4-Hydroxybenzoesäure: Reaktionen, Herstellung und Verwendung

4-hydroxybenzoic acid structure

4-Hydroxybenzoesäure, auch para-Hydroxybenzoesäure genannt, ist eine aromatische organische Säure mit der chemischen Formel C7H6O3. Es ist ein weißer oder farbloser Feststoff, der in Wasser, Ethanol und anderen polaren Lösungsmitteln löslich ist.

4-Hydroxybenzoesäure kommt natürlicherweise in einigen Pflanzen und Früchten vor, beispielsweise in Beeren, Äpfeln und Pflaumen. Es wird auch synthetisch für den Einsatz in einer Vielzahl industrieller und kommerzieller Anwendungen hergestellt.

Inhaltsverzeichnis

1. Physikalische Eigenschaften von 4-Hydroxybenzoesäure

Die physikalischen Eigenschaften von 4-Hydroxybenzoesäure sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Physikalische Eigenschaften von 4-Hydroxybenzoesäure
Eigenschaft Wert
Chemische Formel C7H6O3
Molmasse 138,12 g/mol
Physisches Erscheinungsbild Weißes, körniges kristallines Pulver
Schmelzpunkt 216,3 °C
Siedepunkt 298 °C
Dichte 1,497 g/cm³ bei 20 °C
Dissoziationskonstanten K1 = 3,3 × 10⁻⁵, K2 = 4,8 × 10⁻¹⁰ bei 19 °C
Löslichkeit in Wasser 0,49 g in 100 g Lösung bei 20 °C und 33,5 g in 100 g Lösung bei 100 °C
Löslichkeit in 99 % Ethanol 38,75 g bei 67 °C
Löslichkeit in n-Butanol 19,5 g bei 32,5 °C
Löslichkeit in Chloroform Schwer löslich

2. Chemische Reaktionen von 4-Hydroxybenzoesäure

4-Hydroxybenzoesäure (4-HBA) ist eine vielseitige organische Säure, die eine Vielzahl chemischer Reaktionen eingehen kann. Da es sowohl eine Hydroxylgruppe (-OH) als auch eine Carboxylgruppe (-COOH) enthält, kann es an Reaktionen teilnehmen, an denen sowohl der aromatische Ring als auch die funktionellen Gruppen beteiligt sind.

4-Hydroxybenzoesäure decarboxyliert bei Temperaturen über 200 °C unter Bildung von Phenol und Kohlendioxid.

Decarboxylation of 4-hydroxybenzoic acid to phenol

Es ist auch anfällig für elektrophile Substitutionsreaktionen wie Nitrierung, Sulfonierung oder Halogenierung, die hauptsächlich in der ortho-Position relativ zur Hydroxylgruppe auftreten.

Interessanterweise zeigt es keine Farbreaktion mit Eisen(III)-chlorid, sondern bildet stattdessen einen gelben Niederschlag.

Eine der häufigsten chemischen Reaktionen von 4-Hydroxybenzoesäure ist die Veresterung. Bei dieser Reaktion wird 4-Hydroxybenzoesäure mit einem Alkohol in Gegenwart eines Säurekatalysators umgesetzt, um einen 4-Hydroxybenzoatester zu bilden. 4-Hydroxybenzoatester werden häufig als Konservierungsmittel in Lebensmitteln, Kosmetika und Pharmazeutika verwendet.

Beispielsweise entsteht bei der Reaktion von 4-Hydroxybenzoesäure mit Methanol in Gegenwart von Schwefelsäure der Ester Methyl-4-hydroxybenzoat (Methylparaben):

Esterification of 4-hydroxybenzoic acid

4-Hydroxybenzoesäure kann auch eine Salzbildung eingehen, wenn sie mit einer Base unter Bildung eines 4-Hydroxybenzoatsalzes reagiert.

3. Herstellung von 4-Hydroxybenzoesäure

4-Hydroxybenzoesäure wird synthetisch aus Phenol und Kohlendioxid oder biosynthetisch aus nachwachsenden Rohstoffen wie Glucose und L-Tyrosin hergestellt.

Es gibt fünf Hauptmethoden zur Herstellung von 4-Hydroxybenzoesäure:

3.1. Carboxylierung von Kaliumphenolat

Bei dieser Methode wird Kaliumphenolat mit Kohlendioxid bei hoher Temperatur und hohem Druck umgesetzt, um 4-Hydroxybenzoesäure, teilweise in Form des Dikaliumsalzes, zu erzeugen. Die Ausbeute beträgt 80 % und der Phenolatumsatz etwa 60 %.

production of 4-hydroxybenzoic acid by Carboxylation of Potassium Phenolate

3.2. Isomerisierung von Dikaliumsalicylat

Bei dieser Methode wird Dikaliumsalicylat unter leicht erhöhtem Kohlendioxiddruck erhitzt, um es in 4-Hydroxybenzoesäure umzuwandeln. Diese Methode ist energieeffizienter als die Carboxylierung mit Kaliumphenolat, liefert jedoch eine geringere Ausbeute an 4-HBA.

3.3. Oxidation des Alkalimetallsalzes von p-Kresol

Bei dieser Methode wird das Alkalimetallsalz von p-Kresol bei hoher Temperatur an Metalloxiden oxidiert, um neben anderen Produkten auch 4-Hydroxybenzoesäure zu erzeugen. Diese Methode wird weniger häufig verwendet als die anderen Methoden, da sie komplexer ist und eine geringere Ausbeute an 4-HBA liefert.

3.4. Reaktion mit Phenol und Tetrachlormethan

Bei dieser Methode wird Phenol mit Tetrachlormethan in Gegenwart von Alkali umgesetzt, um eine Mischung aus Salicylsäure und 4-Hydroxybenzoesäure zu erzeugen, wobei Salicylsäure das Hauptprodukt ist. Diese Methode wird auch weniger häufig verwendet als die anderen Methoden, da sie eine geringere Ausbeute an 4-HBA liefert und gefährliche Abfallprodukte erzeugt.

production of 4-hydroxybenzoic acid by Reaction of Phenol and Tetrachloromethane
 

3.5. Biosynthese aus erneuerbaren Rohstoffen

In den letzten Jahren besteht ein wachsendes Interesse an der Entwicklung nachhaltigerer Methoden zur Herstellung von 4-Hydroxybenzoesäure. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen nachwachsende Rohstoffe wie Glucose und L-Tyrosin in 4-Hydroxybenzoesäure umzuwandeln.

Forscher haben beispielsweise E. coli-Stämme entwickelt, die 4-HBA aus Glukose produzieren können. Bei diesem Prozess wird die Glucose zunächst in Pyruvat umgewandelt, das dann in 4-Hydroxyphenylpyruvat umgewandelt wird. 4-Hydroxyphenylpyruvat wird dann decarboxyliert, um 4-Hydroxybenzoesäure zu erzeugen.

Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von L-Tyrosin als Vorstufe für die Produktion von 4-Hydroxybenzoesäure. L-Tyrosin ist eine nicht-essentielle Aminosäure, die aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrohr und Mais hergestellt werden kann. Bei diesem Prozess wird L-Tyrosin zunächst in 4-Hydroxyphenylpyruvat umgewandelt, das dann decarboxyliert wird, um 4-HBA zu erzeugen.

Die Biosynthese von 4-HBA aus erneuerbaren Rohstoffen befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, hat aber das Potenzial, eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Alternative zur traditionellen Kolbe-Schmitt-Reaktion zu sein.

4. Verwendungen von 4-4-Hydroxybenzoesäurehydroxybenzoesäure und ihren Estern

4.1. Verwendung von 4-Hydroxybenzoesäure

4-Hydroxybenzoesäure ist eine vielseitige Verbindung mit einem breiten Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen.

  • 4-Hydroxybenzoesäure wird als Zwischenprodukt bei der Herstellung von Farbstoffen, Arzneimitteln, Pestiziden und Kunststoffen verwendet.
  • Emulgator: 4-Hydroxybenzoesäure wird als Emulgator zum Mischen von öl- und wasserbasierten Komponenten in Produkten wie Kosmetika und Lebensmittelzubereitungen verwendet.
  • Korrosionsschutzmittel: 4-Hydroxybenzoesäure wird zum Schutz von Materialien vor Korrosion eingesetzt.
  • Antimikrobielles Mittel: 4-Hydroxybenzoesäureester und Natriumsalze haben antimikrobielle Eigenschaften und werden als Lebensmittelkonservierungsmittel insbesondere bei schwach sauren bis schwach basischen Bedingungen eingesetzt. Sie werden auch in der Lebensmittel- und Getränkekonservierung, Kosmetik, Pharmazeutika und technischen Produkten eingesetzt.
  • Polymeranwendungen: 4-Hydroxybenzoesäure wird bei der Herstellung von Polyester- und Flüssigkristallpolymeren verwendet.
  • Arzneimittel: 4-Hydroxybenzoesäure wird bei der Herstellung einiger Arzneimittel wie Aspirin und Paracetamol verwendet. Es wird auch als topisches Antiseptikum verwendet.
  • Pflanzenwachstum: 4-HBA kann zur Förderung des Pflanzenwachstums und der Pflanzenentwicklung eingesetzt werden.
  • Umweltsanierung: Mit 4-HBA können Schwermetalle und andere Schadstoffe aus der Umwelt entfernt werden.

4.2. Verwendung von 4-Hydroxybenzoesäureestern

  • PHB-Ester: PHB-Ester, eine Mischung aus Ethyl- und n-Propylester der 4-Hydroxybenzoesäure, wird als Lebensmittelkonservierungsmittel verwendet. Es ist in verschiedenen Ländern zur Konservierung von Lebensmitteln zugelassen und wird in Europa als E 214 – E 219 und in den USA unter verschiedenen Namen bezeichnet. Eine Mischung aus 60 % Ethyl- und 40 % Propylester ist besonders wirksam, ihre Verwendung in bestimmten Lebensmitteln kann jedoch gesetzlich eingeschränkt sein, beispielsweise in Wein.
  • Termitenbekämpfung: Einige von 4-Hydroxybenzoesäure abgeleitete höhere Ester werden zur Termitenbekämpfung eingesetzt.
  • Emulsionen: 4-Hydroxybenzoesäureester wie PHB-Benzylester können eutektische Gemische bilden, die bei Raumtemperatur flüssig bleiben. Diese Mischungen werden in Öl-in-Wasser-Emulsionen verwendet.
  • Farbentwickler: PHB-Benzylester und andere Ester der 4-Hydroxybenzoesäure werden als Farbentwickler in druckempfindlichen und wärmeempfindlichen Schreibsystemen verwendet. Diese Ester werden während des Herstellungsprozesses durch Destillation unter Zugabe von Natriumhydrogensulfit gereinigt und entfärbt.

5. Toxikologie von 4-Hydroxybenzoesäure

4-Hydroxybenzoesäure ist bei Injektion in den Bauchraum giftiger als bei Verschlucken oder Injektion unter die Haut. Dies liegt daran, dass es bei der Injektion in den Bauch schneller in den Blutkreislauf aufgenommen wird.

  • ral LD50 bei Mäusen: 2200 mg/kg
  • Intraperitonealer (i.p.) LD50 bei Mäusen: 210 mg/kg
  • Subkutan (s.c.) LD50 bei Mäusen: 1050 mg/kg

4-Hydroxybenzoesäure wird auch als Arzneimittel und Mutagen eingestuft, was bedeutet, dass sie genetische Mutationen verursachen kann.

4-Hydroxybenzoesäure kann Haut- und Augenreizungen verursachen. Bei Hautkontakt kann es zu Rötungen, Juckreiz und Brennen kommen. Bei Kontakt mit den Augen kann es zu Rötungen, Schmerzen und Tränen kommen.

4-Hydroxybenzoesäure kann bei manchen Menschen allergische Reaktionen hervorrufen.

4-Hydroxybenzoesäure ist giftig für Fische und andere Wasserlebewesen. Die Exposition gegenüber 4-HBA kann bei Fischen und anderen Wasserorganismen zum Tod führen.

Verweise