Бензойная кислота: свойства, получение и применение.

Введение

Органическое соединение (C6H5COOH)

| Section1 =
| Section2 =
| Section3 =
| Section4 = Chembox Thermochemistry
| DeltaHf = −385.2 кДж/моль
| GHSSignalWord = Опасно
| HPhrases = и служит промежуточным продуктом в биосинтезе многих вторичных метаболитов. Соли бензойной кислоты используются в качестве пищевых консервантов. Бензойная кислота является важным предшественником для промышленного синтеза многих других органических веществ. Соли и эфиры бензойной кислоты известны как бензоаты.

История

Бензойная кислота была обнаружена в шестнадцатом веке. Сухая перегонка смолы бензоина была впервые описана Нострадамусом (1556), затем Алексием Педемонтаном (1560) и Блезом де Виженером (1596). Юстус фон Либих и Фридрих Вёлер определили состав бензойной кислоты. Эти ученые также исследовали связь между гиппуровой и бензойной кислотами. В 1875 году Сальковский обнаружил противогрибковые свойства бензойной кислоты, которая долгое время использовалась для сохранения плодов морошки, содержащих бензоаты.

Промышленные препараты

Бензоевая кислота производится в промышленных масштабах путем частичного окисления толуола кислородом. В качестве катализаторов в этом процессе используются нафтенаты кобальта или марганца. Процесс использует доступное сырье и протекает с высоким выходом. Первым промышленным способом было взаимодействие бензотрихлорида (трихлорметилбензола) с гидроксидом кальция в воде, в присутствии железа или солей железа в качестве катализатора. Образующийся бензоат кальция затем превращается в бензоевую кислоту с помощью соляной кислоты. Полученный продукт содержит значительное количество хлорсодержащих производных бензойной кислоты. По этой причине бензоевая кислота для употребления в пищу ранее получалась путем сухой перегонки смолы бензоина. В настоящее время бензоевая кислота пищевого качества производится синтетическим путем.

Лабораторный синтез

Бензоевая кислота дешева и легко доступна, поэтому лабораторный синтез бензоевой кислоты в основном проводится в образовательных целях. Это распространенная лабораторная работа для студентов бакалавриата. Бензоевую кислоту можно очистить перекристаллизацией из воды благодаря ее высокой растворимости в горячей воде и низкой растворимости в холодной. Отсутствие органических растворителей при перекристаллизации делает этот эксперимент особенно безопасным. Обычно выход составляет около 65%.

Гидролизом

Как и другие нитрилы и амиды, бензонитрил и бензамид могут быть гидролизованы до бензойной кислоты или ее сопряженного основания в кислых или щелочных условиях.

Из реагента Гринарда

Бромбензол можно превратить в бензойную кислоту посредством "карбоксилирования" промежуточного продукта – фенилмагнийбромида. Этот синтез предоставляет студентам удобную возможность выполнить реакцию Гриньяра, важный класс реакций образования углерод-углеродной связи в органической химии.

Окисление бензиловых соединений

Бензиловый спирт, бензилхлорид и практически все производные бензила легко окисляются до бензойной кислоты.

Предшественник пластификаторов

Бензоатные пластификаторы, такие как гликолевые, диэтиленгликолевые и триэтиленгликолевые эфиры, получают путем переэтерификации метилбензоата соответствующим диолом. Бензойная кислота действует на некоторые бактерии. Она добавляется непосредственно или образуется в результате реакции с ее солями натрия, калия или кальция. Механизм начинается с поглощения бензойной кислоты клеткой. Если внутриклеточный pH снижается до 5 или ниже, анаэробное брожение глюкозы через фосфофруктокиназу уменьшается на 95%. Таким образом, эффективность бензойной кислоты и бензоатов зависит от pH продукта. Бензойная кислота, бензоаты и их производные используются в качестве консервантов для кислых продуктов и напитков, таких как соки цитрусовых (лимонная кислота), газированные напитки (углекислый газ), безалкогольные напитки (фосфорная кислота), соленые огурцы (уксус) и другие подкисленные продукты. Типичные концентрации бензойной кислоты в качестве консерванта в пищевых продуктах составляют от 0,05 до 0,1%. Использование бензойной кислоты в пищевых продуктах и максимально допустимые уровни ее содержания регулируются местным законодательством о пищевых продуктах. Выражалась обеспокоенность тем, что бензойная кислота и ее соли могут реагировать с аскорбиновой кислотой (витамином C) в некоторых безалкогольных напитках, образуя небольшое количество канцерогенного бензола.

Лекарственные

Бензоевая кислота входит в состав мази Уитфилда, которая применяется для лечения грибковых заболеваний кожи, таких как стригущий лишай и микоз стопы. Являясь основным компонентом смолы бензоина, бензоевая кислота также является важным ингредиентом настойки бензоина и бальзама Фриара. Эти продукты имеют давнюю историю применения в качестве местных антисептиков и ингаляционных средств, облегчающих заложенность носа. В начале 20-го века бензоевая кислота использовалась как отхаркивающее, обезболивающее и антисептическое средство.

Нишевые и лабораторные применения

В учебных лабораториях бензойная кислота часто используется в качестве стандарта для калибровки калориметра бомбы.

Биологические и медицинские последствия

Бензоевая кислота встречается в природе, как и её эфиры, во многих видах растений и животных. Заметное количество содержится в большинстве ягод (около 0,05%). Зрелые плоды нескольких видов Vaccinium (например, клюквы, *V. vitis macrocarpon*; черники, *V. myrtillus*) содержат до 0,03–0,13% свободной бензойной кислоты. Бензоевая кислота также образуется в яблоках после заражения грибком *Nectria galligena*. У животных бензоевая кислота была обнаружена преимущественно у всеядных или растительноядных видов, например, во внутренних органах и мышцах скалистого тетерева (*Lagopus muta*), а также в секретах желез самцов мускусного быка (*Ovibos moschatus*) или азиатского слона (*Elephas maximus*). Что касается биосинтеза, то бензоат образуется в растениях из коричной кислоты. Также был идентифицирован путь синтеза из фенола через 4-гидроксибензоат.

Реакции

Реакции бензойной кислоты могут протекать как по ароматическому кольцу, так и по карбоксильной группе.

Ароматическое кольцо

Электрофильная ароматическая реакция замещения протекает преимущественно в 3-е положение из-за электроноакцепторной карбоксильной группы; то есть, бензойная кислота является мета-ориентирующей.

Карбоксильная группа

Реакции, типичные для карбоновых кислот, применимы и к бензойной кислоте. Бензойная кислота метаболизируется бутират-КоА лигазой в промежуточный продукт – бензоил-КоА, который затем метаболизируется глицин-N-ацилтрансферазой в гиппуровую кислоту. Люди метаболизируют толуол, который также выводится с мочой в виде гиппуриновой кислоты. Для человека Международная программа по химической безопасности Всемирной организации здравоохранения (IPCS) рекомендует временную допустимую суточную дозу в 5 мг/кг массы тела. У кошек значительно ниже переносимость бензойной кислоты и ее солей, чем у крыс и мышей. Летальная доза для кошек может составлять всего 300 мг/кг массы тела. Пероральная летальная доза для крыс составляет 3040 мг/кг, для мышей – 1940–2263 мг/кг.