Муравьиная кислота (от латинского formica « муравей »), систематически называемая метановой кислотой , является простейшей карбоновой кислотой и имеет химическую формулу HCOOH и структуру H-C(=O)-O-H . Это важный промежуточный продукт химического синтеза , который встречается в природе, особенно у некоторых муравьев. Эфиры , соли и анионы, производные муравьиной кислоты, называются формиатами . В промышленности муравьиную кислоту производят из метанола . [5]
В природе муравьиная кислота встречается у большинства муравьев и у безжалостных пчел рода Oxytrigona . [6] [7] Древесные муравьи из рода Formica могут распылять муравьиную кислоту на свою добычу или защищать гнездо. Гусеница мотылька ( Cerura vinula ) также распыляет его, когда ему угрожают хищники. Он также содержится в трихомах крапивы двудомной ( Urtica dioica ). Кроме того, эта кислота содержится во многих фруктах, таких как ананас (0,21мг на 100г), яблоке (2мг на 100г) и киви (1мг на 100г), а также во многих овощах, а именно луке (45мг на 100г), баклажаны (1,34 мг на 100 г) и, в крайне низких концентрациях, огурец (0,11 мг на 100 г). [8] Муравьиная кислота является естественным компонентом атмосферы, главным образом, из-за выбросов лесов. [9]
Еще в 15 веке некоторые алхимики и натуралисты знали, что муравейники выделяют кислотный пар. Первым, кто описал выделение этого вещества (путем перегонки большого количества муравьев), был английский натуралист Джон Рэй в 1671 году. [10] [11] Муравьи выделяют муравьиную кислоту для нападения и защиты. Муравьиная кислота была впервые синтезирована из синильной кислоты французским химиком Жозефом Гей-Люссаком . В 1855 году другой французский химик, Марселлен Бертло , разработал синтез из окиси углерода, аналогичный процессу, используемому сегодня.
Муравьиная кислота долгое время считалась химическим соединением , представляющим лишь незначительный интерес в химической промышленности. В конце 1960-х годов значительные количества стали доступны в качестве побочного продукта производства уксусной кислоты . В настоящее время он находит все более широкое применение в качестве консерванта и антибактериального средства в кормах для скота .
Муравьиная кислота представляет собой бесцветную жидкость, имеющую резкий, пронзительный запах [12] при комнатной температуре, сравнимый с родственной уксусной кислотой . Муравьиная кислота примерно в десять раз сильнее уксусной кислоты .
Он смешивается с водой и большинством полярных органических растворителей и частично растворим в углеводородах . В углеводородах и в паровой фазе он состоит из димеров с водородными связями , а не из отдельных молекул. [13] [14] Из-за склонности к образованию водородных связей газообразная муравьиная кислота не подчиняется закону идеального газа . [14] Твердая муравьиная кислота, которая может существовать в любой из двух полиморфных модификаций , состоит из практически бесконечной сети молекул муравьиной кислоты, связанных водородными связями. Муравьиная кислота образует с водой высококипящий азеотроп (107,3 °C; 77,5% муравьиной кислоты). Жидкая муравьиная кислота имеет свойство переохлаждаться .
Муравьиная кислота легко разлагается при дегидратации в присутствии концентрированной серной кислоты с образованием оксида углерода и воды:
Обработка муравьиной кислоты серной кислотой является удобным лабораторным источником CO. [15] [16]
В присутствии платины она разлагается с выделением водорода и углекислого газа .
Растворимые рутениевые катализаторы также эффективны. [17] [18] Водород, не содержащий окиси углерода, генерируется в очень широком диапазоне давлений (1–600 бар). [17]
Муравьиная кислота разделяет большинство химических свойств других карбоновых кислот . Из-за высокой кислотности растворы спиртов самопроизвольно образуют сложные эфиры. Муравьиная кислота разделяет некоторые восстанавливающие свойства альдегидов , восстанавливая растворы оксидов металлов до соответствующего металла. [19]
Муравьиная кислота является источником формильной группы, например, при формилировании метиланилина в N-метилформанилид в толуоле . [20]
В синтетической органической химии муравьиная кислота часто используется в качестве источника гидрид- иона, как в реакции Эшвейлера-Кларка :
Он используется в качестве источника водорода при трансферном гидрировании , например, в реакции Лейкарта для получения аминов, и (в водном растворе или в азеотропе с триэтиламином ) для гидрирования кетонов . [21]
Муравьиная кислота уникальна среди карбоновых кислот по способности участвовать в реакциях присоединения с алкенами . Муравьиные кислоты и алкены легко реагируют с образованием формиатных эфиров . Однако в присутствии некоторых кислот, в том числе серной и плавиковой , вместо этого происходит вариант реакции Коха , и муравьиная кислота присоединяется к алкену с образованием более крупной карбоновой кислоты. [22]
Нестабильный ангидрид муравьиной кислоты H(C=O)-O-(C=O)H можно получить дегидратацией муравьиной кислоты N , N' - дициклогексилкарбодиимидом в эфире при низкой температуре. [23]
В 2009 году мировые мощности по производству муравьиной кислоты составляли 720 тысяч тонн (1,6 миллиарда фунтов) в год, примерно поровну разделенные между Европой (350 тысяч тонн или 770 миллионов фунтов, в основном в Германии) и Азией (370 тысяч тонн или 820 миллионов фунтов). (в основном в Китае), в то время как на всех остальных континентах производство было ниже 1 тысячи тонн или 2,2 миллиона фунтов в год. [24] Он коммерчески доступен в растворах различной концентрации от 85 до 99 % по весу. [13] По состоянию на 2009 год [обновлять]крупнейшими производителями являются BASF , Eastman Chemical Company , LC Industrial и Feicheng Acid Chemicals , с крупнейшими производственными мощностями в Людвигсхафене (200 тысяч тонн или 440 миллионов фунтов в год, BASF, Германия), Оулу ( 105 тысяч тонн или 230 миллионов фунтов, Eastman, Финляндия), Nakhon Pathom (н/д, LC Industrial) и Feicheng (100 тысяч тонн или 220 миллионов фунтов, Feicheng, Китай). Цены в 2010 году варьировались от примерно 650 евро/тонну (что эквивалентно примерно 800 долларам США/тонну) в Западной Европе до 1250 долларов США/тонну в США. [24]
Когда метанол и окись углерода соединяются в присутствии сильного основания , в результате образуется метилформиат , согласно химическому уравнению : [13]
В промышленности эту реакцию проводят в жидкой фазе при повышенном давлении. Типичные условия реакции: 80 °C и 40 атм. Наиболее широко используемым основанием является метоксид натрия . При гидролизе метилформиата образуется муравьиная кислота:
Эффективный гидролиз метилформиата требует большого избытка воды. Некоторые пути действуют косвенно, сначала обрабатывая метилформиат аммиаком с образованием формамида , который затем гидролизуют серной кислотой :
Недостатком этого подхода является необходимость утилизации побочного продукта сульфата аммония . Эта проблема побудила некоторых производителей разработать энергоэффективные методы отделения муравьиной кислоты от избыточной воды, используемой при прямом гидролизе. В одном из этих процессов, используемых BASF , муравьиная кислота удаляется из воды путем жидкостно-жидкостной экстракции органическим основанием. [ нужна цитата ]
Значительное количество муравьиной кислоты производится как побочный продукт при производстве других химикатов. Когда-то уксусная кислота производилась в больших масштабах путем окисления алканов с помощью процесса, в результате которого образуется значительное количество муравьиной кислоты. [13] Важность этого окислительного пути получения уксусной кислоты снизилась, поэтому вышеупомянутые специальные пути получения муравьиной кислоты стали более важными.
Каталитическое гидрирование CO 2 до муравьиной кислоты изучается давно . Эту реакцию можно проводить гомогенно. [25] [26]
Муравьиную кислоту также можно получить путем водного каталитического частичного окисления влажной биомассы с помощью процесса OxFA . [27] [28] Полиоксометаллат типа Кеггина (H 5 PV 2 Mo 10 O 40 ) используется в качестве гомогенного катализатора для превращения сахара, древесины, макулатуры или цианобактерий в муравьиную кислоту и CO 2 в качестве единственного побочного продукта. Можно достичь выхода до 53% муравьиной кислоты. [ нужна цитата ]
В лаборатории муравьиную кислоту можно получить нагреванием щавелевой кислоты в глицерине и экстракцией перегонкой с водяным паром. [29] Глицерин действует как катализатор, поскольку реакция протекает через промежуточный продукт глицерилоксалат. Если реакционную смесь нагревать до более высоких температур, образуется аллиловый спирт . Таким образом, чистая реакция такова:
Другой показательный метод включает реакцию между формиатом свинца и сероводородом , приводящую к образованию сульфида свинца . [30]
Сообщалось, что формиат может образовываться при электрохимическом восстановлении CO 2 (в форме бикарбоната ) на свинцовом катоде при pH 8,6: [31]
или
Если подача CO
2и на аноде выделяется кислород, общая реакция:
В августе 2020 года исследователи из Кембриджского университета анонсировали автономную передовую технологию «фотолистов», которая преобразует солнечный свет, углекислый газ и воду в кислород и муравьиную кислоту без каких-либо других затрат. [32]
Муравьиная кислота названа в честь муравьев, в яде которых содержится высокая концентрация этого соединения. У муравьев муравьиная кислота образуется из серина через промежуточный продукт 5,10-метенилтетрагидрофолат . [33] Сопряженное основание муравьиной кислоты, формиат, также широко встречается в природе. Анализ на содержание муравьиной кислоты в жидкостях организма, предназначенный для определения формиата после отравления метанолом, основан на реакции формиата с бактериальной формиатдегидрогеназой . [34]
Муравьиная кислота в основном используется в качестве консерванта и антибактериального средства в кормах для скота. В Европе его применяют к силосу , включая свежее сено, для стимулирования ферментации молочной кислоты и подавления образования масляной кислоты ; это также позволяет ферментации происходить быстро и при более низкой температуре, уменьшая потерю пищевой ценности. [13] Муравьиная кислота останавливает определенные процессы разложения и заставляет корм дольше сохранять свою пищевую ценность, поэтому она широко используется для консервирования зимнего корма для крупного рогатого скота . [35] В птицеводстве его иногда добавляют в корм, чтобы убить бактерии кишечной палочки . [36] [37] Использование в качестве консерванта для силоса и (других) кормов для животных составило 30% мирового потребления в 2009 году. [24]
Пчеловоды используют муравьиную кислоту в качестве средства против трахейного клеща ( Acarapis woodi ), а также клеща Varroa destructor и клеща Varroa jacobsoni . [38]
Муравьиную кислоту можно использовать в топливных элементах (ее можно использовать непосредственно в топливных элементах с муравьиной кислотой и косвенно в водородных топливных элементах). [39] [40]
Электролитическое преобразование электрической энергии в химическое топливо было предложено различными группами в качестве крупномасштабного источника формиата. [41] Формиат можно использовать в качестве корма для модифицированных бактерий E. coli для производства биомассы . [42] [43] Существуют естественные микробы, которые могут питаться муравьиной кислотой или формиатом (см. Метилотроф ).
Муравьиная кислота рассматривалась как средство хранения водорода . [44] Побочный продукт этого разложения, диоксид углерода, на втором этапе может быть регидрирован обратно в муравьиную кислоту. Муравьиная кислота содержит 53 г/л водорода при комнатной температуре и атмосферном давлении, что в три с половиной раза больше, чем может достичь сжатый газообразный водород при давлении 350 бар (14,7 г/л). Чистая муравьиная кислота представляет собой жидкость с температурой вспышки +69 °С, что намного выше, чем у бензина (-40 °С) или этанола (+13 °С). [ нужна цитата ]
В качестве промежуточного продукта для получения изобутанола из CO 2 с помощью микробов можно использовать муравьиную кислоту . [45] [46]
Муравьиная кислота имеет потенциальное применение при пайке . Благодаря своей способности уменьшать оксидные слои, газ муравьиной кислоты можно обдувать поверхность оксида, чтобы увеличить смачиваемость припоя .
Муравьиная кислота используется в качестве летучего модификатора pH в ВЭЖХ и капиллярном электрофорезе . Муравьиная кислота часто используется в качестве компонента подвижной фазы в высокоэффективной жидкостной хроматографии с обращенной фазой (ОФ-ВЭЖХ) анализа и методов разделения для разделения гидрофобных макромолекул, таких как пептиды, белки и более сложные структуры, включая интактные вирусы. Муравьиная кислота имеет ряд преимуществ перед более традиционно используемой фосфорной кислотой, особенно в сочетании с масс-спектрометрическим обнаружением. [47] [48]
Муравьиная кислота также широко используется в производстве кожи, включая дубление (23% мирового потребления в 2009 г. [24] ), а также при крашении и отделке текстиля (9% мирового потребления в 2009 г. [24] ) из-за ее кислая природа. Использование в качестве коагулянта в производстве каучука [13] потребляло 6% мирового производства в 2009 году. [24]
Муравьиная кислота также используется вместо минеральных кислот в различных чистящих средствах, [13] таких как средства для удаления известкового налета и средства для чистки унитазов . Некоторые эфиры формиата представляют собой искусственные ароматизаторы и отдушки.
Сообщается, что применение муравьиной кислоты является эффективным средством лечения бородавок . [49]
Муравьиная кислота имеет низкую токсичность (поэтому ее используют в качестве пищевой добавки), ее ЛД 50 составляет 1,8 г/кг (проверено перорально на мышах). Концентрированная кислота разъедает кожу. [13]
Муравьиная кислота легко метаболизируется и выводится из организма. Тем не менее, он оказывает специфическое токсическое воздействие; Муравьиная кислота и формальдегид , образующиеся в виде метаболитов метанола , ответственны за повреждение зрительного нерва , вызывающее слепоту, наблюдаемую при отравлении метанолом . [50] Были задокументированы некоторые хронические последствия воздействия муравьиной кислоты. Некоторые эксперименты на видах бактерий показали, что это мутаген . [51] Хроническое воздействие на людей может вызвать повреждение почек. [51] Другим возможным последствием хронического воздействия является развитие кожной аллергии , которая проявляется при повторном воздействии химического вещества.
Концентрированная муравьиная кислота медленно разлагается на окись углерода и воду, что приводит к повышению давления в сосуде, содержащем ее. По этой причине 98%-ная муравьиная кислота поставляется в пластиковых бутылках с самовентиляционными крышками.
Опасность растворов муравьиной кислоты зависит от концентрации. В следующей таблице представлена Согласованная на глобальном уровне система классификации и маркировки химических веществ для растворов муравьиной кислоты: [ нужна ссылка ]
Муравьиная кислота в концентрации 85% является легковоспламеняющейся, а разбавленная муравьиная кислота включена в список пищевых добавок Управления по контролю за продуктами и лекарствами США. [52] Основная опасность муравьиной кислоты заключается в контакте кожи или глаз с концентрированной жидкостью или парами. Допустимый уровень воздействия ( PEL ) паров муравьиной кислоты в рабочей среде OSHA США составляет 5 частей на миллион частей воздуха ( ppm ).
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )[ нужна полная цитата ]