Муравьиная кислота (от лат. 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 в химическом синтезе , который встречается в природе, особенно у некоторых муравьев. Эфиры , соли и анион, полученный из муравьиной кислоты, называются формиатами . В промышленности муравьиная кислота производится из метанола . [5]
Муравьиная кислота встречается в природе в насекомых, сорняках, фруктах и овощах, а также в выбросах лесов. Она встречается у большинства муравьев и у безжалых пчел рода Oxytrigona . [6] [7] Лесные муравьи из рода Formica могут распылять муравьиную кислоту на свою добычу или для защиты гнезда. Гусеница огневки ( Cerura vinula ) также распыляет ее, когда ей угрожают хищники. Она также встречается в трихомах крапивы двудомной ( Urtica dioica ). Кроме того, эта кислота содержится во многих фруктах, таких как ананас (0,21 мг на 100 г), яблоко (2 мг на 100 г) и киви (1 мг на 100 г), а также во многих овощах, а именно в луке (45 мг на 100 г), баклажане (1,34 мг на 100 г) и, в крайне низких концентрациях, в огурце (0,11 мг на 100 г). [8] Муравьиная кислота является естественным компонентом атмосферы, в основном из-за выбросов лесов. [9]
Еще в XV веке некоторые алхимики и натуралисты знали, что муравейники выделяют кислотный пар. Первым человеком, описавшим выделение этого вещества (путем перегонки большого количества муравьев), был английский натуралист Джон Рэй в 1671 году. [10] [11] Муравьи выделяют муравьиную кислоту для целей нападения и защиты. Муравьиная кислота была впервые синтезирована из синильной кислоты французским химиком Жозефом Гей-Люссаком . В 1855 году другой французский химик, Марселен Бертло , разработал синтез из оксида углерода, аналогичный процессу, используемому сегодня. [ необходима цитата ]
Муравьиная кислота долгое время считалась химическим соединением , представляющим лишь незначительный интерес в химической промышленности. В конце 1960-х годов значительные ее количества стали доступны как побочный продукт производства уксусной кислоты . Сейчас она все чаще используется в качестве консерванта и антибактериального средства в кормах для скота . [ необходима цитата ]
Муравьиная кислота — бесцветная жидкость, имеющая резкий, пронзительный запах [12] при комнатной температуре, сравнимый с запахом родственной уксусной кислоты . Муравьиная кислота примерно в десять раз сильнее уксусной кислоты . [ требуется цитата ]
Он смешивается с водой и большинством полярных органических растворителей и несколько растворим в углеводородах . В углеводородах и в паровой фазе он состоит из водородно-связанных димеров, а не отдельных молекул. [13] [14] Из-за своей тенденции к водородным связям газообразная муравьиная кислота не подчиняется закону идеального газа . [14] Твердая муравьиная кислота, которая может существовать в любой из двух полиморфов , состоит из фактически бесконечной сети водородно-связанных молекул муравьиной кислоты. Муравьиная кислота образует высококипящую азеотропную смесь с водой (107,3 °C; 77,5% муравьиной кислоты). Жидкая муравьиная кислота имеет тенденцию к переохлаждению .
Муравьиная кислота легко разлагается путем 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 разлагается с выделением водорода и углекислого газа .
Растворимые рутениевые катализаторы также эффективны для получения водорода, свободного от оксида углерода. [17]
Муравьиная кислота разделяет большинство химических свойств других карбоновых кислот . Из-за своей высокой кислотности растворы в спиртах образуют сложные эфиры спонтанно; в этерификациях Фишера муравьиной кислоты она самокатализирует реакцию, и дополнительный кислотный катализатор не требуется. [18] Муравьиная кислота разделяет некоторые восстановительные свойства альдегидов , восстанавливая растворы оксидов металлов до соответствующих металлов. [19]
Муравьиная кислота является источником формильной группы, например, при формилировании N- метиланилина в N - метилформанилид в толуоле . [20]
В синтетической органической химии муравьиная кислота часто используется в качестве источника гидрид- иона, как в реакции Эшвайлера-Кларка :
Он используется в качестве источника водорода при гидрогенизации с переносом , как в реакции Лейкарта для получения аминов , и (в водном растворе или в его азеотропе с триэтиламином ) для гидрогенизации кетонов . [21]
Муравьиная кислота является уникальной среди карбоновых кислот по своей способности участвовать в реакциях присоединения с алкенами . Муравьиные кислоты и алкены легко реагируют с образованием формиатных эфиров . Однако в присутствии некоторых кислот, включая серную и фтористоводородную кислоты , вместо этого происходит вариант реакции Коха , и муравьиная кислота присоединяется к алкену, образуя более крупную карбоновую кислоту. [22]
Нестабильный муравьиный ангидрид , H(C=O)−O−(C=O)H, может быть получен дегидратацией муравьиной кислоты с 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 производство было ниже 1 тысячи тонн или 2,2 миллиона фунтов в год на всех других континентах. [24] Он коммерчески доступен в растворах различной концентрации от 85 до 99 % по массе. [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), Накхонпатхом (n/a, LC Industrial) и Feicheng (100 тысяч тонн или 220 миллионов фунтов, Feicheng, Китай). Цены 2010 года варьировались от около 650 евро за тонну (что эквивалентно около 800 долларов США за тонну) в Западной Европе до 1250 долларов США за тонну в Соединенных Штатах. [24]
При соединении метанола и оксида углерода в присутствии сильного основания образуется метилформиат , согласно химическому уравнению : [13]
В промышленности эта реакция осуществляется в жидкой фазе при повышенном давлении. Типичные условия реакции: 80 °C и 40 атм. Наиболее широко используемое основание — метоксид натрия . Гидролиз метилформиата приводит к образованию муравьиной кислоты:
Эффективный гидролиз метилформиата требует большого избытка воды. Некоторые пути протекают косвенно, сначала обрабатывая метилформиат аммиаком, чтобы получить формамид , который затем гидролизуется серной кислотой :
Недостатком этого подхода является необходимость утилизации побочного продукта сульфата аммония . Эта проблема заставила некоторых производителей разработать энергоэффективные методы отделения муравьиной кислоты от избытка воды, используемой при прямом гидролизе. В одном из таких процессов, используемых BASF , муравьиная кислота удаляется из воды путем экстракции жидкость-жидкость с органическим основанием. [ необходима цитата ]
Значительное количество муравьиной кислоты производится как побочный продукт при производстве других химикатов. Когда-то уксусная кислота производилась в больших масштабах путем окисления алканов , в процессе, который одновременно генерирует значительное количество муравьиной кислоты. [13] Этот окислительный путь к уксусной кислоте утратил свое значение, так что вышеупомянутые выделенные пути к муравьиной кислоте стали более важными. [ необходима цитата ]
Каталитическое гидрирование CO 2 до муравьиной кислоты давно изучается. Эту реакцию можно проводить гомогенно. [25] [ 26] = [27]
Муравьиную кислоту также можно получить путем водного каталитического частичного окисления влажной биомассы с помощью процесса OxFA . [28] [29] Полиоксометаллат типа Кеггина (H 5 PV 2 Mo 10 O 40 ) используется в качестве гомогенного катализатора для преобразования сахаров, древесины, макулатуры или цианобактерий в муравьиную кислоту и CO 2 в качестве единственного побочного продукта. Может быть достигнут выход до 53% муравьиной кислоты. [ необходима цитата ]
В лаборатории муравьиную кислоту можно получить путем нагревания щавелевой кислоты в глицерине с последующей паровой дистилляцией. [30] Глицерин действует как катализатор, поскольку реакция протекает через промежуточный глицерилоксалат. Если реакционную смесь нагревают до более высоких температур, получается аллиловый спирт . Чистая реакция выглядит следующим образом:
Другой показательный метод включает реакцию между формиатом свинца и сероводородом , приводящую к образованию сульфида свинца . [31]
Формиат образуется при электрохимическом восстановлении CO2 ( в форме бикарбоната ) на свинцовом катоде при pH 8,6: [32]
или
Если подача CO
2и на аноде выделяется кислород, общая реакция:
Муравьиная кислота названа в честь муравьев, в яде которых содержится высокая концентрация этого соединения, полученного из серина через промежуточный продукт 5,10-метенилтетрагидрофолат . [33] Сопряженное основание муравьиной кислоты, формиат, также широко распространено в природе. Анализ на муравьиную кислоту в жидкостях организма, предназначенный для определения формиата после отравления метанолом, основан на реакции формиата с бактериальной формиатдегидрогеназой . [34]
Основное применение муравьиной кислоты — консервант и антибактериальное средство в кормах для скота. Она останавливает определенные процессы распада и заставляет корм дольше сохранять свою питательную ценность,
В Европе его применяют к силосу , включая свежее сено, чтобы способствовать ферментации молочной кислоты и подавлять образование масляной кислоты ; он также позволяет ферментации происходить быстро и при более низкой температуре, снижая потерю пищевой ценности. [13] Он широко используется для консервирования зимнего корма для крупного рогатого скота , [35] и иногда добавляется в корм для птицы , чтобы убить бактерии E. coli . [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 акарицида против трахейного клеща ( Acarapis woodi ), клещей Varroa destructor и Varroa jacobsoni . [38]
Муравьиная кислота может использоваться непосредственно в топливных элементах на основе муравьиной кислоты или 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 может быть использован в качестве корма для модифицированных бактерий E. coli для производства биомассы . [42] [43] Природные метилотрофные микробы могут питаться муравьиной кислотой или формиатом.
Муравьиная кислота рассматривалась как средство хранения водорода . [44] Побочный продукт этого разложения, диоксид углерода, может быть регидрирован обратно в муравьиную кислоту на втором этапе. Муравьиная кислота содержит 53 г/л водорода при комнатной температуре и атмосферном давлении, что в три с половиной раза больше, чем может достичь сжатый водородный газ при давлении 350 бар (14,7 г/л). Чистая муравьиная кислота представляет собой жидкость с температурой вспышки 69 °C, что намного выше, чем у бензина (−40 °C) или этанола (13 °C). [ необходима цитата ]
Можно использовать муравьиную кислоту в качестве промежуточного продукта для получения изобутанола из CO2 с помощью микробов. [45] [46]
Муравьиная кислота имеет потенциальное применение в пайке . Благодаря своей способности восстанавливать оксидные слои, газ муравьиной кислоты можно распылять на оксидную поверхность для повышения смачиваемости припоя . [ требуется цитата ]
Муравьиная кислота используется как летучий модификатор pH в ВЭЖХ и капиллярном электрофорезе . Муравьиная кислота часто используется как компонент подвижной фазы в методах анализа и разделения обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (RP-HPLC) для разделения гидрофобных макромолекул, таких как пептиды, белки и более сложные структуры, включая интактные вирусы. Особенно в сочетании с масс-спектрометрическим обнаружением муравьиная кислота предлагает несколько преимуществ по сравнению с более традиционно используемой фосфорной кислотой . [47] [48]
Муравьиная кислота также значительно используется в производстве кожи, включая дубление (23% мирового потребления в 2009 году [24] ), а также в окраске и отделке текстиля (9% мирового потребления в 2009 году [24] ) из-за ее кислотной природы. Использование в качестве коагулянта в производстве резины [13] потребляло 6% мирового производства в 2009 году. [24]
Муравьиная кислота также используется вместо минеральных кислот для различных чистящих средств, [13] таких как средство для удаления известкового налета и очиститель для унитазов . Некоторые формиатные эфиры являются искусственными ароматизаторами и отдушками.
Сообщается, что применение муравьиной кислоты является эффективным средством лечения бородавок . [49]
Муравьиная кислота имеет низкую токсичность (отсюда ее использование в качестве пищевой добавки), с LD 50 1,8 г/кг (испытано перорально на мышах). Концентрированная кислота разъедает кожу. [13]
Муравьиная кислота легко метаболизируется и выводится организмом. Тем не менее, она имеет определенные токсические эффекты; муравьиная кислота и формальдегид, образующиеся как метаболиты метанола, ответственны за повреждение зрительного нерва , вызывая слепоту, наблюдаемую при отравлении метанолом . [50] Были задокументированы некоторые хронические эффекты воздействия муравьиной кислоты. Некоторые эксперименты на бактериальных видах продемонстрировали, что она является мутагеном . [ 51] Хроническое воздействие на людей может вызвать повреждение почек. [51] Другим возможным эффектом хронического воздействия является развитие кожной аллергии , которая проявляется при повторном воздействии химического вещества.
Концентрированная муравьиная кислота медленно разлагается на оксид углерода и воду, что приводит к повышению давления в содержащем ее сосуде. По этой причине 98% муравьиная кислота поставляется в пластиковых бутылках с самовентилирующимися крышками. [ необходима цитата ]
Опасности растворов муравьиной кислоты зависят от концентрации. В следующей таблице приведен список Глобально согласованной системы классификации и маркировки химических веществ для растворов муравьиной кислоты: [ необходима ссылка ]
Муравьиная кислота в концентрации 85% является огнеопасной, а разбавленная муравьиная кислота включена в список пищевых добавок Управления по контролю за продуктами и лекарствами США. [52] Основная опасность от муравьиной кислоты заключается в контакте кожи или глаз с концентрированной жидкостью или парами. Допустимый уровень воздействия ( PEL ) паров муравьиной кислоты в рабочей среде, установленный OSHA в США, составляет 5 частей на миллион (ppm) воздуха. [ необходима цитата ]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )[ необходима полная цитата ]