2,3-Butaandiol, ook bekend als 2,3-butyleenglycol, is een organische verbinding met de formule C4H10O2. Het is een kleurloze, viskeuze vloeistof die in alle verhoudingen mengbaar is met water. 2,3-Butaandiol is een vic-diol, wat betekent dat de twee hydroxylgroepen zich op aangrenzende koolstofatomen bevinden.
Inhoudsopgave
In het verleden leverde bacteriële fermentatie van hexosen en pentosen 2,3-butaandiol op. Pyrolyse van het diacetaat leverde butadieen met een hoge zuiverheid op, dat eerder werd gebruikt voor de productie van synthetisch rubber in de Verenigde Staten. Nu dienen butenen afkomstig van gekraakte gassen als primaire grondstof.
1. Fysische eigenschappen van 2,3-butaandiol
2,3-butyleenglycol, ook bekend als 2,3-butaandiol, kan in drie verschillende stereo-isomere vormen voorkomen:
- (2S,3S)-2,3-butaandiol (1): Dit stereo-isomeer is rechtsdraaiend, wat betekent dat het vlakgepolariseerd licht naar rechts roteert. Het heeft CAS-nummer [24347-58-8].
- (2R,3R)-2,3-butaandiol (2): Dit stereo-isomeer is linksdraaiend, wat betekent dat het vlakgepolariseerd licht naar links roteert. Het heeft CAS-nummer [5341-95-7].
- (R,S)-2,3-Butaandiol (3): Deze stereo-isomeer is optisch inactief, wat betekent dat het geen netto-effect heeft op vlak-gepolariseerd licht. Het is een mesoverbinding en is een mengsel van de (2R,3S) en (2S,3R) enantiomeren.
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| Formule | C4H10O2 |
| Moleculaire massa | 90,12 g/mol |
| Kleur | Kleurloos |
| Geur | Geurloos |
| Hygroscopiciteit | Sterk hygroscopisch |
| Uiterlijk | Olieachtige vloeistof of kristal |
| Smaak | Zoet |
| Mengbaarheid met water | Mengbaar |
| Oplosbaarheid in alcoholen en ketonen met een lage moleculaire massa | Gemakkelijk oplosbaar |
| Smeltpunt | 23 °C (73 °F) |
| Kookpunt | 177 °C (351 °F) |
| Dichtheid | 0,987 g/cm³ |
| Breukindex (bij 25 °C) | 1,43 |
| Viscositeit (35 °C) | 65,6 mPa·s |
| Vlampunt | 85 °C (165 °F) |
| Zelfontbrandingstemperatuur | 402 °C |
2. Chemische reacties van 2,3-butaandiol
2,3-butaandiol is een vic-diol, waardoor het molecuul reactiever is dan andere diolen, zoals 1,4-butaandiol.
Dehydrogenering van 2,3-butaandiol produceert acetoïne en diacetyl.
Dehydratie levert voornamelijk 2-butanon op.
2,3-butaandiol wordt bijvoorbeeld geoxideerd met periodaat om aceetaldehyde te vormen; deze reactie kan worden gebruikt voor analytische bepaling.
2,3-butaandiol vormt cyclische esters, acetalen en ketalen met carbonzuren en ketonen of aldehyden.
Wanneer het reageert met diisocyanaten, produceert het polyurethanen.
3. Productie van 2,3-Butaandiol
3.1. Productie van 2,3-Butaandiol uit C4 Raffinaat II
2,3-Butaandiol wordt geproduceerd uit C4 Raffinaat II. Crackgassen worden verwerkt om butadieen en isobuteen te verwijderen, wat resulteert in een C4-koolwaterstoffractie die bekend staat als C4-raffinaat II. Deze fractie bevat ongeveer 77% butenen en 23% butaan/isobutaan.
C4-raffinaat II ondergaat chloorhydrinatie met een chlooroplossing, gevolgd door cyclisatie met natriumhydroxide. Dit levert een buteenoxidemengsel op dat het volgende bevat:
- 55% trans-2,3-buteenoxide
- 30% cis-2,3-buteenoxide
- 15% 1,2-buteenoxide
Het buteenoxidemengsel wordt gehydrolyseerd bij 50 bar, 160-220°C met een overmaat aan water (ΔH = -42 kJ/mol). Deze reactie levert een mengsel van butaandiolen op:
- meso-2,3-butaandiol van trans-2-buteen via trans-2,3-buteenoxide
- racemisch mengsel van R,R- en S,S-2,3-butaandiol van cis-2-buteen via cis-2,3-buteenoxide
Het butaandiolmengsel wordt gescheiden door vacuümfractionering, wat gemakkelijker is dan het scheiden van het oorspronkelijke buteenoxidemengsel.
3.2. Productie van 2,3-butaandiol door fermentatie
De productie van 2,3-butaandiol omvat een gemengd zuurpad, wat verschillende eindproducten oplevert, zoals ethanol, acetaat, lactaat, formiaat en succinaat. Acetoïne, een tussenproduct dat tijdens de fermentatie wordt gevormd, kan metabolisch worden omgezet in 2,3-butaandiol. De metabolische routes gebruiken glucose en worden gekatalyseerd door enzymen zoals acetoïne-reductase.
2,3-Butaandiol bestaat in drie stereo-isomeren: dextro-, levo- en meso-vormen, waarbij hun verhoudingen afhankelijk zijn van het micro-organisme dat voor de fermentatie wordt gebruikt. Verschillende bacteriestammen, zoals Bacillus polymyxa, Klebsiella oxytoca en Aeromonas hydrophila, zijn bekende producenten van 2,3-butaandiol.
De keuze van de stam en koolstofbron beïnvloedt de stereo-isomere samenstelling van het eindproduct.
Het productieproces kan verschillende koolstofbronnen gebruiken, waaronder glucose, xylose, glycerol en zelfs pentosesuikers. Koolhydraten afkomstig van natuurlijke hulpbronnen zoals cellulose- en hemicellulosische substraten kunnen ook dienen als fermentatiesubstraten.
Het fermentatieproces wordt beïnvloed door factoren zoals zuurstoftoevoer, pH, barnsteenzuurconcentratie en acetaatniveaus. De beschikbaarheid van zuurstof, geregeld door de zuurstofoverdrachtssnelheid, speelt een cruciale rol bij het bepalen van de productopbrengst en -samenstelling.
Het ontwerp en de werkingsmodi van bioreactoren, zoals continue celrecyclingsystemen, kunnen de productiviteit verbeteren. Monitoring van fermentatieproducten kan worden bereikt door technieken zoals flow-injectieanalyse en membraanintroductiemassaspectrometrie.
4. Toepassingen van 2,3-butaandiol
2,3-butaandiol (voornamelijk meso-isomeer) heeft verschillende belangrijke toepassingen:
- Cross-linking agent: Het dient als een cross-linking agent voor naftaleen-1,5-diisocyanaat bij de productie van specifieke hardrubberproducten zoals Vulkollan.
- Insecticide derivaten: Derivaten van 2,3-butaandiol spelen een rol bij de ontwikkeling van insecticiden, zoals Sapecron, een acetaal gevormd met de N-methylcarbamaat van salicylaldehyde.
- Farmaceutisch tussenproducten: Verschillende derivaten van 2,3-butaandiol dienen als waardevolle tussenproducten in de farmaceutische industrie.
- Bevochtigingsmiddelen: 2,3-butaandiolen vertonen enig potentieel als bevochtigingsmiddelen, die helpen vocht vast te houden in verschillende toepassingen.
- Synthese van polymeren en weekmakers: Ze worden gebruikt bij de synthese van verschillende polymeren en weekmakers.
- 2,3-butaandiol kan worden gebruikt als brandstofadditief om de prestaties van benzine- en dieselmotoren te verbeteren. Het kan ook worden gebruikt als biobrandstof.
- Het is een goed oplosmiddel voor een verscheidenheid aan organische verbindingen, waaronder verf, inkt en lijm.
- Smaakstof: Wanneer omgezet in diacetyl, kan 2,3-BDL worden gebruikt als smaakstof in voedselproducten.
- Antivries: De levo-vorm van 2,3-BDL heeft potentieel als antivriesmiddel.
5. Toxicologie
2,3-Butaandiol heeft een LD50-waarde van 8,9 g/kg (muis, oraal)
Referenties
- Butanediols, Butenediol, and Butynediol, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a04_455.pub2
- Biological production of 2,3-butanediol – https://link.springer.com/article/10.1007/s002530000486
