Бензо́йная кислота́ ( химическая формула — C ₇ H ₆ O ₂ или C ₆ H ₅ СООН ) — cлабая химическая органическая кислота , это простейшая одноосновная карбоновая кислота , относящаяся к классу карбоновых кислот ароматического ряда .

При стандартных условиях , бензойная кислота — твёрдое кристаллическое вещество белого цвета .

Соли и сложные эфиры бензойной кислоты называются бензоа́тами .

Зарегистрирована в качестве пищевой добавки и консерванта с номером Е210 .

История

Впервые выделена возгонкой в 16 веке из бензойной смолы (росного ладана), отсюда и получила своё название. Этот процесс был описан у Нострадамуса ( 1556 ), а затем у Жироламо Рушелли ( 1560 , под псевдонимом Alexius Pedemontanus) и у Блеза де Виженера ( 1596 ).

В 1832 году немецкий химик Юстус фон Либих определил структуру бензойной кислоты. Он также исследовал, как она связана с гиппуровой кислотой .

В 1875 немецкий физиолог Эрнст Леопольд Зальковский исследовал противогрибковые свойства бензойной кислоты, которая долгое время использовалась при консервировании фруктов.

Физические свойства

Бензойная кислота — белые кристаллы, плохо растворимые в воде, хорошо — в этаноле , хлороформе и диэтиловом эфире . Бензойная кислота является, подобно большинству других органических кислот , слабой кислотой ( pKa 4,21).

Чистая кислота имеет температуру плавления — 122,4 °C, температуру кипения — 249 °C.

Легко возгоняется ; перегоняется с водяным паром, поэтому неэффективно повышать концентрацию водных растворов бензойной кислоты раствора.

Получение

Бензойную кислоту можно получить окислением толуола сильными окислителями, такими, например, как перманганат калия , оксид хрома (VI) , азотная или хромовая кислота , а также декарбоксилированием фталевой кислоты .

В промышленных масштабах бензойную кислоту получают окислением толуола кислородом на катализаторе ( или ).

Лабораторный синтез и очистка

Химический продукт — бензойная кислота — дешёв и легкодоступен. Поэтому к лабораторному синтезу профессиональные химики прибегают редко.

Демонстрационный синтез осуществляется в учебных целях.

Очистку бензойной кислоты удобно проводить перекристаллизацией из растворителя, обычно, из воды. Другие растворители, пригодные для перекристаллизации: уксусная кислота (ледяная и водный раствор), бензол , ацетон , петролейный эфир и смесь этанола с водой.

Гидролиз

и гидролизуются в воде в присутствии кислоты или основания до бензойной кислоты.

Реакция Канниццаро

Бензальдегид в основной среде претерпевает преобразование по реакции Канниццаро . В итоге получается бензойная кислота и бензиловый спирт .

Реакция Гриньяра

Из бромбензола по реакции карбоксилирования фенилмагнийбромида:

${\displaystyle {\ce {C6H5MgBr + CO2 -> C6H5COOMgBr,}}}$

${\displaystyle {\ce {C6H5COOMgBr + HCl -> C6H5COOH + MgBrCl}}}$ .

Окисление

Толуол или бензиловый спирт могут быть окислены подкисленным раствором перманганата калия до бензойной кислоты:

${\displaystyle {\ce {5C6H5CH3 + 6 KMnO4 + 9 H2SO4 -> 5 C6H5COOH + 3 K2SO4 + 6 MnSO4 + 14 H2O,}}}$

${\displaystyle {\ce {5C6H5CH2OH + 4 KMnO4 + 6 H2SO4 -> 5 C6H5COOH + 4 MnSO4 + 2 K2SO4 + 11 H2O}}}$ .

История получения

Первый производственный процесс включал в себя гидролиз бензолтрихлорида под действием гидроксида кальция в воде в присутствии железа или его солей в качестве катализатора . Образующийся бензоат кальция переводили в бензойную кислоту обработкой соляной кислотой . Продукт содержал значительное количество хлорпроизводных бензойной кислоты, поэтому не использовался в качестве пищевой добавки. В настоящее время в пищу используется бензойная кислота, получаемая синтетически.

Применение

Калориметрия

Бензойная кислота используется как вещество в качестве теплового стандарта для калибровки калориметров по температуре и теплоёмкости , так как теплота кристаллизации и плавления хорошо известны и воспроизводимы.

Сырьё

Бензойная кислота служит для получения многих реактивов, наиболее значимые из них:

• Бензоилхлорид , C ₆ H ₅ C(O)Cl, получается обработкой бензойной кислоты тионилхлоридом , фосгеном или хлоридами фосфора PCl ₃ и PCl ₅ . C ₆ H ₅ C(O)Cl — важное исходное вещество для некоторых производных бензойной кислоты, таких как бензилбензоат , используемый как искусственный ароматизатор и репеллент .
• Бензоатные пластификаторы , такие как гликоль-, диэтиленгликоль- и триэтиленгликолевые эфиры, получаемые переэтерефикацией метилбензоата с соответствующим диолом . Альтернативно эти вещества получаются действием бензоилхлорида на соответствующий диол. Эти пластификаторы используются с соответствующими эфирами терефталевой кислоты .
• Фенол , C ₆ H ₅ OH, получаемый окислительным декарбоксилированием при 300—400 °C. Необходимая температура может быть понижена до 200 °C добавлением каталитических количеств солей меди (II) . Далее фенол может быть конвертирован в циклогексанол , который служит исходным веществом в синтезе нейлона .

Консервант

Бензойную кислоту и её соли используют при консервировании пищевых продуктов (пищевые добавки E210 , E211 , E212 , E213 ).

Бензойная кислота, блокируя ферменты , замедляет обмен веществ во многих одноклеточных микроорганизмах и грибках. Она подавляет рост плесени , дрожжей и некоторых бактерий .

В пищевые продукты её добавляют в чистом виде или в виде натриевой, калиевой или кальциевой соли.

Губительное действие на микрофлору начинается с абсорбции бензойной кислоты липидной стенкой клетки.

Поскольку через стенку клетки может проникнуть только недиссоциированная кислота, бензойная кислота проявляет антимикробное действие только в кислых пищевых продуктах.

Если внутриклеточный pH 5 или меньше, анаэробная ферментация глюкозы через уменьшается на 95 %. Эффективность бензойной кислоты и бензоатов зависит от кислотности (pH) пищи.

Кислая пища, напитки, такие, как фруктовые соки, (содержащие лимонную кислоту ), газированные напитки, содержащие в растворе ( углекислый газ ), безалкогольные напитки с ( фосфорной кислотой ), соленья ( молочная кислота ) и другие кислые пищевые продукты консервируются бензойной кислотой и её солями.

Принятые и оптимальные концентрации бензойной кислоты при консервации пищи 0,05—0,1 %.

Медицина

Бензойную кислоту применяют в медицине при кожных заболеваниях, как наружное антисептическое (противомикробное) и фунгицидное (противогрибковое) средства, при трихофитиях и микозах , а её натриевую соль, — бензоат натрия — как отхаркивающее средство.

Другие применения

Эфиры бензойной кислоты (со спиртами от метилового до амилового) обладают сильным и приятным запахом и применяются в парфюмерной промышленности.

Некоторые другие производные бензойной кислоты, такие как, например, хлор- и нитробензойные кислоты, широко применяются для синтеза красителей.

Биологическое действие

Бензойная кислота в свободном виде и виде сложных эфиров встречается в составе многих растений и животных. Значительное количество бензойной кислоты находится в ягодах (около 0,05 %). Зрелые плоды некоторых видов вакциниума содержат большое количество свободной бензойной кислоты. Например, в бруснике до 0,20 % в спелых ягодах, а в клюкве — до 0,063 %. Бензойная кислота образуется в яблоках после заражения грибком Nectria galligena. Среди животных бензойная кислота обнаружена в основном во всеядных или фитофагных видах, например, во внутренних органах и мускулах тундряной куропатки (Lagopus muta), а также в выделениях самцов овцебыка или азиатского слона .

Бензойная смола содержит до 20 % бензойной кислоты и 40 % бензойных эфиров.

Бензойная кислота присутствует наряду с гиппуровой кислотой (N-бензоилглицин) в моче млекопитающих , особенно травоядных животных.

Бензольное кольцо

Электрофильное ароматическое замещение происходит по 3-му положению из-за электроноакцепторных свойств карбоксильной группы. Второе замещение происходит сложнее (правая часть) благодаря деактивации . Наоборот, при введении электронодонорного заместителя (например, алкила ), второе замещение происходит легче.

Карбоксильная группа

Все реакции, характерные для карбоксильной группы, возможны с бензойной кислотой:

• Эфиры бензойной кислоты — продукты кислотнокатализируемой реакции со спиртами
• Амиды бензойной кислоты легко доступны, используя для их синтеза активированные производные(такие как бензоилхлорид), или сочетающие реагенты используемые в такие как ДЦГК и ДМАП .
• Более активный бензойный ангидрид образуется при дегидратации уксусным ангидридом или оксидом фосфора
• Высокоактивные галогенангидриды легко получаются действием хлоридом фосфора(V) или тионилхлорида
• Ортоэфиры могут быть получены в сухих условиях реакцией в кислой среде со спиртами
• Восстановление до бензальдегида или бензилового спирта возможно при использовании LiAlH ₄ или борогидрида натрия
• Декарбоксилирование серебряной соли может быть проведено при нагревании, бензойная кислота может быть декарбоксилирована при нагревании с сухими щёлочами или гидроксидом кальция .
• Бензойная кислота образует соли

Безопасность

Согласно многочисленным исследованиям, бензойная кислота, её соли и сложные эфиры признаны безопасными для человека в случае адекватного уровня потребления . Бензойная кислота хорошо всасывается, через коэнзим А связывается с аминокислотой глицином в гиппуровую кислоту и в таком виде выводится через почки. Человек выделяет около 0,44 г/л гиппуровой кислоты в день в моче и больше, если находится в контакте с толуолом или бензойной кислотой. Кошки имеют гораздо более низкую толерантность к бензойной кислоте, чем мыши и крысы . Летальная доза для кошек — 300 мг/кг массы тела. Оральная ЛД ₅₀ для крыс 3040 мг/кг, для мышей 1940—2260 мг/кг.

Международная программа химической безопасности , изучая вопрос токсичности бензойной кислоты и её солей, не выявила каких-либо побочных эффектов у людей в дозах 647—825 мг/кг массы тела в сутки . Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) считает бензойную кислоту как « общепризнанную безопасную » (GRAS) в США в качестве противомикробного средства , ароматизатора и пищевой добавки в продуктах питания с максимальным уровнем использования в 0,1 % . Её также можно безопасно использовать в кормах для животных в качестве консерванта или подкислителя . В 1996 году Объединённый экспертный комитет ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам (JECFA) установил допустимое суточное потребление (ДСП) для бензойной кислоты в количестве 5 мг/кг массы тела . В 2021 году, проведя переоценку безопасности, JECFA изменил это количество, повысив значение ДСП до 20 мг/кг массы тела . Бензойная кислота (E210) указана в Постановлении Комиссии (ЕС) № 231/2012 в качестве разрешённой пищевой добавки и отнесена к категории «Добавки, отличные от красителей и подсластителей » . В 2016 году, Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA), проводя свою переоценку безопасности, установило ДСП для Е210 в количестве 5 мг/кг массы тела .

Бензойная кислота может вызвать аллергические реакции : симптомы раздражения, такие как сыпь , покраснение или чувство жжения при попадании в глаза и на кожу, а также при вдыхании . В отличие от бензоата натрия ( Е211 ) и бензоата калия ( Е212 ), бензойная кислота не упоминается FDA как вещество, которое может превращаться в бензол при определённых обстоятельствах . Бензойная кислота также не подозревается в гиперактивном поведении детей, в отличие от Е211 .

Производные

• 2,3-дигидроксибензойная кислота (пирокатехиновая кислота)
• (бета-резорциловая кислота)
• 2,5-дигидроксибензойная кислота (гентизиновая кислота)
• (гамма-резорциловая кислота)
• (протокатехиновая кислота)
• (альфа-резорциловая кислота)
• 3-нитробензойная кислота
• 3,5-динитробензойная кислота
• Толуиловые кислоты

Соли

Соли бензойной кислоты называются бензоатами, например:

• Бензоат аммония
• Бензоат лития
• Бензоат натрия
• Бензоат магния
• Бензоат марганца
• Бензоат меди(II)
• Бензоат ртути(II)
• Бензоат свинца(II)
• Бензоат серебра

Примечания

• Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И. Л. и др.. — М. : Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1 (Абл-Дар). — 623 с.

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.

Ссылки

• Елена Шаталова. (неопр.) . — Программа Первого канала. Дата обращения: 22 ноября 2011. Архивировано из 21 ноября 2011 года.

Примечания