1-Бутанол встречается в природе как второстепенный продукт этаноловой ферментации сахаров и других сахаридов [6] и присутствует во многих продуктах питания и напитках . [7] [8] Это также разрешенный искусственный ароматизатор в Соединенных Штатах, [9] используемый в масле, сливках, фруктах, роме, виски, мороженом и мороженом, конфетах, хлебобулочных изделиях и ликерах. [10] Он также используется в широком спектре потребительских товаров. [7]
Наибольшее использование 1-бутанола приходится на использование в качестве промышленного промежуточного продукта, особенно при производстве бутилацетата (который сам по себе является искусственным ароматизатором и промышленным растворителем). Это нефтехимическое вещество , полученное из пропилена . Предполагаемые объемы производства на 1997 год составляют: Соединенные Штаты — 784 000 тонн; Западная Европа 575 000 тонн; Япония 225 000 тонн. [8]
Производство
С 1950- х годов большая часть 1-бутанола производится путем гидроформилирования пропена (оксо-процесс) с преимущественным образованием бутиральдегида н-бутаналя. Типичные катализаторы основаны на кобальте и родии. Затем бутиральдегид гидрируют с получением бутанола.
Второй метод получения бутанола включает реакцию Реппе пропилена с CO и водой: [11]
СН 3 СН=СН 2 + Н 2 О + 2 СО → СН 3 СН 2 СН 2 СН 2 ОН + СО 2
Бутанол также можно производить путем ферментации биомассы бактериями. До 1950-х годов Clostridium acetobutylicum использовался в промышленной ферментации для производства бутанола. Исследования последних нескольких десятилетий показали результаты других микроорганизмов, которые могут производить бутанол посредством ферментации.
Бутанол можно получить путем гидрирования фурана на палладийном или платиновом катализаторе при высокой температуре и высоком давлении. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/gc/c3gc41183d
Промышленное использование
Составляя 85% общего потребления, 1-бутанол в основном используется в производстве лаков . Это популярный растворитель, например, для нитроцеллюлозы . В качестве растворителей используются различные производные бутанола, например бутоксиэтанол или бутилацетат . Многие пластификаторы основаны на бутиловых эфирах, например дибутилфталат . Мономер бутилакрилат используется для производства полимеров . Это предшественник н-бутиламинов . [11]
Биотопливо
1-Бутанол был предложен в качестве заменителя дизельного топлива и бензина . Его производят в небольших количествах практически при всех ферментациях (см. сивушное масло ). Клостридии производят гораздо более высокие выходы бутанола. В настоящее время проводятся исследования по увеличению выхода биобутанола из биомассы .
Бутанол рассматривается как потенциальное биотопливо ( бутаноловое топливо ). Бутанол крепостью 85 процентов можно использовать в автомобилях, предназначенных для бензина, без каких-либо изменений в двигателе (в отличие от 85-процентного этанола), и он обеспечивает больше энергии для данного объема, чем этанол, почти столько же, сколько бензин. Таким образом, автомобиль, использующий бутанол, будет иметь расход топлива, более сопоставимый с бензином, чем с этанолом. Бутанол также можно добавлять в дизельное топливо для снижения выбросов сажи. [12]
Производство или, в некоторых случаях, использование следующих веществ может привести к воздействию 1-бутанола: искусственная кожа , бутиловые эфиры , резиновый клей , красители, фруктовые эссенции, лаки, кино- и фотопленки, плащи, парфюмерия, пироксилиновые пластмассы, вискоза , безопасное стекло, шеллак и водонепроницаемая ткань. [7]
Встречаемость в природе
Бутан-1-ол встречается в природе в результате ферментации углеводов в ряде алкогольных напитков, включая пиво, [13] виноградные бренди, [14] вино, [15] и виски. [16] Он был обнаружен в летучих веществах хмеля, [17] джекфрута, [18] термически обработанного молока, [19] мускусной дыни, [20] сыра, [21] семян южного гороха, [22] и приготовленных рис. [23] 1-Бутанол также образуется во время глубокой жарки кукурузного, хлопкового масла, трилинолеина и триолеина. [24]
Бутан-1-ол — один из « сивушных спиртов » (от немецкого «плохой спиртной напиток»), к которым относятся спирты, имеющие более двух атомов углерода и обладающие значительной растворимостью в воде. [25] Это натуральный компонент многих алкогольных напитков, хотя и в низких и переменных концентрациях. [26] [27] Считается, что он (наряду с аналогичными сивушными спиртами) ответственен за тяжелое похмелье , хотя эксперименты на животных моделях не показывают никаких доказательств этого. [28]
1-Бутанол используется в качестве ингредиента в обработанных и искусственных ароматизаторах [29] , а также для экстракции нежирного белка из яичного желтка, [30] натуральных вкусоароматических материалов и растительных масел, производства экстракта хмеля для пивоварения и в качестве растворитель для удаления пигментов из влажного белкового концентрата творожных листьев . [31]
Метаболизм и токсичность
Острая токсичность 1-бутанола относительно низкая: значения ЛД 50 при пероральном приеме составляют 790–4360 мг/кг (крысы; сопоставимые значения для этанола составляют 7000–15 000 мг/кг). [8] [32] [11] Он полностью метаболизируется у позвоночных аналогично этанолу : алкогольдегидрогеназа превращает 1-бутанол в бутиральдегид ; Затем она преобразуется в масляную кислоту с помощью альдегиддегидрогеназы . Масляная кислота может полностью метаболизироваться до углекислого газа и воды по пути β-окисления . У крыс только 0,03% пероральной дозы 2000 мг/кг выводится с мочой. [33] В сублетальных дозах 1-бутанол действует как депрессант центральной нервной системы , подобно этанолу: одно исследование на крысах показало, что опьяняющая сила 1-бутанола примерно в 6 раз выше, чем у этанола, возможно, из-за его более медленной трансформации алкогольдегидрогеназой. [34]
Другие опасности
Жидкий 1-бутанол, как и большинство органических растворителей, чрезвычайно раздражает глаза; Повторный контакт с кожей также может вызвать раздражение. [8] Считается, что это общий эффект обезжиривания . Сенсибилизации кожи не наблюдалось. Раздражение дыхательных путей происходит только при очень высоких концентрациях (>2400 ppm). [35]
При температуре вспышки 35 °C 1-бутанол представляет умеренную пожароопасность: он немного более горюч, чем керосин или дизельное топливо, но менее горюч, чем многие другие распространенные органические растворители. Угнетающее действие на центральную нервную систему (аналогично интоксикации этанолом) представляет собой потенциальную опасность при работе с 1-бутанолом в закрытых помещениях, хотя порог запаха (0,2–30 частей на миллион) намного ниже концентрации, которая может иметь какой-либо неврологический эффект. [35] [36]
^ «1-Бутанол - Краткое описание соединений» . Проект ПабХим . США: Национальный центр биотехнологической информации.
^ [Информация о продукте н-бутанола, The Dow Chemical Company, форма № 327-00014-1001, стр. 1]
^ Дубей, Гьян (2008). «Исследование плотности, вязкости и скорости звука бинарных жидких смесей бутан-1-ола с н-алканами (С6, С8 и С10) при Т = (298,15, 303,15 и 308,15) К». Журнал химической термодинамики . 40 (2): 309–320. дои : 10.1016/j.jct.2007.05.016.
^ Хейзелвуд, Люси А.; Даран, Жан-Марк; ван Марис, Антониус Дж. А.; Пронк, Джек Т.; Дикинсон, Дж. Ричард (2008), «Путь Эрлиха для производства сивушного спирта: столетие исследований метаболизма Saccharomyces cerevisiae », Appl. Окружающая среда. Микробиол. , 74 (8): 2259–66, Bibcode : 2008ApEnM..74.2259H, doi : 10.1128/AEM.02625-07, PMC 2293160 , PMID 18281432 .
^ abc Бутанолы: четыре изомера, монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN92-4-154265-9.
^ abcd н-бутанол (PDF) , Отчет о первоначальной оценке СИДС, Женева: Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, апрель 2005 г..
^ 21 CFR § 172.515; 42 FR 14491, 15 марта 1977 г., с поправками.
^ Холл, РЛ; Осер, Б.Л. (1965), "Последние достижения в рассмотрении вкусоароматических ингредиентов в соответствии с поправкой о пищевых добавках. III. Травяные вещества", Food Technol. : 151, цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ Антони, Д.; Зверлов В. и Шварц WH (2007). «Биотопливо из микробов». Прикладная микробиология и биотехнология . 77 (1): 23–35. дои : 10.1007/s00253-007-1163-x. PMID 17891391. S2CID 35454212.
^ Бонте, В. (1979), «Родственные вещества в немецком и зарубежном пиве», Blutalkohol , 16 : 108–24., цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ Шрайер, Питер; Дрерт, Фридрих; Винклер, Фридрих (1979), «Состав нейтральных летучих компонентов в виноградных бренди», J. Agric. Пищевая хим. , 27 (2): 365–72, doi :10.1021/jf60222a031.
^ Бонте, В. (1978), «Содержание родственных веществ в вине и подобных напитках», Blutalkohol , 15 : 392–404., цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ Постел, В.; Адам, Л. (1978), «Газохроматографическая характеристика виски. III. Ирландский виски», Branntweinwirtschaft , 118 : 404–7., цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ Трессл, Роланд; Фризе, Лотар; Фендесак, Фридрих; Кепплер, Ганс (1978), «Исследование летучего состава хмеля во время хранения», J. Agric. Пищевая хим. , 26 (6): 1426–30, doi :10.1021/jf60220a036.
^ Дюмон, Жан Пьер; Адда, Жак (1978), «Присутствие сесквитерпонов в летучих веществах горного сыра», J. Agric. Пищевая хим. , 26 (2): 364–67, doi :10.1021/jf60216a037.
^ Фишер, Гордон С.; Лежандр, Майкл Г.; Ловгрен, Норман В.; Шуллер, Уолтер Х.; Уэллс, Джон А. (1979), «Летучие компоненты семян южного гороха [ Vigna unguiculata (L.) Walp.]», J. Agric. Пищевая хим. , 27 (1): 7–11, doi :10.1021/jf60221a040.
^ Чанг, СС; Петерсон, К.Дж.; Хо, К. (1978), «Химические реакции, происходящие при жарке продуктов во фритюре», J. Am. Нефть Хим. Соц. , 55 (10): 718–27, номер документа : 10.1007/BF02665369, PMID 730972, S2CID 97273264., цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ Ацуми, С.; Ханаи, Т.; Ляо, JC (2008). «Неферментативные пути синтеза высших спиртов с разветвленной цепью в качестве биотоплива». Природа . 451 (7174): 86–89. Бибкод : 2008Natur.451...86A. дои : 10.1038/nature06450. PMID 18172501. S2CID 4413113.
^ Ву, Канг-Люнг (2005), «Определение низкомолекулярных спиртов, включая сивушное масло, в различных образцах путем экстракции диэтиловым эфиром и капиллярной газовой хроматографии», J. AOAC Int. , 88 (5): 1419–27, doi : 10.1093/jaoac/88.5.1419 , PMID 16385992.
^ Лахенмайер, Дирк В.; Хаупт, Симона; Шульц, Катя (2008), «Определение максимального уровня содержания высших спиртов в алкогольных напитках и суррогатных алкогольных продуктах», Regul. Токсикол. Фармакол. , 50 (3): 313–21, doi :10.1016/j.yrtph.2007.12.008, PMID 18295386.
^ Хори, Хисако; Фуджи, Ватару; Хатанака, Ютака; Сува, Ёсихидэ (2003), «Влияние сивушного масла на модели похмелья у животных», Алкоголь. Клин. Эксп. Рез. , 27 (8 дополнений): 37S–41S, doi : 10.1097/01.ALC.0000078828.49740.48 , PMID 12960505.
^ Меллан, И. (1950), Промышленные растворители , Нью-Йорк: Ван Ностранд Рейнхольд, стр. 482–88., цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ Меслар, Гарри В.; Уайт, Гарольд Б. III (1978), «Приготовление безлипидных белковых экстрактов яичного желтка», Anal. Биохим. , 91 (1): 75–81, doi :10.1016/0003-2697(78)90817-5, PMID 9762085.
^ Брэй, Уолтер Дж.; Хамфрис, Кэтрин (1978), «Фракционирование листового сока растворителем для приготовления зеленых и белых белковых продуктов», J. Sci. Продовольственное сельское хозяйство. , 29 (10): 839–46, Бибкод : 1978JSFA...29..839B, doi : 10.1002/jsfa.2740291003.
^ Этанол (PDF) , Отчет о первоначальной оценке СИДС, Женева: Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, август 2005 г..
^ Гайяр, Д.; Дераш, Р. (1965), «Метабилизация различных спиртов в биосах, содержащих алкоголь, у крыс», Trav. Соц. Фармакол. Монпелье , 25 : 541–62., цитируется в книге «Бутанолы: четыре изомера», монография № 65 «Критерии гигиены окружающей среды», Женева: Всемирная организация здравоохранения, 1987, ISBN.92-4-154265-9.
^ аб Высоцкий, CJ; Далтон, П. (1996), Пороги запаха и раздражения для 1-бутанола у людей , Филадельфия: Центр химических чувств Монелла., цитируется в н-бутаноле (PDF) , Отчет о первоначальной оценке СИДС, Женева: Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, апрель 2005 г..
^ Кометто-Муньис, Х. Энрике; Каин, Уильям С. (1998), «Тройничная и обонятельная чувствительность: сравнение модальностей и методов измерения», Int. Арх. Оккупировать. Окружающая среда. Health , 71 (2): 105–10, Bibcode : 1998IAOEH..71..105C, doi : 10.1007/s004200050256, PMID 9580447, S2CID 25246408.