Введение
Пропиленгликоль (название IUPAC: пропан-1,2-диол) — это вязкая, бесцветная жидкость, практически без запаха, но с лёгким сладковатым привкусом. Его химическая формула — CH3CH(OH)CH2OH. Поскольку он содержит две спиртовые группы, он относится к классу диолов. Он смешивается с широким спектром растворителей, включая воду, ацетон и хлороформ. В целом, гликоли не вызывают раздражения и обладают очень низкой летучестью. Он производится в больших масштабах, главным образом для производства полимеров. В Европейском Союзе для применения в пищевых продуктах ему присвоен номер E1520. Для косметики и фармакологии используется номер E490. Пропиленгликоль также входит в состав пропиленгликоляльгината, известного как E405. Пропиленгликоль признан GRAS (общепризнанно безопасным) Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) в соответствии с 21 CFR x184.1666 и также одобрен FDA для определенных целей в качестве непрямой пищевой добавки. Пропиленгликоль одобрен и используется в качестве носителя для наружных, пероральных и некоторых внутривенных фармацевтических препаратов в США и Европе.
Propylene glycol (IUPAC name: propane 1,2 diol) is a viscous, colorless liquid, which is nearly odorless but possesses a faintly sweet taste. Its chemical formula is CH3CH(OH)CH2OH. As it contains two alcohol groups, it is classed as a diol. It is miscible with a broad range of solvents, including water, acetone, and chloroform. In general, glycols are non irritating and have very low volatility. It is produced on a large scale primarily for the production of polymers. In the European Union, it has E number E1520 for food applications. For cosmetics and pharmacology, the number is E490. Propylene glycol is also present in propylene glycol alginate, which is known as E405. Propylene glycol is a compound which is GRAS (generally recognized as safe) by the US Food and Drug Administration under 21 CFR x184.1666, and is also approved by the FDA for certain uses as an indirect food additive. Propylene glycol is approved and used as a vehicle for topical, oral, and some intravenous pharmaceutical preparations in the U. S. and in Europe.
Структура
Соединение иногда называют (альфа) α-пропиленгликолем, чтобы отличить его от изомера пропан-1,3-диола, известного как (бета) β-пропиленгликоль. Пропиленгликоль является хиральным. В промышленных процессах обычно используется рацемическая смесь. S-изомер получают биотехнологическими методами.
Промышленный
Промышленно пропиленгликоль в основном производится из оксида пропилена (для пищевого использования). По данным источника за 2018 год, ежегодно производится 2,16 миллиона тонн. Конечные продукты содержат 20% пропиленгликоля, 1,5% дипропиленгликоля и небольшое количество других полипропиленгликолей. Дальнейшая очистка позволяет получить готовый пропиленгликоль промышленного качества или качества USP/JP/EP/BP, обычно с чистотой 99,5% и выше. Использование пропиленгликоля, соответствующего требованиям USP (Фармакопеи США), может снизить риск отклонения при подаче сокращенного заявления на регистрацию нового лекарственного средства (ANDA). Пропиленгликоль также может быть получен из глицерина – побочного продукта производства биодизеля.
Полимеры
Сорок пять процентов производимого пропиленгликоля используется в качестве химического сырья для производства ненасыщенных полиэфирных смол. В этом случае пропиленгликоль реагирует со смесью ненасыщенного малеинового ангидрида и изофталевой кислоты с образованием сополимера. Этот частично ненасыщенный полимер подвергается дальнейшей сшивке, образуя термореактивные пластмассы. В связи с этим применением пропиленгликоль реагирует с оксидом пропилена с образованием олигомеров и полимеров, которые используются для производства полиуретанов. Испарители, используемые для доставки фармацевтических препаратов или средств личной гигиены, часто содержат пропиленгликоль в качестве одного из ингредиентов. Пропиленгликоль используется в качестве растворителя во многих фармацевтических препаратах, включая пероральные, инъекционные и местные формы. Многие лекарственные препараты, нерастворимые в воде, используют пропиленгликоль в качестве растворителя и носителя; таблетки бензодиазепина – один из примеров. Пропиленгликоль также используется в качестве растворителя и носителя для многих фармацевтических капсульных препаратов. Кроме того, некоторые составы искусственных слез содержат пропиленгликоль в качестве ингредиента.
Противозамерзающее средство
Точка замерзания воды понижается при смешивании с пропиленгликолем. Он используется в качестве жидкости для противообледенительной обработки и предотвращения обледенения самолетов. Для удаления ледяных отложений с фюзеляжей коммерческих самолетов на земле используется 50%-ный раствор, разбавленный водой и нагретый (противообледенительная обработка), а 100%-ный неразбавленный холодный раствор применяется только на крыльях и хвостовых поверхностях самолета для предотвращения образования льда в течение определенного времени перед взлетом (предотвращение обледенения). Обычно этот промежуток времени составляет от 15 до 90 минут, в зависимости от интенсивности снегопада и температуры наружного воздуха. Смеси пропиленгликоля с водой, окрашенные в розовый цвет для обозначения относительно низкой токсичности, продаются под названиями RV или морской антифриз. Пропиленгликоль часто используется в качестве замены этиленгликоля в автомобильных антифризах с низкой токсичностью и экологической безопасностью. Он также применяется для консервации водопроводных систем в пустующих зданиях на зиму. Эвтектический состав/температура составляет 60:40 пропиленгликоль:вода/−60 °C. Однако коммерческий продукт с температурой -50 °F/-45 °C содержит больше воды; типичная формула – 40:60.
Жидкие электронные сигареты
Пропиленгликоль, растительный глицерин или их смесь являются основными компонентами жидкости для электронных сигарет. Они преобразуются в аэрозоль, имитирующий дым, и служат для доставки таких веществ, как никотин и ароматизаторы.
Различные применения
Как растворитель для многих веществ, как природных, так и синтетических. В качестве увлажнителя (E1520). В качестве депрессанта температуры замерзания для водяного льда (слаш-айс). В ветеринарной медицине в качестве перорального средства для лечения гиперкетонемии у жвачных животных. В косметической промышленности, где пропиленгликоль очень часто используется в качестве носителя или основы для различных видов макияжа. Для отлова и сохранения насекомых (в том числе в качестве консерванта ДНК). Для создания театрального дыма и тумана в спецэффектах для кино и живых выступлений. Так называемые "дым-машины" или "генераторы тумана" испаряют смесь пропиленгликоля и воды, создавая иллюзию дыма. В то время как многие из этих машин используют жидкость на основе пропиленгликоля, некоторые используют масло. Те, которые используют пропиленгликоль, делают это в процессе, идентичном принципу работы электронных сигарет, используя нагревательный элемент для получения плотного пара. Пар, производимый этими машинами, имеет эстетичный вид и привлекательность дыма, но не подвергает исполнителей и технический персонал вредному воздействию и запахам, связанным с настоящим дымом. В качестве добавки в полимеразную цепную реакцию (ПЦР) для снижения температуры плавления нуклеиновых кислот при выделении GC-богатых последовательностей. В качестве поверхностно-активного вещества он используется для предотвращения образования капель воды на поверхностях. Он используется в фотографии для этой цели, чтобы снизить риск появления водяных пятен или отложений минералов из воды, используемой для проявки пленки или бумаги.
Безопасность для человека
При использовании в умеренных количествах пропиленгликоль не оказывает измеримого влияния на развитие и/или репродуктивную функцию животных и, вероятно, не оказывает негативного воздействия на развитие или репродуктивную функцию человека при обычном использовании. Безопасность электронных сигарет, использующих препараты на основе пропиленгликоля с никотином, ТГК и другими каннабиноидами, вызывает множество споров. Ацетат витамина Е также был вовлечен в эти споры.
Пероральное введение
Острая пероральная токсичность пропиленгликоля очень низкая, и для того, чтобы вызвать заметные эффекты для здоровья человека, требуются большие количества; фактически, токсичность пропиленгликоля составляет треть от токсичности этанола. Пропиленгликоль в организме человека метаболизируется до пировиноградной кислоты (нормальная составляющая процесса метаболизма глюкозы, легко превращаемая в энергию), уксусной кислоты (перерабатываемой метаболизмом этанола), молочной кислоты (обычная кислота, в большом количестве образующаяся при пищеварении) и пропиональдегида (потенциально опасное вещество). Согласно Dow Chemical Company, LD50 (доза, вызывающая гибель 50% подопытных животных) для крыс составляет 20 г/кг (перорально/крысам). Токсичность обычно проявляется при концентрациях в плазме крови выше 4 г/л, что требует крайне высокого потребления за относительно короткий период времени, или при использовании в качестве носителя для лекарственных препаратов или витаминов, вводимых внутривенно или перорально в больших разовых дозах. Достичь токсичных уровней при употреблении продуктов питания или добавок, содержащих не более 1 г/кг пропиленгликоля, практически невозможно, за исключением алкогольных напитков в США, где допускается содержание до 5% = 50 г/кг. Случаи отравления пропиленгликолем обычно связаны либо с неправильным внутривенным введением, либо со случайным проглатыванием больших количеств детьми. Потенциал для долгосрочной пероральной токсичности также низок. В исследовании Национальной токсикологической программы по непрерывному разведению не было выявлено влияния на фертильность у самцов и самок мышей, получавших пропиленгликоль в питьевой воде в дозах до 10100 мг/кг массы тела в сутки. Ни у первого, ни у второго поколения мышей, получавших лечение, не наблюдалось эффектов на фертильность. Благодаря низкой хронической пероральной токсичности, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) классифицировало пропиленгликоль как "общепризнанно безопасный" (GRAS) для использования в качестве прямой пищевой добавки, включая замороженные продукты, такие как мороженое и замороженные десерты. Статус GRAS специфичен для использования в пищевых продуктах и не распространяется на другие области применения.
Контакт с кожей и глазами
Пропиленгликоль может не вызывать раздражения кожи, подробности об аллергических реакциях см. в разделе "Аллергические реакции" ниже. Неразбавленный пропиленгликоль оказывает минимальное раздражающее действие на глаза, вызывая легкий, временный конъюнктивит; после прекращения воздействия глаза восстанавливаются. Исследование с участием добровольцев, проведенное в 2018 году, показало, что у 10 мужчин и женщин, подвергавшихся воздействию концентраций до 442 мг/м³ в течение 4 часов и до 871 мг/м³ в течение 30 минут в сочетании с умеренными физическими упражнениями, не наблюдалось дефицита функции легких или признаков раздражения глаз, при этом отмечались лишь незначительные симптомы раздражения дыхательных путей. В лабораторных исследованиях на животных пропиленгликоль не вызывал сенсибилизации или канцерогенности и не продемонстрировал генотоксического потенциала.
Ингаляция
Вдыхание паров пропиленгликоля, по-видимому, не представляет значительной опасности при обычном использовании. Ввиду отсутствия данных о хроническом вдыхании, рекомендуется избегать использования пропиленгликоля в ингаляционных применениях, таких как театральные постановки или антифризные растворы для станций аварийного промывания глаз. В последнее время пропиленгликоль (часто вместе с глицерином) стал использоваться в качестве носителя никотина и других добавок в жидкостях для электронных сигарет, что представляет собой новый вид воздействия. Потенциальные риски хронического вдыхания пропиленгликоля или этих веществ в целом пока неизвестны. Согласно исследованию 2010 года, концентрация ПГЭ (рассчитываемая как сумма пропиленгликоля и гликолефиров) в воздухе помещений, особенно в спальнях, связана с повышенным риском развития у детей различных респираторных и иммунных заболеваний, включая астму, сенную лихорадку, экзему и аллергию, причем риск возрастает на 50–180%. Эта концентрация связана с использованием водоэмульсионных красок и очистителей систем на водной основе. Однако авторы исследования отмечают, что вероятной причиной являются гликолефиры, а не пропиленгликоль.
Внутривенное введение
Исследования с внутривенным введением пропиленгликоля показали значения LD50 у крыс и кроликов в 7 мл/кг массы тела. Руддик (1972) также обобщил данные о внутримышечной ЛД50 для крыс в диапазоне 13-20 мл/кг массы тела и 6 мл/кг массы тела для кроликов. Неблагоприятные эффекты от внутривенного введения лекарственных препаратов, содержащих пропиленгликоль в качестве вспомогательного вещества, наблюдались у ряда людей, особенно при введении больших болюсных доз. Реакции могут включать депрессию ЦНС, "гипотензию, брадикардию, изменения зубцов QRS и T на ЭКГ, аритмию, нарушения сердечного ритма, судороги, возбуждение, повышение осмолярности сыворотки крови, молочнокислый ацидоз и гемолиз". Высокий процент (от 12% до 42%) непосредственно введенного пропиленгликоля выводится или секретируется с мочой в неизмененном виде, в зависимости от дозы, а остальное превращается в форму глюкуронида. Скорость почечной фильтрации снижается с увеличением дозы, что может быть связано с умеренными анестезирующими / депрессивными свойствами пропиленгликоля как спирта. В одном случае внутривенное введение пропиленгликоля в виде суспензии нитроглицерина пожилому мужчине могло спровоцировать кому и ацидоз. Однако случаев летального исхода, подтвержденно вызванного пропиленгликолем, не зарегистрировано.
Животные
Пропиленгликоль является одобренной пищевой добавкой для собак и сахарных поссумов в категории кормов для животных и общепризнанно безопасен для собак, с LD50 в 9 мл/кг. LD50 выше для большинства лабораторных животных (20 мл/кг). Однако его использование запрещено в кормах для кошек из-за связи с образованием телец Хайнца и сокращением продолжительности жизни эритроцитов. Образование телец Хайнца, вызванное пропиленгликолем, не наблюдалось у собак, крупного рогатого скота или людей. Пропиленгликоль используется в молочной промышленности с 1950-х годов для коров с признаками кетоза. Отрицательный энергетический баланс на ранних стадиях лактации может приводить к снижению уровня глюкозы в организме животного, что стимулирует печень компенсировать это путем преобразования жира, вызывая различные заболевания, например, смещение сычуга. Пропиленгликоль "снижает соотношение пропионата к ацетату, одновременно увеличивая конверсию пропиленгликоля в пропионат в рубце и способствуя восполнению энергетического дефицита у крупного рогатого скота". Данные Североамериканской группы по контактному дерматиту (NACDG) за период с 1996 по 2006 год показали, что наиболее частой локализацией контактного дерматита, вызванного пропиленгликолем, было лицо (25,9%), далее – генерализованная или рассеянная картина (23,7%). В связи с его потенциалом вызывать аллергические реакции и широким использованием в различных местных и системных препаратах, пропиленгликоль был назван аллергеном года Американским обществом контактного дерматита в 2018 году. Недавняя публикация клиники Мейо сообщила о 0,85% частоте положительных кожных тестов на пропиленгликоль (100 из 11 738 пациентов) и общей частоте раздражения 0,35% (41 из 11 738 пациентов) за 20-летний период с 1997 по 2016 год. 87% реакций были классифицированы как слабые, а 9% – как сильные. Частота положительных реакций составила 0%, 0,26% и 1,86% для 5%, 10% и 20% пропиленгликоля соответственно, увеличиваясь с ростом 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, карбамикс, дихромат калия, сульфат неомицина; для положительных реакций на пропиленгликоль сообщалось о медиане в 5 и среднем в 5,6 сопутствующих положительных аллергенов.
Влияние на окружающую среду
Пропиленгликоль встречается в природе, вероятно, в результате анаэробного катаболизма сахаров в кишечнике человека. Он расщепляется ферментами, зависимыми от витамина B12, которые превращают его в пропиональдегид. Ожидается, что пропиленгликоль будет быстро разлагаться в воде под воздействием биологических процессов, однако гидролиз, окисление, испарение, биоаккумуляция или адсорбция к донным отложениям не должны оказывать на него существенного влияния. Пропиленгликоль легко подвергается биоразложению в аэробных условиях в пресной воде, морской воде и почве. Следовательно, пропиленгликоль не считается стойким в окружающей среде. Пропиленгликоль проявляет низкую токсичность по отношению к водным организмам. Имеются данные нескольких исследований, определяющих предельно допустимые концентрации для пресноводных рыб, с наименьшей наблюдаемой смертельной концентрацией (96-часовая LC50) в 40 613 мг/л в исследовании с Oncorhynchus mykiss. Аналогично, смертельная концентрация для морских рыб составляет 96-часовую LC50 > 10 000 мг/л для Scophthalmus maximus. Несмотря на низкую токсичность пропиленгликоля, его разложение в поверхностных водах приводит к высокому уровню биохимического потребления кислорода (БПК). Этот процесс может негативно сказаться на водной жизни, потребляя кислород, необходимый водным организмам для выживания. Значительное количество растворенного кислорода (ДК) в водной толще потребляется при разложении пропиленгликоля микробными популяциями.