stringtranslate.com

Малоновая кислота

Малоновая кислота — дикарбоновая кислота со структурой CH2 ( COOH) 2 . Ионизированная форма малоновой кислоты, а также ее эфиры и соли известны как малонаты . Например, диэтилмалонат — это диэтиловый эфир малоновой кислоты . Название происходит от греческого слова μᾶλον ( малон ), что означает «яблоко».

История

Малоновая кислота [3] — это природное вещество, содержащееся во многих фруктах и ​​овощах. [4] Существует предположение, что цитрусовые , выращенные в органическом сельском хозяйстве, содержат больше малоновой кислоты, чем фрукты, выращенные в традиционном сельском хозяйстве. [5]

Малоновая кислота была впервые получена в 1858 году французским химиком Виктором Дессенем путем окисления яблочной кислоты . [3] [6]

Структура и подготовка

Структура была определена с помощью рентгеновской кристаллографии [7] , а обширные данные о свойствах, включая данные по термохимии конденсированной фазы, доступны в Национальном институте стандартов и технологий . [8] Классический способ получения малоновой кислоты начинается с хлоруксусной кислоты : [9]

Получение малоновой кислоты из хлоруксусной кислоты .

Карбонат натрия генерирует натриевую соль , которая затем реагирует с цианидом натрия , чтобы получить натриевую соль цианоуксусной кислоты через нуклеофильное замещение . Нитрильная группа может быть гидролизована гидроксидом натрия до малоната натрия, а подкисление дает малоновую кислоту. Однако в промышленности малоновую кислоту получают путем гидролиза диметилмалоната или диэтилмалоната . [ 10] Ее также получают путем ферментации глюкозы . [11]

Реакции

Малоновая кислота реагирует как типичная карбоновая кислота, образуя амидные , эфирные и хлоридные производные. [12] Малоновый ангидрид может быть использован в качестве промежуточного продукта для получения моноэфирных или амидных производных, в то время как малонилхлорид наиболее полезен для получения диэфиров или диамидов. В хорошо известной реакции малоновая кислота конденсируется с мочевиной с образованием барбитуровой кислоты . Малоновая кислота также может быть конденсирована с ацетоном с образованием кислоты Мельдрума , универсального промежуточного продукта в дальнейших превращениях. Эфиры малоновой кислоты также используются в качестве синтона − CH 2 COOH в синтезе малонового эфира .

Реакция Бриггса-Раушера

Малоновая кислота является ключевым компонентом в реакции Бриггса-Раушера , классическом примере колебательной химической реакции . [13]

конденсация Кнёвенагеля

Малоновая кислота используется для получения a,b-ненасыщенных карбоновых кислот путем конденсации и декарбоксилирования. Коричные кислоты получают следующим образом:

CH 2 (CO 2 H) 2 + ArCHO → ArCH=CHCO 2 H + H 2 O + CO 2

В этом процессе, так называемой конденсации Кнёвенагеля , малоновая кислота конденсируется с карбонильной группой альдегида или кетона с последующим декарбоксилированием .

Z=COOH (малоновая кислота) или Z=COOR' (малонатный эфир)

При конденсации малоновой кислоты в горячем пиридине конденсация сопровождается декарбоксилированием , так называемой модификацией Дёбнера . [14] [15] [16]

Модификация Дёбнера конденсации Кнёвенагеля.

Получение оксида углерода

Малоновая кислота нелегко образует ангидрид , вместо этого при дегидратации образуется недокись углерода :

CH 2 (CO 2 H) 2 → O=C=C=C=O + 2 H 2 O

Превращение достигается путем нагревания сухой смеси пентоксида фосфора (P4O10 ) и малоновой кислоты. [ 17] Он реагирует аналогично малоновому ангидриду , образуя малонаты. [18]

Приложения

Малоновая кислота является предшественником специальных полиэфиров . Она может быть преобразована в 1,3-пропандиол для использования в полиэфирах и полимерах (польза которых неясна, хотя). Она также может быть компонентом алкидных смол , которые используются в ряде покрытий для защиты от повреждений, вызванных УФ-излучением, окислением и коррозией. Одним из применений малоновой кислоты является производство покрытий в качестве сшивающего агента для порошковых покрытий с низкой температурой отверждения, которые становятся все более ценными для чувствительных к теплу субстратов и желания ускорить процесс нанесения покрытий. [19] Мировой рынок покрытий для автомобилей оценивался в 18,59 млрд долларов в 2014 году с прогнозируемым совокупным годовым темпом роста 5,1% до 2022 года. [20]

Он используется в ряде производственных процессов как высокоценный специальный химикат, включая электронную промышленность, промышленность ароматизаторов и отдушек, [4] специальные растворители, сшивание полимеров и фармацевтическую промышленность. В 2004 году ежегодное мировое производство малоновой кислоты и связанных с ней диэфиров составило более 20 000 метрических тонн. [21] Потенциальный рост этих рынков может быть результатом достижений в области промышленной биотехнологии, которая стремится заменить химикаты на основе нефти в промышленных приложениях.

В 2004 году Министерство энергетики США включило малоновую кислоту в список 30 лучших химических веществ, которые можно производить из биомассы. [22]

В пищевой и фармацевтической промышленности малоновую кислоту можно использовать для контроля кислотности, либо в качестве вспомогательного вещества в фармацевтических составах, либо в качестве натуральной консервирующей добавки для пищевых продуктов. [4]

Малоновая кислота используется в качестве строительного материала для производства многочисленных ценных соединений, [23] включая ароматизаторы и отдушки гамма-ноналактон, коричную кислоту и фармацевтическое соединение вальпроат .

Малоновая кислота (до 37,5% по весу) использовалась для сшивания кукурузного и картофельного крахмала с целью получения биоразлагаемого термопластика; процесс осуществляется в воде с использованием нетоксичных катализаторов. [24] [25] Полимеры на основе крахмала составляли 38% мирового рынка биоразлагаемых полимеров в 2014 году, при этом упаковка для пищевых продуктов, пенопластовая упаковка и мешки для компоста были крупнейшими сегментами конечного использования. [26]

Компания Eastman Kodak и другие используют малоновую кислоту и ее производные в качестве хирургического клея. [27]

Патология

Если повышенный уровень малоновой кислоты сопровождается повышенным уровнем метилмалоновой кислоты , это может указывать на метаболическое заболевание комбинированную малоновую и метилмалоновую ацидурию (CMAMMA). Рассчитав соотношение малоновой кислоты к метилмалоновой кислоте в плазме крови, CMAMMA можно отличить от классической метилмалоновой ацидемии . [28]

Биохимия

Малоновая кислота является предшественником митохондриального синтеза жирных кислот (mtFASII), в котором она преобразуется в малонил-КоА с помощью ацил-КоА-синтетазы, члена семейства 3 (ACSF3). [29] [30]

Кроме того, производное кофермента А малоната, малонил-КоА, является важным предшественником в цитозольном биосинтезе жирных кислот наряду с ацетил-КоА . Малонил-КоА образуется там из ацетил-КоА под действием ацетил-КоА-карбоксилазы , а малонат переносится на ацилпереносящий белок для присоединения к жирнокислотной цепи.

Малоновая кислота является классическим примером конкурентного ингибитора фермента сукцинатдегидрогеназы (комплекс II) в дыхательной цепи переноса электронов . [31] Она связывается с активным центром фермента, не вступая в реакцию, конкурируя с обычным субстратом сукцинатом , но не имея группы −CH 2 CH 2 − , необходимой для дегидрирования. Это наблюдение было использовано для определения структуры активного центра в сукцинатдегидрогеназе. Ингибирование этого фермента снижает клеточное дыхание. [32] [33] Поскольку малоновая кислота является естественным компонентом многих продуктов питания, она присутствует у млекопитающих, включая людей. [34]

Связанные химикаты

Фторированная версия малоновой кислоты — дифтормалоновая кислота.[1]

Химическая структура малонатного дианиона .

Малоновая кислота является дипротонной ; то есть она может отдавать два протона на молекулу. Ее первый протон равен 2,8, а второй — 5,7. [2] Таким образом, ион малоната может быть H O O C CH 2 COO − или C H 2 (C O O) 2−2. Малонатные или пропандиоатные соединения включают соли и эфиры малоновой кислоты, такие как

Ссылки

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013. Королевское химическое общество . стр. 746. doi :10.1039/9781849733069. ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ Данные abc pKa, собранные Р. Уильямсом (pdf; 77 кБ), архивировано 2010-06-02 на Wayback Machine
  3. ^ ab Chisholm, Hugh , ed. (1911). "Малоновая кислота"  . Encyclopaedia Britannica . Vol. 17 (11th ed.). Cambridge University Press. p. 495.
  4. ^ abc "Пропандиовая кислота". The Good Scents Company . Получено 2020-10-07 .
  5. ^ Ha CN, Ngoc ND, Ngoc CP, Trung DD, Quang BN (2012). «Концентрация органических кислот в цитрусовом соке из традиционного и органического земледелия». Acta Horticulturae . 933 (933): 601–606. doi : 10.17660/actahortic.2012.933.78. hdl : 10400.1/2790 . ISSN  0567-7572.
  6. ^ Десень V (1858). «Note sur un acide obtenu par l’oxydation de l’acide malique»] (Примечание о кислоте, полученной окислением яблочной кислоты)». Comptes rendus . 47 : 76–79.
  7. ^ Gopalan RS, Kumaradhas P, Kulkarni GU, Rao CN (2000). "Экспериментальное исследование плотности заряда алифатических дикарбоновых кислот". Журнал молекулярной структуры . 521 (1–3): 97–106. Bibcode : 2000JMoSt.521...97S. doi : 10.1016/S0022-2860(99)00293-8.
  8. ^ NIST Chemistry WebBook. "Пропандиовая кислота".
  9. ^ Вайнер Н. "Малоновая кислота". Органические синтезы; Собрание томов , т. 2, стр. 376.
  10. ^ Патент США 2373011, Бриттон EC, Эзра М, «Производство малоновой кислоты», выдан 03.04.1945, передан Dow Chemical Co. 
  11. ^ US 20200172941, Dietrich JA, «Рекомбинантные клетки-хозяева для производства малоната», передано Lygos Inc. 
  12. ^ Pollak P, Romeder G (2005). "Малоновая кислота и ее производные". В Pollak P, Romeder G (ред.). Энциклопедия химии Ван Ностранда . doi :10.1002/0471740039.vec1571. ISBN 0471740039.
  13. ^ Csepei LI, Bolla C. «Влияние салициловой кислоты на колебательную реакцию Бриггса-Раушера» (PDF) . Studia UBB Chemia . 1 : 285–300.
  14. ^ Джессап, Питер Дж.; Петти, К. Брюс; Рус, Ян; Оверман, Ларри Э. (1979). "1- N -Ациламино-1,3-диены из 2,4-пентадиеновых кислот с помощью перегруппировки Курциуса: бензил транс -1,3-бутадиен-1-карбамат". Органические синтезы . 59 : 1. doi :10.15227/orgsyn.059.0001.
  15. ^ Аллен, CFH; ВанАллан, Дж. (1944). «Сорбиновая кислота». Органические синтезы . 24 : 92. дои : 10.15227/orgsyn.024.0092.
  16. ^ Дёбнер О (1902). «Ueber die der Sorbinsäure homologen, ungesättigten Säuren mit zwei Doppelbindungen». Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft . 35 : 1136–36. дои : 10.1002/cber.190203501187.
  17. ^ Дильс О , Вольф Б (1906). «Ueber das Kohlensuboxyd. I». хим. Бер. 39 : 689–697. дои : 10.1002/cber.190603901103.
  18. ^ Перкс ХМ, Либман ДжФ (2000). «Парадигмы и парадоксы: аспекты энергетики карбоновых кислот и их ангидридов». Структурная химия . 11 (4): 265–269. doi :10.1023/A:1009270411806. S2CID  92816468.
  19. ^ Facke T, Subramanian R, Dvorchak M, Feng S (февраль 2004 г.). "Блокированный диэтилмалонат изоцианат в качестве сшивающих агентов для порошковых покрытий, отверждаемых при низкой температуре". Труды 31-го Международного симпозиума по водорастворимым материалам, покрытиям с высоким содержанием твердых частиц и порошковым покрытиям .
  20. ^ Джеймс С. Мировой рынок автомобильных покрытий. Отчет Grand View Research о рынке за 2015 г. (Отчет).
  21. ^ "Малоновые диэфиры" (PDF) . Inchem . Публикации ЮНЕП. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-11-18 . Получено 2015-12-11 .
  22. ^ Werpy TA, Holladay JE, White JF (август 2004 г.). Werpy TA, Petersen G (ред.). Химические вещества с добавленной стоимостью из биомассы. Том I: Результаты скрининга потенциальных кандидатов из сахаров и синтетического газа (PDF) (отчет). Министерство энергетики США. doi : 10.2172/926125 . OSTI 926125 . 
  23. ^ Хильдбранд, С.; Поллак, П. Малоновая кислота и ее производные. 15 марта 2001 г. Энциклопедия промышленной химии Ульмана
  24. ^ US 9790350, Netravali AN, Dastidar TG, «Сшитые нативные и воскообразные крахмальные смоляные композиции и процессы их производства», присвоенный Корнельскому университету 
  25. ^ Гош Дастидар Т., Нетравали А.Н. (ноябрь 2012 г.). "«Зеленое» сшивание нативных крахмалов малоновой кислотой и их свойства». Углеводные полимеры . 90 (4): 1620–8. doi :10.1016/j.carbpol.2012.07.041. PMID  22944425.
  26. ^ Биоразлагаемые полимеры: Справочник по химической экономике (отчет). IHS Markit. Июнь 2021 г.
  27. ^ US 3591676, Хокинс Г., Фассетт Д., «Хирургические клеевые композиции» 
  28. ^ де Сайн-ван дер Фельден М.Г., ван дер Хам М., Янс Дж.Дж., Виссер Г., Принсен Х.К., Верховен-Дуиф Н.М. и др. (2016). Морава Э., Баумгартнер М., Паттерсон М., Рахман С. (ред.). «Новый подход к быстрой метаболической диагностике при CMAMMA». Отчеты JIMD . 30 . Берлин, Гейдельберг: Springer: 15–22. дои : 10.1007/8904_2016_531. ISBN 978-3-662-53681-0. PMC  5110436 . PMID  26915364.
  29. ^ Витковски, Анджей; Туэтт, Дженнифер; Смит, Стюарт (2011). «Белок млекопитающих ACSF3 — это малонил-КоА-синтетаза, которая поставляет удлинители цепей для синтеза жирных кислот в митохондриях». Журнал биологической химии . 286 (39): 33729–33736. doi : 10.1074/jbc.M111.291591 . PMC 3190830. PMID  21846720 . 
  30. ^ Боуман, Кейтлин Э.; Родригес, Сусана; Селен Альпергин, Эбру С.; Акоба, Мишель Г.; Чжао, Лян; Хартунг, Томас; Клейпул, Стивен М.; Уоткинс, Пол А.; Вольфганг, Майкл Дж. (2017). «Малонил-КоА-синтетаза млекопитающих ACSF3 необходима для малонилирования митохондриальных белков и метаболической эффективности». Cell Chemical Biology . 24 (6): 673–684.e4. doi :10.1016/j.chembiol.2017.04.009. PMC 5482780 . PMID  28479296. 
  31. ^ Pardee AB, Potter VR (март 1949). «Ингибирование малонатом окисления в цикле трикарбоновых кислот Кребса». Журнал биологической химии . 178 (1): 241–250. doi : 10.1016/S0021-9258(18)56954-4 . PMID  18112108.
  32. ^ Поттер В. Р., Дюбуа К. П. (март 1943 г.). «Исследования механизма транспорта водорода в тканях животных: VI. Исследования ингибиторов с сукциновой дегидрогеназой». Журнал общей физиологии . 26 (4): 391–404. doi :10.1085/jgp.26.4.391. PMC 2142566. PMID  19873352 . 
  33. ^ Dervartanian DV, Veeger C (1964). «Исследования сукцинатдегидрогеназы». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Специализированная секция по энзимологическим предметам . 92 (2): 233–247. doi :10.1016/0926-6569(64)90182-8.
  34. ^ "Metabocard для малоновой кислоты". База данных метаболома человека . 2020-03-13 . Получено 2020-10-06 .

Внешние ссылки