2,3-Butandiol: Eigenschaften, Herstellung und Verwendung

2,3-butanediol structure

2,3-Butandiol (auch bekannt als 2,3-Butylenglykol) ist eine organische Verbindung mit der Formel C4H10O2. Es ist eine farblose, viskose Flüssigkeit, die mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar ist. 2,3-Butandiol ist ein Vic-Diol, was bedeutet, dass sich die beiden Hydroxylgruppen an benachbarten Kohlenstoffatomen befinden.

Inhaltsverzeichnis

In der Vergangenheit ergab die bakterielle Fermentation von Hexosen und Pentosen 2,3-Butandiol. Durch die Pyrolyse des Diacetats entstand hochreines Butadien, das zuvor in den USA zur Herstellung von synthetischem Kautschuk verwendet wurde. Als Hauptrohstoff dienen heute aus Spaltgasen gewonnene Butene.

1. Physikalische Eigenschaften von 2,3-Butandiol

2,3-Butylenglykol, auch bekannt als 2,3-Butandiol, kann in drei verschiedenen stereoisomeren Formen vorliegen:

  1. (2S,3S)-2,3-Butandiol (1): Dieses Stereoisomer ist rechtsdrehend, was bedeutet, dass es linear polarisiertes Licht dreht Nach rechts. Es hat die CAS-Nummer [24347-58-8].
  2. (2R,3R)-2,3-Butandiol (2): Dieses Stereoisomer ist linksdrehend, was bedeutet, dass es linear polarisiertes Licht dreht Nach links. Es hat die CAS-Nummer [5341-95-7].
  3. (R,S)-2,3-Butandiol (3): Dieses Stereoisomer ist optisch inaktiv, was bedeutet, dass es keinen Nettoeffekt hat auf planpolarisiertem Licht. Es ist eine Meso-Verbindung und eine Mischung aus den (2R,3S)- und (2S,3R)-Enantiomeren.
stereoisomeric forms of 2,3-butanediol
Physikalische Eigenschaften von 2,3-Butandiol
Eigenschaft Wert
Formel C4H10O2
Molekularmasse 90,12 g/mol
Farbe Farblos
Geruch Geruchlos
Hygroskopizität Stark hygroskopisch
Aussehen Ölige Flüssigkeit oder Kristall
Geschmack Süß
Mischbarkeit mit Wasser Mischbar
Löslichkeit in niedermolekularen Alkoholen und Ketonen Leicht löslich
Schmelzpunkt 23 °C (73 °F)
Siedepunkt 177 °C (351 °F)
Dichte 0,987 g/cm³
Brechungsindex (bei 25 °C) 1,43
Viskosität (35°C) 65,6 mPa·s
Flammpunkt 85 °C (165 °F)
Selbstentzündungstemperatur 402 °C

2. Chemische Reaktionen von 2,3-Butandiol

2,3-Butandiol ist ein Vic-Diol, wodurch das Molekül reaktiver ist als andere Diole, wie z. B. 1,4-Butandiol.

Durch die Dehydrierung von 2,3-Butandiol entstehen Acetoin und Diacetyl.

Durch Dehydrierung entsteht hauptsächlich 2-Butanon.

2,3-Butandiol wird beispielsweise mit Periodat zu Acetaldehyd oxidiert; Diese Reaktion kann zur analytischen Bestimmung genutzt werden.

2,3-Butandiol bildet mit Carbonsäuren und Ketonen oder Aldehyden zyklische Ester, Acetale und Ketale.

Bei der Reaktion mit Diisocyanaten entstehen Polyurethane.

reactions of 2,3-butanediol
Reaktionen von 2,3-Butandiol

3. Herstellung von 2,3-Butandiol

3.1. Herstellung von 2,3-Butandiol aus C4-Raffinat II

2,3-Butandiol wird aus C4-Raffinat II hergestellt. Crackgase werden verarbeitet, um Butadien und Isobuten zu entfernen, was zu einer C4-Kohlenwasserstofffraktion führt, die als C4-Raffinat II bekannt ist . Diese Fraktion enthält etwa 77 % Butene und 23 % Butan/Isobutan.

C4-Raffinat II wird mit einer Chlorlösung chlorhydriert, gefolgt von einer Cyclisierung mit Natriumhydroxid. Dabei entsteht eine Butenoxidmischung mit:

  • 55 % trans-2,3-Butenoxid
  • 30 % cis-2,3-Butenoxid
  • 15 % 1,2-Butenoxid

Das Butenoxidgemisch wird bei 50 bar, 160–220 °C und einem Überschuss an Wasser (ΔH = -42 kJ/mol) hydrolysiert. Diese Reaktion ergibt eine Mischung aus Butandiolen:

  1. meso-2,3-Butandiol aus trans-2-Buten über trans-2,3-Butenoxid
  2. Racemische Mischung aus R,R- und S,S-2,3-Butandiol aus cis-2-Buten über cis-2,3-Butenoxid

Die Butandiolmischung wird durch Vakuumfraktionierung getrennt, was einfacher ist als die Trennung der ursprünglichen Butenoxidmischung.

3.2. Herstellung von 2,3-Butandiol durch Fermentation

Die Produktion von 2,3-Butandiol erfolgt über einen gemischten Säureweg, der verschiedene Endprodukte wie Ethanol, Acetat, Lactat, Formiat, und Succinat. Acetoin, ein bei der Fermentation entstehendes Zwischenprodukt, kann metabolisch in 2,3-Butandiol umgewandelt werden. Die Stoffwechselwege nutzen Glukose und werden durch Enzyme wie Acetoinreduktase katalysiert.

2,3-Butandiol existiert in drei Stereoisomeren: Dextro-, Levo- und Meso-Form, wobei ihre Anteile vom für die Fermentation verwendeten Mikroorganismus abhängen. Verschiedene Bakterienstämme wie Bacillus polymyxa, Klebsiella oxytoca und Aeromonas hydrophila sind bekannte Produzenten von 2,3-Butandiol.

Die Wahl des Stamms und der Kohlenstoffquelle beeinflusst die stereoisomere Zusammensetzung des Endprodukts.

Der Produktionsprozess kann verschiedene Kohlenstoffquellen nutzen, darunter Glukose, Xylose, Glycerin und sogar Pentosezucker. Kohlenhydrate aus natürlichen Ressourcen wie Zellulose- und Hemizellulosesubstraten können ebenfalls als Fermentationssubstrate dienen.

Der Fermentationsprozess wird durch Faktoren wie Sauerstoffversorgung, pH-Wert, Bernsteinsäurekonzentration und Acetatgehalt beeinflusst. Die Sauerstoffverfügbarkeit, gesteuert durch die Sauerstoffübertragungsrate, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Produktausbeute und -zusammensetzung.

Das Design und die Betriebsmodi von Bioreaktoren, wie z. B. kontinuierliche Zellrecyclingsysteme, können die Produktivität steigern. Die Überwachung von Fermentationsprodukten kann durch Techniken wie die Durchflussinjektionsanalyse und die Membraneinführungs-Massenspektrometrie erreicht werden.

4. Verwendung von 2,3-Butandiol

2,3-Butandiol (überwiegend Meso-Isomer) hat mehrere wichtige Anwendungen:

  • Vernetzungsmittel: Es dient als Vernetzungsmittel für Naphthalin-1,5-diisocyanat bei der Herstellung spezifischer Hartstoffe -Gummiprodukte wie Vulkollan.
  • Insektizidderivate: Derivate von 2,3-Butandiol spielen eine Rolle bei der Entwicklung von Insektiziden, wie zum Beispiel Sapecron, ein Acetal, das mit gebildet wird das N-Methylcarbamat von Salicylaldehyd.
  • Pharmazeutische Zwischenprodukte: Verschiedene Derivate von 2,3-Butandiol dienen als wertvolle Zwischenprodukte in der pharmazeutischen Industrie.
  • Feuchthaltemittel: 2,3-Butandiole weisen ein gewisses Potenzial als Feuchthaltemittel auf und tragen dazu bei, Feuchtigkeit in verschiedenen Anwendungen zu speichern.
  • Polymer- und Weichmachersynthese: Sie finden Verwendung bei der Synthese verschiedener Polymere und Weichmacher.
  • 2,3-Butandiol kann als Kraftstoffzusatz zur Leistungssteigerung von Benzin- und Dieselmotoren eingesetzt werden. Es kann auch als Biokraftstoff verwendet werden.
  • Es ist ein gutes Lösungsmittel für eine Vielzahl organischer Verbindungen, einschließlich Farben, Tinten und Klebstoffe.
  • Aromastoff: Bei Umwandlung in Diacetyl kann 2,3-BDL als Aromastoff in Lebensmitteln verwendet werden.
  • Frostschutzmittel: Die Levo-Form von 2,3-BDL hat Potenzial als Frostschutzmittel.

5. Toxikologie

2,3-Butandiol hat einen LD50-Wert von 8,9 g/kg (Maus, oral)

Referenzen