Введение

Любой сложный эфир, производный от фталевой кислоты.

Фталаты (/US/'/θ//æ//l//eɪ//t//s/, /UK/'/θ//a://l//eɪ//t//s//,// /'/f//θ//æ//l//ɪ//t//s/), или эфиры фталевой кислоты, являются сложными эфирами фталевой кислоты. Они в основном используются в качестве пластификаторов, то есть веществ, добавляемых в пластмассы для повышения их гибкости, прозрачности, прочности и долговечности. В основном они используются для размягчения поливинилхлорида (ПВХ). Важно отметить, что хотя фталаты обычно являются пластификаторами, не все пластификаторы являются фталатами. Это два специфических и различных термина, которые нельзя использовать взаимозаменяемо. Фталаты с низкой молекулярной массой заменяются во многих продуктах в США, Канаде и Европейском союзе из-за опасений для здоровья. На замену им приходят фталаты с более высокой молекулярной массой, а также пластификаторы, не содержащие фталатов.

Распространенность и воздействие на человека

Из-за повсеместного распространения пластифицированных пластмасс, большинство людей подвергаются воздействию фталатов в той или иной степени. Например, у большинства американцев, прошедших тестирование в Центрах по контролю и профилактике заболеваний, в моче обнаружены метаболиты нескольких фталатов. В феврале 2009 года Совместный исследовательский центр (СИЦ) Европейской комиссии опубликовал обзор методов измерения фталатов в пищевых продуктах. В 2021 году исследование было посвящено поиску фталатов в 64 образцах фастфуда. Фталат DnBP был обнаружен в 81% образцов, а DEHP – в 70%. Диэтилгексилтерефталат (DEHT), основная альтернатива DEHP, был обнаружен в 86%. Исследование Consumer Reports, проведенное в 2024 году, выявило наличие фталатов во всех протестированных продуктах из продуктовых магазинов и фастфуда, за исключением одного. Воздействие фталатов более вероятно для женщин и представителей цветных рас. Были выявлены различия между мексиканскими американцами, афроамериканцами и белыми в отношении общего риска нарушения гомеостаза глюкозы. У мексиканских американцев наблюдалось увеличение уровня глюкозы в крови натощак (FBG) на 5,82 мг/дл, у афроамериканцев – на 3,63 мг/дл, а у белых – на 1,79 мг/дл, что свидетельствует о повышенном риске для представителей меньшинств.

Природное происхождение

Различные растения и микроорганизмы, как сообщается, естественным образом производят небольшие количества фталатов (эндогенных фталатов). Считается, что биосинтез происходит по модифицированному пути шикимовой кислоты. Масштаб этого естественного производства изучен не полностью, но он может создавать фоновый уровень загрязнения фталатами.

Пластификаторы ПВХ

От 90 до 95% всех фталатов используются в качестве пластификаторов для производства гибкого ПВХ. Это были первые коммерчески важные соединения для этой цели, историческое преимущество, которое привело к их прочному закреплению в технологии производства гибкого ПВХ. Фталаты, полученные из спиртов с 7–13 атомами углерода, занимают привилегированное положение в качестве пластификаторов общего назначения, подходящих практически для всех областей применения гибкого ПВХ. Нефталатные пластификаторы также все чаще используются. Почти 90% всех пластификаторов применяются в ПВХ, что придает этому материалу повышенную гибкость и долговечность. Большая часть используется в пленках и оболочках кабелей. Гибкий ПВХ может содержать более 85% пластификатора по массе, однако непластифицированный ПВХ (НПВХ) не должен содержать пластификаторы. + Свойства ПВХ в зависимости от содержания фталатного пластификатора

Содержание пластификатора (% DINP по весу) | Удельный вес (20 °C) | Твердость по Шору (тип A, 15 с) | Модуль изгиба (МПа) | Прочность на растяжение (МПа) | Относительное удлинение при разрыве (%) | Примеры применения
---|---|---|---|---|---|---
Жесткий | 0 | 1,4 | 900 | 41 | <15 | Непластифицированный ПВХ (НПВХ): оконные рамы и подоконники, двери, жесткие трубы
Полужесткий | 25 | 1,26 | 94 | 69 | 31 | 225 | Виниловые полы, гибкие трубы, тонкие пленки (упаковочная стрейч-пленка), рекламные баннеры
Гибкий | 33 | 1,22 | 84 | 12 | 21 | 295 | Изоляция проводов и кабелей, гибкие трубы
Очень гибкий | 44 | 1,17 | 66 | 3,4 | 14 | 400 | Сапоги и одежда, надувные изделия
Чрезвычайно гибкий | 86 | 1,02 | <10 | – | – | Рыболовные приманки (мягкий пластиковый воблер), полимерная глина, пластизольные краски

Пластификаторы, не являющиеся ПВХ

Фталаты используются в качестве пластификаторов в различных других полимерах, при этом их применение сосредоточено в области покрытий, таких как лаки, смолы и краски. Добавление фталатов придает этим материалам гибкость, снижая их склонность к сколам. Фталаты, полученные из спиртов, содержащих от 1 до 4 атомов углерода, используются в качестве пластификаторов для пластмасс на основе целлюлозы, таких как ацетат целлюлозы, нитроцеллюлоза и ацетатцеллюлозбутират, а распространенные области применения включают лак для ногтей. Большинство фталатов также совместимы с алкидными и акриловыми смолами, которые используются как в масляных, так и в эмульсионных красках. К другим пластифицированным полимерным системам относятся поливинилбутираль (особенно формы, используемые для производства ламинированного стекла), поливинилацетат (ПВА) и его сополимеры, такие как поливинилхлорацетат (PVCA). Они также совместимы с нейлоном, полистиролом, полиуретанами и некоторыми каучуками, но их применение в этих материалах весьма ограничено. Фталаты способны пластифицировать этилцеллюлозу, поливинилацетатфталат (PVAP) и ацетатцеллюлозфталат (CAP), которые все используются для создания кишечнорастворимых покрытий для таблеток и капсул. Эти покрытия защищают лекарственные препараты от кислотности желудка, обеспечивая их высвобождение и всасывание в кишечнике.

Растворитель и флегматизатор

Фталатовые эфиры широко используются в качестве растворителей для высокореактивных органических пероксидов. Тысячи тонн потребляются ежегодно с этой целью. Главное преимущество этих эфиров заключается в том, что они являются флегматизаторами, то есть снижают взрывоопасность семейства химических соединений, которые в противном случае были бы потенциально опасны в обращении. Фталаты также использовались при производстве пластичных взрывчатых веществ, таких как Semtex.

Другие применения

Относительно небольшие количества некоторых фталатов находят применение в средствах личной гигиены, таких как тени для век, увлажняющий крем, лак для ногтей, жидкое мыло и лак для волос. Низкомолекулярные фталаты, такие как диметилфталат и диэтилфталат, используются в качестве фиксаторов в парфюмерии. Диметилфталат также применяется как репеллент от насекомых и особенно эффективен против иксодидных клещей, переносчиков болезни Лайма, а также против видов комаров, таких как Anopheles stephensi, Culex pipiens и Aedes aegypti.

Фталат диаллила используется для производства виниловых эфирных смол с превосходными диэлектрическими свойствами, которые применяются в производстве электронных компонентов. Алкидные смолы иногда относят к фталатам, поскольку они соответствуют техническому определению, однако, будучи полимерными эфирами фталевой кислоты, их свойства и области применения существенно отличаются.

История

Разработка целлюлозно-нитратного пластика в 1846 году привела к патентованию касторового масла в 1856 году для использования в качестве первого пластификатора. В 1870 году камфора стала более предпочтительным пластификатором для нитрата целлюлозы. Фталаты были впервые внедрены в 1920-х годах и быстро заменили летучую и неприятно пахнущую камфору. В 1931 году коммерческая доступность поливинилхлорида (ПВХ) и разработка ди(2-этилгексил)фталата (DEHP) положили начало быстрому росту индустрии пластификаторов для ПВХ.

Свойства

Фталатовые эфиры обычно относятся к диалкиловым эфирам фталевой кислоты (также называемой 1,2-бензодикарбоновой кислотой, не следует путать со структурно изомерными терефталовой или изофталовой кислотами); название "фталаты" происходит от фталевой кислоты, которая, в свою очередь, происходит от слова "нафталин". При добавлении в пластики, фталаты позволяют поливинилполимерам скользить друг относительно друга. Фталаты представляют собой прозрачные сиропообразные жидкости с низкой растворимостью в воде, высокой растворимостью в маслах и низкой летучестью. Полярная карбоксильная группа вносит незначительный вклад в физические свойства фталатов, за исключением случаев, когда R и R' очень малы (например, этильные или метильные группы). Фталаты – бесцветные, не имеющие запаха жидкости, получаемые в результате реакции фталевого ангидрида со спиртами. Механизм, посредством которого фталаты и родственные соединения пластифицируют полярные полимеры, является предметом интенсивных исследований с 1960-х годов. Механизм основан на полярных взаимодействиях между полярными центрами молекулы фталата (C=O-функциональностью) и положительно заряженными областями виниловой цепи, обычно расположенными на атоме углерода углерод-хлорной связи. Для этого полимер необходимо нагреть в присутствии пластификатора, сначала выше температуры стеклования (Tg) полимера, а затем довести до расплавленного состояния. Это обеспечивает тесное смешивание полимера и пластификатора и возникновение этих взаимодействий. При охлаждении эти взаимодействия сохраняются, и сеть цепей ПВХ не может восстановиться (как это происходит в непластифицированном ПВХ или ПВХ U). Алкильные цепи фталата также экранируют цепи ПВХ друг от друга. Они смешиваются с пластиковым изделием в процессе производства. Поскольку они не связаны химически с полимерной матрицей, фталаты высвобождаются из пластикового изделия относительно легко. Например, их можно извлечь экстракцией органическими растворителями и, в некоторой степени, при контакте.

Альтернативы

Будучи недорогими, нетоксичными (в отношении острой токсичности), бесцветными, некоррозионными, биоразлагаемыми и обладающими легко регулируемыми физическими свойствами, фталаты являются почти идеальными пластификаторами. Среди многочисленных альтернативных пластификаторов – диоктилтерефталат (DEHT) (терефталатный изомер DEHP) и диизонониловый эфир 1,2-циклогександикарбоновой кислоты (DINCH) (гидрированная версия DINP). И DEHT, и DINCH широко использовались в различных продуктах, контактирующих с человеком, в качестве альтернативы пластификаторам DEHP и DINP. К таким продуктам относятся медицинские изделия, игрушки и упаковка для пищевых продуктов. DEHT и DINCH более гидрофобны, чем другие альтернативные фталаты, такие как бис(2-этилгексил)адипат (DEHA) и диизодециладипат (DIDA). Поскольку альтернативные пластификаторы, такие как DEHT и DINCH, с большей вероятностью связываются с органическими веществами и взвешенными в воздухе частицами в помещениях, воздействие на организм происходит главным образом через употребление пищи и контакт с пылью.

Влияние на окружающую среду

Фталаты легко высвобождаются в окружающую среду. В целом, они не накапливаются из-за быстрого биоразложения, фотодеградации и анаэробного разложения. Концентрации в атмосферном воздухе выше в городских и пригородных районах, чем в сельской местности и удаленных районах. Они также не проявляют острой токсичности. Считается, что питание является основным источником DEHP и других фталатов для населения в целом. Жирные продукты, такие как молоко, масло и мясо, являются основным источником. Исследования показывают, что воздействие фталатов выше при употреблении определенных продуктов питания, чем при употреблении из пластиковых бутылок с водой, как это часто предполагается в отношении химических веществ, содержащихся в пластике. Фталаты с низкой молекулярной массой, такие как DEP, DBP и BBzP, могут абсорбироваться через кожу. Ингаляционное воздействие также существенно для более летучих фталатов. Одно исследование, проведенное в период с 2003 по 2010 год с анализом данных 9000 человек, показало, что у тех, кто сообщил об употреблении пищи в ресторанах быстрого питания, в образцах мочи были обнаружены значительно более высокие уровни двух различных фталатов – DEHP и DiNP. Даже небольшое потребление фаст-фуда приводило к повышенному содержанию фталатов. "У людей, сообщивших о незначительном употреблении фаст-фуда, уровень DEHP был на 15,5% выше, а уровень DiNP – на 25% выше, чем у тех, кто не употреблял фаст-фуд. Для тех, кто употреблял значительное количество, увеличение составило 24% и 39% соответственно". В болгарском исследовании 2008 года было обнаружено, что концентрация пыли, содержащей DEHP, в домах детей с астмой и аллергией была выше, чем в домах здоровых детей. Автор исследования заявил: "Концентрация DEHP оказалась значительно связана с эпизодами свистящего дыхания в течение последних 12 месяцев, о чем сообщали родители". Младенцы и госпитализированные дети особенно восприимчивы к воздействию фталатов. Медицинские устройства и трубки могут содержать 20–40% ди(2-этилгексил)фталата (DEHP) по весу, который "легко вымывается из трубок при нагревании (например, при использовании теплого физиологического раствора/крови)". Несколько медицинских устройств содержат фталаты, в том числе, но не ограничиваясь ими, внутривенные трубки, перчатки, назогастральные зонды и дыхательные трубки. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов провело обширную оценку риска, связанного с фталатами в медицинских учреждениях, и обнаружило, что новорожденные могут подвергаться воздействию в пять раз превышающему допустимую суточную норму. Этот вывод привел к заключению FDA о том, что "[д]ети, проходящие определенные медицинские процедуры, могут представлять собой группу населения с повышенным риском воздействия DEHP". Фталаты также содержатся в некоторых лекарственных препаратах, где они используются в качестве неактивных ингредиентов при производстве кишечнорастворимых покрытий. Концентрация монобутилфталата, метаболита Асакола (определенной формы месалазина), в моче может быть в 50 раз выше, чем у людей, не принимающих этот препарат. Наличие DBP в лекарствах вызывает опасения по поводу рисков для здоровья из-за высокого уровня воздействия, связанного с приемом этих препаратов, особенно у уязвимых групп населения, включая беременных женщин и детей. Таким образом, влияние фталатов следует рассматривать в совокупности с другими антиандрогенами, которые в противном случае могли бы быть исключены из-за различий в их механизмах или структуре.

Влияние на здоровье

В исследованиях на грызунах, подвергшихся воздействию определенных фталатов, высокие дозы показали способность изменять уровень гормонов и вызывать врожденные пороки развития.

Эндокринные нарушения

Фталаты попадают в кровоток и нарушают выработку половых гормонов, вмешиваясь в половое развитие у младенцев и сексуальное поведение у взрослых. Уровни фталатов в зависимости от дозы связаны с уменьшением анагентального расстояния, снижением сексуального влечения и удовлетворенности у женщин, а также с деформациями развития половых органов у крыс. Фталаты действуют, имитируя женский гормон эстроген, который, в свою очередь, подавляет выработку мужского гормона тестостерона. Таким образом, фталаты считаются эндокринными разрушителями – веществами, вмешивающимися в нормальные гормональные механизмы, позволяющие биологическому организму взаимодействовать с окружающей средой, что вызвало требования о запрете или ограничении их использования в детских игрушках. Эндокринные разрушители проявляют множество особенностей, затрудняющих их изучение. Может существовать задержка между воздействием эндокринного разрушителя и проявлением каких-либо симптомов – особенно воздействие на плод и в раннем детстве может иметь последствия во взрослом возрасте. Многие исследования считают период развития плода и послеродового периода особенно важным для развития, однако его изучение сложно; очевидно, что огромная проблема заключается в измерении воздействия эндокринных разрушителей во время развития плода и последующей диагностике проблем со здоровьем спустя десятилетия. Кроме того, воздействие эндокринных разрушителей может передаваться по наследству эпигенетическим путем, даже если потомство не подвергается непосредственному воздействию этих веществ. Наконец, даже очень низкие уровни воздействия могут оказывать значительное влияние, а воздействие нескольких эндокринных разрушителей из различных соединений (а не только фталатов) может синергически усиливать эффект. Исследования показали, что фталаты вызывают аномалии в репродуктивных системах животных, причем наибольшие последствия наблюдаются при воздействии во время беременности и сразу после нее. Многочисленные исследования взрослых мужчин показывают, что воздействие фталатов коррелирует с ухудшением показателей мужской фертильности, таких как качество спермы, количество поврежденной ДНК в сперматозоидах, снижение подвижности спермы, уменьшение объема спермы и другие показатели. Вероятность того, что фталаты наносят вред мужской репродуктивной системе, представляется обоснованной и продолжает изучаться. Влияние фталатов на женскую репродуктивную систему также еще не полностью изучено. Современные исследования указывают на негативное влияние фталатов на фолликулогенез и стероидогенез. Ранние исследования также показывают, что воздействие фталатов может быть связано с диабетом и инсулинорезистентностью, раком молочной железы, ожирением, метаболическими нарушениями и иммунной функцией, включая развитие СДВГ и аутистических расстройств, а также снижение когнитивного и моторного развития. Наиболее распространенные ассоциации, выявленные в медицинских отчетах, связывают воздействие фталатов с гиперактивностью, агрессией и другими неблагоприятными поведенческими проявлениями. Во многих случаях существуют исследования, подтверждающие связь между фталатами и этими негативными последствиями, а также исследования, не выявляющие такой связи; это, вероятно, связано с вышеупомянутыми проблемами исследований, и их решение может показать, что воздействие фталатов не вызывает проблем со здоровьем или даже оказывает гораздо большее влияние, чем предполагается в настоящее время.

Расстройства эндоканнабиноидной системы

Фталаты блокируют CB1-рецепторы как аллостерические антагонисты.

Другие эффекты

Возможно, существует связь между эпидемией ожирения и нарушением работы эндокринной системы и метаболическими сбоями. Исследования, проведенные на мышах, подвергшихся воздействию фталатов внутриутробно, не выявили метаболических нарушений у взрослых особей. Однако, "в национальном исследовании среди мужчин в США было показано, что концентрация нескольких распространенных метаболитов фталатов статистически значимо коррелирует с патологическим ожирением и инсулинорезистентностью". Растет распространенность ожирения, особенно среди детей, что, согласно имеющимся данным, указывает на повышенное воздействие фталатов через материалы пищевой упаковки. В исследовании, проведенном среди школьников в Китае, оценивалась концентрация монобутилфталата (MnBP) в образцах мочи. Кроме того, увеличение воздействия фталатов связано с повышением уровня MnBP. MnBP коррелирует со значительным увеличением веса и ожирением у школьников. В образцах мочи, полученных в ходе исследования, было обнаружено значительное повышение концентрации MnBP. Первоначальные исследования на грызунах также показали гепатокарциногенный эффект. В связи с этим ди-(2-этилгексил)фталат был включен в список потенциальных канцерогенов IARC, EC и ВОЗ. Последующие исследования на приматах показали, что механизм действия специфичен для грызунов, а люди устойчивы к этому эффекту. Впоследствии классификация как канцероген была отозвана.

Канада

В 1994 году оценка, проведенная Health Canada, показала, что DEHP и другой фталатовый продукт, B79P, представляют опасность для здоровья человека. Федеральное правительство Канады отреагировало запретом на их использование в косметике и ограничением применения в других областях. Оценка 2017 года показала, что B79P и DEHP могут причинять вред окружающей среде. По состоянию на 2019 год нормативные акты, направленные на защиту окружающей среды от DEHP и B79P, еще не были приняты.

Европейский союз

В Европейском союзе использование некоторых фталатов в детских игрушках ограничено с 1999 года. DEHP, BBP и DBP ограничены для всех игрушек; DINP, DIDP и DNOP – только для игрушек, которые могут быть помещены в рот. В ограничении указано, что содержание этих фталатов не должно превышать 0,1% от массы пластифицированной части игрушки. Как правило, фталаты с высокой молекулярной массой DINP, DIDP и DPHP были зарегистрированы в рамках REACH и продемонстрировали свою безопасность для использования в текущих областях применения. Они не классифицируются как вещества, оказывающие вредное воздействие на здоровье или окружающую среду. Продукты с низкой молекулярной массой BBP, DEHP, DIBP и DBP были включены в список веществ, подлежащих авторизации в рамках REACH, в 2008–2009 годах, а в 2012 году – в список авторизованных веществ, приложение XIV. Подготовка досье для приложения XV, которое может запретить импорт продукции, содержащей эти химические вещества, велась совместно ECHA и датскими органами власти и ожидалось, что оно будет представлено до апреля 2016 года. В 2006 году голландское отделение Greenpeace UK предприняло попытку побудить Европейский Союз запретить секс-игрушки, содержащие фталаты.

Соединенные Штаты

В августе 2008 года Конгресс США принял и президент Джордж Буш подписал Закон об улучшении безопасности потребительских товаров (CPSIA), который стал публичным законом 110–314. Раздел 108 этого закона устанавливал, что с 10 февраля 2009 года "запрещается любому лицу производить для продажи, предлагать для продажи, распространять в коммерческой продаже или ввозить в Соединенные Штаты детские игрушки или изделия по уходу за детьми, содержащие концентрацию более 0,1 процента" DEHP, DBP или BBP, а также "запрещается любому лицу производить для продажи, предлагать для продажи, распространять в коммерческой продаже или ввозить в Соединенные Штаты детские игрушки, которые могут быть помещены в рот ребенку, или изделия по уходу за детьми, содержащие концентрацию более 0,1 процента" DINP, DIDP, DnOP. Кроме того, закон требует создания постоянной комиссии для оценки безопасности других фталатов. До принятия этого закона Комиссия по безопасности потребительских товаров установила, что добровольный отзыв DEHP и диизононилфталата (DINP) из прорезывателей, пустышек и погремушек устранил риск для детей и рекомендовала не вводить запрет на фталаты. В другом развитии событий, в 1986 году избиратели Калифорнии одобрили инициативу для решения растущей обеспокоенности по поводу воздействия токсичных химических веществ. Эта инициатива стала Законом о безопасной питьевой воде и токсичном контроле 1986 года, более известным под своим первоначальным названием – Предложение 65. В декабре 2013 года DINP был внесен в список химических веществ, "известных штату Калифорния как вызывающие рак". Это означает, что начиная с декабря 2014 года компании с десятью и более сотрудниками, производящие, распространяющие или продающие продукцию, содержащую DINP, обязаны предоставлять четкое и обоснованное предупреждение о данной продукции. Калифорнийское управление по оценке экологических рисков для здоровья, ответственное за ведение списка Предложения 65 и обеспечение соблюдения его положений, установило "незначительный уровень риска" в 146 мкг/день для DINP.

Опознавание в пластмассах

Фталаты используются в некоторых, но не во всех, рецептурах ПВХ, и специальных требований к маркировке фталатов не существует. ПВХ-пластмассы обычно применяются для различных контейнеров и жесткой упаковки, медицинских трубок и мешков, и маркируются как "Тип 3". Однако факт присутствия фталатов, а не других пластификаторов, на изделиях из ПВХ не указывается. Только непластифицированный ПВХ (uPVC), который в основном используется как жесткий строительный материал, не содержит пластификаторов. Если требуется более точное определение, химический анализ, например, газовая или жидкостная хроматография, может установить наличие фталатов. Полиэтилентерефталат (PET, PETE, Terylene, Dacron) является основным материалом, используемым для упаковки бутилированной воды и многих газированных напитков. Продукты, содержащие ПЭТ, маркируются как "Тип 1" (с цифрой "1" в треугольнике переработки). Несмотря на то, что в названии присутствует слово "фталат", PETE не использует фталаты в качестве пластификаторов. Терэфталатовый полимер PETE и фталатовые эфиры, используемые в качестве пластификаторов, – это химически различные вещества. Тем не менее, ряд исследований обнаружили фталаты, такие как DEHP, в бутилированной воде и газированных напитках. Одна из гипотез предполагает, что они могли попасть туда в процессе переработки пластика.