фон Либих определили эмпирическую формулу ацетона. [31] [32] В 1833 году французские химики Антуан Бюсси и Мишель Шеврёль решили назвать ацетон, добавив суффикс -он к основе соответствующей кислоты (а именно, уксусной кислоты ), точно так же, как полученный аналогичным образом продукт, который тогда путали с маргариновой кислотой, был назван маргароном. [33] [28] К 1852 году английский химик Александр Уильям Уильямсон понял, что ацетон — это метилацетил ; [ 34] в следующем году французский химик Шарль Фредерик Герхардт согласился с ним. [35] В 1865 году немецкий химик Август Кекуле опубликовал современную структурную формулу ацетона. [36] [37] Иоганн Йозеф Лошмидт представил структуру ацетона в 1861 году, [38] но его частная опубликованная брошюра получила мало внимания. Во время Первой мировой войны Хаим Вейцман разработал процесс промышленного производства ацетона (процесс Вейцмана). [39]
В 2010 году мировые производственные мощности ацетона оценивались в 6,7 млн тонн в год. [40] С 1,56 млн тонн в год, Соединенные Штаты имели самые высокие производственные мощности, [41] за ними следовали Тайвань и Китай . Крупнейшим производителем ацетона является INEOS Phenol , владеющая 17% мировых мощностей, а также значительными мощностями (7–8%) Mitsui , Sunoco и Shell в 2010 году . [40] INEOS Phenol также владеет крупнейшей в мире производственной площадкой (420 000 тонн/год) в Беверене (Бельгия). Спотовая цена ацетона летом 2011 года составляла 1100–1250 долларов США/тонна в Соединенных Штатах. [42]
Ацетон производится напрямую или косвенно из пропена . Примерно 83% ацетона производится посредством кумольного процесса ; [24] в результате производство ацетона связано с производством фенола. В кумольном процессе бензол алкилируется пропиленом для получения кумола , который окисляется воздухом для получения фенола и ацетона:
Другие процессы включают прямое окисление пропилена ( процесс Ваккера-Хёхста ) или гидратацию пропилена с образованием 2-пропанола , который окисляется (дегидрируется) до ацетона. [24]
Ранее ацетон получали методом сухой перегонки ацетатов , например, ацетата кальция при декарбоксилировании кетонов .
После этого, во время Первой мировой войны , ацетон производился с помощью ферментации ацетона-бутанола-этанола с бактериями Clostridium acetobutylicum , которая была разработана Хаимом Вейцманом (впоследствии первым президентом Израиля ) для того, чтобы помочь британским военным усилиям, [24] при получении кордита . [43] Эта ферментация ацетона-бутанола-этанола в конечном итоге была заброшена, когда были найдены новые методы с лучшим выходом. [24]
Температура пламени чистого ацетона составляет 1980 °C. [44]
Как и большинство кетонов, ацетон проявляет кето-енольную таутомерию , в которой номинальная кето- структура (CH 3 ) 2 C=O самого ацетона находится в равновесии с енольным изомером (CH 3 )C(OH)=(CH 2 ) ( проп-1-ен-2-ол ). В парах ацетона при температуре окружающей среды только 2,4 × 10−7 % молекул находятся в енольной форме. [45]
В присутствии подходящих катализаторов две молекулы ацетона также объединяются, образуя соединение диацетонового спирта (CH 3 )C=O(CH 2 )C(OH)(CH 3 ) 2 , которое при дегидратации дает мезитилоксид (CH 3 )C=O(CH)=C(CH 3 ) 2 . Этот продукт может далее объединяться с другой молекулой ацетона, с потерей другой молекулы воды, давая форон и другие соединения. [46]
Ацетон является слабым основанием Льюиса, которое образует аддукты с мягкими кислотами, такими как I 2 , и жесткими кислотами, такими как фенол . Ацетон также образует комплексы с двухвалентными металлами. [47] [48]
Можно было бы ожидать, что ацетон также образует полимеры и (возможно, циклические ) олигомеры двух типов. В одном типе единицы могут быть молекулами ацетона, связанными эфирными мостиками −O−, полученными в результате раскрытия двойной связи, чтобы дать поликеталеподобную (PKA) цепь [−O−C(CH 3 ) 2 −] n . Другой тип может быть получен путем повторной альдольной конденсации с удалением одной молекулы воды на каждом этапе, что дает поли(метилацетиленовую) (PMA) цепь [−CH=C(CH 3 )−] n . [49]
Превращение ацетона в поликеталь (ПКА) было бы аналогично образованию параформальдегида из формальдегида и тритиоацетона из тиоацетона . В 1960 году советские химики заметили, что термодинамика этого процесса неблагоприятна для жидкого ацетона, поэтому он (в отличие от тиоацетона и формола) не должен полимеризоваться спонтанно, даже с катализаторами. Однако они заметили, что термодинамика становится благоприятной для кристаллического твердого ацетона при температуре плавления (−96 °C). Они заявили, что получили такой полимер (белое эластичное твердое вещество, растворимое в ацетоне, стабильное в течение нескольких часов при комнатной температуре) путем осаждения паров ацетона с некоторым количеством магния в качестве катализатора на очень холодную поверхность. [50] В 1962 году Васабуро Каваи сообщил о синтезе похожего продукта из жидкого ацетона, охлажденного до −70 до −78 °C, с использованием н -бутиллития или триэтилалюминия в качестве катализаторов. Он утверждал, что спектр инфракрасного поглощения показал наличие связей −O−, но не групп C=O . [51] Однако позже другие исследователи получили противоречивые результаты. [49]
Полимеры типа ПМА ацетона были бы эквивалентны продукту полимеризации пропина , за исключением концевой кетогруппы. [49]
Люди выдыхают несколько миллиграммов ацетона в день. Он возникает в результате декарбоксилирования ацетоацетата . [52] [53] Небольшие количества ацетона вырабатываются в организме путем декарбоксилирования кетоновых тел . Определенные диетические схемы, включая длительное голодание и диету с высоким содержанием жиров и низким содержанием углеводов, могут вызывать кетоз , при котором ацетон образуется в тканях организма. Определенные состояния здоровья, такие как алкоголизм и диабет, могут вызывать кетоацидоз , неконтролируемый кетоз, который приводит к резкому и потенциально фатальному повышению кислотности крови. Поскольку ацетон является побочным продуктом брожения, он является побочным продуктом ликероводочной промышленности. [52]
Затем ацетон может метаболизироваться либо с помощью CYP2E1 через метилглиоксаль в D -лактат и пируват , и в конечном итоге в глюкозу /энергию, либо другим путем через пропиленгликоль в пируват , лактат , ацетат (пригодный для получения энергии) и пропионовый альдегид . [54] [55] [56]
Около трети мирового ацетона используется в качестве растворителя, а четверть потребляется в виде ацетонциангидрина , предшественника метилметакрилата . [23]
Ацетон является хорошим растворителем для многих пластмасс и некоторых синтетических волокон. Он используется для разбавления полиэфирной смолы , очистки инструментов, используемых с ней, и растворения двухкомпонентных эпоксидных смол и суперклея до того, как они затвердеют. Он используется как один из летучих компонентов некоторых красок и лаков . Как мощный обезжириватель, он полезен при подготовке металла перед покраской или пайкой , а также для удаления канифольного флюса после пайки (для предотвращения прилипания грязи и утечки тока и, возможно, коррозии или по косметическим причинам), хотя он может воздействовать на некоторые электронные компоненты, такие как полистирольные конденсаторы. [57]
Хотя сам по себе он горюч , ацетон широко используется в качестве растворителя для безопасной транспортировки и хранения ацетилена , который не может быть безопасно сжат как чистое соединение. Сосуды, содержащие пористый материал, сначала заполняются ацетоном, а затем ацетиленом, который растворяется в ацетоне. Один литр ацетона может растворить около 250 литров ацетилена при давлении 10 бар (1,0 МПа). [58] [59]
Ацетон используется в фармацевтической промышленности в качестве растворителя и денатурирующего агента в денатурированном спирте . [60] Ацетон также присутствует в качестве вспомогательного вещества в некоторых фармацевтических препаратах . [61] [ требуется обновление ]
Ацетон используется для синтеза метилметакрилата . Он начинается с первоначального превращения ацетона в ацетонциангидрин посредством реакции с цианистым водородом (HCN):
На следующем этапе нитрил гидролизуется до ненасыщенного амида , который этерифицируется :
Третьей основной областью применения ацетона (около 20%) [23] является синтез бисфенола А. Бисфенол А является компонентом многих полимеров, таких как поликарбонаты , полиуретаны и эпоксидные смолы . Синтез включает конденсацию ацетона с фенолом :
Многие миллионы килограммов ацетона расходуются на производство растворителей метилизобутилового спирта и метилизобутилкетона . Эти продукты возникают в результате начальной альдольной конденсации с образованием диацетонового спирта . [24]
Конденсация с ацетиленом дает 2-метилбут-3-ин-2-ол, предшественник синтетических терпенов и терпеноидов . [62]
В различных органических реакциях ацетон используется в качестве полярного , апротонного растворителя . Он имеет решающее значение в окислении Джонса . Поскольку ацетон дешев, летуч и растворяется или разлагается большинством лабораторных химикатов, ополаскивание ацетоном является стандартной техникой для удаления твердых остатков с лабораторной стеклянной посуды перед окончательной мойкой. [63] Несмотря на обычное использование в качестве осушителя , ацетон высыхает только посредством объемного вытеснения и разбавления. Он не образует азеотропов с водой (см. таблицы азеотропов ). [64]
Ацетон замерзает при температуре значительно ниже −78 °C. Смесь ацетона и сухого льда охлаждает многие низкотемпературные реакции. [65]
Под ультрафиолетовым светом ацетон флуоресцирует. Эксперименты с потоком жидкости используют его пары в качестве трассера . [66]
Белки осаждаются в ацетоне. [67] Химическое вещество модифицирует пептиды, как по α- или ε-аминогруппам, так и в плохо изученной, но быстрой модификации определенных остатков глицина. [67]
В патологии ацетон помогает обнаружить лимфатические узлы в жировых тканях (например, брыжейке ) для определения стадии опухоли . [68] Жидкость растворяет жир и делает узлы твердыми, что облегчает их обнаружение. [69]
Ацетон также удаляет некоторые пятна с предметных стекол микроскопа . [70]
Дерматологи используют ацетон со спиртом для лечения акне, чтобы химически отшелушить сухую кожу. Обычные агенты, используемые сегодня для химического пилинга, это салициловая кислота , гликолевая кислота , азелаиновая кислота , 30% салициловая кислота в этаноле и трихлоруксусная кислота (ТХУ). Перед химэксфолиацией кожа очищается и излишки жира удаляются в процессе, называемом обезжириванием. В этом процессе использовались ацетон, гексахлорофен или комбинация этих агентов. [71]
Было показано, что ацетон оказывает противосудорожное действие на животных моделях эпилепсии , при отсутствии токсичности, при введении в миллимолярных концентрациях. [72] Была выдвинута гипотеза, что кетогенная диета с высоким содержанием жиров и низким содержанием углеводов , используемая в клинической практике для контроля резистентной к лекарствам эпилепсии у детей, работает за счет повышения уровня ацетона в мозге. [72] Из-за более высоких энергетических потребностей у детей выработка ацетона выше, чем у большинства взрослых, и чем младше ребенок, тем выше ожидаемая выработка. Это указывает на то, что дети не являются уникально восприимчивыми к воздействию ацетона. Внешние воздействия невелики по сравнению с воздействиями, связанными с кетогенной диетой. [73]
Визажисты используют ацетон для удаления клея с кожи с сеток париков и усов, погружая предмет в ванну с ацетоном, а затем удаляя размягченные остатки клея жесткой щеткой. [74] Ацетон является основным ингредиентом многих средств для снятия лака, поскольку он разрушает лак для ногтей. [75] Он используется для всех типов снятия лака с ногтей, таких как гель-лак, пудра для снятия лака и акриловые ногти. [76]
Ацетон часто используется для паровой полировки артефактов печати на 3D-печатных моделях, напечатанных из АБС-пластика. Техника, называемая сглаживанием в паровой ванне с ацетоном, включает помещение напечатанной детали в герметичную камеру, содержащую небольшое количество ацетона, и нагревание примерно до 80 градусов по Цельсию в течение десяти минут. Это создает пары ацетона в контейнере. Ацетон равномерно конденсируется по всей детали, заставляя поверхность размягчаться и разжижаться. Затем поверхностное натяжение сглаживает полужидкий пластик. Когда деталь извлекается из камеры, компонент ацетона испаряется, оставляя стекловидно-гладкую деталь без полос, узоров и видимых краев слоев, обычных черт необработанных 3D-печатных деталей. [77]
Ацетон эффективно удаляет следы от фломастера со стекла и металлов.
Самым опасным свойством ацетона является его чрезвычайная воспламеняемость. В небольших количествах ацетон горит тусклым синим пламенем ; в больших количествах испарение топлива вызывает неполное сгорание и ярко-желтое пламя . При температуре выше температуры вспышки ацетона −20 °C (−4 °F) воздушные смеси 2,5‑12,8% ацетона (по объему) могут взорваться или вызвать вспышку пламени . Пары могут течь вдоль поверхностей к удаленным источникам возгорания и вспыхивать обратно.
Статический разряд также может воспламенить пары ацетона, хотя ацетон имеет очень высокую энергию инициирования воспламенения, и случайное воспламенение случается редко. [78] Температура самовоспламенения ацетона относительно высока и составляет 465 °C (869 °F); [19] более того, температура самовоспламенения зависит от экспериментальных условий, таких как время воздействия, и была указана как высокая 535 °C. [79] Даже выливание или распыление ацетона на раскаленный докрасна уголь не воспламенит его из-за высокой концентрации паров и охлаждающего эффекта испарения. [78]
Ацетон следует хранить вдали от сильных окислителей, таких как концентрированные смеси азотной и серной кислот . [80] Он также может взорваться при смешивании с хлороформом в присутствии основания. [81] [ необходимо разъяснение ] При окислении без сгорания, например, с перекисью водорода , ацетон может образовывать перекись ацетона , крайне нестабильное первичное взрывчатое вещество . Перекись ацетона может образоваться случайно, например, когда отходы перекиси выливаются в отходы растворителей. [82]
Ацетон естественным образом возникает как часть определенных метаболических процессов в организме человека, и был тщательно изучен, и считается, что он проявляет лишь незначительную токсичность при нормальном использовании. Нет убедительных доказательств хронических последствий для здоровья, если соблюдаются основные меры предосторожности. [83] Общепризнано, что он имеет низкую острую и хроническую токсичность при проглатывании и/или вдыхании. [84] В настоящее время ацетон не считается канцерогеном , мутагеном или вызывает беспокойство в связи с хроническими нейротоксическими эффектами. [78]
Ацетон можно найти в качестве ингредиента в различных потребительских товарах, начиная от косметики и заканчивая обработанными и необработанными продуктами питания. Ацетон был оценен как общепризнанное безопасное (GRAS) вещество, если он присутствует в напитках, выпечке, десертах и консервах в концентрациях от 5 до 8 мг/л. [84]
Однако ацетон является раздражителем, вызывая легкое раздражение кожи и умеренное или сильное раздражение глаз. При высоких концентрациях паров он может подавлять центральную нервную систему , как и многие другие растворители. [85] Острая токсичность для мышей при приеме внутрь (LD 50 ) составляет 3 г/кг, а при вдыхании (LC 50 ) — 44 г/м 3 в течение 4 часов. [86]
Хотя ацетон встречается в природе в растениях, деревьях, вулканических газах, лесных пожарах и как продукт распада жира в организме, [87] большая часть ацетона, выбрасываемого в окружающую среду, имеет промышленное происхождение. [ необходимо разъяснение ] Ацетон быстро испаряется, даже из воды и почвы. Попав в атмосферу, он имеет период полураспада 22 дня и разлагается под воздействием ультрафиолетового света посредством фотолиза (в основном на метан и этан . [88] ) Потребление микроорганизмами способствует рассеиванию ацетона в почве, животных или водных путях. [87]
В 1995 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) исключило ацетон из списка летучих органических соединений . Компании, потребовавшие исключения, утверждали, что это «будет способствовать достижению нескольких важных экологических целей и поддержит усилия EPA по предотвращению загрязнения», и что ацетон может быть использован в качестве замены для нескольких соединений, которые перечислены как опасные загрязнители воздуха (HAP) в соответствии с разделом 112 Закона о чистом воздухе . [89] Принимая свое решение, EPA провело обширный обзор имеющихся данных о токсичности ацетона, который продолжался в течение 2000-х годов. Было установлено, что поддающиеся оценке «данные недостаточны для оценки канцерогенного потенциала ацетона для человека». [9]
30 июля 2015 года ученые сообщили, что после первой посадки посадочного модуля Philae на поверхность кометы 67P измерения с помощью приборов COSAC и Ptolemy выявили шестнадцать органических соединений , четыре из которых были впервые обнаружены на комете, включая ацетамид , ацетон, метилизоцианат и пропионовый альдегид . [90] [91] [92]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )