Axit axetic

Lịch sử

Axit axetic được biết đến từ giấm khi cho bia và rượu vang tiếp xúc với không khí, phương pháp sản xuất axit axetic từ vi khuẩn này vẫn được sử dụng trên toàn cầu cho đến ngày nay.
Việc sử dụng axit axetic trong thuật giả kim kéo dài cho đến thế kỷ III TCN, khi nhà triết học Hy Lạp Theophrastus miêu tả cách mà giấm phản ứng với các kim loại tạo ra các chất nhuộm được sử dụng trong nghệ thuật, như chì trắng (chì cacbonat) và verdigris (xanh gỉ đồng), một hỗn hợp của các muối đồng màu xanh gồm đồng(II) axetat. Người La Mã cổ đại đung rượu chua trong các chậu chì tạo ra một loại xi-rô rất ngọt gọi là sapa. Sapa chứa nhiều chì axetat, một chất ngọt cũng gọi là đường chì (sugar of lead) hoặc đường của Saturn, đã làm nhiễm độc chì trong giới quý tộc La Mã.
Trong thế kỷ thứ VIII, Jabir Ibn Hayyan (Geber) là người đầu tiên cô đọng axit axetic từ giấm bằng cách chưng cất. Trong thời Phục Hưng, axit axetic băng được điều chế bằng cách chưng cất khô các axetat kim loại nhất định (loại phổ biến nhất là đồng(II) axetat). Nhà giả kim thuật Đức thế kỷ thứ XVI Andreas Libavius đã miêu tả cách chưng cất như thế, và ông đã so sánh axit axetic tạo ra bằng phương pháp này với từ giấm. Sự có mặt của nước trong giấm đã làm ảnh hưởng đến tính chất của axit axetic mà đối với các nhà hóa học trong vài thế kỷ đã cho rằng axit axetic băng và axit axetic trong giấm là hai chất khác nhau. Nhà hóa học Pháp Pierre Adet đã chứng minh rằng chúng là một.
Năm 1847, nhà hóa học Đức Hermann Kolbe lần đầu tiên đã tổng hợp axit axetic từ các vật liệu vô cơ. Chuỗi phản ứng này gồm quá trình clo hóa cacbon đisulfua thành cacbon tetraclorua, sau đó là quá trình nhiệt phân thành tetracloretylen và clo hóa trong nước tạo thành axit tricloraxetic, và cuối cùng là phản ứng oxy hóa khử vô cơ bằng cách điện phân tạo thành axit axetic.
Năm 1910, hầu hết các axit axetic được sản xuất từ việc chưng cất gỗ từ sản phẩm trung gian là rượu chưng cất từ gỗ. Loại rượu này cho tác dụng với canxi hydroxit tạo ra canxi axetat, sau đó cho canxi axetat tác dụng với axit sulfuric thu được axit axetic. Lúc này, Đức sản xuất khoảng 10.000 tấn axit axetic băng, khoảng 30% số này được sản xuất thuốc nhuộm indigo.

Tính chất hóa học

Nguyên tử hidro (H) trong nhóm carboxyl (−COOH) trong các axit cacboylic như axit axetic có thể cung cấp một ion H⁺ (proton), làm cho chúng có tính chất axit. Axit axetic là một axit yếu, thuộc nhóm axit monoprotic, có Kₐ bằng 4,75. Nó tạo ra gốc liên kết là axetat (CH₃COO⁻). Dung dịch 1,0 M (tương đương nồng độ giấm gia đình) có pH là 2,4, cho thấy chỉ 0,44% các phân tử axit axetic bị phân ly.
Cấu trúc tinh thể của axit axetic cho thấy các phân tử nhị trùng liên kết bởi các liên kết hiđrô. Các chất nhị trùng cũng có thể được phát hiện ở dạng hơi ở 120 °C. Chúng cũng có mặt trong pha lỏng trong các dung dịch loãng trong các dung môi không có liên kết hydro, và một mức độ nhất định trong axit axetic tinh khiết, nhưng bị phá vỡ trong các dung môi có liên kết hydro. Enthalpy phân ly của các chất này ước tính khoảng 65,0–66,0 kJ/mol, và entropy phân ly khoảng 154–157 J mol⁻¹ K⁻¹. Cách thức nhị trùng này cũng có thể hiện ở các axit cacboxylyc thấp hơn khác.
Axit axetic lỏng là dung môi protic dính ướt (phân tử phân cực), tương tự như ethanol và nước. Với hằng số điện môi trung bình khoảng 6,2, nó có thể hoà tan không chỉ trong các hợp chất phân cực như các muối vô cơ và các loại đường mà nó còn có khả năng hòa tan trong các hợp chất không phân cực như dầu, và các nguyên tố như lưu huỳnh và iốt. Nó cũng có thể hòa trộn với các dung môi phân cực và không phân cực khác như nước, chloroform, và hexan. Đối với các ankan cao phân tử (từ octan trở lên) axit axetic không có khả năng trộn lẫn một cách hoàn toàn, và khả năng trộn lẫn tiếp tục giảm khi số n-ankan càng lớn. Tính chất hòa tan và độ trộn lẫn của axit axetic làm cho nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Hóa sinh

Nhóm axetyl có gốc từ axit axetic, là thành phần cơ bản đối với sinh hóa học của tất cả các dạng sống. Khi nằm trong coenzyme A, nó là trung tâm của sự trao đổi chất của các cacbohydrat và mỡ. Tuy nhiên, nồng độ của các axit axetic tự do trong các tế bào ở mức thấp nhằm tránh phá vỡ pH của các tế bào. Không giống với các axit cacboxylic mạch dài, (các axit béo), axit axetic không có  mặt trong các triglycerit tự nhiên. Tuy nhiên, các triglycerit nhân tạo như triacetin (glycerin triacetat) là một phụ gia thực phẩm phổ biến, và được tìm thấy trong các loại mỹ phẩm và thuốc đắp.
Axit axetic được sản xuất và chiết tách bằng vi khuẩn axit axetic, các vi khuẩn phổ biến là chi Acetobacter và Clostridium acetobutylicum. Các vi khuẩn này được tìm thấy trên khắp thế giới trong thức ăn, nước và đất, và do đó axit axetic thường được sản xuất từ trái cây và các thực phẩm hư khác. Axit axetic cũng là một thành phần của chất nhờn âm đạo của người và các linh trưởng khác, các chất này có tác dụng kháng khuẩn nhẹ.

Sản xuất

Axit axetic được sản xuất theo cả hai phương pháp sinh học và tổng hợp. Ngày nay, lượng axit sản xuất theo phương pháp sinh học chỉ chiếm khoảng 10% sản lượng thế giới, nhưng nó vẫn là một phương pháp quan trọng dùng để sản xuất giấm, theo các luật về độ tinh khiết thực phẩm ở một số quốc gia quy định rằng giấm sử dụng trong thực phẩm phải có nguồn gốc từ sinh học. Khoảng 75% axit axetic được sản xuất công nghiệp được dùng để sản xuất theo phương pháp cacbonyl hóa metanol. Khoảng 15% còn lại được sản xuất từ các phương pháp thay thế khác. Tổng sản lượng axit axetic giấm ước tính khoảng 5 triệu tấn/năm, khoảng nửa trong số đó được sản xuất ở Hoa Kỳ. Sản lượng ở châu Âu khoảng 1 triệu tấn/năm và đang giảm, trong khi đó Nhật Bản sản xuất khoảng 0,7 triệu tấn/năm. Khoảng 1,5 triệu tấn được tái chế hàng năm, nâng tổng sản lượng trên thị trướng thế giới lên 6,5 triệu tấn/năm. Hai nhà sản xuất axit axetic giấm lớn nhất là Celanese và Công ty hóa BP. Các nhà sản xuất lớn khác như Millennium Chemicals, Sterling Chemicals, Samsung, Eastman, và Svensk Etanolkemi.

Oxy hóa etylen

Axetaldehyt có thể được điều chế từ etylen theo phản ứng Wacker, và sau đó oxy hóa như nên bên dưới. Trong thời gian gần đây, việc chuyển đổi etylen thành axit axetic qua theo một bước, chi phí rẻ hơn đã được công ty Showa Denko thương mại hóa, công ty này đã xây dựng một nhà máy oxy hóa etylen ở Ōita, Nhật Bản năm 1997. Quá trình này sử dụng chất xúc tác là kim loại palladi với sự hỗ trợ của axit heteropoly như axit tungstosilicic. Nó được xem là một phương pháp có thể cạnh tranh với phương pháp carbonyl hóa metanol đối với các nhà máy nhỏ hơn (100–250 ngàn tấn/năm), tùy thuộc vào giá địa phương của etylen.

Ứng dụng

Axit axetic là một chất phản ứng được dùng để sản xuất các hợp chất hóa học. Lượng sử dụng riêng lẻ lớn nhất là để sản xuất momoner vinyl axetat, tiếp theo là sản xuất axetic anhydrit và ester. Lượng axit axetic dùng để sản xuất giấm là rất nhỏ so với ở trên.

Axetic anhydrit

Sản phẩm tách phân tử nước từ hai phân tử axit axetic tạo thành một phân tử gọi là axetic anhydrit. Sản xuất axetic anhydrit trên thế giới là một ứng dụng chính chiếm khoảng 25% đến 30% sản lượng axit axetic toàn cầu. Axetic anhydrit có thể được sản xuất trực tiếp bằng cacbonyl hóa metanol từ axit, và các nhà máy sản xuất theo công nghệ Cativa có thể được điều chỉnh để sản xuất anhydrit.
Axetic anhydrit là một chất acetyl hóa mạnh. Vì vậy, ứng dụng chính của nó là tạo cellulose acxtat, một chất dệt tổng hợp cũng được dùng trong phim chụp ảnh. Axetic anhydrit cũng là một chất phản ứng dùng để sản xuất aspirin, heroin, và các hợp chất khác.

Làm dung môi

Axit axetic băng là một dung môi protic phân cực tốt như đề cập ở trên. Nó thường được dùng làm dung môi tái kết tinh cho các hợp chất hữu cơ tinh khiết. Axit axetic tinh khiết được dùng làm dung môi trong việc sản xuất axit terephthalic (TPA), một nguyên liệu thô để sản xuất polyetylen terephthalat (PET). Năm 2006, khoảng 20% axit axetic được dùng để sản xuất TPA.
Axit axetic thường được dùng làm dung môi cho các phản ứng liên quan đến cacbocation, như Friedel-Crafts alkylation. Ví dụ, một giai đoạn trong sản xuất long não tổng hợp thương mại liên quan đến sự tái sắp xếp Wagner-Meerwein của tạo amfen isobornyl axetat; ở đây axit axetic đóng vai trò vừa là dung môi, vừa là chất ái nhân để giữ carbocation tái sắp xếp. Axit axetic là dung môi tự chọn khi giảm một nhóm nitơ aryl tạo anilin bằng cách sử dụng cacbon mang palladi.
Axit axetic băng được sử dụng trong hóa phân tích để ước tính các chất có tính kiềm yếu như các amit hữu cơ. Axit axetic băng có tính bazơ yếu hơn nước, vì vậy amit ứng xử như một bazơ mạnh trong dung dịch axit trung bình này. Sau đó nó có thể được chuẩn độ bằng cách sử dụng một dung dịch axit axetic băng của một axit rất mạnh như axit percloric.

Các ứng dụng khác

Các axit axetic loãng cũng được dùng tạo độ chua nhẹ. Ví dụ như trong quy mô gia đình, nó được dùng làm chất tẩy cặn vôi từ vòi nước và ấm đun nước.
Các dung dịch axit axetic băng loãng có thể được dùng trong các phòng thí nghiệm lâm sàng để dung giải các hồng cầu cũng như đếm bạch cầu. Một ứng dụng lâm sàng khác là dung giải các hồng cầu, mà có thể làm mờ các thành phần quan trọng khác trong nước tiểu khi phân tích dưới kính hiển vi.