Введение

Карбоновая кислота с химической формулой CH3CH2CO2H

Chembox
| Name = Пропионовая кислота
| ImageFileL1 = Propionic acid chemical structure.svg
| ImageSizeL1 = 100px
| ImageNameL1 = Упрощенная структурная формула
| ImageFileR1 = Propionic acid flat structure.png
| ImageSizeR1 = 100px
| ImageNameR1 = Полная структурная формула
| ImageFileL2 = Propionic acid 3D balls.png
| ImageSizeL2 = 100px
| ImageNameL2 = Модель шаров и палочек
| ImageFileR2 = Propionic acid spheres.png
| ImageSizeR2 = 100px
| ImageNameR2 = Модель заполнения пространства
| ImageFile3 = Propionic acid.jpg
| ImageSize3 = 200px
| PIN = Пропановая кислота
| OtherNames = Карбоксиэтан, Этанкарбоновая кислота, Этилформиат, Метацетоновая кислота, Метилацетоновая кислота, C3:0 (липидные числа)
|Section1=
|Section2=Свойства пропионовой кислоты
| C=3 | H=6 | O=2
| Appearance = Бесцветная маслянистая жидкость
| SolubleOther = Смешивается с этанолом, эфиром
| MeltingPtC = −20.5
| MeltingPt ref =
| BoilingPtC = 141.15
| BoilingPt ref =
| RefractIndex = 1.3843
| SublimationConditions = Сублимируется при −48 °C ΔsublHo = 74 кДж/моль
| SpaceGroup = P21/c
| DeltaHc = 1527.3 кДж/моль
| GHSSignalWord = Опасно
| HPhrases =
| IDLH = N.D. В течение следующих нескольких лет другие химики получали пропионовую кислоту различными способами, не осознавая, что производят одно и то же вещество. В 1847 году французский химик Жан-Батист Дюма установил, что все эти кислоты являются одним и тем же соединением, которое он назвал пропионовой кислотой, от греческих слов πρῶτος (prōtos), означающего «первый», и πίων (piōn), означающего «жир», поскольку это наименьшая кислота, проявляющая свойства других жирных кислот, такие как образование маслянистого слоя при осаждении из воды солью и образование мыла калия.

Свойства

Пропионовая кислота обладает физическими свойствами, промежуточными между свойствами более мелких карбоновых кислот, таких как муравьиная и уксусная, и более крупных жирных кислот. Она смешивается с водой, но может быть извлечена из воды добавлением соли. Как и уксусная и муравьиная кислоты, она состоит из молекулярных пар, связанных водородными связями, как в жидком, так и в газообразном состоянии. Пропионовая кислота проявляет общие свойства карбоновых кислот: она способна образовывать амиды, сложные эфиры, ангидриды и хлорангидриды. Она вступает в реакцию Хелл-Вольгарда-Зелинского, включающую α-галогенирование карбоновой кислоты бромом в присутствии трибромида фосфора в качестве катализатора, что в данном случае приводит к образованию 2-бромопропановой кислоты, CH3CHBrCOOH. Этот продукт использовался для получения рацемической смеси аланина посредством аммонолиза.

Биотехнологические

В биотехнологическом производстве пропионовой кислоты в основном используются штаммы Propionibacterium. Однако крупномасштабное производство пропионовой кислоты пропионибактериями сталкивается с такими проблемами, как сильное ингибирование конечными продуктами в процессе роста клеток и образование побочных продуктов (уксусной кислоты и янтарной кислоты). Один из подходов к повышению продуктивности и выхода продукта в ходе ферментации – использование методов иммобилизации клеток, что также облегчает выделение, повторное использование клеточной биомассы и повышает устойчивость микроорганизмов к стрессу. В 2018 году технология 3D-печати впервые была применена для создания матрицы для иммобилизации клеток в ферментационных процессах. Производство пропионовой кислоты пропионибактерией acidipropionici, иммобилизованной на 3D-печатных нейлоновых шариках, было выбрано в качестве модельного исследования. Было показано, что эти 3D-печатные шарики способствуют высокой плотности прикрепления клеток и производству пропионовой кислоты, что может быть адаптировано к другим биопроцессам ферментации. Также были протестированы другие матрицы для иммобилизации клеток, такие как переработанное стекло Poraver и волокнистый биореактор. Были изучены альтернативные методы производства, включающие генетическую модификацию штаммов Escherichia coli для внедрения необходимого метаболического пути – цикла Wood-Werkman.

Промышленное использование

Пропионовая кислота подавляет рост плесени и некоторых бактерий в концентрациях от 0,1 до 1% по массе. В результате часть производимой пропионовой кислоты используется в качестве консерванта как для кормов для животных, так и для продуктов питания, предназначенных для человека. В животноводстве она применяется как непосредственно, так и в виде аммонийной соли. На это применение приходится около половины мирового производства пропионовой кислоты. Антибиотик монензин добавляют в корма для крупного рогатого скота, чтобы стимулировать рост пропионибактерий по сравнению с производителями уксусной кислоты в рубце; это приводит к снижению образования углекислого газа и улучшению усвояемости корма. Еще одно важное применение – в качестве консерванта в хлебобулочных изделиях, где используются соли натрия и кальция. Это распространено в США, Австралии и Новой Зеландии. Пропионовая кислота также является ценным промежуточным продуктом в производстве других химических веществ, особенно полимеров. Пропионат ацетата целлюлозы – полезный термопластичный материал. Также используется виниловый пропионат. В более специализированных областях она применяется для производства пестицидов и фармацевтических препаратов. Эфиры пропионовой кислоты обладают фруктовыми ароматами и иногда используются в качестве растворителей или искусственных ароматизаторов. При производстве сыра Ярлсберг используются бактерии пропионовой кислоты для придания вкуса и характерных отверстий.

Биология

Пропионовая кислота образуется биологически в виде кофермента А, пропионил-КоА, в результате метаболического распада жирных кислот, содержащих нечётное число атомов углерода, а также при расщеплении некоторых аминокислот. Бактерии рода Propionibacterium продуцируют пропионовую кислоту как конечный продукт своего анаэробного метаболизма. Этот класс бактерий обычно встречается в желудках жвачных животных и в потовых железах человека, и их активность частично обуславливает запах сыра Эмменталь, американского "швейцарского сыра" и пота. Метаболизм пропионовой кислоты начинается с её превращения в пропионил-КоА, что является обычной первой стадией метаболизма карбоновых кислот. Поскольку пропионовая кислота содержит три атома углерода, пропионил-КоА не может напрямую вступать ни в β-окисление, ни в цикл лимонной кислоты. У большинства позвоночных пропионил-КоА карбоксилируется до D-метилмалонил-КоА, который изомеризуется в L-метилмалонил-КоА. Витамин B12-зависимый фермент катализирует перестройку L-метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА, являющийся промежуточным продуктом цикла лимонной кислоты и способный легко включаться в него. Пропионовая кислота служит субстратом для глюконеогенеза в печени посредством превращения в сукцинил-КоА. Кроме того, введение пропионовой кислоты извне приводит к увеличению продукции эндогенной глюкозы, превышающему то, что можно объяснить только глюконеогенным превращением. Экзогенная пропионовая кислота может усиливать выработку эндогенной глюкозы за счёт повышения уровня норадреналина и глюкагона, что позволяет предположить, что хроническое употребление пропионовой кислоты может иметь неблагоприятные метаболические последствия. При пропионовой ацидемии, редком наследственном генетическом заболевании, пропионат действует как метаболический токсин в клетках печени, накапливаясь в митохондриях в виде пропионил-КоА и его производного, метилцитрата – двух ингибиторов трикарбонового кислотного цикла. Пропионат окисляется глиальными клетками, что указывает на уязвимость астроцитов при пропионовой ацидемии, когда может происходить накопление внутримитохондриального пропионил-КоА. Пропионовая ацидемия может изменять экспрессию генов как нейронов, так и глиальных клеток, влияя на ацетилирование гистонов. При непосредственном введении пропионовой кислоты в мозг грызунов наблюдается обратимое изменение поведения (например, гиперактивность, дистония, нарушение социальной адаптации, персеверация) и изменения в мозге (например, врождённое нейровоспаление, истощение глутатиона), которые могут быть использованы для моделирования аутизма на крысах. Пропионат является одним из наиболее распространённых короткоцепочечных жирных кислот, образующихся в толстом кишечнике человека под действием кишечной микробиоты в ответ на неперевариваемые углеводы (пищевые волокна) в рационе. Роль кишечной микробиоты и её метаболитов, включая пропионат, в модуляции функции мозга была рассмотрена в обзорах литературы. Исследование на мышах показало, что пропионат продуцируется бактериями рода Bacteroides в кишечнике и обеспечивает некоторую защиту от Salmonella. Другое исследование показало, что пропионат жирной кислоты может успокаивать иммунные клетки, вызывающие повышение артериального давления, тем самым защищая организм от негативных последствий гипертонии.

Бактериология

Вид бактерий Coprothermobacter platensis образует пропионат при ферментации желатина.

Соли и эфиры пропионатов

Пропионат /'//p//r//oʊ//p//i//ə//n//eɪ//t/, или пропаноат, – это ион, являющийся сопряжённым основанием пропионовой кислоты. Эта форма встречается в биологических системах при физиологическом pH. Пропионовое соединение – это карбоксилатная соль или эфир пропионовой кислоты. В таких соединениях пропионат часто обозначается сокращённо как или просто . Пропионаты не следует путать с пропеноатами (обычно известными как акрилаты) – ионами, солями или эфирами пропеновой кислоты (также известной как 2-пропеновая кислота или акриловая кислота).