Wat is boterzuur?
Boterzuur, ook bekend als n-butaanzuur, is een vluchtig vetzuur met een korte keten en de chemische formule C4H8O2. Het is een kleurloze, olieachtige vloeistof met een onaangename, ranzige geur die mengbaar is met water en de meeste organische oplosmiddelen.
Boterzuur werd in 1869 ontdekt door Lieben en Rossi. In het Latijn betekent boterzuur het zuur van boter, omdat het voor het eerst werd ontdekt in ranzige boter (boterzuur wordt gehydrolyseerd uit de glyceride en veroorzaakt een zeer onaangename geur).
Boterzuur is een verzadigd vetzuur met een korte keten dat in de vorm van esters voorkomt in dierlijke vetten en plantaardige oliën en van nature wordt geproduceerd door anaërobe bacteriën.
Inhoudsopgave
1. Fysieke eigenschappen van boterzuur
Boterzuur is een carbonzuur dat een olieachtige, kleurloze vloeistof vormt die oplosbaar is in water, ethanol en ether en licht oplosbaar in koolstoftetrachloride.
Tabel 1 vat de fysieke eigenschappen van boterzuur samen.
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| CAS-nummer | [107-92-6] |
| Chemische formule | C4H8O2 |
| Moleculair gewicht | 88,1 g/mol |
| Smeltpunt | -7,9 °C |
| Kookpunt | 163,5 °C |
| Dichtheid | 0,958 g/cm3 |
| pKa | 4,82 bij 25 °C |
| Viscositeit bij 25 °C | 1,426 mPa.s |
| Breukindex | 1,3991 bij 20 °C |
| Kritische temperatuur | 342,05 °C |
| Kritische druk | 4,06 MPa |
| Dampspanning | 1,65 mmHg |
| Vlampunt | 72 °C |
| Zelfontbrandingstemperatuur | 443 °C |
2. Chemische reacties van boterzuur
De carboxylgroep van boterzuur ondergaat verschillende soorten reacties, voornamelijk deprotonering, reductie en nucleofiele substitutie. Andere reacties vinden plaats op de α-positie van de carboxylgroep vanwege de aanwezigheid van een zure waterstof.
Alkalimetaalzouten van boterzuur worden gemakkelijk verkregen door neutralisatie met behulp van een base (bijv. natriumhydroxide). Ammoniumbutyraten worden verkregen door reactie met ammoniak of aminen.
n-Butanol kan worden bereid door reductie van de carboxylgroep met behulp van reductiemiddelen zoals lithiumaluminiumhydride of via katalytische hydrogenering van het boterzuur of zijn esters.
Boterzuuresters worden geproduceerd door een zuurgekatalyseerde reactie tussen boterzuur en alcoholen of olefinen. Butyraten zijn belangrijke tussenpersonen in verschillende industrieën.
Boterzuuramiden kunnen direct worden gesynthetiseerd door boterzuur te laten reageren met ammoniak of aminen. Omdat het ammoniumbutyraat eerst wordt gevormd, is verhitting vereist om water te verwijderen en de reactie aan te drijven.
Boterzuuranhydride wordt bereid door dehydratie van boterzuur met behulp van een dehydratiemiddel (bijvoorbeeld fosforpentoxide) of, bij voorkeur, door de reactie van butyrylchloride met boterzuur of het zout daarvan.
Butyrylhaliden kunnen worden verkregen uit boterzuur met behulp van halogenerende verbindingen zoals thionylhaliden, fosforhaliden of fosforoxyhaliden. De zeer reactieve, hydrolysegevoelige butyrylhaliden zijn een waardevolle klasse van synthetische tussenproducten.
De oxidatie van boterzuur met waterstofperoxide levert aceton, koolstofdioxide en water op.
Onder bepaalde omstandigheden kan boterzuur decarboxyleren.
Boterzuur met ten minste één waterstof op het koolstofatoom naast de carboxylfunctie kan ook in die α-positie worden gedeprotoneerd, maar deze neiging is lang niet zo uitgesproken als bij aldehyden en ketonen. Twee equivalenten van een sterke, niet-nucleofiele base zijn nodig.
Bij de Hell-Volhard-Zelinsky-halogenering, met behulp van broom en fosfortribromide, kan 2-broomboterzuur worden gesynthetiseerd.
3. Productie van boterzuur
3.1. Chemische productie van boterzuur
Commercieel wordt n-boterzuur geproduceerd door oxidatie van n-butanal in de vloeistoffase met zuurstof. Dit continue proces levert een kleurloze vloeistof op, die gezuiverd wordt door rectificatie.
Het hydroformyleringsproces (Oxo-proces) van propyleen is de primaire productiemethode voor n-butanal. Het omvat propyleenhydroformylering met behulp van syngas (voornamelijk waterstof en koolmonoxide) bij hoge temperaturen (100-180 °C) en drukken tussen 20 en 30 MPa in aanwezigheid van een metaalkatalysator.
Het LP Oxo-proces (trifenylfosfine-gemodificeerde rhodiumoxo-reactie) levert tot 90% ruw boterzuur op. Het Oxo-proces genereert echter zowel butyraldehyde als isobutyraldehyde, wat de selectiviteit van boterzuur vermindert. Bovendien produceert het proces milieuschadelijke bijproducten, zoals gebruikte metaalkatalysatoren en giftige verbindingen.
Om deze problemen te overwinnen, is een eenstapsoxidatie van butyraldehyde tot boterzuur met behulp van moleculaire zuurstof en heterogene katalysatoren ontwikkeld. Dit proces bereikt hogere boterzuuropbrengsten van meer dan 99,5% en een selectiviteit van meer dan 95% in vergelijking met het Oxo-proces.
Alkalimetaal- en kobaltzouten zijn zeer actieve heterogene katalysatoren die in dit proces worden gebruikt.
In een patent van Huntsman Petrochemical Corporation kan boterzuur worden geproduceerd door katalytische hydrogenering van maleïnezuuranhydride met een selectiviteit van 35% voor boterzuur.
Belangrijke fabrikanten van boterzuur zijn Oxea, Eastman en Perstorp.
3.2. Biosynthese van boterzuur
Boterzuurbiosynthese vindt plaats onder anaërobe omstandigheden. Acetyl-CoA, afgeleid van vetzuurafbraak of pyruvaat via pyruvaat-ferredoxine-oxidoreductase, dient als een precursor. Acetyl-CoA wordt omgezet in butyryl-CoA, wat vervolgens boterzuur oplevert.
Anaërobe fermentatie van glucose naar boterzuur genereert drie ATP-moleculen, wat de ATP-opbrengst van melkzuur/ethanolfermentatie (twee ATP) overtreft en die van azijnzuurfermentatie (vier ATP) benadert.
Boterzuur is een eindproduct van fermentatie dat wordt geproduceerd door obligaat anaërobe bacteriën, met Clostridium butyricum als primair organisme. Andere boterzuurproducerende bacteriën zijn onder andere Clostridium, Butyribacterium, Sarcina, Megasphera, Fusobacterium, Peptococcus, Butyrivibrio, Pseudobutyrivibrio en Eubacterium-soorten.
Optimale groeiomstandigheden omvatten 35–37 °C, een CO2/N2-atmosfeer en een pH-bereik van 4,5 tot 7,0. Hexosen, pentosen en polysacchariden kunnen als grondstoffen worden gebruikt.
De productie van boterzuur wordt geoptimaliseerd door de beschikbaarheid van voedingsstoffen te controleren. Het beperken van glucose en essentiële elementen zoals fosfaat en stikstof bij gebruik van langzame groeiomstandigheden bevordert de vorming van butyraat ten opzichte van andere producten. Om de efficiëntie te verbeteren, kunnen batch-, fed-batch- of continue fermentatiemethoden worden gecombineerd met celretentietechnieken.
De ophoping van boterzuur tijdens het fermentatieproces kan het productieproces verkorten. Om dit te voorkomen, wordt de concentratie boterzuur in de fermentatiebouillon verlaagd door distillatie, verdamping, permeaat-elektrodialyse, adsorptie, extractie of pertractie.
4. Toepassingen van boterzuur
Boterzuur wordt voornamelijk gebruikt bij de productie van celluloseacetaatbutyraat, een polymeer dat wordt gebruikt bij de vervaardiging van kunststoffen, coatings en textiel.
In de voedingsindustrie worden boterzuur en zijn derivaten gebruikt als smaakstoffen, die bijdragen aan de karakteristieke smaak van boter, kaas en zoetwaren. Daarnaast wordt het gebruikt als conserveermiddel vanwege zijn antimicrobiële eigenschappen.
Boterzuuresters worden gebruikt in parfums en sommige dienen als basis voor kunstmatige smaakstoffen in bepaalde likeuren, sodawatersiropen en snoep.
Boterzuur wordt gebruikt in formuleringen voor het bereiden van visaas en afweermiddelen tegen wilde dieren vanwege zijn sterke geur.
Boterzuur wordt gebruikt in farmaceutische producten als een histamine-antagonist. De derivaten ervan hebben hun potentieel als antikankermiddelen aangetoond door cellulaire differentiatie te induceren. Boterzuurprodrugs zijn voorgesteld voor de behandeling van neoplastische ziekten en β-globinestoornissen.
Het wordt ook gebruikt als tussenproduct bij de productie van butyroperoxiden, herbiciden, emulgatoren, ontsmettingsmiddelen en oppervlakteactieve stoffen.
In de landbouwsector wordt boterzuur gebruikt als veevoeradditief en voedingssupplement voor varkens, runderen en pluimvee. Bovendien is gebleken dat het effectief is bij het voorkomen van schimmelgroei in granen met een hoog vochtgehalte.
Recent onderzoek heeft het potentieel van boterzuur als voorloper voor de productie van biobrandstof onderzocht. De omzetting ervan in butanol, een alcohol met een hogere energie, is een actief onderzoeksgebied.
5. Toxicologie van boterzuur
Hoewel boterzuur niet wordt gebruikt in consumentenproducten, vindt blootstelling van de algemene bevolking voornamelijk plaats door het consumeren van voedingsmiddelen die het bevatten, zoals dierlijke melkvetten, essentiële oliën, plantaardige oliën, dierlijke vloeistoffen, gefermenteerde producten en in bepaalde vruchten.
Boterzuur wordt snel in de lever gemetaboliseerd, voornamelijk tot azijnzuur en ketonlichamen (aceton, acetoacetaat en β-hydroxybutyraat). De eliminatie van boterzuur volgt een bifasisch patroon bij mensen. Een eerste snelle fase met een halfwaardetijd van 0,5 minuten wordt gevolgd door een langzamere eliminatiefase met een halfwaardetijd van 13,7 minuten.
Acute toxiciteit
Boterzuur wordt geclassificeerd als niet-toxisch op basis van LD50-waarden in verschillende diermodellen.
- Orale LD50 bij ratten: 2940–8790 mg/kg
- Intraperitoneale of subcutane LD50 bij muizen: 3180 mg/kg
- Inhalatie-LC50 bij konijnen: 440 mg/l
Boterzuur is een matige irriterende stof voor de huid en ogen. Ernstige oogirritatie en hoornvliesverbranding werden waargenomen bij konijnen. Toegenomen lethargie, dyspneu, bronchiale en capillaire verwijding en emfyseem werden opgemerkt bij konijnen die werden blootgesteld aan boterzuuraerosol (40 mg/l).
Hoge intraveneuze doses boterzuur (natriumzout) veroorzaken tijdelijke CNS-depressie bij konijnen en honden. Een verhoogde plasma-insulineconcentratie werd waargenomen bij lammeren na intraveneuze toediening van boterzuur.
Acute blootstelling bij mensen aan boterzuur resulteert voornamelijk in irritatie of brandwonden aan de huid, ogen en luchtwegen.
Bij mensen omvatten inhalatiesymptomen keelpijn, hoesten, branderig gevoel, kortademigheid en moeizame ademhaling. Huidcontact leidt tot pijn, roodheid, blaren en huidverbranding. Oogcontact veroorzaakt pijn, roodheid, ernstige brandwonden en mogelijk verlies van gezichtsvermogen.
Inslikken resulteert in een branderig gevoel, buikpijn, shock en mogelijke collaps.
Chronische toxiciteit
In dierstudies wordt herhaalde blootstelling aan matige tot hoge doses n-butylacetaat en n-butanol (metabolieten van boterzuur) over het algemeen goed verdragen door dieren. Hoge doses boterzuur in het dieet leidden echter tot gewichtsverlies en afwijkingen in het maagweefsel bij ratten.
In menselijke studies wordt boterzuur beschouwd als een GRAS (Generally Recognized As Safe) voedseladditief. Chronische blootstelling kan optreden door endogene productie en voedselinname. Hoewel het een essentiële metaboliet is, kan langdurige blootstelling de longen, het zenuwstelsel en de slijmvliezen beschadigen.
Immunotoxiciteit
Langdurige blootstelling van muizen, ratten en konijnen aan lage atmosferische concentraties boterzuur (0,1–0,2 mg/l) resulteerde in een significante toename van circulerende lymfocyten en neutrofielen.
Deze immuunreactie wordt voornamelijk toegeschreven aan de irriterende aard van boterzuur in plaats van een specifieke targeting van het immuunsysteem.
Reproductietoxiciteit
Studies naar de reproductietoxiciteit van boterzuur zijn voornamelijk gebaseerd op de metabolieten, n-butanol en n-butylacetaat.
Inhalatiestudies naar n-butanol en n-butylacetaat lieten geen nadelige effecten zien op reproductieparameters tot bepaalde concentraties:
- Vrouwelijke reproductietoxiciteit: 6000 ppm voor n-butanol en 1500 ppm voor n-butylacetaat.
- Mannelijke reproductietoxiciteit: 3000 ppm voor n-butylacetaat.
Ontwikkelingstoxiciteit
Directe toediening van boterzuur aan drachtige ratten resulteerde in een hoge moedersterfte en verminderde gewichtstoename bij hoge doses (100 en 133 mg/kg/dag). Ondanks de moedertoxiciteit werden er geen nadelige effecten waargenomen bij de nakomelingen.
Boterzuur induceert misvormingen (microcefalie, oogafwijkingen, oedeem en darmafwijkingen) in kikkerembryo’s bij een concentratie van 400 mg/l.
Genotoxiciteit en carcinogeniteit
Boterzuur is niet genotoxisch of carcinogeen.
Referenties
- 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
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780128096338130833
- 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
