Янтарная кислота

Янта́рная кислота́, бутандио́вая кислота, химическая формула — C₄H₆O₄ или НООС−СН₂−СН₂−СООН — cлабая органическая кислота, двухосновная карбоновая кислота.

При стандартных условиях сухая янтарная кислота — бесцветное кристаллическое вещество без запаха.

Соли и эфиры янтарной кислоты называются сукцина́тами (от лат. succinum — «янта́рь»).

Согласно перечням Министерства энергетики США (2004, 2009 годы), данное вещество входит в число ведущих платформенных химикатов, получаемых из биомассы^[2].

Впервые янтарная кислота была получена Р. Агриколой в 1550 году перегонкой янтаря^[3].

В 2009 году совместное предприятие компаний USDNP Green Technology и ARD (Agroindustrie Recherches et Développements) запустило первую установку промышленного масштаба по выпуску биоянтарной кислоты (BioSA). Технологический процесс использовал полученную из пшеницы глюкозу в качестве возобновляемого источника энергии^[4].

Янтарная кислота представляет собой белые кристаллы, обладающие слабокислым и слегка солоновато-горьким привкусом^[5]. Является низкомолекулярным метаболитом^[6].

Температура плавления 183 °C. Температура кипения 235 °C. Выше 235 °C отщепляет Н₂О и переходит в янтарный ангидрид. Янтарная кислота легко возгоняется при 130—140 °С. Растворимость в воде (в 100 г воды): 2.7 г (при 0 °С), 6,8 г (при 20 °С), 121 г (при 100 °С). Также растворяется в этиловом спирте: 9,9 г (5 °С); в диэтиловом эфире — 1,2 г (15 °С). Нерастворима кислота в бензоле, бензине и хлороформе. Константы диссоциации таковы: К_а1 = 7,4⋅10⁻⁵, К_а2 = 4,5⋅10⁻⁶.

Метиленовые группы янтарной кислоты обладают высокой реакционной способностью, что связано с влиянием карбоксильных групп. При бромировании янтарная кислота даёт дибромянтарную кислоту HOOC−(CHBr)₂−COOH. Диэфиры янтарной кислоты конденсируются с кетонами (конденсация Штоббе) и с альдегидами.

С аммиаком и аминами янтарная кислота образует сукцинимид и его N-замещённые аналоги (R−H, алкильная или арильная группа). Моно- и диамиды янтарной кислоты, получаемые с ароматическими и гетероциклическими аминами, применяют для синтеза некоторых красителей, инсектицидов и лекарственных веществ.

Янтарная кислота и её ангидрид легко вступают в реакцию Фриделя — Крафтса с ароматическими соединениями (так называемое сукцинилирование), образуя производные 4-арил-4-кетомасляной кислоты.

Существует два основных пути синтеза янтарной кислоты: нефтехимический и биотехнологический. Янтарную кислоту получают при производстве адипиновой кислоты, где она является побочным продуктом. Другой способ промышленного получения — из смеси кислот, образующихся при окислении углеводородов от бутана до декана (алканов С₄–С₁₀). Также в промышленности её извлекают из отходов янтаря^[7].

Янтарная кислота может быть получена окислением фурфурола пероксидом водорода или в два этапа — гидрирование малеинового ангидрида с последующей гидратацией^[7].

В промышленности янтарную кислоту получают главным образом гидрированием малеинового ангидрида.

Интерес к получению из возобновляемых источников возрос в связи с увеличением цен на нефть и возможностью переработки янтарной кислоты в востребованные промышленные химикаты, такие как 1,4-бутандиол и органические растворители. Янтарная кислота является промежуточным продуктом биохимических путей и вырабатывается многими микроорганизмами, например, в процессе спиртового брожения дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Для коммерческого использования потребовалось выведение штаммов, накапливающих продукт в концентрациях, обеспечивающих экономическую эффективность. Первым микроорганизмом с таким потенциалом стал Anaerobiospirillum succiniciproducens, открытый Мичиганским биотехнологическим институтом^[8].

Биологическое производство представляет собой «зеленую» альтернативу, основанную на микробной ферментации гексозных и пентозных сахаров из возобновляемой биомассы. Данный подход позволяет снизить выбросы парниковых газов более чем на 60 % по сравнению с нефтехимическим методом (0,88 кг CO2-эквивалента на 1 кг продукции при использовании глюкозы). Технология способствует связыванию атмосферного углекислого газа, так как CO2 используется в качестве ко-субстрата в восстановительных путях биосинтеза^[2].

К естественным продуцентам янтарной кислоты относятся преимущественно прокариоты из родов Actinobacillus, Mannheimia, Anaerobiospirillum, Basfia, Corynebacterium и Bacteroides. Многие из этих микроорганизмов выделены из рубца крупного рогатого скота, где янтарная кислота служит предшественником пропионовой кислоты. Нативные продуценты используют восстановительный путь ЦТК, эффективно фиксируют CO2 и функционируют в анаэробных условиях при значениях pH, близких к нейтральным^[2].

Для получения янтарной кислоты используются метаболически модифицированные микроорганизмы, включая Actinobacillus succinogenes, Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Basfia succiniciproducens, Saccharomyces cerevisiae и Yarrowia lipolytica. Бактерия Mannheimia succiniciproducens, являющаяся естественным продуцентом янтарной кислоты, отличается высокой производительностью в анаэробных условиях^[9].

Янтарная кислота участвует в процессе клеточного дыхания кислорододышащих организмов — в цикле трикарбоновых кислот.

Летальные дозы (LD₅₀): орально — 2,26 г/кг (крысы), внутривенно — 1,4 г/кг (мыши)^[10].

ПДК янтарной кислоты в воде водоёмов — 0,01 мг/л^[7].

Янтарную кислоту используют для получения алкидных смол, сукцинатов, фотоматериалов, красителей и лекарственных веществ^[7].

Янтарная кислота используется в аналитической химии, а также в химическом синтезе для получения пластмасс, смол, полимеров (полибутиленсукцинат, сложные полиэфирные полиолы) и лакокрасочных покрытий^[2]. Посредством хемокатализа кислота трансформируется в ценные химические соединения, такие как 1,4-бутандиол, тетрагидрофуран, сукцинимид и 2-пирролидон. Производные вещества используются при создании «зеленых» растворителей, поверхностно-активных веществ, детергентов, парфюмерии, биоразлагаемых полимеров и пластификаторов^[2].

Крупнейшим рынком сбыта для био-янтарной кислоты является производство 1,4-бутандиола (BDO). Данное вещество используется как промышленный растворитель и сырье для синтеза гамма-бутиролактона (GBL), тетрагидрофурана (THF), 2-пирролидона (2-P) и N-метил-2-пирролидона (NMP). В сочетании с янтарной кислотой BDO применяется для изготовления биоразлагаемых пластиков: полибутиленсукцината (PBS) и поли(бутиленсукцинат-ко-бутилентерефталата)^[8].

В пищевой промышленности янтарная кислота известна под индексом E363, используется в качестве регулятора кислотности (подкислителя)^[5], ароматизатора и подсластителя^[2].

Янтарная кислота содержится в небольших количествах во многих растениях, в буром угле, природных смолах и янтаре^[7].

Янтарная кислота стимулирует рост разных растений и цыплят, ускоряет рост бактерий^[11].

Некоторые эфиры янтарной кислоты используют в пищевой и парфюмерной промышленности^[7]:

• диэтилсукцинат — ароматизатор для пищевых продуктов и парфюмерных композиций, он придаёт запах цветов и обладает свойствами пластификатора;
• моноамиды и диамиды янтарной кислоты с ароматическими и гетероциклическими аминами применяют в производстве красителей и инсектицидов.

Янтарная кислота, входящая в состав корневых экссудатов, выступает важным регулятором роста растений и модулятором микробиома ризосферы. Она способствует развитию полезных микробных популяций и подавляет пролиферацию патогенов, индуцируя биосинтез метаболитов, повышающих устойчивость растений к болезням. Предполагается, что янтарная кислота действует как сигнальная молекула, обеспечивающая связь между растением-хозяином и микроорганизмами. Механизм влияния вещества на микробы, метаболиты и их взаимодействие в почве до конца не изучен^[6].

В исследовании устойчивости томатов к бактериальному увяданию, вызываемому Ralstonia solanacearum, оценка 23 корневых экссудатов выявила высокую эффективность янтарной кислоты, снизившей индекс заболевания до нуля^[12].

В лекарственных препаратах янтарная кислота применяется в качестве активного вещества как метаболическое средство, улучшающее метаболизм и энергообеспечение тканей, уменьшающее гипоксию тканей^[13].

Инъекции смеси сукцината и гиалуроновой кислоты применяются в омолаживающей процедуре редермализации^[14], для биостимуляции кожи и коррекции возрастных изменений дермы и гиподермы^[15]. На клеточном уровне вещество регулирует экспрессию генов в стареющих фибробластах, подавляя секреторный фенотип, ассоциированный со старением (SASP), и снижая выработку провоспалительных цитокинов и металлопротеиназ. Сукцинат стимулирует митохондриальный биогенез, а в комплексе с гиалуроновой кислотой индуцирует процесс митофагии, обеспечивающий утилизацию поврежденных митохондрий^[15].

Янтарная кислота рассматривается как потенциальный противоопухолевый агент. Исследования демонстрируют способность вещества (как самостоятельно, так и в комбинации с клиническими препаратами) ингибировать пролиферацию опухолевых клеток и индуцировать апоптоз. Противоопухолевая активность янтарной кислоты in vitro выявлена в отношении клеток рака эндометрия, лейкемии и рака почки^[16].

Янтарная кислота широко используется в качестве буферного агента в различных биологических препаратах, обеспечивая стабильность pH для поддержания эффективности активных веществ. Её применяют в инъекционных биологических препаратах, вакцинах, лиофилизированных продуктах, а также в топических и пероральных биологических формах, где критически важно поддержание определенного pH для сохранения стабильности, биодоступности и иммуногенности действующих веществ^[17].

В 1990 году мировой объем производства янтарной кислоты оценивался в 16 000–18 000 метрических тонн^[8], в 2016 году составлял около 50 000 тонн^[18].

Коммерческий выпуск янтарной кислоты на биологической основе в настоящее время осуществляют четыре компании: BioAmber, Myriant, Reverdia и Succinity. Данные производители сотрудничают с рядом других организаций в целях разработки новых технологий получения янтарной кислоты и её производных^[8].

Рынок биогенной янтарной кислоты демонстрирует рост: прогнозируется, что к 2030 году его объем достигнет 900 миллионов долларов США при среднегодовом темпе роста 19,6 %. Однако развитию рынка препятствует более высокая стоимость биогенного продукта (2,94 доллара США/кг) по сравнению с аналогом, полученным из ископаемого сырья (2,5 доллара США/кг). Конкурентоспособность биометода может быть повышена за счет использования дешевых природных биоресурсов^[2].

• Магдесиева Н. Н. Янтарная кислота // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — 783 с. — 10 000 экз. — ISBN 5-85270-310-9.
• Горбов А. И. Янтарная кислота и ее гомологи // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Рабинович, В. А. Краткий химический справочник / В. А. Рабинович, З. Я. Хавин. — 2-е изд., испр. и доп. — Л. : Химия, 1978. — С. 201–202, 240. — 392 с. : 114 табл., 19 рис. — 230 000 экз. — УДК 54(031).
• Балуева, Г. А. Кислота из янтаря // Химия и Жизнь : журн. — 1983. — № 11. — С. 58–61.