Wat is 4-hydroxybenzoëzuur?
4-hydroxybenzoëzuur, ook bekend als para-hydroxybenzoëzuur, is een aromatisch organisch zuur met de chemische formule C7H6O3. Het is een witte of kleurloze vaste stof die oplosbaar is in water, ethanol en andere polaire oplosmiddelen.
4-hydroxybenzoëzuur komt van nature voor in sommige planten en vruchten, zoals bessen, appels en pruimen. Het wordt ook synthetisch geproduceerd voor gebruik in verschillende industriële en commerciële toepassingen.
Inhoudsopgave
1. Fysieke eigenschappen van 4-hydroxybenzoëzuur
De fysieke eigenschappen van 4-hydroxybenzoëzuur worden samengevat in de volgende tabel:
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| Chemische formule | C7H6O3 |
| Molaire massa | 138,12 g/mol |
| Fysiek uiterlijk | Wit, korrelig kristallijn poeder |
| Smeltpunt | 216,3 °C |
| Kookpunt | 298 °C |
| Dichtheid | 1,497 g/cm3 bij 20 °C |
| Dissociatieconstanten | K1 = 3,3 × 10-5 K2 = 4,8 × 10-10 bij 19 °C |
| Oplosbaarheid in water | 0,49 g in 100 g oplossing bij 20 °C, en 33,5 g in 100 g oplossing bij 100 °C |
| Oplosbaarheid in 99% ethanol | 38,75 g bij 67 °C |
| Oplosbaarheid in n-butanol | 19,5 g bij 32,5 °C |
| Oplosbaarheid in chloroform | Weinig oplosbaar |
2. Chemische reacties van 4-hydroxybenzoëzuur
4-hydroxybenzoëzuur is een veelzijdig organisch zuur dat een verscheidenheid aan chemische reacties kan ondergaan. Vanwege de aanwezigheid van zowel een hydroxyl (-OH) als een carboxyl (-COOH) groep, kan het deelnemen aan reacties waarbij zowel de aromatische ring als de functionele groepen betrokken zijn.
4-hydroxybenzoëzuur decarboxyleert bij temperaturen boven 200 °C, waarbij fenol en koolstofdioxide worden gevormd.
Het is ook gevoelig voor elektrofiele substitutiereacties, zoals nitrering, sulfonering of halogenering, die voornamelijk plaatsvinden op de orthopositie ten opzichte van de hydroxylgroep.
Interessant genoeg vertoont het geen kleurreactie met ijzer(III)chloride, maar vormt het in plaats daarvan een geel neerslag.
Een van de meest voorkomende chemische reacties van 4-hydroxybenzoëzuur is verestering. Bij deze reactie reageert 4-hydroxybenzoëzuur met een alcohol in aanwezigheid van een zure katalysator om een 4-hydroxybenzoaatester te vormen. 4-hydroxybenzoaatesters worden vaak gebruikt als conserveermiddelen in voedsel, cosmetica en farmaceutica.
De reactie van 4-hydroxybenzoëzuur met methanol in aanwezigheid van zwavelzuur produceert bijvoorbeeld de ester methyl 4-hydroxybenzoaat (methylparaben):
4-hydroxybenzoëzuur kan ook zoutvorming ondergaan wanneer het reageert met een base om een 4-hydroxybenzoaatzout te vormen.
3. Productie van 4-hydroxybenzoëzuur
4-hydroxybenzoëzuur wordt synthetisch geproduceerd uit fenol en koolstofdioxide, of biosynthetisch uit hernieuwbare grondstoffen zoals glucose en L-tyrosine.
Er zijn vijf hoofdmethoden voor het produceren van 4-hydroxybenzoëzuur:
3.1. Productie van 4-hydroxybenzoëzuur door carboxylering van kaliumfenolaat
Deze methode omvat het laten reageren van kaliumfenolaat met koolstofdioxide bij hoge temperatuur en druk om 4-hydroxybenzoëzuur te produceren, gedeeltelijk in de vorm van het dikaliumzout. De opbrengst is 80% en de omzetting van fenolaat is ongeveer 60%.
3.2. Productie van 4-hydroxybenzoëzuur door isomerisatie van dikaliumsalicylaat
Deze methode omvat het verwarmen van dikaliumsalicylaat onder een licht verhoogde koolstofdioxidedruk om het om te zetten in 4-hydroxybenzoëzuur. Deze methode is energiezuiniger dan de carboxylering van kaliumfenolaatmethode, maar levert een lagere opbrengst van 4-hydroxybenzoëzuur op.
3.3. Productie van 4-hydroxybenzoëzuur door oxidatie van alkalimetaalzout van p-cresol
Deze methode omvat het oxideren van het alkalimetaalzout van p-cresol bij hoge temperatuur op metaaloxiden om 4-hydroxybenzoëzuur te produceren, samen met andere producten. Deze methode wordt minder vaak gebruikt dan de andere methoden omdat deze complexer is en een lagere opbrengst van 4-hydroxybenzoëzuur oplevert.
3.4. Productie van 4-hydroxybenzoëzuur door reactie van fenol en tetrachloormethaan
Deze methode omvat het laten reageren van fenol met tetrachloormethaan in aanwezigheid van alkali om een mengsel van salicylzuur en 4-hydroxybenzoëzuur te produceren, waarbij salicylzuur het primaire product is. Deze methode wordt ook minder vaak gebruikt dan de andere methoden omdat het een lagere opbrengst van 4-hydroxybenzoëzuur produceert en gevaarlijke afvalproducten genereert.
3.5. Biosynthese van 4-hydroxybenzoëzuur uit hernieuwbare grondstoffen
De laatste jaren is er steeds meer belangstelling voor het ontwikkelen van duurzamere methoden voor de productie van 4-hydroxybenzoëzuur. Een veelbelovende aanpak is om genetisch gemodificeerde micro-organismen te gebruiken om hernieuwbare grondstoffen zoals glucose en L-tyrosine om te zetten in 4-hydroxybenzoëzuur.
Onderzoekers hebben bijvoorbeeld stammen van E. coli ontwikkeld die 4-hydroxybenzoëzuur uit glucose kunnen produceren. In dit proces wordt de glucose eerst omgezet in pyruvaat, dat vervolgens wordt omgezet in 4-hydroxyfenylpyruvaat. 4-hydroxyfenylpyruvaat wordt vervolgens gedecarboxyleerd om 4-hydroxybenzoëzuur te produceren.
Een andere veelbelovende aanpak is om L-tyrosine te gebruiken als voorloper voor de productie van 4-hydroxybenzoëzuur. L-tyrosine is een niet-essentieel aminozuur dat kan worden geproduceerd uit hernieuwbare grondstoffen zoals suikerriet en maïs. In dit proces wordt L-tyrosine eerst omgezet in 4-hydroxyfenylpyruvaat, dat vervolgens wordt gedecarboxyleerd om 4-hydroxybenzoëzuur te produceren.
De biosynthese van 4-hydroxybenzoëzuur uit hernieuwbare grondstoffen bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling, maar het heeft het potentieel om een duurzamer en milieuvriendelijker alternatief te zijn voor de traditionele Kolbe-Schmitt-reactie.
4. Toepassingen van 4-hydroxybenzoëzuur en zijn esters
4.1. Toepassingen van 4-hydroxybenzoëzuur
4-hydroxybenzoëzuur is een veelzijdige verbinding met een breed scala aan toepassingen in verschillende industrieën.
- 4-hydroxybenzoëzuur wordt gebruikt als tussenproduct bij de productie van kleurstoffen, farmaceutische producten, pesticiden en kunststoffen.
- Emulgator: 4-hydroxybenzoëzuur wordt gebruikt als emulgator om op olie en water gebaseerde componenten te mengen in producten zoals cosmetica en voedselbereidingen.
- Corrosiebeschermingsmiddel: 4-hydroxybenzoëzuur wordt gebruikt om materialen te beschermen tegen corrosie.
- Antimicrobieel middel: 4-hydroxybenzoëzuuresters en natriumzouten hebben antimicrobiële eigenschappen en worden gebruikt als conserveermiddelen voor levensmiddelen, met name in zwak zure tot zwak basische omstandigheden. Ze worden ook gebruikt bij het conserveren van voedsel en dranken, cosmetica, farmaceutica en technische producten.
- Toepassingen van polymeren: 4-hydroxybenzoëzuur wordt gebruikt bij de productie van polyester en vloeibare kristalpolymeren.
- Farmaceutica: 4-hydroxybenzoëzuur wordt gebruikt bij de productie van sommige farmaceutische producten, zoals aspirine en paracetamol. Het wordt ook gebruikt als een plaatselijk antisepticum.
- Plantengroei: 4-hydroxybenzoëzuur kan worden gebruikt om de groei en ontwikkeling van planten te bevorderen.
- Milieusanering: 4-hydroxybenzoëzuur kan worden gebruikt om zware metalen en andere verontreinigende stoffen uit het milieu te verwijderen.
4.2. Toepassingen van 4-hydroxybenzoëzuuresters
- PHB-ester: PHB-ester, een mengsel van de ethyl- en n-propylesters van 4-hydroxybenzoëzuur, wordt gebruikt als conserveermiddel voor levensmiddelen. Het is toegestaan voor het conserveren van levensmiddelen in verschillende landen en wordt in Europa geïdentificeerd als E 214 – E 219 en in de Verenigde Staten onder verschillende namen. Een mengsel van 60% ethyl- en 40% propylester is bijzonder effectief, maar het gebruik ervan in bepaalde levensmiddelen kan wettelijk beperkt zijn, zoals in wijn.
- Termietbestrijding: Sommige hogere esters afgeleid van 4-hydroxybenzoëzuur worden gebruikt voor termietenbestrijding.
- Emulsies: 4-hydroxybenzoëzuuresters, zoals PHB-benzylester, kunnen eutectische mengsels vormen die vloeibaar blijven bij kamertemperatuur. Deze mengsels worden gebruikt in olie-in-wateremulsies.
- Kleurontwikkelaars: PHB-benzylester en andere esters van 4-hydroxybenzoëzuur worden gebruikt als kleurontwikkelaars in drukgevoelige en thermogevoelige schrijfsystemen. Deze esters worden gezuiverd en ontkleurd door destillatie met de toevoeging van natriumwaterstofsulfiet tijdens het productieproces.
5. Toxicologie van 4-hydroxybenzoëzuur
4-hydroxybenzoëzuur is giftiger wanneer het in de buik wordt geïnjecteerd dan wanneer het wordt ingeslikt of onder de huid wordt geïnjecteerd. Dit komt doordat het sneller in de bloedbaan wordt opgenomen wanneer het in de buik wordt geïnjecteerd.
- rale LD50 bij muizen: 2200 mg/kg
- Intraperitoneale (i.p.) LD50 bij muizen: 210 mg/kg
- Subcutane (s.c.) LD50 bij muizen: 1050 mg/kg
4-hydroxybenzoëzuur wordt ook geclassificeerd als een medicijn en een mutageen, wat betekent dat het genetische mutaties kan veroorzaken.
4-hydroxybenzoëzuur kan huid- en oogirritatie veroorzaken. Contact met de huid kan roodheid, jeuk en branderigheid veroorzaken. Contact met de ogen kan roodheid, pijn en tranen veroorzaken.
4-hydroxybenzoëzuur kan bij sommige mensen allergische reacties veroorzaken.
4-hydroxybenzoëzuur is giftig voor vissen en andere waterorganismen. Blootstelling aan 4-hydroxybenzoëzuur kan de dood van vissen en andere waterorganismen veroorzaken.
Referenties
- Hydroxycarboxylic Acids, Aromatic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a13_519
- Production of 4-Hydroxybenzoic Acid by an Aerobic Growth-Arrested Bioprocess Using Metabolically Engineered Corynebacterium glutamicu
- Method for preparing p-hydroxybenzoic acid. – https://patents.google.com/patent/US3532745A/en
