Βουτυρικό οξύ

Το βουτυρικό οξύ (αγγλικά butyric acid) είναι οργανική χημική ένωση με μοριακό τύπο C4H8O2, αν και συνηθέστερα παριστάνεται με τον ημισυντακτικό τύπο CH3CH2CH2CO2H. Η εμπειρική ονομασία («βουτυρικό οξύ») προέρχεται από την ελληνική λέξη «βούτυρο». Για την αγγλόφωνη συστηματική ονομασία χρησιμοποιήθηκε η συντομογραφία BTA (από το ΒuΤanoic Acid). Πιο συγκεκριμένα, το βουτυρικό οξύ είναι ένα καρβοξυλικό οξύ. Άλατα, εστέρες και άλλα παράγωγα του βουτυρικού οξέος χρησιμοποιούν το επίθετο «βουτυρικός» για την παραγωγή της συστηματικής ονομασίας τους. Το βουτυρικό οξύ έχει βρεθεί στο γάλα, ιδιαίτερα στο κατσικίσιο, στο πρόβειο και στο βουβαλίσιο. Έχει βρεθεί ακόμη στο βούτυρο, στην παρμεζάνα, στο γαστρικό υγρό και, ως ένα προϊόν της αναερόβιας ζύμωσης, στα κόπρανα και στον ιδρώτα. Έχει δυσάρεστη οσμή και ξυνή γεύση, που αφήνει όμως μια γλυκύτητα ως μεταγεύση. Μπορεί να ανιχνευθεί από τα θηλαστικά που έχουν καλή όσφρηση (όπως για παράδειγμα ο σκύλος) από τη συγκέντρωση των 10 ppb, ενώ οι άνθρωποι μπορούν να το ανιχνεύσουν σε συγκεντρώσεις πάνω από 10 ppm.

Το βουτυρικό οξύ είναι παρόν στον ανθρώπινο εμετό, και προκαλεί το κύριο μέρος της χαρακτηριστικής του οσμής.

Το βουτυρικό οξύ παρατηρήθηκε για πρώτη φορά (σε μη καθαρή μορφή) το 1814 από τον Γάλλο χημικό Μισέλ Εζέν Σεβρέλ (Michel Eugène Chevreul). Ως το 1818 το είχε καθαρίσει και επιτυχημένα χαρακτηρίσει. 

Το βουτυρικό οξύ είναι ένα λιπαρό οξύ. Εστέρες του βρίσκονται τόσο σε ζωικά λίπη, όσο και σε φυτικά έλαια. Το τριγλυκερίδιο του βουτυρικού οξέος (δηλαδή ο τριεστέρας του βουτυρικού οξέος με γλυκερίνη) περιέχεται σε ποσοστό 3%-4% στο βούτυρο. Όταν χαλάσει το βούτυρο, το βουτυρικό οξύ ελευθερώνεται (με υδρόλυση) από το τριγλυκερίδιό του, δίνοντας τη χαρακτηριστική δυσάρεστη οσμή του χαλασμένου βουτύρου. Είναι ένα σημαντικό μέλος της υποομάδας των «μικρής αλυσίδας λιπαρών οξέων», το πρώτο μέλος της οποίας είναι το προπανικό οξύ. Είναι ένα ελαιώδες υγρό που διαλύεται εύκολα στο νερό (H2O), στην αιθανόλη (EtOH) και στον διαιθυλαιθέρα (Et2O). Μπορεί να διαχωριστεί από ένα υδατικό διάλυμά του με χρήση χλωριούχου ασβεστίου (CaCl2), οπότε καταβυθίζεται το δυσδυάλυτο βουτυρικό ασβέστιο [(PrCOO)2Ca]:

Μάλιστα, το βουτυρικό ασβέστιο έχει την παράξενη ιδιότητα να είναι λιγότερο διαλυτό στο ζεστό νερό απ' ό,τι στο ψυχρότερο.

Δομή 

Είναι το τέταρτο μέλος της ομόλογης σειράς των αλκανικών οξέων μετά το μεθανικό οξύ, το αιθανικό οξύ και το προπανικό οξύ.

Ισομερή θέσης 

Το βουτυρικό οξύ έχει τα ακόλουθα ισομερή θέσης:
 1-βουτεν-1,1-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2CH=C(OH)2.
 2-βουτεν-1,1-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH=CHCH(OH)2 (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 3-βουτεν-1,1-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=CHCH2CH(OH)2.
 1-βουτεν-1,2-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2C(OH)=CHOH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 2-βουτεν-1,2-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH=C(OH)CH2OH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 3-βουτεν-1,2-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=CHCH(OH)CH2OH) (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 1-βουτεν-1,3-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH(OH)CH=CHOH (σε τέσσερα (4) στερεοϊσομερή: δύο (2) γεωμετρικά + δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2-βουτεν-1,3-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3C(OH)=CHCH2OH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 3-βουτεν-1,3-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=C(OH)CH2CH2OH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 1-βουτεν-1,4-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο ΗΟCH2CH2CH=CHOH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 2-βουτεν-1,4-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο ΗΟCH2CH=CHCH2OH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 Βουτεν-2,2-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=CHC(OH)2CH3.
 1-βουτεν-2,3-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH(OH)C(OH)=CH2 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2-βουτεν-2,3-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3C(OH)=C(OH)CH3 (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 Μεθυλο-1-προπεν-1,1-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2C=C(OH)2
 Μεθυλο-2-προπεν-1,1-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=C(CH3)CH(OH)2
 Μεθυλοπροπεν-1,3-διόλη με σύντομο συντακτικό τύπο HOCH2C(CH3)=CHOH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 1,1-κυκλοβουτανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο 
 1,2-κυκλοβουτανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 1,3-κυκλοβουτανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο 
 Μεθυλο-1,1-κυκλοπροπανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο 
 1-μεθυλο-1,2-κυκλοπροπανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 3-μεθυλο-1,2-κυκλοπροπανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο (σε τέσσερα (4) γεωμετρικά ισομερή).
 1-υδροξυμεθυλοκυκλοπροπανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο 
 2-υδροξυμεθυλοκυκλοπροπανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 Κυκλοπροπυλομεθανοδιόλη με σύντομο συντακτικό τύπο 
 1-μεθυξυ-1-προπεν-1-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH=C(OCH3)OH.
 2-μεθυξυ-1-προπεν-1-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3C(OCH3)=CHOH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 3-μεθυξυ-1-προπεν-1-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3OCH2CH=CHOH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 1-μεθυξυ-2-προπεν-2-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=CHCH(OCH3)OH (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2-μεθυξυ-2-προπεν-1-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=C(OCH3)CH2OH.
 Μεθυξυ-1-προπεν-2-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3C(OH)=CHOCH3 (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 Μεθυξυ-2-προπεν-2-όλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=C(OH)CH2OCH3.
 1-αιθοξυαιθενόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=C(OCH2CH3)OH.
 2-αιθοξυαιθενόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2OCH=CΗOH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 1-αιθενοξυαιθανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH(OCH=CH2)OH (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 2-αιθενοξυαιθανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH2=CHOCH2CH2OH.
 Προπεν-1-οξυμεθανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο  CH2(OCH=CHCH3)OH  (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 Προπεν-2-οξυμεθανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο  CH2(OCH2CH=CH2)OH.
 (Μεθυλαιθεν)οξυμεθανόλη με σύντομο συντακτικό τύπο  CH2(OC(CH3)=CH2)OH.
 1,2-διμεθοξυαιθενόλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3OCH=C(OCH3)OH (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 2,2-διμεθοξυαιθενόλη με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3O)2C=CHOH.
 2-υδροξυβουτανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2CH(OH)CHO  (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 3-υδροξυβουτανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH(OH)CH2CHO  (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 4-υδροξυβουτανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο HOCH3CH2CH2CHO.
 Μεθυλο-2-υδροξυπροπανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2C(OH)CHO.
 Μεθυλο-3-υδροξυπροπανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο HOCH2CH(CH3)CHO (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 1-υδροξυβουτανόνη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2COCH2OH.
 3-υδροξυβουτανόνη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH(OH)COCH3 (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 4-υδροξυβουτανόνη με σύντομο συντακτικό τύπο HOCH2CH2COCH3.
 2-μεθοξυπροπανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3ΟCH(CH3)CHO (σε δύο (2) οπτικά ισομερή).
 3-μεθοξυπροπανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3ΟCH2CH2CHO.
 Αιθοξυαιθανάλη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2ΟCH2CHO.
 Μεθοξυπροπανόνη με σύντομο συντακτικό τύπο CH3COCH2OCH3.
 Μεθυλοπροπανικό οξύ με σύντομο συντακτικό τύπο (CH3)2CHCOOH.
 Προπανικός μεθυλεστέρας με σύντομο συντακτικό τύπο CH3CH2COOCH3. 
 Αιθανικός αιθυλεστέρας με σύντομο συντακτικό τύπο CH3COOCH2CH3. 
 Μεθανικός προπυλεστέρας με σύντομο συντακτικό τύπο HCOOCH2CH2CH3. 
 Μεθανικός ισοπροπυλεστέρας με σύντομο συντακτικό τύπο HCOOCH(CH3)2. 
 1,2-διοξάνιο  
 1,3-διοξάνιο 
 1,4-διοξάνιο 
 3-μεθυλο-1,2-διοξολάνιο 
 4-μεθυλο-1,2-διοξολάνιο 
 2-μεθυλο-1,3-διοξολάνιο 
 4-μεθυλο-1,3-διοξολάνιο 
 Αιθυλο-1,2-διοξετάνιο 
 Αιθυλο-1,3-διοξετάνιο  
 3,3-διμεθυλο-1,2-διοξετάνιο  
 3,4-διμεθυλο-1,2-διοξετάνιο  
 2,2-διμεθυλο-1,3-διοξετάνιο  
 2,4-διμεθυλο-1,3-διοξετάνιο 
 Προπυλοδιοξιράνιο  
 Ισοπροπυλοδιοξιράνιο 
 Αιθυλομεθυλοδιοξιράνιο 
 2-οξολανόλη 
 3-οξολανόλη 
 2-μεθυλο-2-οξετανόλη 
 3-μεθυλο-2-οξετανόλη (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 4-μεθυλο-2-οξετανόλη (σε δύο (2) γεωμετρικά ισομερή).
 3-μεθυλο-3-οξετανόλη
 2-υδροξυμεθυλοξετάνιο  
 3-υδροξυμεθυλοξετάνιo 
 2-μεθοξυοξετάνιο  
 3-μεθοξυοξετάνιο  
 2-αιθυλο-2-οξιρανόλη 
 3-αιθυλο-2-οξιρανόλη 
 (1΄-υδροξυαιθυλο)οξιράνιο   
 (2'-υδροξυαιθυλο)οξιράνιο   
 Αιθοξυοξιράνιο 
 2,3-διμεθυλοξιρανόλη  
 3,3-διμεθυοξιρανόλη  
 2-μεθυλο-2-υδροξυμεθυλοξιράνιο  
 3-μεθυλο-2-υδροξυμεθυλοξιράνιο  
 2-μεθυλο-2-μεθοξυοξιράνιο 
 3-μεθυλο-2-μεθοξυοξιράνιο 
 (Μεθοξυμεθυλ)οξιράνιο 

 Μερικές από τις παραπάνω ενώσεις είναι ασταθείς.

Παραγωγή

Βιομηχανική παραγωγή 

Βιομηχανικά το βουτυρικό οξύ παράγεται (κυρίως) με τη βουτυρική ζύμωση (βλ. παρακάτω) από γλυκόζη, που συνήθως προέρχεται από ζάχαρη ή άμυλο. Επίσης λαμβάνεται από ξυνισμένο γάλα και ορισμένα τυριά.

Άλλες μέθοδοι

Με καρβοξυλίωση προπυλαλογονιδίων 

Με καρβοξυλίωση με διοξείδιο του άνθρακα (CO2) προπυλαλογονιδίων (CH3CH2CH2X), μέσω οργανομαγνησιακών ενώσεων (αντιδραστήρια Grignard) παράγεται βουτυρικό οξύ::

Με υδρόλυση βουτανονιτριλίου 

Με υδρόλυση βουτανονιτριλίου (CH3CH2CH2CN) σε όξινο περιβάλλον παράγεται βουτυρικό οξύ:

Με οξείδωση 4-οκτενίου, 1-βουτανόλης ή βουτανάλης 

1. Με οξείδωση 4-οκτενίου (CH3CH2CH2CH=CHCH2CH2CH3) παράγεται αιθανικό οξύ:

2. Με οξείδωση 1-βουτανόλης (CH3CH2CH2CH2OH) παράγεται βουτυρικό οξύ:

3. Με οξείδωση βουτανάλης (CΗ3CH2CH2CHO) παράγεται βουτυρικό οξύ:

Από αιθυλομηλονικό οξύ 

Από αιθυλομηλονικό οξύ [HOOCCH(CH2CH3)COOH] παράγεται βουτυρικό οξύ:

 Το αιθυλομηλονικό οξύ παράγεται από το μηλονικό οξύ ως εξής:

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

΄Οξινος χαρακτήρας και καρβονικά άλατα 

Το βουτυρικό οξύ είναι ένα ασθενές μονοβασικό οξύ (pKa = 4,82), ασθενέστερο από τα περισσότερα ανόργανα οξέα. Τα επτά (7) υδρογόνα του προπυλίου δεν αντικαθίστανται από μέταλλα αλλά παρ' όλα αυτά το βουτυρικό οξύ αντιδρά με ορισμένα μέταλλα και βάσεις σχηματίζοντας άλατα με σύγχρονη έκλυση υδρογόνου ή νερού αντίστοιχα:

(Αντίδραση διάστασης)

(Επίδραση μετάλλων ηλεκτροθετικότερων του υδρογόνου)(Αντίδραση εξουδετέρωσης)

Αποκαρβοξυλίωση 

1. Με θέρμανση βουτυρικού νατρίου παίρνουμε διοξείδιο του άνθρακα και προπάνιο:

2. Με ηλεκτρόλυση βουτυρικού νατρίου (μέθοδος Kolbe), παράγονται διοξείδιο του άνθρακα και εξάνιο:

3. Με θέρμανση αλάτων του με ασβέστιο (ή βάριο) παράγεται επτανόνη-4:

4. Με επίδραση βρωμίου σε βουτυρικό άργυρο  παράγεται προπυλοβρωμίδιο -  Αντίδραση Hunsdiecker:

Αναγωγή 

Τo βουτυρικό οξύ ανάγεται με λιθιοαργιλιοϋδρίδιο (LiAlH4) ή νατριοβοριοϋδρίδιο (NaBH4) προς  βουτανόλη-1:

Οξείδωση 

Τo βουτυρικό οξύ οξειδώνεται σε βουτυρικό υπεροξύ από το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2), σε όξινο περιβάλλον:

Εστεροποίηση 

 Με επίδραση αλκοολών παράγονται βουτυρικοί εστέρες::

Αλογόνωση 

1. Με επίδραση αλογόνων, παρουσία ερυθρού φωσφόρου, παράγεται α-αλοβουτυρικό οξύ:

2. Με επίδραση αλογονωτικών μέσων παράγονται βουτανυλαλογονίδια::
α. Με SOCl2:

β. Με PCl5:

γ. Με PX3:

 Για το βουτανυλοφθορίδιο προτιμάται η υποκατάσταση σε βουτανυλοχλωρίδιο:

Επίδραση καρβενίων 

Με επίδραση καρβενίων παράγεται ένα μίγμα προϊόντων. Π.χ. με μεθυλένιο έχουμε περίπου την παρακάτω στοιχειομετρική εξίσωση:
 2-προπυλο-2-οξιρανόλη
 Η παραπάνω στοιχειομετρική εξίσωση είναι άθροισμα κατά μέλη των ακόλουθων δράσεων:
 Παρεμβολή στους τρεις (3) δεσμούς C#4-H. Παράγεται πεντανικό οξύ, ένα καρβονικό οξύ.
 Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς C#2-H. Παράγεται 2-μεθυλοβουτυρικό οξύ, ένα καρβονικό οξύ.
 Παρεμβολή στους δύο (2) δεσμούς C#3-H. Παράγεται 3-μεθυλοβουτυρικό οξύ, ένα καρβονικό οξύ.
 Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό O-H. Παράγεται βουτυρικός μεθυλεστέρας, ο μεθυλεστέρας του βουτυρικού οξέος.
 Προσθήκη στον ένα (1) δεσμό C=O. Παράγεται 2-προπυλο-2-οξιρανόλη, μια ετεροκυκλική αλκοόλη.
 Συνολικά δηλαδή εννέα (9) παράγωγα προϊόντα, που είναι πρακτικά ισοδύναμα (σ' αυτήν την περίπτωση) σε παραγωγή, εξαιτίας της μεγάλης δραστικότητας του μεθυλενίου, που ως δίριζα κάνει σχεδόν απόλυτα κινητικές (δηλαδή όχι εκλεκτικές) τις αντιδράσεις του.

Βιολογικός ρόλος

βουτυρική ζύμωση 

Τα βουτυρικά ανιόντα παράγονται ως τελικό προϊόν μιας διεργασίας ζύμωσης που πραγματοποιείται υποχρεωτικά από αναερόβια βακτήρια. Το φύραμα Kombucha περιλαμβάνει και το ίδιο το βουτυρικό οξύ ως αποτέλεσμα της ζύμωσης που προκαλεί. Αυτή η μεταβολική οδός ανακαλύφθηκε από τον Λουί Παστέρ, το 1861. Παραδείγματα ειδών βακτηρίων που παράγουν βουτυρικό οξύ, βουτυρικό οξύ ή κάποιο βουτυρικό εστέρα, είναι τα ακόλουθα:

 Clostridium acetobutylicum.
 Clostridium butyricum. 
 Clostridium kluyveri. 
 Clostridium pasteurianum.
 Fusobacterium nucleatum. 
 Butyrivibrio fibrisolvens.
 Eubacterium limosum.

Η συνολική αντίδραση είναι:

Χρήσεις 

Το βουτυρικό οξύ χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή ποικίλλων εστέρων του. Οι χαμηλής μοριακής μάζας εστέρες του βουτυρικού οξέος, όπως ο βουτυρικός μεθυλεστέρσς (PrCOOMe), έχουν πολύ ευχάριστες οσμές και γεύσεις και συνεπώς έχουν εφαρμογές ως προσθετικά τροφίμων και αρωμάτων.

Το ίδιο το βουτυρικό οξύ, εξαιτίας της έντονης οσμής του, χρησιμοποιήθηκε επίσης ως προσθετικό για δολώματα ψαρέματος. Ωστόσο, δεν είναι ξεκάθαρο αν τα ψάρια έλκονται από το ίδιο το βουτυρικό οξύ ή από πρόσθετες ουσίες που, ως προσμείξεις, υπάρχουν στα παρασκευάσματα που το περιέχουν.

Τέλος έχει χρησιμοποιηθεί, από πληρώματα Ιαπωνικών φαλαινοθηρικών, για την απώθηση αντιφαλαινοθηρικών διαδηλωτών, προκαλώντας τους ναυτία. Ομοίως και από αντιαμβλωτικούς διαδηλωτές για την παρενόχληση κλινικών που τις καταλαμβάνουν..

Πηγές 
 Ν. Αλεξάνδρου, Γενική Οργανική Χημεία, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 1985
 Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982
 Πολυχρόνη Σ. Καραγκιοζίδη: Ονοματολογία οργανικών ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1991, Έκδοση Β΄.
 Ν. Αλεξάνδρου, Α. Βάρβογλη, Δ. Νικολαΐδη: Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων, Θεσσαλονίκη 1985, Έκδοση Β΄.
 Δ. Νικολαΐδη: Ειδικά κεφάλαια Οργανικής Χημεία, Θεσσαλονίκη 1983.

Αναφορές και σημειώσεις

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Αλκανικά οξέα
C4
Αρωματικές ύλες