Wat is fumaarzuur?
Fumaarzuur, ook bekend als trans-buteendizuur, is een dicarbonzuur met de formule C4H4O4. Het komt veel voor in de natuur en verschijnt als een witte, kristallijne vaste stof met een fruitige smaak.
Fumaarzuur werd voor het eerst geïsoleerd uit duivenkervel (Fumaria officinalis) door Winckler in 1832. Het werd vervolgens geïdentificeerd onder verschillende namen, waaronder boletinezuur, glauciniumzuur, lichenzuur en paramaleïnezuur.
Fumaarzuur wordt nu industrieel geproduceerd, hoewel het minder belangrijk is vergeleken met maleïnezuuranhydride.
Inhoudsopgave
1. Fysische eigenschappen van fumaarzuur
Fumaarzuur kristalliseert in de vorm van monokliene prisma’s. Het is oplosbaar in ethanol en geconcentreerd zwavelzuur, licht oplosbaar in ethylether en aceton, en onoplosbaar in chloroform en benzeen. Een 0,05% waterige oplossing van fumaarzuur bij 25 °C heeft een pH-waarde van 3,0-3,2.
De belangrijke fysische eigenschappen van fumaarzuur worden samengevat in de onderstaande tabel.
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| CAS-nummer | [110-17-8] |
| Chemische formule | C4H4O4 |
| Moleculair gewicht | 116,07 g/mol |
| Smeltpunt | 286–287 °C (gesloten buis) |
| Sublimatietemperatuur | 200 °C |
| Dichtheid (vast) | 1,635 g/cm3 |
| Sublimatiewarmte (92 °C) | 136,1 kJ/mol |
| pKa1 | 3,02 |
| pKa2 | 4,38 |
| Oplosbaarheid in 100 g water | 0,428 g (bij 15,5 °C) |
| 9,97 g (bij 100 °C) | |
| Vlampunt | 273 °C (open beker) 230 °C (gesloten beker) |
| Zelfontbrandingstemperatuur | 375 °C (poeder) |
2. Chemische eigenschappen van fumaarzuur
Fumaarzuur sublimeert zonder ontleding bij of iets boven 200 °C, maar bij verhitting boven 230 °C ontleedt het tot maleïnezuuranhydride, water en een aanzienlijke hoeveelheid residu. De aanwezigheid van fosforpentoxide katalyseert de vorming van maleïnezuuranhydride.
Fumaarzuur is de trans-isomeer van maleïnezuur en deelt veel chemische eigenschappen met het. Reacties verlopen echter over het algemeen langzaam voor fumaarzuur, deels vanwege de lagere oplosbaarheid in water.
In tegenstelling tot maleïnezuur kan fumaarzuur een zuurchloride vormen. (voor meer details over de reacties, bezoek het artikel over maleïnezuur.)
3. Productie van fumaarzuur
Fumaarzuur wordt voornamelijk geproduceerd door de isomerisatie van maleïnezuur of maleïnezuuranhydride (Figuur 1). Deze uitgangsmaterialen komen vaak uit waswaterstromen die ontstaan tijdens de productie van maleïnezuuranhydride of ftaalzuuranhydride, met een minimale voorkeursconcentratie van maleïnezuur van 30%.
a) Isomerisatievat; b) Centrifuge; c) Oplostank; d) Filter; e) Kristallisator; f) Droger; g) Silo
Het isomerisatieproces zet maleïnezuur bijna kwantitatief om in het minder oplosbare fumaarzuur, dat vervolgens door filtratie wordt gescheiden. Deze omzetting kan worden bereikt door thermische behandeling of met behulp van katalysatoren. Er zijn verschillende katalysatoren onderzocht, waaronder:
- Minerale zuren (bijv. zoutzuur)
- Op zwavel gebaseerde verbindingen zoals thiocyanaten, thiazolen, thiosemicarbaziden en thiourea’s
- Broomverbindingen gecombineerd met peroxiden (bijv. persulfaat)
Hieronder is thiourea de meest gebruikte katalysator in de industrie.
Het waswater van het uitgangsmateriaal kan onzuiverheden bevatten die van invloed zijn op de productkwaliteit en -opbrengst. Dit probleem kan worden vermeden door het waswater thermisch voor te behandelen, ureum toe te voegen naast thioureum als katalysator, of sulfieten of zwaveldioxidegas toe te voegen, gevolgd door minerale zuren.
Het verkregen ruwe fumaarzuur wordt gezuiverd door herkristallisatie uit water en behandeling met actieve kool. Deze zuiveringsprocessen resulteren in ongeveer 10% productverlies.
De productie van fumaarzuur is meestal een batchgewijze bewerking, hoewel er continue processen bestaan. Het kiezen van corrosiebestendige austenitische stalen apparatuur wordt aanbevolen, vooral als er geen zoutzuur bij het proces betrokken is.
Het afvoeren van de overgebleven moederloog uit de isomerisatiefase vormt een uitdaging vanwege de aanwezigheid van oplosbare onzuiverheden en de gebruikte katalysator. Verbranding is een mogelijke oplossing voor deze afvalstroom.
Een alternatieve productiemethode, die in de Verenigde Staten wordt gebruikt, maakt gebruik van de fermentatie van monosachariden of zetmeel met specifieke schimmelstammen zoals Mucor, Aspergillus en Rhizopus.
4. Toepassingen van fumaarzuur
Fumaarzuur is een veelgebruikt voedingsadditief (E297) dat wordt gebruikt als zuurmiddel om de smaak van producten zoals dranken, gebakken goederen (vooral rogge- en zuurdesembrood) en vullingen te verbeteren. Daarnaast fungeert het als conserveermiddel door de houdbaarheid van producten zoals tarwetortilla’s te verlengen.
Fumaarzuur is gebruikt in orale medicijnen en wordt onderzocht op zijn mogelijke rol bij de behandeling van psoriasis.
Het wordt gebruikt als tussenproduct bij de productie van verschillende chemicaliën en in cosmetica (bijv. badzouten en reinigingsmiddelen voor kunstgebitten).
Fumaarzuur wordt vaak verkozen boven maleïnezuur voor de productie van polyesters en copolymeren. Tijdens het productieproces van deze producten leidt isomerisatie tot een vrijwel gelijke mix van trans- en cis-isomeren van de dicarbonzuren, ongeacht het uitgangsmateriaal (maleïnezuur of fumaarzuur).
Fumaarzuur heeft echter de voorkeur vanwege het veiligheidsprofiel (onschadelijke aard). In sommige gevallen kan het gebruik van fumaarzuur leiden tot specifieke effecten, zoals verhoogde hardheid in bepaalde harsen.
Fumaarzuur (Fumaril) en ijzer(II)fumaraat worden gebruikt als gespecialiseerde additieven in diervoeders.
5. Toxicologie van fumaarzuur
Fumaraat is een natuurlijk voorkomend product met een gunstig veiligheidsprofiel (niet-toxisch) op basis van verschillende onderzoeken.
Dierstudies wijzen op een lage acute toxiciteit. Orale LD50-waarden bij ratten overschrijden 10 g/kg lichaamsgewicht en dermale toepassing bij konijnen tot 20 g/kg was niet dodelijk.
Langdurige toediening van fumaarzuur in een dosering van 8 mg/kg lichaamsgewicht per dag gedurende een jaar bij mensen veroorzaakte geen veranderingen in bloed-, urine- of leverfunctie.
Er is geen bewijs van genotoxische effecten (DNA-schade), carcinogeniciteit (kankerverwekkend) of reproductietoxiciteit waargenomen in experimenten.
Fumaarzuur kan echter als een lokale irriterende stof werken. Het wordt geclassificeerd als licht irriterend voor de huid en matig irriterend voor de ogen en slijmvliezen bij contact.
Referenties
- Maleic and Fumaric Acids; ULLMANN’S Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a16_053
- https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Fumaric-Acid
