Уксусная кислота. Получение и применение.

Состав и особенности строения

Уксусная (она же этановая) кислота относится к весьма распространённому классу так называемых органических кислот, поскольку в состав её молекулы входят только углерод, кислород и водород, её формальная структурная формула — CH3-COOH. Поскольку в молекуле присутствует лишь одна кислотная (диссоциирующая и отдающая протон) карбоксильная группировка -COOH, кислота уксусная технически принадлежит к одноосновным и ближайшим её гомологом («родственником») является более «короткая» муравьиная кислота H-COOH.

Уксусная кислота также достаточно близка по строению и к первому представителю ряда органических карбоновых двухосновных кислот — кислоте щавелевой с формулой HOOC-COOH. В составе молекулы уксусной кислоты не имеется ненасыщенных (кратных) углеродных связей, то есть в этом контексте она относится к предельным органическим кислотам. Относительно малоконцентрированный («слабый», обычно в пределах 3%-15%) раствор этой кислоты в воде имеет тривиальное название «уксус» («столовый уксус»), с концентрацией от ~70% он уже называется «уксусной эссенцией», практически же полностью безводная уксусная кислота именуется «ледяной», поскольку при понижении окружающей температуры до ~17°C переходит в кристаллическое состояние, визуально напоминающее привычный всем водяной лёд/снег.

Следует помнить, что концентрированная уксусная кислота является весьма опасным веществом, даже при кратком контакте могущим вызывать некроз/глубокие ожоги кожи и слизистых оболочек, а также асфиксию/остановку дыхания из-за дыхательного спазма (пары уксусной кислоты весьма едки, её ПДК в воздухе рабочей зоны нормируется величиной 5 милиграмм на кубический метр). В высокой концентрации эта кислота горюча, а её пары — потенциально взрывоопасны. Смертельная доза при единовременном переоральном приёме (в пересчёте на безводную кислоту) составляет порядка 12-15 граммов или от 200-250 миллилитров разведённого водного раствора (в литературе уксус закрепил за собой печальную славу «бытового суицидального средства особо нервных и впечатлительных барышень»).

Нахождение и получение в природе

Как одна из простейших органических кислот, уксусная кислота является естественным метаболитом (промежуточным продуктом жизнедеятельности) очень многих живых организмов. В естественной среде, например, она является типичным промежуточным звеном концевого окисления этилового спирта CH3-CH2-OH (его формула в ином представлении — C2H5OH), что и определило её первичный способ получения, известный человеку — сбраживание сахаров (прежде всего глюкозы, фруктозы и их производных) напрямую либо через промежуточные стадии спирта этилового и альдегида уксусного (CH3-CHO). В зависимости от происхождения используемого сырья/способа производства, к слову «уксус» нередко добавляется соответствующее прилагательное: «винный уксус», «рисовый уксус», «яблочный уксус» и так далее — и все эти вещества издревле использовались при приготовлении пищи и консервировании/обработке разнообразных пищевых/непищевых продуктов.

Промышленное назначение, первичное производство

Помимо использования в быту и пищевой индустрии (уксусная кислота является официально зарегистрированной пищевой добавкой/консервантом с кодом E-260), она также имеет большое промышленное значение — и как компонент моющих/чистящих средств, продуктов гигиены и дезинфекции, и как промежуточное сырьё либо технический продукт (например, специфический растворитель в целом ряде промышленных синтезов). Поскольку массовое производство технической уксусной кислоты «естественным» путём микробиологической переработки пищевых продуктов дорого/неэффективно и имеет смысл лишь в случае наличия некоторых типов бросового либо условно-бесплатного сырья, постоянно изыскивались способы иного её получения.

Первыми промышленными крупнотоннажными способами производства технической уксусной кислоты следует считать пиролиз («сухую перегонку») различных целлюлозосодержащих продуктов (прежде всего древесины), а также их гидролиз концентрированной соляной кислотой. Несмотря на относительную простоту аппаратурного оформления, оба способа не дают высокочистого и концентрированного вещества: в результате процессов образуется многокомпонентная смесь, содержащая помимо самой кислоты массу побочных продуктов (от метанола до различных групп фенолов и смолистых веществ), что требует последующей длительной ректификации/очистки и концентрации («укрепления») извлекаемого раствора уксусной кислоты.

Решить данную проблему можно в том случае, если в качестве входного сырья для процесса использовать высокочистые крупнотоннажные продукты — например, из сферы нефтехимии. В случае наличия источника относительно чистого ацетальдегида, например, его можно с высокой селективностью (~95%) низкотемпературно окислить кислородом воздуха до уксусной кислоты при участии ацетатов ряда металлов (кобальта, марганца) в качестве катализаторов. Вторым по значимости техпроцессом было прямое окисление бутана (C4H10) либо этилена (C2H4) кислородом на катализаторе под давлением. Из отечественных разработок ещё следует упомянуть вариант реакции Кучерова: последовательную гидратацию/окисление ацетилена на солях ртути до ацетальдегида и затем — уксусной кислоты. Однако указанные продукты нефтепереработки имеют самостоятельную высокую ценность, что в связи с общемировым ростом цен на нефтяное сырьё сделало указанные техпроцессы фактически нерентабельными.

Учитывая рыночную конъюнктуру, для вновь разрабатываемых процессов в качестве сырья был выбран такой дешёвый крупнотоннажный промежуточный продукт как метанол (CH3-OH, он же «древесный спирт»). В качестве основной реакции двумя различными фирмами (BASF и Monsanto) было предложено каталитическое карбонилирование (искусственное «наращивание» углеродной цепочки метанола на один углеродный атом за счёт присоединения одной молекулы угарного газа — CO). Процесс BASF использовал в качестве катализатора иодид кобальта и давал целевой выход продукта на уровне ~90%, в то время как более поздний процесс Monsanto использовал родиевый катализатор — при этом селективность конверсии по метанолу составляла ~99% (сейчас по этому техпроцессу в мире производится более половины технической уксусной кислоты). В дальнейшем фирма BP улучшила свой собственный вариант указанного техпроцесса, перейдя на иридиевый катализатор.

Фактический рынок

В пищевом производстве и сопутствующих отраслях используется не более ~10% от общего количества производимой всеми способами в мире уксусной кислоты — причём это как правило продукт, имеющий в своей основе «классическое» микробиологическое происхождение/техпроцесс. Техническая же кислота, помимо уже вышеупомянутых сфер, широко применяется в фармацевтическом производстве, при выделке/крашении синтетического волокна и тканей, кногопечатании, кожевенной и лакокрасочной промышленности. Также отдельно следует упомянуть её использование для последующего синтеза так называемых «отдушек» (сложных эфиров и прочих душистых веществ) и некоторых промышленных гербицидов.