Cos’è l’acido butirrico?
L’acido butirrico, noto anche come acido n-butanoico, è un acido grasso volatile a catena corta con formula chimica C4H8O2. È un liquido oleoso incolore con un odore sgradevole e rancido, miscibile con acqua e la maggior parte dei solventi organici.
L’acido butirrico fu scoperto nel 1869 da Lieben e Rossi. In latino, acido butirrico significa acido del burro, poiché fu scoperto per la prima volta nel burro rancido (l’acido butirrico viene idrolizzato dal gliceride e provoca un odore molto sgradevole).
L’acido butirrico è un acido grasso saturo a catena corta presente sotto forma di esteri nei grassi animali e negli oli vegetali ed è prodotto naturalmente da batteri anaerobici.
Sommario
1. Proprietà fisiche dell’acido butirrico
L’acido butirrico è un acido carbossilico che forma un liquido oleoso e incolore, solubile in acqua, etanolo ed etere e leggermente solubile in tetracloruro di carbonio.
La Tabella 1 riassume le proprietà fisiche dell’acido butirrico.
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Numero CAS | [107-92-6] |
| Formula chimica | C4H8O2 |
| Peso molecolare | 88,1 g/mol |
| Punto di fusione | -7,9 °C |
| Punto di ebollizione | 163,5 °C |
| Densità | 0,958 g/cm3 |
| pKa | 4,82 a 25 °C |
| Viscosità a 25 °C | 1,426 mPa.s |
| Indice di rifrazione | 1,3991 a 20 °C |
| Temperatura critica | 342,05 °C |
| Pressione critica | 4,06 MPa |
| Pressione di vapore | 1,65 mmHg |
| Punto di infiammabilità | 72 °C |
| Temperatura di autoaccensione | 443 °C |
2. Reazioni chimiche dell’acido butirrico
Il gruppo carbossilico dell’acido butirrico subisce diversi tipi di reazioni, principalmente deprotonazione, riduzione e sostituzione nucleofila. Altre reazioni avvengono in posizione α del gruppo carbossilico a causa della presenza di un idrogeno acido.
I sali di metalli alcalini dell’acido butirrico si ottengono facilmente per neutralizzazione con una base (ad esempio, idrossido di sodio). I butirrati di ammonio si ottengono per reazione con ammoniaca o ammine.
L’n-butanolo può essere preparato per riduzione del gruppo carbossilico utilizzando agenti riducenti come l’idruro di litio e alluminio o tramite idrogenazione catalitica dell’acido butirrico o dei suoi esteri.
Gli esteri dell’acido butirrico sono prodotti da una reazione acido-catalizzata tra acido butirrico e alcoli o olefine. I butirrati sono importanti intermediari in diversi settori industriali.
Le ammidi butirriche possono essere sintetizzate direttamente facendo reagire l’acido butirrico con ammoniaca o ammine. Poiché il butirrato di ammonio si forma per primo, è necessario riscaldare per rimuovere l’acqua e avviare la reazione.
L’anidride butirrica viene preparata mediante disidratazione dell’acido butirrico utilizzando un agente disidratante (ad esempio, anidride fosforica) o, preferibilmente, mediante la reazione del cloruro di butirrile con acido butirrico o il suo sale.
Gli alogenuri butirrilici possono essere ottenuti dall’acido butirrico utilizzando composti alogenanti come gli alogenuri di tionile, gli alogenuri di fosforo o gli ossialogenuri di fosforo. Gli alogenuri butirrilici altamente reattivi e sensibili all’idrolisi rappresentano una preziosa classe di intermedi sintetici.
L’ossidazione dell’acido butirrico con perossido di idrogeno produce acetone, anidride carbonica e acqua.
In determinate condizioni, l’acido butirrico può subire decarbossilazione.
Anche l’acido butirrico con almeno un idrogeno sul carbonio adiacente alla funzione carbossilica può essere deprotonato in posizione α, ma questa tendenza non è così pronunciata come per aldeidi e chetoni. Sono necessari due equivalenti di una base forte e non nucleofila.
Nell’alogenazione di Hell-Volhard-Zelinsky, utilizzando bromo e tribromuro di fosforo, è possibile sintetizzare l’acido 2-bromobutirrico.
3. Produzione dell’acido butirrico
3.1. Produzione chimica dell’acido butirrico
Commercialmente, l’acido n-butirrico viene prodotto mediante ossidazione in fase liquida dell’n-butanale con ossigeno. Questo processo continuo produce un liquido incolore, che viene purificato mediante rettifica.
Il processo di idroformilazione (processo Oxo) del propilene è il principale metodo di produzione dell’n-butanale. Prevede l’idroformilazione del propilene utilizzando gas di sintesi (principalmente idrogeno e monossido di carbonio) ad alte temperature (100-180 °C) e pressioni comprese tra 20 e 30 MPa in presenza di un catalizzatore metallico.
Il processo LP Oxo (reazione di rodio oxo modificato con trifenilfosfina) produce fino al 90% di acido butirrico grezzo. Tuttavia, il processo Oxo genera sia butirraldeide che isobutirraldeide, riducendo la selettività all’acido butirrico. Inoltre, il processo produce sottoprodotti nocivi per l’ambiente, come catalizzatori metallici esausti e composti tossici.
Per superare questi problemi, è stata sviluppata un’ossidazione monofase della butirraldeide ad acido butirrico utilizzando ossigeno molecolare e catalizzatori eterogenei. Questo processo consente di ottenere rese di acido butirrico superiori al 99,5% e una selettività superiore al 95% rispetto al processo Oxo.
I sali di metalli alcalini e di cobalto sono catalizzatori eterogenei altamente attivi utilizzati in questo processo.
In un brevetto della Huntsman Petrochemical Corporation, l’acido butirrico può essere prodotto mediante idrogenazione catalitica dell’anidride maleica con una selettività del 35% per l’acido butirrico.
I principali produttori di acido butirrico includono Oxea, Eastman e Perstorp.
3.2. Biosintesi dell’acido butirrico
La biosintesi dell’acido butirrico avviene in condizioni anaerobiche. L’acetil-CoA, derivato dalla degradazione degli acidi grassi o del piruvato tramite la piruvato-ferredossina ossidoreduttasi, funge da precursore. L’acetil-CoA viene trasformato in butirril-CoA, producendo successivamente acido butirrico.
La fermentazione anaerobica del glucosio in acido butirrico genera tre molecole di ATP, superando la resa in ATP della fermentazione acido lattico/etanolo (due ATP) e avvicinandosi a quella della fermentazione acido acetico (quattro ATP).
L’acido butirrico è un prodotto finale della fermentazione prodotto da batteri anaerobici obbligati, con Clostridium butyricum come organismo primario. Altri batteri produttori di acido butirrico includono Clostridium, Butyribacterium, Sarcina, Megasphera, Fusobacterium, Peptococcus, Butyrivibrio, Pseudobutyrivibrio ed Eubacterium.
Le condizioni di crescita ottimali includono 35-37 °C, un’atmosfera con CO2/N2 e un pH compreso tra 4,5 e 7,0. Esosi, pentosi e polisaccaridi possono essere utilizzati come materie prime.
La produzione di acido butirrico viene ottimizzata controllando la disponibilità di nutrienti. Limitare l’apporto di glucosio ed elementi essenziali come fosfato e azoto, utilizzando condizioni di crescita lenta, favorisce la formazione di butirrato rispetto ad altri prodotti. Per migliorare l’efficienza, i metodi di fermentazione batch, fed-batch o continua possono essere combinati con tecniche di ritenzione cellulare.
L’accumulo di acido butirrico durante il processo di fermentazione può ridurre i tempi di produzione. Per evitare ciò, la concentrazione di acido butirrico nel brodo di fermentazione viene ridotta mediante distillazione, evaporazione, elettrodialisi del permeato, adsorbimento, estrazione o pertrazione.
4. Usi dell’acido butirrico
L’acido butirrico è utilizzato principalmente nella produzione di acetato butirrato di cellulosa, un polimero impiegato nella produzione di materie plastiche, rivestimenti e tessuti.
Nell’industria alimentare, l’acido butirrico e i suoi derivati sono utilizzati come agenti aromatizzanti, contribuendo al sapore caratteristico di burro, formaggio e dolciumi. Inoltre, viene utilizzato come conservante alimentare grazie alle sue proprietà antimicrobiche.
Gli esteri dell’acido butirrico sono utilizzati in profumeria e alcuni fungono da base per ingredienti aromatizzanti artificiali in alcuni liquori, sciroppi di soda e caramelle.
L’acido butirrico è utilizzato in formulazioni per la preparazione di esche da pesca e repellenti per la fauna selvatica grazie al suo intenso odore.
L’acido butirrico è utilizzato in ambito farmaceutico come antagonista dell’istamina. I suoi derivati hanno dimostrato un potenziale come agenti antitumorali inducendo la differenziazione cellulare. I profarmaci dell’acido butirrico sono stati proposti per il trattamento di malattie neoplastiche e disordini della β-globina.
Viene anche utilizzato come intermedio nella produzione di butirroperossidi, erbicidi, emulsionanti, disinfettanti e tensioattivi.
In agricoltura, l’acido butirrico viene impiegato come additivo per mangimi e integratore alimentare per l’allevamento di suini, bovini e pollame. Inoltre, ha dimostrato efficacia nel prevenire la crescita fungina nei cereali ad alto contenuto di umidità.
Ricerche recenti hanno esplorato il potenziale dell’acido butirrico come precursore per la produzione di biocarburanti. La sua conversione in butanolo, un alcol ad alto contenuto energetico, è un’area di ricerca attiva.
5. Tossicologia dell’acido butirrico
Sebbene l’acido butirrico non venga utilizzato nei prodotti di consumo, l’esposizione della popolazione generale avviene principalmente attraverso il consumo di alimenti che lo contengono, come grassi del latte animale, oli essenziali, oli vegetali, fluidi animali, prodotti fermentati e alcuni tipi di frutta.
L’acido butirrico viene metabolizzato rapidamente nel fegato, principalmente in acido acetico e corpi chetonici (acetone, acetoacetato e β-idrossibutirrato). L’eliminazione dell’acido butirrico nell’uomo segue un andamento bifasico. Una fase iniziale rapida con un’emivita di 0,5 minuti è seguita da una fase di eliminazione più lenta con un’emivita di 13,7 minuti.
Tossicità acuta
L’acido butirrico è classificato come non tossico in base ai valori di LD50 in vari modelli animali.
- LD50 orale nei ratti: 2940-8790 mg/kg
- LD50 intraperitoneale o sottocutanea nei topi: 3180 mg/kg
- LC50 inalatoria nei conigli: 440 mg/l
L’acido butirrico è un irritante moderato per la pelle e gli occhi. Nei conigli sono state osservate grave irritazione oculare e ustioni corneali. Nei conigli esposti ad aerosol di acido butirrico (40 mg/l) sono stati osservati aumento di letargia, dispnea, dilatazione bronchiale e capillare ed enfisema.
Alte dosi endovenose di acido butirrico (sale sodico) causano una temporanea depressione del SNC nei conigli e nei cani. Un aumento della concentrazione plasmatica di insulina è stato osservato negli agnelli a seguito di somministrazione endovenosa di acido butirrico.
L’esposizione acuta all’acido butirrico nell’uomo provoca principalmente irritazione o ustioni a pelle, occhi e vie respiratorie.
Negli esseri umani, i sintomi da inalazione includono mal di gola, tosse, sensazione di bruciore, respiro corto e difficoltà respiratorie. Il contatto cutaneo provoca dolore, arrossamento, vesciche e ustioni cutanee. Il contatto con gli occhi provoca dolore, arrossamento, gravi ustioni e potenziale perdita della vista.
L’ingestione provoca sensazione di bruciore, dolore addominale, shock e potenziale collasso.
Tossicità cronica
Negli studi sugli animali, l’esposizione ripetuta a dosi da moderate ad alte di acetato di n-butile e n-butanolo (metaboliti dell’acido butirrico) è generalmente ben tollerata. Tuttavia, dosi elevate di acido butirrico nella dieta hanno portato a perdita di peso e anomalie del tessuto gastrico nei ratti.
Negli studi sull’uomo, l’acido butirrico è considerato un additivo alimentare GRAS (Generally Recognized As Safe). L’esposizione cronica può verificarsi attraverso la produzione endogena e l’assunzione alimentare. Sebbene sia un metabolita essenziale, un’esposizione prolungata può danneggiare i polmoni, il sistema nervoso e le mucose.
Immunotossicità
L’esposizione prolungata di topi, ratti e conigli a basse concentrazioni atmosferiche di acido butirrico (0,1-0,2 mg/l) ha provocato un aumento significativo dei linfociti e dei neutrofili circolanti.
Questa risposta immunitaria è principalmente attribuita alla natura irritante dell’acido butirrico piuttosto che a un bersaglio specifico del sistema immunitario.
Tossicità riproduttiva
Gli studi sulla tossicità riproduttiva dell’acido butirrico si basano principalmente sui suoi metaboliti, n-butanolo e acetato di n-butile.
Studi sull’inalazione di n-butanolo e acetato di n-butile non hanno mostrato effetti avversi sui parametri riproduttivi fino a determinate concentrazioni:
- Tossicità riproduttiva femminile: 6000 ppm per n-butanolo e 1500 ppm per acetato di n-butile.
- Tossicità riproduttiva maschile: 3000 ppm per acetato di n-butile.
Tossicità per lo sviluppo
La somministrazione diretta di acido butirrico a ratte gravide ha provocato un’elevata mortalità materna e una riduzione dell’aumento di peso corporeo a dosi elevate (100 e 133 mg/kg/giorno). Nonostante la tossicità materna, non sono stati osservati effetti avversi nella prole.
L’acido butirrico induce malformazioni (microcefalia, difetti oculari, edema e difetti intestinali) negli embrioni di rana a una concentrazione di 400 mg/l.
Genotossicità e cancerogenicità
L’acido butirrico non è genotossico né cancerogeno.
Riferimenti
- Carboxylic Acids, Aliphatic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a05_235.pub2
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780123864543005911
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- Process of Making Butyric Acid. – https://patents.justia.com/patent/20080009652
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0734975018301629
- https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1100/2012/471417
- Fermentation process for producing butyric acid. – https://patents.google.com/patent/US2181310A/en
