Пропиленгликоль ( название ИЮПАК : пропан-1,2-диол ) — вязкая бесцветная жидкость. Она почти не имеет запаха и имеет слегка сладковатый вкус. Ее химическая формула — CH 3 CH(OH)CH 2 OH. Поскольку она содержит две спиртовые группы, ее классифицируют как диол . Алифатический диол также может называться гликолем . Она смешивается с широким спектром растворителей, включая воду , ацетон и хлороформ . В целом, гликоли [6] не вызывают раздражения и имеют очень низкую летучесть . [7]
Он производится в больших масштабах, в первую очередь, для производства полимеров . В Европейском союзе он имеет E-номер E1520 для пищевых применений. Для косметики и фармакологии номер E490. Пропиленгликоль также присутствует в пропиленгликольальгинате , который известен как E405. Пропиленгликоль — это соединение, которое является GRAS (общепризнанным безопасным) Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в соответствии с 21 CFR x184.1666, а также одобрено FDA для определенных видов использования в качестве косвенной пищевой добавки. Пропиленгликоль одобрен и используется в качестве носителя для местных, пероральных и некоторых внутривенных фармацевтических препаратов в США и Европе.
Соединение иногда называют (альфа) α-пропиленгликолем, чтобы отличить его от изомера пропан-1,3-диола , известного как (бета) β-пропиленгликоль. Пропиленгликоль хиральный. В коммерческих процессах обычно используется рацемат . S-изомер производится биотехнологическими способами.
В промышленности пропиленгликоль в основном производится из пропиленоксида (для пищевого использования). Согласно источнику за 2018 год, ежегодно производится 2,16 млн тонн. [7] Производители используют либо некаталитический высокотемпературный процесс при температуре от 200 °C (392 °F) до 220 °C (428 °F), либо каталитический метод, который протекает при температуре от 150 °C (302 °F) до 180 °C (356 °F) в присутствии ионообменной смолы или небольшого количества серной кислоты или щелочи. [8]
Конечные продукты содержат 20% пропиленгликоля, 1,5% дипропиленгликоля и небольшие количества других полипропиленгликолей . [9] Дальнейшая очистка дает готовый промышленный сорт или сорт пропиленгликоля USP/JP/EP/BP, который обычно составляет 99,5% или выше. Использование пропиленгликоля USP (US Pharmacopoeia) может снизить риск отклонения сокращенной заявки на новый препарат (ANDA). [10]
Пропиленгликоль также можно получить из глицерина , побочного продукта производства биодизеля . [7] Этот исходный материал обычно резервируется для промышленного использования из-за заметного запаха и вкуса, которые сопровождают конечный продукт.
(S)-Пропандиол синтезируется с помощью методов ферментации. Молочная кислота и лактальдегид являются обычными промежуточными продуктами. Дигидроксиацетонфосфат , один из двух продуктов распада ( гликолиза ) фруктозо-1,6-бисфосфата , является предшественником метилглиоксаля . Это преобразование является основой потенциального биотехнологического пути к товарному химическому продукту 1,2-пропандиолу . Трехуглеродные дезоксисахара также являются предшественниками 1,2-диола. [7]
Небиологический путь из D -маннита в малых масштабах проиллюстрирован на следующей схеме: [11]
Сорок пять процентов произведенного пропиленгликоля используется в качестве химического сырья для производства ненасыщенных полиэфирных смол . В этом отношении пропиленгликоль реагирует со смесью ненасыщенного малеинового ангидрида и изофталевой кислоты , образуя сополимер . Этот частично ненасыщенный полимер подвергается дальнейшей сшивке , образуя термореактивные пластики . В связи с этим применением пропиленгликоль реагирует с оксидом пропилена, образуя олигомеры и полимеры, которые используются для производства полиуретанов . [7] Пропиленгликоль используется в акриловых архитектурных красках на водной основе для продления времени высыхания, что достигается за счет предотвращения высыхания поверхности из-за более медленной скорости испарения по сравнению с водой.
Пропиленгликоль также используется в различных съедобных продуктах, таких как напитки на основе кофе, жидкие подсластители , мороженое, взбитые молочные продукты и газировка. [12] [13] Испарители, используемые для доставки фармацевтических препаратов или средств личной гигиены, часто включают пропиленгликоль в качестве ингредиента. [7] В дезинфицирующих средствах для рук на спиртовой основе он используется в качестве увлажнителя для предотвращения высыхания кожи. [14] Пропиленгликоль используется в качестве растворителя во многих фармацевтических препаратах , включая пероральные , инъекционные и местные составы. Многие фармацевтические препараты, которые нерастворимы в воде, используют пропиленгликоль в качестве растворителя и носителя; одним из примеров являются таблетки бензодиазепина. [15] Пропиленгликоль также используется в качестве растворителя и носителя для многих фармацевтических капсульных препаратов. Кроме того, некоторые составы искусственных слез используют пропиленгликоль в качестве ингредиента. [16]
Температура замерзания воды понижается при смешивании с пропиленгликолем. Он используется в качестве противообледенительной и антиобледенительной жидкости для самолетов. 50%-ный разбавленный водой и нагретый раствор используется для удаления обледенения с фюзеляжей коммерческих самолетов на земле (удаление обледенения), а 100%-ный неразбавленный холодный раствор используется только на крыльях и хвостовых поверхностях самолета, чтобы предотвратить образование обледенения в течение определенного периода времени перед взлетом (противообледенение). Обычно такой временной интервал ограничен 15–90 минутами, в зависимости от интенсивности снегопада и температуры наружного воздуха. [7] [17] Смеси воды и пропиленгликоля, окрашенные в розовый цвет для указания на то, что смесь относительно нетоксична, продаются под названием RV или морской антифриз. Пропиленгликоль часто используется в качестве замены этиленгликолю в малотоксичном, экологически чистом автомобильном антифризе . Он также используется для подготовки к зиме водопроводных систем в пустующих зданиях. [18] Эвтектический состав /температура составляет 60:40 пропиленгликоль:вода/−60 °C. [19] [20] Однако коммерческий продукт с температурой −50 °F/−45 °C богат водой; типичная формула — 40:60. [21]
Пропиленгликоль, растительный глицерин [22] или их смесь являются основными ингредиентами в электронной жидкости , используемой в электронных сигаретах . Они распыляются , чтобы напоминать дым, и служат носителями для таких веществ , как никотин и ароматизаторы [23] .
При использовании в средних количествах пропиленгликоль не оказывает измеримого воздействия на развитие и/или воспроизводство животных и, вероятно, не оказывает отрицательного влияния на развитие или воспроизводство человека без активного использования. [30] Безопасность электронных сигарет , в которых используются препараты никотина или ТГК на основе пропиленгликоля и других каннабиноидов, является предметом многочисленных споров. [31] [32] [33] В этом споре также был выявлен ацетат витамина Е. [34]
Острая пероральная токсичность пропиленгликоля очень низка, и для того, чтобы вызвать ощутимые последствия для здоровья человека, требуются большие количества; фактически, токсичность пропиленгликоля составляет одну треть от токсичности этанола . [35] Пропиленгликоль метаболизируется в организме человека в пировиноградную кислоту (нормальная часть процесса метаболизма глюкозы, легко преобразуется в энергию), уксусную кислоту (обрабатывается метаболизмом этанола), молочную кислоту (нормальная кислота, обычно обильная во время пищеварения) [36] и пропионовый альдегид (потенциально опасное вещество). [37] [38] [39] По данным компании Dow Chemical Company , LD 50 (доза, которая убивает 50% подопытной популяции) для крыс составляет 20 г/кг (перорально/крыса). [40] [41]
Токсичность обычно возникает при концентрации в плазме более 4 г/л, что требует чрезвычайно высокого потребления в течение относительно короткого периода времени, или при использовании в качестве средства для лекарств или витаминов, вводимых внутривенно или перорально в больших болюсных дозах . [42] Было бы практически невозможно достичь токсических уровней, потребляя продукты питания или добавки, которые содержат не более 1 г/кг PG, за исключением алкогольных напитков в США, которые разрешены в количестве 5 процентов = 50 г/кг. [43] Случаи отравления пропиленгликолем обычно связаны либо с неправильным внутривенным введением, либо со случайным проглатыванием больших количеств детьми. [44]
Потенциал долгосрочной пероральной токсичности также низок. В непрерывном исследовании по разведению Национальной токсикологической программы не было выявлено никаких эффектов на фертильность у самцов или самок мышей, которым давали пропиленгликоль с питьевой водой в дозах до 10100 мг/кг массы тела в день. Никаких эффектов на фертильность не было выявлено ни у первого, ни у второго поколения обработанных мышей. [30] В двухлетнем исследовании 12 крысам давали корм, содержащий до 5% пропиленгликоля, и они не показали никаких явных болезненных эффектов. [45] Из-за своей низкой хронической пероральной токсичности пропиленгликоль был классифицирован Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США как « общепризнанный безопасный » (GRAS) для использования в качестве прямой пищевой добавки , включая замороженные продукты, такие как мороженое и замороженные десерты . [43] [46] Обозначение GRAS относится только к его использованию в пищевых продуктах и не распространяется на другие виды использования. [47]
Пропиленгликоль может не вызывать раздражения кожи, см. раздел Аллергическая реакция ниже для получения подробной информации об аллергических реакциях. [48] Неразбавленный пропиленгликоль оказывает минимальное раздражающее действие на глаза, вызывая легкий транзиторный конъюнктивит ; глаз восстанавливается после прекращения воздействия.
Исследование, проведенное на добровольцах в 2018 году, показало, что у 10 мужчин и женщин, подвергшихся 4-часовому воздействию концентраций до 442 мг/м3 и 30-минутному воздействию концентраций до 871 мг/м3 в сочетании с умеренными физическими упражнениями, не наблюдалось нарушений функции легких или признаков раздражения глаз, сообщалось лишь о незначительных симптомах раздражения дыхательных путей. [49]
Пропиленгликоль не вызывал сенсибилизации или канцерогенности в лабораторных исследованиях на животных, а также не продемонстрировал генотоксического потенциала. [50] [51]
Вдыхание паров пропиленгликоля, по-видимому, не представляет значительной опасности при обычном применении. [52] Из-за отсутствия данных о хроническом вдыхании рекомендуется не использовать пропиленгликоль в ингаляционных приложениях, таких как театральные постановки или антифризные растворы для аварийных станций промывания глаз . [53] Недавно пропиленгликоль (обычно вместе с глицерином ) был включен в качестве носителя никотина и других добавок в жидкости для электронных сигарет , использование которых представляет собой новую форму воздействия. Потенциальные опасности хронического вдыхания пропиленгликоля или последнего вещества в целом пока неизвестны. [54]
Согласно исследованию 2010 года, концентрация ПГЕ (рассчитываемая как сумма пропиленгликоля и гликолевых эфиров ) в воздухе помещений, особенно в воздухе спальни, связана с повышенным риском развития многочисленных респираторных и иммунных расстройств у детей, включая астму , сенную лихорадку , экзему и аллергии, с повышенным риском в диапазоне от 50% до 180%. Эта концентрация связана с использованием красок на водной основе и чистящих средств на водной основе. Однако авторы исследования пишут, что вероятным виновником являются гликолевые эфиры , а не пропиленгликоль. [55] [56] [57]
Исследования с внутривенным введением пропиленгликоля привели к значениям LD 50 у крыс и кроликов в 7 мл/кг массы тела. [58] Раддик (1972) также обобщил данные о внутримышечной LD 50 для крыс как 13–20 мл/кг массы тела и 6 мл/кг массы тела для кролика. Неблагоприятные эффекты внутривенного введения препаратов, которые используют пропиленгликоль в качестве вспомогательного вещества, были замечены у ряда людей, особенно при больших дозах болюса. Реакции могут включать угнетение ЦНС, «гипотонию, брадикардию , отклонения QRS и T на ЭКГ, аритмию , сердечные аритмии, судороги, возбуждение, гиперосмолярность сыворотки , лактатацидоз и гемолиз ». [59] Высокий процент (12–42%) напрямую введенного пропиленгликоля выводится или секретируется в мочу в неизмененном виде в зависимости от дозировки, а остальная часть появляется в форме глюкуронида . Скорость почечной фильтрации уменьшается по мере увеличения дозировки, [60] что может быть связано с мягкими анестезирующими/ депрессантными свойствами пропиленгликоля как спирта. [61] В одном случае внутривенное введение нитроглицерина , взвешенного в пропиленгликоле , пожилому мужчине могло вызвать кому и ацидоз . [62] Однако не было зарегистрировано подтвержденных случаев летального исхода от пропиленгликоля.
Пропиленгликоль является одобренной пищевой добавкой для корма для собак и сахарных летяг в категории кормов для животных и, как правило, признан безопасным для собак, [63] с LD 50 9 мл/кг. LD 50 выше для большинства лабораторных животных (20 мл/кг). [64] Однако он запрещен для использования в корме для кошек из-за связей с образованием телец Хайнца и сокращением продолжительности жизни эритроцитов. [65] Образование телец Хайнца из MPG не наблюдалось у собак, крупного рогатого скота или людей.
PG использовался в молочной промышленности с 1950-х годов для коров, проявляющих признаки кетоза . Отрицательный энергетический баланс на ранних стадиях лактации может привести к тому, что в организме животного будет более низкий уровень глюкозы, что заставит печень компенсировать это путем преобразования жира в организме, что приведет к нескольким заболеваниям, например, смещению сычуга . [66] PG «снижает соотношение пропионата ацетата к ацетаминофену , одновременно увеличивая преобразование рубцового PG в пропионат и помогая закрыть дефицит энергии у крупного рогатого скота». [66]
Оценки распространенности аллергии на пропиленгликоль варьируются от 0,8% (10% пропиленгликоль в водном растворе) до 3,5% (30% пропиленгликоль в водном растворе). [67] [68] [69] Данные Североамериканской группы по контактному дерматиту (NACDG) за период с 1996 по 2006 год показали, что наиболее распространенным местом для контактного дерматита на пропиленгликоль было лицо (25,9%), за которым следовала генерализованная или рассеянная картина (23,7%). [67] Исследователи полагают, что частота аллергического контактного дерматита на пропиленгликоль может превышать 2% у пациентов с экземой или грибковыми инфекциями, которые очень распространены в странах с меньшей инсоляцией и более низким, чем обычно, балансом витамина D. Поэтому аллергия на пропиленгликоль чаще встречается в этих странах. [70]
Из-за его потенциала вызывать аллергические реакции и частого использования в различных местных и системных продуктах пропиленгликоль был назван Аллергеном года Американского общества контактного дерматита в 2018 году. [71] [72] Недавняя публикация из клиники Майо сообщила о 0,85% случаев положительных патч-тестов на пропиленгликоль (100/11 738 пациентов) с общим уровнем раздражения 0,35% (41/11 738 пациентов) в течение 20-летнего периода с 1997 по 2016 год. [73] 87% реакций были классифицированы как слабые и 9% как сильные. Положительные показатели реакции составили 0%, 0,26% и 1,86% для 5%, 10% и 20% пропиленгликоля соответственно, увеличиваясь с каждым увеличением концентрации. Частота раздражающих реакций составила 0,95%, 0,24% и 0,5% для 5%, 10% и 20% пропиленгликоля соответственно. Сенсибилизация кожи к пропиленгликолю наблюдалась у пациентов, чувствительных к ряду других сопутствующих положительных аллергенов, наиболее распространенными из которых были: смола Myroxylon pereirae, хлорид бензалкония, карба-микс, дихромат калия, сульфат неомицина; для положительных реакций на пропиленгликоль сообщалось о общей медиане 5 и среднем значении 5,6 сопутствующих положительных аллергенов.
Пропиленгликоль встречается в природе, вероятно, в результате анаэробного катаболизма сахаров в кишечнике человека. Он расщепляется ферментами, зависимыми от витамина B 12 , которые превращают его в пропионовый альдегид . [74]
Ожидается, что пропиленгликоль быстро разлагается в воде в результате биологических процессов, но не ожидается, что на него будут существенно влиять гидролиз, окисление, улетучивание , биоконцентрация или адсорбция в осадок. [50] Пропиленгликоль легко биоразлагается в аэробных условиях в пресной воде, морской воде и почве. Поэтому пропиленгликоль считается нестойким в окружающей среде.
Пропиленгликоль проявляет низкую степень токсичности по отношению к водным организмам. Несколько руководящих исследований доступны для пресноводных рыб с самой низкой наблюдаемой летальной концентрацией 96-часового значения LC50 40 613 мг/л в исследовании с Oncorhynchus mykiss . Аналогично, летальная концентрация, определенная для морских рыб, составляет 96-часовое значение LC50 >10 000 мг/л у Scophthalmus maximus .
Хотя пропиленгликоль имеет низкую токсичность, он оказывает высокий уровень биохимической потребности в кислороде (БПК) во время разложения в поверхностных водах. Этот процесс может отрицательно влиять на водную жизнь, потребляя кислород, необходимый водным организмам для выживания. Большие количества растворенного кислорода (РК) в толще воды потребляются, когда микробные популяции разлагают пропиленгликоль. [75] : 2–23
Воздух, содержащий эти пары в количествах вплоть до точки насыщения, совершенно безвреден