KWAS FUMAROWY: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA I ZAGROŻENIA - CHEMIA - 2026

Kwas fumarowy lub słabym kwasem transbutenodioico dikarboksylowego udział w cyklu TCA (lub cykl kwasów trikarboksylowych) i cyklu mocznikowego. Jego struktura cząsteczkowa to HOOCCH = CHCOOH, którego skondensowany wzór cząsteczkowy to C ₄ H ₄ O ₄ . Sole i estry kwasu fumarowego nazywane są fumaranami.

Jest wytwarzany w cyklu Krebsa z bursztynianu, który jest utleniany do fumaranu w wyniku działania enzymu dehydrogenazy bursztynianowej, przy użyciu FAD (Flavin Adenil Dinucleotide) jako koenzymu. Podczas gdy FAD jest zredukowany do FADH ₂ . Następnie fumaran jest uwodniony do L-jabłczanu pod wpływem enzymu fumarazy.

Źródło: Ben Mills, źródło Wikimedia Commons

W cyklu mocznikowym arginobursztynian jest przekształcany w fumaran pod działaniem enzymu liazy arginobursztynianu. Fumaran jest przekształcany w jabłczan przez fumarazę cytozolową.

Kwas fumarowy można wytwarzać z glukozy w procesie, w którym pośredniczy grzyb Rhizopus nigricans. Kwas fumarowy można również otrzymać przez kaloryczną izomeryzację kwasu maleinowego. Można go również syntetyzować przez utlenianie furfuralu chloranem sodu w obecności pięciotlenku wanadu.

Kwas fumarowy ma wiele zastosowań; jako dodatek do żywności, do produkcji żywicy oraz w leczeniu niektórych chorób, takich jak łuszczyca i stwardnienie rozsiane. Jednak stwarza niewielkie zagrożenie dla zdrowia, które należy wziąć pod uwagę.

Struktura chemiczna

Górny obraz przedstawia strukturę molekularną kwasu fumarowego. Czarne kule odpowiadają atomom węgla, które tworzą jego hydrofobowy szkielet, podczas gdy czerwone kule należą do dwóch grup karboksylowych COOH. Tak więc obie grupy COOH są oddzielone tylko dwoma atomami węgla połączonymi podwójnym wiązaniem, C = C.

Można powiedzieć, że struktura kwasu fumarowego ma geometrię liniową. To dlatego, że wszystkie atomy jej szkielet węglan Posiadane sp ² hybrydyzacji , a zatem reszta w tej samej płaszczyźnie, w uzupełnieniu do dwóch centralnych atomów wodoru (dwa białe kulki, jeden skierowany do góry, a drugi skierowany w dół ).

Jedynymi dwoma atomami, które wystają z tej płaszczyzny (i pod nielicznymi stromymi kątami), są dwa kwasowe protony grup COOH (białe kule po bokach). Gdy kwas fumarowy jest całkowicie deprotonowany, uzyskuje dwa ładunki ujemne, które rezonują na jego końcach, stając się w ten sposób anionem dwuzasadowym.

Izomeria geometryczna

Struktura kwasu fumarowego ma izomerię trans (lub E). Znajduje się to we względnych położeniach przestrzennych podstawników wiązania podwójnego. Dwa małe atomy wodoru skierowane są w przeciwnych kierunkach, podobnie jak dwie grupy COOH.

To daje kwasowi fumarowemu szkielet „zygzakowaty”. Podczas gdy inny izomer geometryczny, cis (lub Z), który jest niczym innym jak kwasem maleinowym, ma zakrzywiony szkielet w kształcie litery „C”. Ta krzywizna jest wynikiem przedniego spotkania dwóch grup COOH i dwóch H w tej samej orientacji:

Źródło: By Ninomy, z Wikimedia Commons

Fizyczne i chemiczne właściwości

Formuła molekularna

C ₄ H ₄ O ₄ .

Waga molekularna

116,072 g / mol.

Wygląd fizyczny

Bezbarwne krystaliczne ciało stałe. Kryształy są jednoskośne, w kształcie igieł.

Biały krystaliczny proszek lub granulki.

Zapach

Toaleta.

Smak

Owoc cytrusowy.

Temperatura wrzenia

329 ° F przy ciśnieniu 1,7 mmmHg (522 ° C). Sublimuje w temperaturze 200 ° C (392 ° F) i rozkłada się w temperaturze 287 ° C.

Temperatura topnienia

572 ° F do 576 ° F (287 ° C).

Temperatura zapłonu

273º C (otwarte szkło). 230º C (zamknięte szkło).

Rozpuszczalność w wodzie

7 000 mg / l przy 25ºC.

Rozpuszczalność w innych cieczach

-Rozpuszczalny w etanolu i stężonym kwasie siarkowym. Z etanolem może tworzyć wiązania wodorowe i, w przeciwieństwie do cząsteczek wody, te z etanolu oddziałują z większym powinowactwem z organicznym szkieletem jego struktury.

-Słabo rozpuszczalny w estru etylowym i acetonie.

Gęstość

1,635 g / cm ³ przy 68º F 1635 g / cm ³ przy 20º C

Ciśnienie pary

1,54 x ^10-4 mmHg przy 25ºC.

Stabilność

Jest stabilny, chociaż ulega rozkładowi przez mikroorganizmy tlenowe i beztlenowe.

Gdy kwas fumarowy jest podgrzewany w zamkniętym pojemniku z wodą o temperaturze od 150 ° C do 170 ° C, powstaje kwas DL-jabłkowy.

Samozapłon

1,634 ° F (375 ° C).

Ciepło spalania

2760 kcal / g.

pH

3,0-3,2 (roztwór 0,05% w 25 ° C). Wartość ta zależy od stopnia dysocjacji dwóch protonów, ponieważ jest to kwas dikarboksylowy, a zatem diprotyczny.

Rozkład

Rozkłada się podczas ogrzewania, wytwarzając korozyjny gaz. Gwałtownie reaguje z silnymi utleniaczami, tworząc palne i toksyczne gazy, które mogą spowodować pożar, a nawet wybuchy.

Przy częściowym spalaniu kwas fumarowy przekształca się w drażniący bezwodnik maleinowy.

Aplikacje

W jedzeniu

-Stosowany jest jako środek zakwaszający w żywności, pełniący funkcję regulującą kwasowość. W tym celu może również zastąpić kwas winowy i kwas cytrynowy. Ponadto jest stosowany jako środek konserwujący żywność.

-W przemyśle spożywczym kwas fumarowy jest stosowany jako środek zakwaszający, stosowany do napojów bezalkoholowych, win w stylu zachodnim, zimnych napojów, koncentratów soków owocowych, owoców w puszkach, marynat, lodów i napojów bezalkoholowych.

-Kwas fumarowy jest stosowany w codziennych napojach, takich jak mleko czekoladowe, ajerkoniak, kakao i mleko skondensowane. Kwas fumarowy jest również dodawany do serów, w tym serów topionych i substytutów sera.

-Desery takie jak budyń, jogurt smakowy i sorbety mogą zawierać kwas fumarowy. Ten kwas może konserwować jajka i desery na bazie jajek, takie jak budyń.

Dodatkowe zastosowania w przemyśle spożywczym

-Kwas fumarowy pomaga stabilizować i aromatyzować żywność. Boczek i konserwy również zawierają ten związek.

-Jego użycie w połączeniu z benzoesanami i kwasem borowym jest przydatne w zapobieganiu degradacji mięsa, ryb i skorupiaków.

-Posiada właściwości przeciwutleniające, dlatego był używany do konserwacji masła, serów i mleka w proszku.

- Ułatwia obróbkę ciasta mącznego, ułatwiając jego obróbkę.

-Z powodzeniem stosowany w diecie świń w zakresie przyrostu masy ciała, poprawy czynności trawiennych i redukcji bakterii chorobotwórczych w układzie pokarmowym.

W produkcji żywic

-Kwas fumarowy stosowany jest do produkcji nienasyconych żywic poliestrowych. Żywica ta ma doskonałą odporność na korozję chemiczną i odporność na ciepło. Dodatkowo znajduje zastosowanie w produkcji żywic alkidowych, żywic fenolowych oraz elastomerów (kauczuków).

- Kopolimer kwasu fumarowego i octanu winylu jest formą wysokiej jakości kleju. Kopolimer kwasu fumarowego ze styrenem jest surowcem do produkcji włókien szklanych.

- Służy do produkcji alkoholi wielowodorotlenowych oraz jako zaprawa barwników.

W medycynie

-Fumaran sodu może reagować z siarczanem żelazawym, tworząc żel fumaranowy żelaza, dając początek lekowi o nazwie Fersamal. Jest to również stosowane w leczeniu niedokrwistości u dzieci.

-Ester dimetylofumaranu był stosowany w leczeniu stwardnienia rozsianego, powodując w ten sposób zmniejszenie postępu niepełnosprawności.

-W leczeniu łuszczycy stosowano różne estry kwasu fumarowego. Związki kwasu fumarowego wywierałyby swoje działanie terapeutyczne poprzez swoje właściwości immunomodulacyjne i immunosupresyjne.

-Roślina Fumaria officinalis naturalnie zawiera kwas fumarowy i była stosowana od dziesięcioleci w leczeniu łuszczycy.

Jednak u pacjenta leczonego kwasem fumarowym z powodu łuszczycy obserwowano niewydolność nerek, zaburzenia czynności wątroby, objawy żołądkowo-jelitowe i uderzenia gorąca. Zaburzenie zdiagnozowano jako ostrą martwicę cewek kanalikowych.

Eksperymenty z tym związkiem

-W eksperymencie przeprowadzonym na ludziach, którym podawano 8 mg kwasu fumarowego dziennie przez rok, żaden z uczestników nie wykazał uszkodzenia wątroby.

-Kwas fumarowy był stosowany do hamowania nowotworów wątroby wywołanych tiocetamidem u myszy.

-Stosowano go u myszy leczonych mitomycyną C. Lek ten powoduje zaburzenia czynności wątroby, składające się z różnych zmian cytologicznych, takich jak nieregularność okołojądrowa, agregacja chromatyny i nieprawidłowe organelle cytoplazmatyczne. Również kwas fumarowy zmniejsza częstość występowania tych zmian.

-W eksperymentach na szczurach kwas fumarowy wykazał zdolność hamowania rozwoju brodawczaka przełyku, glejaka mózgu i guzów mezenchymalnych nerek.

-Istnieją eksperymenty, które pokazują odwrotny wpływ kwasu fumarowego w stosunku do guzów nowotworowych. Niedawno zidentyfikowano go jako onkometabolit lub endogenny metabolit, który może powodować raka. W guzach i płynie wokół guza występuje wysoki poziom kwasu fumarowego.

Ryzyka

-W kontakcie z oczami proszek kwasu fumarowego może powodować podrażnienie objawiające się zaczerwienieniem, łzawieniem i bólem.

-W kontakcie ze skórą może powodować podrażnienia i zaczerwienienia.

-Jego wdychanie może podrażniać błonę śluzową nosa, krtani i gardła. Może również powodować kaszel lub duszność.

-Z drugiej strony kwas fumarowy nie wykazuje toksyczności po spożyciu.

Bibliografia

1. Steven A. Hardinger. (2017). Ilustrowany słownik chemii organicznej: kwas fumarowy. Zaczerpnięte z: chem.ucla.edu
2. Grupa Transmerquim. (Sierpień 2014). Kwas fumarowy. . Zaczerpnięte z: gtm.net
3. Wikipedia. (2018). Kwas fumarowy. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org/wiki/Fumaric_acid
4. PubChem. (2018). Kwas fumarowy. Zaczerpnięte z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2015). Kwas fumarowy. Zaczerpnięte z: chemspider.com
6. ChemicalBook. (2017). Kwas fumarowy. Zaczerpnięte z: chemicalbook.com