Acido Tartarico: Proprietà, Reazioni, Produzione e Usi

Tartaric Acid structure

Cos’è l’acido tartarico?

L’acido tartarico, noto anche come acidum tartaricum, acido 2,3-diidrossibutandioico (nomenclatura IUPAC), è un acido organico cristallino bianco presente naturalmente in molti frutti con la formula C4H6O6. La molecola possiede due centri di carbonio asimmetrici con due gruppi di acido carbossilico e un dialcol nella stessa molecola, con conseguenti quattro stereoisomeri.

Enantiomeri:

  • L(+)-acido tartarico e D(-)-acido tartarico sono isomeri otticamente attivi, che ruotano il piano della luce polarizzata. Queste molecole speculari (enantiomeri) condividono identiche proprietà fisiche e chimiche, fatta eccezione per le rotazioni ottiche opposte.

Diastereomeri:

  • L’acido DL-tartarico (miscela racemica) è una combinazione equimolare sintetica delle forme L(+) e D(-). È otticamente inattivo a causa della compensazione interna.
  • L’acido meso-tartarico (acido tartarico irrisolvibile) è un altro diastereomero otticamente inattivo con proprietà fisiche distinte rispetto sia alla forma attiva che a quella racemica. Né racemico né meso-tartarico sono acidi otticamente attivi.
L(+)-Tartaric acid structure
Acido L(+)-tartarico
D(-)-Tartaric acid structure
Acido D(-)-tartarico
Meso-tartaric acid structure
Acido meso-tartarico

L’acido tartarico, noto fin dall’antichità per il suo sale di potassio (tartaro), fu isolato per la prima volta da Scheele nel XVIII secolo. Berzelius ne determinò la struttura nel 1830. Il lavoro pionieristico di Pasteur (1848-1860) sui sali di acido tartarico rivoluzionò la chimica organica.

Spiegò la connessione tra forme racemiche e otticamente attive separando cristalli di tartrato di sodio e ammonio e dimostrando le loro corrispondenti rotazioni ottiche.

L’acido L(+)-tartarico è la forma naturale predominante e la variante prodotta commercialmente. Si trova come acido o sale in varie piante, in particolare nell’uva, dove si accumula come bitartrato di potassio (tartaro) durante la fermentazione del vino. Questo precipitato insolubile è la fonte primaria per la produzione commerciale di acido L(+)-tartarico.

Sommario

1. Proprietà fisiche dell’acido tartarico

Le proprietà fisiche dell’acido L(+)-tartarico naturale sono riportate nella Tabella 1 e sono identiche a quelle dell’acido D(-)-tartarico.

L’acido tartarico è un solido inodore con un forte sapore acido che è stabile nell’aria.

Le soluzioni di acido tartarico hanno una rotazione ottica che varia a seconda della concentrazione, come rappresentato dalla seguente equazione:

[α] =15,050-0,1535 c

dove c è la concentrazione di acido tartarico nell’intervallo 20-50% peso/vol.

La Tabella 2 presenta la solubilità a varie temperature.

A varie temperature (°C), la densità relativa delle soluzioni di acido tartarico è elencata nella Tabella 3.

Tabella 1: Proprietà fisiche dell'acido L(+)-tartarico
Proprietà Valore
Massa molecolare 150,09 g/mol
Forma cristallina Aghi monoclini anidri (oltre 5 °C)
Densità 1,7598 g/cm³
Punto di fusione 169–170 °C
Aspetto Cristalli incolori
Decomposizione Oltre 220 °C (odore di zucchero caramellato)
Solubilità
Acqua Altamente solubile
Alcol (18 °C) 20,4 g per 100 g
Etere dietilico (18 °C) 0,3 g per 100 g
Rotazione ottica al 20% peso/volume +11,98° (-11,98° per acido D(-)-tartarico)
Entalpia di combustione 1149,9 kJ/mol
Capacità termica specifica (0-100 °C) 1237 kJ kg⁻¹ K⁻¹
Costanti di dissociazione acida (25 °C) K1 = 1,17 × 10-3
K2 = 5,0 × 10-5
Punti di ebollizione delle soluzioni Soluzione al 25%: 102,2 °C
Soluzione al 50%: 106,7 °C
Indice di rifrazione al punto di fusione (170 °C) 1,464
Tabella 2: Solubilità dell'acido L(+)-tartarico in acqua
Temperatura (°C) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Solubilità (g/100 g H2O) 115 120 125 139 156 176 195 218 244 273 307 343

2. Reazioni chimiche dell’acido tartarico

L’acido L(+)-tartarico fonde tra 170-180 °C e isomerizza (riorganizza la sua struttura) in acido metatartarico senza perdita di acqua. Un ulteriore riscaldamento produce anidridi amorfe. Queste anidridi si convertono in acido tartarico una volta bollenti con acqua.

Al di sopra di 220 °C, l’acido tartarico si decompone, si gonfia e si infiamma, lasciando un residuo carbonioso.

L’acido tartarico è altamente sensibile agli agenti ossidanti. L’ossidazione dell’acido tartarico da parte di perossido di idrogeno e solfato ferroso (reattivo di Fenton) produce acido diossosuccinico.

Oxidation of tartaric acid by Fenton reagent

La riduzione con acido iodidrico produce acido succinico.

Reduction of tartaric acid to succinic acid

I tartrati in soluzione reagiscono con nitrato di ammonio-argento per produrre argento metallico.

L’acido tartarico è utilizzato come agente complessante per inibire la precipitazione di sali di metalli pesanti da parte delle basi.

L’ebollizione prolungata di soluzioni di acido L(+)-tartarico con alcali (KOH o NaOH) determina la formazione di acidi racemici e meso-tartarici.

3. Risorse naturali dell’acido tartarico

L’acido L(+)-tartarico è l’unico isomero prodotto commercialmente su larga scala. L’esclusivo materiale di origine proviene da residui naturali generati durante la vinificazione. Questi residui contengono principalmente acido tartarico sotto forma di bitartrato di potassio (cremor tartaro) e, in misura minore, tartrato di calcio.

Le fonti di acido tartarico sono le seguenti:

  • Il tartaro è un precipitato rossastro che si deposita sulle pareti delle vasche di vino man mano che aumenta la concentrazione di etanolo. Contiene un’alta concentrazione (80-90%) di bitartrato di potassio.
  • Fecce: questi sedimenti si depositano sul fondo delle vasche di vino e contengono una concentrazione inferiore (19-38%) di bitartrato di potassio.
  • Fecce essiccate: si tratta di fecce lavorate con un contenuto di bitartrato di potassio più elevato (55-70%).
  • Sottoprodotto della distilleria: le distillerie ottengono questo materiale dalle fecce di vino o dalla vinaccia (i solidi rimanenti dopo la spremitura dell’uva). Dopo aver rimosso l’alcol tramite distillazione, le fecce o le vinacce vengono trattate con idrossido di calcio per precipitare il tartrato di calcio.

4. Produzione di acido tartarico

Sebbene esistano molteplici isomeri dell’acido tartarico, l’acido L(+)-tartarico è l’unico isomero prodotto commercialmente su larga scala. Una quantità molto piccola di acido racemico viene anche sintetizzata per applicazioni specifiche.

4.1. Produzione di acido L(+)-tartarico

I principali produttori di acido L(+)-tartarico si trovano in Spagna, Francia e Italia. Ad esempio, la Société Legré-Mante, fondata nel 1784, rappresenta uno dei produttori più antichi.

Tutti i metodi per la produzione di acido L(+)-tartarico si basano sulla decomposizione del tartrato di calcio con acido solforico. Storicamente, venivano impiegati due metodi concorrenti per ottenere il materiale di partenza (tartrato di calcio): il processo acido di Scheurer-Kestner e il processo neutro di Scheele-Lowitz (inclusa la variante di Desfosses).

Attualmente, il processo neutro più economico è il metodo dominante.

Il materiale di partenza essiccato (tartaro o feccia) viene prima macinato e poi tostato a 160 °C per 2 ore in un tostatore. Questa fase rimuove le impurità organiche che potrebbero rendere difficile la filtrazione nelle fasi successive.

Il prodotto tostato a caldo viene trasferito in un reattore, dove viene diluito con acqua e neutralizzato con idrossido di calcio a un pH di 5. La temperatura di reazione viene mantenuta a 70 °C.

Per migliorare l’efficienza della reazione e ridurre al minimo le perdite, viene aggiunto un eccesso del 10% di cloruro di calcio o solfato di calcio rispetto alla quantità stechiometrica richiesta. Avviene la seguente reazione chimica:

2 KHC4H4O6 + Ca(OH)2 + CaCl2 → 2 CaC4H4O6 + 2 KCl + 2 H2O

Il tartrato di calcio formato viene separato dal liquido rimanente (liquore madre) mediante filtrazione utilizzando un filtro rotativo e quindi lavato. Se il materiale di partenza proviene da distillerie, questa fase iniziale può essere bypassata.

Nella seconda fase, il tartrato di calcio ottenuto viene decomposto in una soluzione acquosa utilizzando acido solforico. Questa reazione produce una soluzione di acido tartarico e solfato di calcio insolubile:

CaC4H4O6 + H2SO4 → H2C4H4O6 + CaSO4

Per ottimizzare la reazione, si utilizza un eccesso di circa il 5% di acido solforico rispetto alla quantità di acido tartarico. La miscela risultante viene filtrata e lavata per rimuovere le impurità.

La soluzione di acido tartarico rosso, con una concentrazione di circa 200 g/L, viene quindi concentrata in evaporatori sotto vuoto a 70 °C per raggiungere una concentrazione di 650 g/L. Si verifica un’ulteriore concentrazione sotto vuoto a 70 °C fino a quando non iniziano a formarsi cristalli (a circa 1300 g/L).

Questa miscela di cristalli liquidi viene quindi trasferita ai cristallizzatori per un raffreddamento lento, favorendo la massima resa dei cristalli. Dopo il raffreddamento, la miscela viene essiccata in centrifughe per separare i cristalli dal liquore madre.

Il liquore madre, contenente ancora acido tartarico, subisce ripetuti cicli di evaporazione, granulazione ed essiccazione per massimizzare la resa di acido tartarico granulare. I granuli ottenuti vengono raffreddati per formare una soluzione di acido tartarico da 650 g/L.

Questa soluzione viene ulteriormente elaborata, tra cui la decolorazione con carbone attivo e la purificazione chimica per rimuovere l’eccesso di ferro e acido solforico, il tutto eseguito a 70 °C. Viene quindi filtrata e concentrata sotto vuoto fino all’inizio della cristallizzazione.

La miscela viene successivamente trasferita ai cristallizzatori o raffreddata per massimizzare la resa dei cristalli. La miscela viene quindi separata tramite centrifugazione. Il liquore madre, contenente acido tartarico residuo, viene sottoposto ad ulteriori cicli di evaporazione, granulazione ed essiccazione prima di essere sottoposto a un nuovo trattamento.

I granuli purificati vengono essiccati in un forno a 140 °C e quindi setacciati in varie granulometrie che vanno da 2000 μm a meno di 100 μm (polvere).

Mentre il processo descritto sopra è il metodo principale, sono stati esplorati altri processi di produzione. Questi includono la produzione basata sulla fermentazione di acido L(+)-tartarico e la sintesi chimica di acido DL-tartarico racemico.

4.2. Produzione di acido L(+)-tartarico tramite fermentazione

Mentre il metodo di produzione convenzionale dell’acido L(+)-tartarico si basa su reazioni chimiche, sono in corso ricerche su alternative basate sulla fermentazione.

A questo scopo sono stati esplorati due ceppi batterici principali:

  • Acetobacter suboxydans: questa specie batterica è stata studiata per la sua capacità di convertire il glucosio in acido L(+)-tartarico.
  • Nocardia tartaricans: questo batterio si mostra promettente nella conversione dell’acido cis-epossisuccinico e dei suoi derivati ​​del sodio nel prodotto desiderato.

4.3. Sintesi chimica dell’acido DL-tartarico racemico

Synthesis of Racemic DL-Tartaric Acid

Mentre l’acido L(+)-tartarico domina il mercato commerciale, esiste un processo di produzione su piccola scala per l’acido DL-tartarico racemico.

Questo metodo inizia con l’acido maleico o i suoi sali. In una soluzione acquosa, l’acido maleico subisce un’ossidazione utilizzando perossido di idrogeno al 35% in presenza di tungstato di potassio come catalizzatore. Questa reazione produce acido epossi-succinico, un prodotto intermedio.

Facendo bollire la miscela di reazione, l’acido epossi-succinico si idrolizza per formare acido tartarico racemico. Dopo il raffreddamento, il prodotto finale viene isolato tramite centrifugazione, lavaggio ed essiccazione.

Diverse varianti di questo processo sono state esplorate e documentate in pubblicazioni scientifiche. Questa attività di ricerca si riflette ulteriormente in numerose domande di brevetto depositate per questo metodo.

Attualmente, la produzione commerciale di acido DL-tartarico racemico rimane limitata, con solo una piccola unità di produzione operativa in Sud Africa.

5. Derivati dell’acido L(+)-tartarico

L’acido tartarico forma facilmente numerosi sali ed esteri, alcuni dei quali trovano applicazioni commerciali significative. Questa sezione discute i composti più noti.

5.1. Tartrato di sodio e potassio

Sodium Potassium Tartrate structure

Il tartrato di sodio e potassio, noto anche come sale di Seignette o sale di Rochelle, fu scoperto nel 1672 da Pierre Seignette.

Proprietà fisiche:

  • Formula: KNaC4H4O6 · 4 H2O
  • Numero CAS: [6381-59-5]
  • Massa molare: 282,23 g/mol
  • Densità: 1,79 g/cm³
  • Punto di fusione: 70–80 °C (si decompone a 220 °C)
  • Solubilità: 26 g/100 mL di acqua a 0 °C, 66 g/100 mL di acqua a 26 °C

Il materiale di partenza per la produzione di tartrato di sodio e potassio è il tartaro con un contenuto minimo di acido tartarico del 68%.

Questa soluzione viene diluita con acqua, neutralizzata con idrossido di sodio caldo, decolorata con carbone attivo e quindi filtrata. Il filtrato viene concentrato per evaporazione, quindi cristallizzato per raffreddamento per produrre il sale solido, che viene separato, lavato, essiccato e setacciato prima del confezionamento.

Le dimensioni dei granuli commerciali vanno da 2000 μm a < 250 μm (polvere).

5.2. Bitartrato di potassio

Potassium Bitartrate structure

Il bitartrato di potassio è comunemente noto come cremor tartaro.

Proprietà fisiche:

  • Formula: KHC4H4O6
  • Numero CAS: [868-14-4]
  • Densità: 1,96 g/cm³
  • Solubilità: 0,57 g/100 mL di acqua a 20 °C, 6,1 g/100 mL di acqua a 100 °C

Si ottiene principalmente dal liquore madre rimanente dopo la produzione del sale di Rochelle. Il bitartrato di potassio viene decolorato, purificato, filtrato, acidificato con acido cloridrico o acido solforico, precipitato, centrifugato, essiccato, macinato e confezionato come polvere fine.

5.3. Tartrato di antimonile di potassio

Potassium Antimonyl Tartrate structure

Il tartrato di antimonile di potassio (tartaro emetico) fu scoperto nel 1631 da Adrien de Mynsicht.

Proprietà fisiche:

  • Formula: KSbC4H2O6 · 1,5 H2O
  • Numero CAS: [28300-74-5]
  • Massa molare: 333,93 g/mol
  • Densità: 2,61 g/cm³
  • Solubilità: 8,7 g/100 mL di acqua a 25 °C, 35,7 g/100 mL di acqua a 100 °C

Il tartrato di antimonile di potassio è prodotto dalla reazione di ossido di antimonio con il cremor tartaro in acqua, seguito dal concentrazione della soluzione residua e cristallizzazione. Dopo la filtrazione, i cristalli vengono essiccati e polverizzati.

5.4. Acido metatartarico

L’acido metatartarico viene prodotto riscaldando l’acido tartarico a 170-180 °C. Questa conversione comporta l’esterificazione interna all’interno delle molecole di acido tartarico, portando a un prodotto più o meno polimerizzato. L’acido metatartarico ha eccezionali proprietà inibitorie contro la precipitazione dei sali di acido tartarico.

6. Utilizzi dell’acido tartarico

L’acido L(+)-tartarico e i suoi derivati ​​sono utilizzati in vari settori, tra cui alimentare, farmaceutico, vitivinicolo e altri.

L’acido L(+)-tartarico (E 334) è utilizzato:

  • come agente acidificante in mosti di vino, caramelle, gelatine, confetture, nettari di frutta, gelati, gelatine e paste, migliorandone il profilo aromatico.
  • per conservare frutta, verdura o pesce come antiossidante sinergico, stabilizzando pH, colore, sapore e valore nutrizionale.
  • Come antiossidante in grassi e oli.
  • Nella preparazione di bevande gassate.
  • Come eccipiente o vettore per principi attivi farmaceutici, aiutando a correggere la basicità.
  • Come agente acidificante per compresse schiumogene e polveri grazie alla sua stabilità e all’elevata solubilità
  • Come ritardante nell’industria del cemento, in particolare con gesso e gesso.
  • Nella lucidatura e pulizia dei metalli.

Il cremor tartaro (E 336) è utilizzato per accelerare la precipitazione dei sali dell’acido tartarico nel vino, nella produzione di lieviti chimici e come lassativo in alcune formulazioni di farmaci.

Il sale di Seignette (E 337) è utilizzato nei processi di elettrodeposizione per migliorare la deposizione e la resa, nell’elettronica e nella piezoelettricità, come agente riducente nell’argentatura degli specchi e come costituente della soluzione di Fehling. Viene anche utilizzato come regolatore di combustione nella produzione di carta per sigarette, come lassativo in alcuni prodotti farmaceutici e come mordente nell’industria tessile e della pelle.

In piccole quantità, il tartrato di antimonile di potassio viene utilizzato come espettorante negli sciroppi per la tosse e aiuta a curare alcune malattie tropicali.

L’acido metatartarico viene utilizzato per inibire la cristallizzazione del tartrato nei vini da tavola.

I tartrati di monogliceridi e digliceridi degli acidi grassi vengono utilizzati come emulsionanti nell’industria della panificazione.

7. Tossicologia dell’acido tartarico

A differenza dell’acido citrico, l’acido tartarico non è direttamente coinvolto nel ciclo di Krebs (percorso di produzione di energia) nel corpo umano.

L’acido L(+)-tartarico, la forma naturale, si trova nella frutta e nel vino. Dopo l’assunzione orale, circa il 20% viene eliminato tramite l’urina, mentre una parte significativa subisce la degradazione batterica da parte del microbiota intestinale. Non sono rilevabili tracce nelle feci.

L’acido tartarico assorbito viene rapidamente eliminato dal flusso sanguigno e o escreto dai reni o metabolizzato in vari tessuti.

Studi a lungo termine sui ratti che utilizzano L(+)-sodio tartrato non hanno rivelato alcun segno di tossicità o cancerogenicità. Inoltre, non sono stati osservati effetti negativi sulla funzionalità renale o sulla patologia a una dose giornaliera di 3 g/kg di peso corporeo.

L’acido racemico (DL)-tartarico è stato studiato meno ampiamente e la ricerca suggerisce che si comporta in modo diverso dall’isomero L(+) naturale.

L’acido DL-tartarico viene eliminato dal flusso sanguigno a una velocità inferiore e si accumula per un periodo più lungo nei reni, causando potenzialmente un aumento di peso in questi organi. A causa di questo effetto nefrotossico, la forma DL non è approvata per l’uso in alimenti o prodotti farmaceutici.

Riferimenti

Chemcess
Chemcess

Sono un chimico organico appassionato e continuo ad apprendere su vari processi di chimica industriale e prodotti chimici. Garantisco che tutte le informazioni su questo sito web siano accurate e meticolosamente referenziate ad articoli scientifici.

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Tabella 3: Densità relativa delle soluzioni di acido L(+)-tartarico
Temperatura (°C) Densità
1 1,0045
10 1,0469
20 1,0969
30 1,1505
40 1,2078
50 1,2696