Фурфурал
| |||
| Имена | |||
|---|---|---|---|
| Предпочтительное название ИЮПАК Фуран-2-карбальдегид | |||
| Другие имена Фурфурал, фуран-2-карбоксальдегид, фурал, фурфуральдегид, 2-фуральдегид, пиромуциновый альдегид | |||
| Идентификаторы | |||
3D model ( JSmol ) | |||
| ЧЭБИ | |||
| ЧЕМБЛ | |||
| ХимическийПаук | |||
| Информационная карта ECHA | 100.002.389 | ||
| КЕГГ | |||
ПабХим CID | |||
| НЕКОТОРЫЙ | |||
Панель управления CompTox ( EPA ) | |||
| Характеристики | |||
| С 5 Н 4 О 2 | |||
| Молярная масса | 96.085 g·mol −1 | ||
| Появление | Бесцветное масло | ||
| Запах | миндалевидный [1] | ||
| Плотность | 1,1601 г/мл (20 °С) [2] [3] | ||
| Температура плавления | -37 ° C (-35 ° F; 236 К) [2] | ||
| Точка кипения | 162 ° С (324 ° F; 435 К) [2] | ||
| 83 г/л [2] | |||
| Давление пара | 2 мм рт.ст. (20 °С) [1] | ||
| −47.1×10 −6 см 3 /моль | |||
| Опасности | |||
| точка возгорания | 62 ° С (144 ° F; 335 К) | ||
| Взрывоопасные пределы | 2.1–19.3% [1] | ||
| Летальная доза или концентрация (LD, LC): | |||
ЛД 50 ( средняя доза ) | 300–500 мг/кг (перорально, мыши) [4] | ||
ЛК 50 ( средняя концентрация ) |
| ||
LC Lo ( самый низкий из опубликованных ) |
| ||
| NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): | |||
МЕХ (Допускается) | СВВ 5 частей на миллион (20 мг/м 3 ) [кожа] [1] | ||
РЕЛ (рекомендуется) | Нет установленного REL [1] | ||
IDLH (Непосредственная опасность) | 100 частей на миллион [1] | ||
| Родственные соединения | |||
Родственные фуран-2-карбальдегиды | |||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |||
Фурфурол – органическое соединение формулы C 4 H 3 OCHO. Это бесцветная жидкость, хотя коммерческие образцы часто имеют коричневый цвет. Он имеет альдегидную группу, присоединенную ко 2-му положению фурана . Это продукт дегидратации сахаров , который содержится в различных побочных продуктах сельского хозяйства , включая кукурузные початки , овес , пшеничные отруби и опилки . Название фурфурал происходит от латинского слова «furfur» , что означает «отруби» , и относится к его обычному источнику. Фурфурол получают только из высушенной биомассы. Помимо этанола , уксусной кислоты и сахара , фурфурол является одним из старейших доступных органических химикатов, легко очищаемых от природных предшественников. [6]
История
[ редактировать ]Фурфурол был впервые выделен в 1821 году (опубликовано в 1832 году) немецким химиком Иоганном Вольфгангом Дёберейнером , который произвел небольшой образец как побочный продукт синтеза муравьиной кислоты . [7] В 1840 году шотландский химик Джон Стенхаус обнаружил, что одно и то же химическое вещество можно получить путем перегонки широкого спектра сельскохозяйственных материалов, включая кукурузу, овес, отруби и опилки, с водной серной кислотой ; фурфурола он также определил эмпирическую формулу (C 5 H 4 O 2 ). [8] Джордж Фаунс в 1845 году назвал это масло «фурфуролом» (от фурфура (отруби) и олеума (масла)). [9] В 1848 году французский химик Огюст Каур определил, что фурфурол является альдегидом . [10] Определение структуры фурфурола потребовало некоторого времени: молекула фурфурола содержит циклический эфир ( фуран ), который имеет свойство разрываться при обработке агрессивными реагентами. В 1870 году немецкий химик Адольф фон Байер высказал предположение о строении химически близких соединений фурана и 2-фуроевой кислоты . [11] Дополнительные исследования немецкого химика Генриха Лимприхта подтвердили эту идею. [12] Работа, опубликованная в 1877 году, Байер подтвердила его прежние представления о структуре фурфурола. [13] К 1886 году фурфурол называли «фурфуралом» (сокращенно от «фурфуральдегид»), и была предложена правильная химическая структура фурфурола. [14] К 1887 году немецкий химик Вилли Марквальд пришел к выводу, что некоторые производные фурфурола содержат фурановое ядро. [15] В 1901 году немецкий химик Карл Харрис определил структуру фурана, работая с сукциндиальдегидом и 2-метилфураном , тем самым также подтвердив предложенную структуру фурфурала. [16] [17]
Фурфурал оставался относительно малоизвестным до 1922 года. [6] когда компания Quaker Oats начала массовое производство его из овсяной шелухи. [18] Сегодня фурфурол по-прежнему производят из побочных продуктов сельского хозяйства, таких как жом сахарного тростника и кукурузные початки. Основными странами-производителями фурфурола сегодня являются Доминиканская Республика, ЮАР и Китай.
Характеристики
[ редактировать ]Фурфурол легко растворяется в большинстве полярных органических растворителей, но лишь слабо растворим в воде или алканах .
Фурфурол участвует в тех же реакциях, что и другие альдегиды и другие ароматические соединения. Он проявляет менее ароматический характер, чем бензол , о чем свидетельствует тот факт, что фурфурол легко гидрируется до тетрагидрофурфурилового спирта . При нагревании в присутствии кислот фурфурол необратимо полимеризуется, действуя как термореактивный полимер .
Производство
[ редактировать ]Фурфурол может быть получен катализируемой кислотой дегидратацией 5-углеродных сахаров ( пентоз ), особенно ксилозы . [19]
- С
55Ч
10 О
5 → С
55Ч
4 Ох
2 + 3 часа
22О
Эти сахара могут быть получены из пентозанов, полученных из гемицеллюлозы, присутствующей в лигноцеллюлозной биомассе .
От 3% до 10% массы сырья из растительных остатков может быть восстановлено в виде фурфурола, в зависимости от типа сырья. Фурфурол и вода вместе испаряются из реакционной смеси и при конденсации разделяются. По состоянию на 2012 год мировая производственная мощность составляет около 800 000 тонн. Китай является крупнейшим поставщиком фурфурола и на его долю приходится большая часть мировых мощностей. Двумя другими крупными коммерческими производителями являются Illovo Sugar в Южной Африке и Central Romana в Доминиканской Республике. [20]
В лаборатории фурфурол можно синтезировать из растительного сырья путем нагревания с серной кислотой. [21] или другие кислоты. [22] [20] С целью избежать токсичных выбросов во всем мире изучались попытки заменить серную кислоту легко отделяемыми и многоразовыми твердыми кислотными катализаторами. [23] Образование и экстракция ксилозы, а затем и фурфурола может быть предпочтительнее экстракции других сахаров при различных условиях, таких как концентрация кислоты, температура и время.
В промышленном производстве после удаления фурфурола остается некоторое количество лигноцеллюлозных остатков. [24] Этот остаток сушат и сжигают, чтобы получить пар для работы фурфурольного завода. Более новые и более энергоэффективные электростанции имеют избыточные остатки, которые можно или можно использовать для совместного производства электроэнергии. [25] [26] корм для скота, активированный уголь, мульча/удобрения и т. д.
Использование и возникновение
[ редактировать ]Он обычно содержится во многих приготовленных или подогретых продуктах, таких как кофе (55–255 мг/кг) и цельнозерновой хлеб (26 мг/кг). [4]
Фурфурол является важным возобновляемым химическим сырьем , не связанным с нефтью . Его можно превращать в различные растворители, полимеры, топливо и другие полезные химические вещества с помощью ряда каталитических процессов восстановления . [27]
Гидрирование фурфурола дает фурфуриловый спирт (FA), который используется для производства фурановых смол , которые используются в термореактивных композитах с полимерной матрицей , цементах, клеях, литейных смолах и покрытиях. [28] Дальнейшее гидрирование фурфурилового спирта приводит к тетрагидрофурфуриловому спирту (ТГФА), который используется в качестве растворителя в сельскохозяйственных препаратах и в качестве вспомогательного средства , помогающего гербицидам проникать в структуру листьев.
В другом применении в качестве сырья палладием катализируемое декарбонилирование фурфурола приводит к промышленному производству фурана . [4]
Другим важным растворителем, изготовленным из фурфурола, является метилтетрагидрофуран . Фурфурол используется для получения других производных фурана , таких как фуроевая кислота , путем окисления. [29] и сам фуран посредством палладием в паровой фазе, катализируемого декарбонилирования . [4]
Фурфурол также является специализированным химическим растворителем. [20]
Существует хороший рынок химических веществ с добавленной стоимостью, которые можно получить из фурфурола. [20]
Безопасность
[ редактировать ]Фурфурол канцерогенен для лабораторных животных и мутагенен для одноклеточных организмов , но данных о людях нет. Он отнесен к группе 3 IARC из-за отсутствия данных о людях и слишком малого количества испытаний на животных, чтобы соответствовать критериям группы 2A/2B. Он гепатотоксичен . [30] [31] [32] [33]
Средняя смертельная доза высока и составляет 650–900 мг/кг (перорально, для собак), что соответствует ее распространенности в пищевых продуктах. [4]
Управление по охране труда установило допустимый предел воздействия фурфурола на уровне 5 частей на миллион в течение восьмичасового средневзвешенного значения (TWA), а также определило фурфурол как риск всасывания через кожу. [1]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0297» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Перейти обратно: а б с д Запись CAS RN 98-01-1 в базе данных веществ GESTIS Института охраны труда
- ^ Бэрд, Захария Стивен; Ууси-Кыйны, Петри; Покки, Юха-Пекка; и др. (6 ноября 2019 г.). «Давление пара, плотность и параметры PC-SAFT для 11 биосоединений» . Международный журнал теплофизики . 40 (11): 102. Бибкод : 2019IJT....40..102B . дои : 10.1007/s10765-019-2570-9 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Хойдонкс, HE; Ван Рейн, WM; Ван Рейн, В.; и др. «Фурфурол и его производные». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a12_119.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
- ^ Перейти обратно: а б «Фурфурол» . Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Перейти обратно: а б Петерс, Фредус Н. (1936). «Фураны: пятнадцать лет прогресса». Промышленная и инженерная химия . 28 (7): 755–759. дои : 10.1021/ie50319a002 . ISSN 0019-7866 .
- ^ Й. В. Дёберейнер (1832 г.). «О медицинском и химическом применении и рентабельном получении муравьиной кислоты» . Анналы аптеки (на немецком языке). 3 (2): 141–146. дои : 10.1002/jlac.18320030206 . Из стр. 141: «Я присоединяюсь к этой просьбе с наблюдением, что... масло горького миндаля содержит вещества, которые пахнут...» (К этой просьбе я присоединяюсь также с наблюдением, что муравьиная кислота, образующаяся в результате одновременной реакции серной кислоты и марганца, перекись с сахаром и который содержит летучий материал, который в изолированном состоянии выглядит маслянистым и пахнет смесью масла кассии и горького миндаля…)
- ^ Джон Стенхаус (1843). «О маслах, полученных действием серной кислоты на различные классы овощей. [Реферат]» . Резюме статей, переданных Лондонскому королевскому обществу . 5 : 939–941. дои : 10.1098/rspl.1843.0234 . JSTOR 111080 .
- См. также: Стенхаус, Джон (1850). «О маслах, получаемых действием серной кислоты на различные классы овощей» . Философские труды Лондонского королевского общества . 140 : 467–480. дои : 10.1098/rstl.1850.0024 . S2CID 186214485 .
- ^ Джордж Фаунс (1845). «Описание искусственного образования вегето-щелочи» . Философские труды Лондонского королевского общества . 135 : 253–262. дои : 10.1098/rstl.1845.0008 . JSTOR 108270 .
- ^ Каур, Огюст (1848). «Заметка о фурфуроле» . Анналы химии и физики . 3-я серия (на французском языке). 24 : 277–285. (английский перевод: Каур, А. (1848). «Наблюдения за фурфуролом» . Химический вестник . 6 : 457–460. )
- ^ Байер, А.; Эммерлинг, А. (1870). «Восстановление истатина до синего индиго». Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 3 :514-517. дои : 10.1002/cber.187000301169 .
- ^ Лимприт, Х. (1870). «О тетрафеноле C 4 H 4 O» [О тетрафеноле C 4 H 4 O]. Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 3 :90-91. дои : 10.1002/cber.18700030129 . Из стр. 90: «Точка зрения, что пиросуклеиновая кислота имеет строение, подобное салициловой кислоте, делает вероятным появление тетрафенола при перегонке солей пиросуклеиновой кислоты». (Убеждение, что 2-фуроевая кислота имеет строение, подобное салициловой кислоте, делает вероятным присутствие тетрафенола [фурана] при перегонке солей 2-фуроевой кислоты.) То есть точно так же, как при нагревании солей салициловой кислоты образуется фенол, так При нагревании солей 2-фуроевой кислоты должен получиться аналог фенола, содержащий 4 атома углерода.
- ↑ В 1877 году Байер опубликовал серию статей о фурфуроле, пытаясь определить его структуру.
- Байер, Адольф (1877). «О фурфуроле. Первое сообщение» [О фурфуроле. Первый отчет.]. Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 10 :355-358. дои : 10.1002/cber.187701001101 .
- Байер, Адольф (1877). «О фурфуроле. Второе сообщение» [О фурфуроле. Второй отчет.]. Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 10 :695-698. дои : 10.1002/cber.187701001195 .
- Байер, Адольф (1877). «О фурфуроле. III. Связь» [О фурфуроле. Третий доклад.]. Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 10 (2): 1358–1364. дои : 10.1002/cber.18770100225 .
- ^ Тилден, Уильям А., изд. (1886). Руководство Уоттса по химии: теоретическое и практическое . Том. II: Химия углеродных соединений или органическая химия (2-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания, США: П. Блэкистон, Сын и Ко, стр. 379–380.
- ^ Марквальд, В. (1887). « (Вклад в наши) знания о соединениях фурфурола». Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 20 (2): 2811–2817. дои : 10.1002/cber.188702002140 .
- ^ Харрис, К. (1901). «О сукциниальном альдегиде» [О сукциниальном альдегиде]. Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 34 (2): 1488–1498. дои : 10.1002/cber.19010340225 .
- ^ Харрис, К. (1898). «О расщеплении сильвана до альдегида левулиновой кислоты, пентаноналя. Исследования компонентов буковой смолы. I». [О распаде 2-метилфурана на альдегид левулиновой кислоты пентанональ. Исследование компонентов смолы бука. Я.]. Отчеты Немецкого химического общества (на немецком языке). 31 (1): 37–47. дои : 10.1002/cber.18980310109 .
- ^ Браунли, Гарольд Дж.; Майнер, Карл С. (1948). «Промышленное освоение фурфурола». Промышленная и инженерная химия . 40 (2): 201–204. дои : 10.1021/ie50458a005 . ISSN 0019-7866 .
- ^ Кай, Чарльз М.; Чжан, Тайин; Кумар, Раджив; Вайман, Чарльз Э. (2014). «Комплексное производство фурфурола как возобновляемого топлива и химической платформы из лигноцеллюлозной биомассы». Журнал химической технологии и биотехнологии . 89 (1): 2–10. Бибкод : 2014JCTB...89....2C . дои : 10.1002/jctb.4168 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Далванд, Каве (2018). «Экономика биотоплива: потенциал рынка фурфурола и его производных» . Биомасса и биоэнергетика . 115 : 56–63. Бибкод : 2018BmBe..115...56D . дои : 10.1016/j.biombioe.2018.04.005 .
- ^ Адамс, Роджер; Вурхис, В. (1921). «Фурфурол». Органические синтезы . 1 : 49. дои : 10.15227/orgsyn.001.0049 .
- ^ Зейч, Карл Дж. (2000). Химия и технология фурфурола и многих его побочных продуктов . Амстердам: Эльзевир. ISBN 978-0-08-052899-1 . OCLC 162130560 .
- ^ Гомес Миллан, Херардо; Эль-Ассаль, Зухайр; Ниеминен, Каарло; и др. (15 декабря 2018 г.). «Быстрое образование фурфурола из ксилозы с использованием твердокислотных катализаторов с помощью микроволнового реактора». Технология переработки топлива . 182 : 56–67. Бибкод : 2018ФуПрТ.182...56Г . дои : 10.1016/j.fuproc.2018.10.013 . hdl : 2117/125796 . S2CID 106216043 .
- ^ Гомес Миллан, Херардо; Бангалор Ашок, РП; Ойнас, Пекка; и др. (8 апреля 2020 г.). «Производство фурфурола из ксилозы и березового гидролизатного щелока в двухфазной системе и технико-экономический анализ» . Преобразование биомассы и биопереработка . 11 (5): 2095–2106. дои : 10.1007/s13399-020-00702-4 .
- ^ Эдгар, Гнансуну; Панди, Ашок, ред. (20 декабря 2016 г.). Оценка жизненного цикла биоперерабатывающих заводов . Амстердам, Нидерланды: Elsevier. ISBN 978-0-444-63586-0 . OCLC 967224456 .
- ^ Бономи, Антонио; Кавалетт, Отавио; Кунья, Марсело Перейра да; Лима, Марко А.П., ред. (09.12.2015). Виртуальный биоперерабатывающий завод: стратегия оптимизации повышения ценности возобновляемого углерода . Чам: Спрингер. ISBN 978-3-319-26045-7 . OCLC 932064033 .
- ^ Чен, Шуо; Войчешак, Роберт; Дюмейниль, Франк; и др. (26 октября 2018 г.). «Как катализаторы и условия эксперимента определяют селективную гидроконверсию фурфурола и 5-гидроксиметилфурфурола» . Химические обзоры . 118 (22): 11023–11117. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00134 . hdl : 20.500.12210/12953.3 . ПМИД 30362725 .
- ^ Брайдсон, Дж. А. (1999). «Фурановые смолы». В Дж. А. Брайдсоне (ред.). Пластмассовые материалы (Седьмое изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. стр. 810–813 . дои : 10.1016/B978-075064132-6/50069-3 . ISBN 978-0-7506-4132-6 .
- ^ Р. Дж. Харрисон; М. Мойл (1956). «2-Фуроевая кислота». Органические синтезы . 36 : 36. дои : 10.15227/orgsyn.036.0036 .
- ^ «Фурфурол (CAS 98-01-1)» . Проект канцерогенной активности . Архивировано из оригинала 24 ноября 2018 года . Проверено 24 ноября 2018 г.
- ^ «Химчистка, некоторые хлорированные растворители и другие промышленные химикаты» (PDF) . Монографии МАИР по оценке канцерогенных рисков для человека . 63 : 393–407. 1995. ПМК 7681282 . ПМИД 9097102 . Проверено 24 ноября 2018 г.
- ^ «Фурфурал (3 группа)» . МАИР . Проверено 24 ноября 2018 г.
- ^ Ричард Ирвин, доктор философии (1990). ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ NTP ПО ИЗУЧЕНИЮ ТОКСИКОЛОГИИ И КАНЦЕРОГЕНЕЗА ФУРФУРАЛА (НОМЕР CAS 98-01-1) НА КРЫСАХ F344/N И МЫШАХ B6C3F1 (ИССЛЕДОВАНИЯ С ГАВАЖЕМ) (PDF) (Отчет). ДЕПАРТАМЕНТ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНЫХ ОБСЛУЖИВАНИЙ США . Проверено 24 ноября 2018 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Фурфурол в базе данных свойств пестицидов (PPDB)