Фталевая кислота

Фталевая кислота (бензол-1,2-дикарбоновая кислота, C₈H₆O₄) — это органическое соединение, относящееся к классу ароматических дикарбоновых кислот. Она существует в виде двух изомеров: орто-фталевой (1,2-дикарбоновая) и терефталевой (1,4-дикарбоновая) кислот, однако под термином "фталевая кислота" чаще всего подразумевают именно орто-изомер.

Данное вещество широко применяется в химической промышленности, особенно в производстве пластификаторов, красителей и полимеров.

Физические свойства фталевой кислоты

Химические свойства фталевой кислоты

Фталевая кислота (орто-бензолдикарбоновая кислота) проявляет химические свойства, характерные для ароматических дикарбоновых кислот, но с некоторыми особенностями, обусловленными взаимным влиянием карбоксильных групп в орто-положении. Рассмотрим основные типы химических реакций, в которые вступает это соединение.

1. Кислотно-основные свойства и образование солей.

Фталевая кислота является двухосновной кислотой, но из-за близкого расположения карбоксильных групп её кислотные свойства отличаются от терефталевой и изофталевой кислот.

Диссоциация в водных растворах:

1. Первая ступень диссоциации (pKa₁ ≈ 2,89):

2. Вторая ступень (pKa₂ ≈ 5,51):

Особенности:

• Вторая ступень диссоциации затруднена из-за электростатического отталкивания отрицательных зарядов.

• Образует два типа солей:

- Кислые (гидрофталаты, например, KHC₈H₄O₄),

-Средние (фталаты, например, K₂C₈H₄O₄).

2. Реакции с образованием функциональных производных.

2.1. Образование ангидридов.

При нагревании выше 200°C фталевая кислота дегидратируется с образованием фталевого ангидрида:

Примечание:

• Эта реакция легко обратима при гидролизе ангидрида.

2.2. Этерификация (образование сложных эфиров).

Фталевая кислота образует моно- и диэфиры при взаимодействии со спиртами:

1. Моноэфиры (в мягких условиях):

2. Диэфиры (при избытке спирта или в присутствии кислотных катализаторов):

Важные примеры:

• Диэтилфталат (пластификатор для ПВХ).

• Дибутилфталат (компонент лаков и клеев).

2.3. Образование амидов и имидов.

При взаимодействии с аммиаком или аминами:

1. Моно- и диамиды:

2. Фталимид (циклический имид) при сильном нагревании:

3. Реакции электрофильного замещения в бензольном кольце.

Карбоксильные группы являются мета-ориентантами, но из-за взаимного влияния в орто-положении реакции замещения идут с трудом.

3.1. Нитрование.

Требует жёстких условий (конц. HNO₃ + H₂SO₄, 50-60°C):

Основной продукт: 4-нитрофталевая кислота.

3.2. Сульфирование.

Протекает аналогично с образованием 4-сульфофталевой кислоты.

4. Реакции восстановления.

1. Восстановление до орто-ксилола (каталитическое гидрирование):

2. Частичное восстановление (например, до фталидегида).

5. Комплексообразование.

Фталевая кислота образует хелатные комплексы с ионами металлов (Cu²⁺, Fe³⁺, Pb²⁺):

Применение:

• В аналитической химии для определения металлов.

• В качестве стабилизаторов в полимерах.

6. Термическое разложение.

При нагревании выше 250°C:

1. Декарбоксилирование с образованием бензойной кислоты:

2. Дальнейшее разложение до бензола и CO₂. 

Фталевая кислота проявляет разнообразную химическую активность:

• Образует соли, сложные эфиры, амиды.

• Вступает в реакции электрофильного замещения (хотя и с трудом).

• Восстанавливается до ксилола или декарбоксилируется при нагревании.

Эти свойства делают её ценным реагентом в органическом синтезе и промышленности.

Способы производства фталевой кислоты

Фталевая кислота является важным промежуточным продуктом в органическом синтезе и промышленности. Её получают различными методами, среди которых наибольшее значение имеют каталитическое окисление углеводородов, гидролиз фталевого ангидрида и альтернативные биохимические способы. Рассмотрим основные методы синтеза подробнее.

1. Каталитическое окисление орто-ксилола.

Основной промышленный метод, обеспечивающий высокий выход продукта (до 90%).

Условия реакции:

• Сырьё: орто-ксилол (1,2-диметилбензол).

• Катализаторы:

  • Смесь V₂O₅ (оксид ванадия(V)) и TiO₂ (оксид титана(IV)) на носителе.

  • Иногда добавляют MoO₃ (оксид молибдена(VI)) для повышения селективности.

• Окислитель: воздух или обогащённый кислород.

• Температура: 350–450 °C.

• Давление: 0,1–1 МПа (атмосферное или слегка повышенное).

Химическое уравнение:

Технологические особенности:

1. Процесс проводится в трубчатых реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора.

2. Образующийся фталевый ангидрид (C₈H₄O₃) гидролизуется до фталевой кислоты:

3. Очистка проводится перекристаллизацией из воды.

2. Окисление нафталина.

Исторически первый метод, применявшийся до широкого внедрения ксилольной технологии.

Условия реакции:

• Сырьё: технический нафталин.

• Катализатор: V₂O₅ + K₂SO₄ (для повышения активности).

• Температура: 350–400 °C.

• Окислитель: воздух.

Химическое уравнение:

Недостатки метода:

• Низкая селективность (образуется много побочных продуктов, включая малеиновый ангидрид).

• Требуется дополнительная очистка.

• Экологические проблемы из-за выбросов CO₂.

3. Гидролиз фталевого ангидрида

В лабораторных и промышленных условиях фталевую кислоту часто получают гидролизом её ангидрида.

Условия реакции:

• Сырьё: фталевый ангидрид (получаемый окислением орто-ксилола).

• Растворитель: вода или водно-спиртовые смеси.

• Температура: 80–100 °C.

Химическое уравнение:

Особенности:

• Процесс проводится в кипящей воде или слабокислой среде.

• После кристаллизации получают чистую фталевую кислоту.

4. Альтернативные методы

4.1. Окисление толуола

Используется редко из-за низкого выхода:

4.2. Биохимическое окисление

Перспективный, но пока малорентабельный метод:

• Используются генетически модифицированные бактерии (Pseudomonas, Rhodococcus).

• Реакция идёт при 30–40 °C, но требует дорогих ферментов.

Сравнение методов

В промышленности доминирует окисление орто-ксилола из-за высокой эффективности и доступности сырья. Лабораторные методы (гидролиз ангидрида) обеспечивают высокую чистоту продукта. Альтернативные способы (биокатализ) пока остаются в стадии разработки.

Применение фталевой кислоты

1. Фталевая кислота и её производные находят широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своей химической универсальности и относительной дешевизне сырья для производства. Основные направления использования можно разделить на несколько ключевых категорий.

2. Фталевая кислота служит сырьём для синтеза сложных эфиров (фталатов), которые применяются как пластификаторы полимеров, преимущественно ПВХ.

3. Фталевая кислота (чаще её ангидрид) используется в синтезе смол для:

• Стеклопластиков (корпуса лодок, автомобильные детали)

• Лакокрасочных материалов (алкидные лаки).

4. При взаимодействии с фталонитрилом образуются комплексные соединения с металлами (Cu, Fe), дающие яркие цвета:

• Медный фталоцианин (синий пигмент для красок, пластмасс)

• Хлорпроизводные (зелёные пигменты)

Производные фталевой кислоты (например, фенолфталеин) применяются как кислотно-основные индикаторы.

 5. Фармацевтика и медицина:

• Стабилизатор в лекарствах: Диэтилфталат в оболочках таблеток.

• Синтез антисептиков: Некоторые сложные эфиры обладают бактерицидными свойствами.

• Контрастные вещества: В модифицированной форме – для рентгенографии.

Ограничения: Из-за потенциальной токсичности фталатов их применение в медицине сокращается.

6. Лабораторное применение:

• Стандарт в кислотно-основной титриметрии (точное определение pH).

• Реагент в органическом синтезе (получение хелатных комплексов).

Требования безопасности при работе с фталевой кислотой

Класс опасности: 3 (умеренно опасное вещество).

ПДК в воздухе рабочей зоны: 1 мг/м³.

Влияние на организм:

• Раздражение кожи и глаз.

• При вдыхании пыли — раздражение дыхательных путей.

При работе с фталевой кислотой рекомендуется использовать средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки. Рабочие помещения должны быть хорошо вентилируемыми.

При попадании на кожу, слизистые или внутрь организма может вызывать раздражение, химические ожоги и системные эффекты.

Первая помощь:

- При вдыхании: Вынести пострадавшего на свежий воздух, обеспечить покой и обратиться за медицинской помощью при необходимости.

- При попадании на кожу: Промыть пораженное место большим количеством воды с мылом. В случае раздражения обратиться к врачу.

- При попадании в глаза: Промыть глаза большим количеством воды в течение нескольких минут и обратиться за медицинской помощью.

Маркировка, упаковка, хранение и транспортировка фталевой кислоты

Согласно ГОСТ, фталевая кислота должна маркироваться и каждая упаковка должна содержать следующие данные:

- Наименование: "Фталевая кислота".

- Химическая формула

- Код ООН (для транспортировки): UN 3077 (класс 9 — прочие опасные вещества).

- Знак опасности: Раздражающее вещество. 

- Класс опасности: 3 (раздражающее вещество).

- Упаковка: Полиэтиленовые мешки, металлические или пластиковые бочки.

- Меры предосторожности.

- Данные производителя: название, адрес, контакты.

- Срок годности и дата изготовления.

Для транспортировки фталевую кислоту упаковывают в:

1. Многослойные бумажные мешки с полиэтиленовым вкладышем (для сыпучей формы).

2. Полипропиленовые мешки (25–50 кг).

3. Пластиковые бочки (HDPE, 100–200 кг).

4. Металлические барабаны (для транспортировки).

Упаковка должна быть влагостойкой (фталевая кислота гигроскопична).

Обязательна двойная упаковка (например, мешок + плёнка).

Заключение

Фталевая кислота — важный продукт химической промышленности, нашедший применение в производстве полимеров, красителей и фармацевтических препаратов. Однако при работе с ней необходимо соблюдать меры предосторожности из-за ее потенциальной опасности для здоровья.