کاربرد اسید استیک در صنایع شیمیایی و دارویی

مقدمه

اسید استیک یک اسید کربوکسیلیک ساده با فرمول CH₃COOH است که به عنوان جزء اصلی سرکه شناخته می شود. با این حال، این ماده در صنایع شیمیایی و داروسازی مدرن یکی از مهم ترین ماده محسوب می شود. این مایع شفاف با بوی تند و تُرش سالانه در ابعاد میلیون ها تن تولید می گردد و به عنوان سنگ بنای بنیادی برای بی شمار محصول خدمت می کند. از تولید پلیمر ها، حلال ها و منسوجات گرفته تا سنتز داروهای نجات بخشی مانند آسپیرین، کاربردهای متنوع اسید استیک نقش حیاتی آن را برجسته می سازد. در بخش شیمیایی و تولید دارو، واکنش پذیری و سازگاری بالای آن این ماده را به ماده ای بسیار ارزشمند تبدیل کرده است. بخش های زیر به بررسی موارد استفاده گسترده اسید استیک در حوزه های صنعتی و دارویی می پردازد و روشن می کند چرا این ماده همچنان یک ماده شیمیایی صنعتی بسیار مهم به شمار می آید.

ساختار شیمیایی و خواص اسید استیک

اسید استیک دارای فرمول شیمیایی CH₃COOH بوده و در خانواده اسیدهای کربوکسیلیک قرار می گیرد. نام دیگر آن اتانوئیک اسید است و در شکل خالص و غلیظ (با خلوص ۹۹ تا ۱۰۰٪) به دلیل تمایل به تشکیل بلورهای یخی شکل در دمای پایین تر، به آن اسید استیک گلاسیال گفته می شود. این مایع بی رنگ با بوی تند و مزه ای ترش و خورنده، یک اسید ضعیف محسوب می شود (با ثابت تفکیک اسیدی در حدود ۴٫۸)؛ یعنی در آب به طور کامل یونیزه نمی شود اما می تواند جریان الکتریکی را هدایت کند و با بازها واکنش داده و نمک های استات تشکیل دهد. اسید استیک به طور کامل در آب و بسیاری حلال های آلی حل می شود که خود آن را به یک حلال همه کاره تبدیل کرده است. این ویژگی ها اسید استیک را هم به عنوان یک حلال و هم یک واکنش گر مفید می کنند؛ برای نمونه، توانایی آن در واگذاری گروه استیل (CH₃CO-) در بسیاری واکنش های شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. از نظر شیمیایی، این اسید به راحتی واکنش های معمول اسیدهای کربوکسیلیک را انجام می دهد، مانند تشکیل استرها، آمیدها و اسید کلریدها که اهمیت آن را به عنوان یک واکنش گر پایه به نمایش می گذارد.

روش های تولید صنعتی اسید استیک

اسید استیک در مقیاس بزرگ به دو طریق تولید می شود: سنتز شیمیایی و تخمیر باکتریایی. روش های مدرن اصلی برای این منظور شامل فرآیند مونسانتو و نسخه بهبودیافته آن (کاتیوا) می باشد که در آن متانول و مونوکسید کربن در حضور یک کاتالیزگر فلزی (معمولاً کمپلکس های رودیوم یا ایریدیوم) واکنش داده و با بازده بالا اسید استیک تولید می کنند. این روش کاتالیستی حدود ۷۵٪ تولید جهانی را به خود اختصاص داده است و اسید استیک را به یک محصول پتروشیمیایی مهم تبدیل کرده است. روش دیگر، تولید زیستی از طریق تخمیر است: باکتری های تولیدکننده اسید استیک (مانند استوباکتر) اتانول را در حضور اکسیژن به اسید استیک اکسید می کنند که حاصل آن سرکه است. هرچند تخمیر برای تولید سرکه خوراکی ضروری است، اما تنها حدود ۱۰٪ از کل اسید استیک مصرفی صنعت را تأمین می کند، زیرا مسیرهای سنتزی برای تولید انبوه مقرون به صرفه تر هستند. در گذشته فرآیندهای دیگری از جمله اکسیداسیون استالدئید یا بوتان نیز به کار گرفته شدند ولی امروزه تا حد زیادی کنار گذاشته شده اند. تولید جهانی اسید استیک در سال های اخیر به حدود ۱۸ میلیون تن در سال رسیده است که نشان دهنده رشد پیوسته برای پاسخگویی به تقاضای صنایع مختلف می باشد. در همین راستا شرکت‌ های داخلی نیز با بهره‌ گیری از فناوری‌ های نوین در این عرصه فعال هستند و خرید اسید استیک فناوران به عنوان یکی از محصولات باکیفیت داخلی، پاسخ‌ گوی بخش مهمی از نیاز صنایع شیمیایی کشور است.

اسید استیک به عنوان یک ماده پایه همه کاره

اهمیت واقعی اسید استیک در نقش پیش ماده برای طیف قابل توجهی از مواد شیمیایی نهفته است. در صنعت شیمیایی از این ماده به عنوان یک ماده پایه استفاده می شود که بسیاری محصولات مهم از آن مشتق می شوند. بزرگ ترین مصرف منفرد اسید استیک در تولید مونومر وینیل استات (VAM) است که پلیمریزه شده و پلی وینیل استات برای چسب ها، رنگ ها و پوشش ها را ایجاد می کند. مشتق عمده دیگر، انیدرید استیک است که یک عامل استیلاسیون بوده و برای تولید سلولز استات (جهت الیاف و فیلم) و همچنین مواد شیمیایی مختلف از جمله مواد دارویی به کار می رود. بخش قابل توجهی از اسید استیک نیز به حلال های استری نظیر اتیل استات و بوتیل استات تبدیل می شود که به طور گسترده در رنگ ها، جوهر ها و پوشش ها مصرف می گردند. علاوه بر این خود اسید استیک به عنوان حلال در فرآیندهایی مانند تولید اسید ترفتالیک خالص ماده اولیه پلاستیک PET مورد استفاده قرار می گیرد. در کنار این‌ ها، استفاده از اسید استیک در صنایع غذایی (به صورت سرکه) نیز رایج است و به عنوان عامل طعم‌ دهنده، نگهدارنده طبیعی و تنظیم‌ کننده اسیدیته در بسیاری از محصولات غذایی به کار می‌ رود. همچنین مقادیر کوچکتری از این ماده در صنایع نساجی (برای فرآیندهای رنگرزی) و دیگر حوزه‌ های صنعتی کاربرد دارند. جدول زیر برخی از کاربردهای کلیدی و مشتقات حاصل از اسید استیک را نشان می‌دهد که گستردگی موارد استفاده آن را در صنایع شیمیایی، دارویی و غذایی آشکار می‌سازد.

انیدرید استیک و کاربردهای استیلاسیون

انیدرید استیک یکی از مهم ترین مواد شیمیایی مشتق شده از اسید استیک است. این ماده از آب زدایی دو مولکول اسید استیک (معمولاً از طریق فرآیند تولید کتن در دمای بالا) حاصل می شود و خود نوعی انیدرید اسید است. انیدرید استیک یک عامل استیله کردن قوی است، به این معنی که می تواند گروه استیل را به سایر ترکیبات منتقل کند. این ویژگی به طور گسترده در تولید سلولز استات به کار می رود؛ سلولز استات ماده ای است که برای ساخت الیاف (مانند ابریشم مصنوعی استات) و فیلم های عکاسی و فیلتر سیگار استفاده می شود. در صنعت داروسازی نیز از انیدرید استیک برای استیله کردن ترکیبات استفاده می شود؛ نمونه مشهور آن سنتز اسید استیل سالیسیلیک (آسپیرین) از اسید سالیسیلیک است. به این ترتیب انیدرید استیک پلی میان اسید استیک و بسیاری محصولات با ارزش دیگر ایجاد می کند. با توجه به این کاربردها، حدود یک چهارم کل اسید استیک جهان صرف تولید انیدرید استیک می شوند. این مشتق به خوبی نشان می دهد که چگونه اسید استیک امکان تولید سایر مواد ضروری در صنایع شیمیایی و دارویی را فراهم می کند.

تولید استرهای حلال از اسید استیک

یکی دیگر از کاربردهای عمده اسید استیک در صنعت شیمیایی، تولید استرهای حلال است. طی واکنش استری شدن، با ترکیب اسید استیک با الکل های مختلف، حلال های مفیدی مانند اتیل استات، ان بوتیل استات و ایزو بوتیل استات تولید می شوند. اتیل استات، که از واکنش اسید استیک و اتانول تشکیل می شود، به خصوص به عنوان یک حلال با سرعت تبخیر بالا در رنگ ها، پوشش ها، چسب ها و جوهر های چاپ اهمیت دارد. به طور مشابه، بوتیل استات (حاصل واکنش با بوتانول) نیز به عنوان حلال در فرمولاسیون لاک ها و رنگ ها به کار می رود. این استرهای استات به دلیل قدرت حلالیت مناسب و سمیت و بوی نسبتاً پایین تر در مقایسه با برخی حلال های دیگر ارزشمند هستند. صنایع برای کاربردهایی از لاک ناخن و عطرسازی گرفته تا پوشش های صنعتی به آن ها متکی هستند. بخش قابل توجهی از تولید اسید استیک جهان (برآورد می شود حدود ۱۵ تا ۲۰٪) صرف ساخت چنین استرها و حلال های مرتبط می گردد که نقش اسید استیک را در حوزه حلال های صنعتی برجسته می کند.

کاربردهای اسید استیک در صنایع پلیمر و پلاستیک

در بخش پلیمر ها و پلاستیک ها، اسید استیک نقشی غیرمستقیم اما اساسی ایفا می کند. نمونه بارز آن استفاده از این اسید در تولید مونومر وینیل استات (VAM) است که سپس به پلی وینیل استات و پلی وینیل الکل پلیمره می شود. این پلیمرها پایه بسیاری از چسب ها (مانند چسب سفید) و پوشش ها هستند و این واقعیت را نشان می دهد که اسید استیک چگونه به صنعت چسب ها کمک می کند. علاوه بر این اسید استیک در تولید پلاستیک پلی اتیلن ترفتالات (PET) نیز نقش محوری دارد، از طریق نقشی که در سنتز اسید ترفتالیک خالص (PTA) ایفا می کند. در فرآیند رایج تولید PTA از پارازایلن، اسید استیک به عنوان حلال و حامل کاتالیزگر به کار می رود؛ پس از انجام اکسایش، PTA به دست می آید و اسید استیک بازیابی و دوباره مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین هرچند اسید استیک در محصول نهایی پلاستیکی حضور ندارد، اما در مرحله فرایندی تولید PET ضروری است؛ PET برای تولید الیاف (الیاف پلی استر) و بطری های پلاستیکی به کار می رود. مشارکت اسید استیک در ایجاد پیش ماده های پلیمری و واسطه های فرایندی نشان دهنده اهمیت آن در حوزه ساخت مواد است.

کاربردهای اسید استیک در صنعت نساجی و رنگرزی

در صنعت نساجی از اسید استیک به طور گسترده در فرایند های رنگرزی و تکمیل پارچه استفاده می شود. بسیاری از پارچه ها با رنگ هایی رنگ آمیزی می شوند که نیاز به pH اسیدی مشخصی برای اتصال مناسب به الیاف دارند؛ برای این منظور، اسید استیک به وان رنگ اضافه می شود تا به عنوان یک عامل اسیدی کننده ملایم عمل کرده و pH ایده آل برای جذب رنگ را فراهم کند. با کاهش کنترل شده pH به کمک اسید استیک، رنگ ها بهتر روی الیاف تثبیت شده و ثبات رنگ بهبود می یابد و از خونریزی رنگ در شستشو جلوگیری می شود. این اسید به ویژه همراه با رنگ های راکتیو و اسیدی در مواد مختلفی مانند پنبه، پشم یا ابریشم به کار می رود. علاوه بر رنگرزی، فرآوری کنندگان نساجی برای تمیز کردن و آماده سازی پارچه ها نیز از اسید استیک بهره می گیرند؛ به عنوان مثال پس از شستشو و صابونی کردن، استفاده از اسید استیک باقی مانده های قلیایی یا صابون را حذف کرده و اطمینان می دهد که پارچه ها pH مناسب برای مراحل بعدی دارند. در چاپ روی پارچه نیز ممکن است از اسید استیک در خمیر چاپ یا به عنوان پیش تیمار استفاده شود تا با تنظیم pH ، جذب رنگدانه ها یا جوهر ها بر سطح پارچه تقویت گردد. نقش اسید استیک به عنوان یک اسید ملایم و آسان مصرف در تولید منسوجات با کیفیت و رنگ پایدار بسیار ارزشمند است.

صنعت غذا و تولید سرکه

اسید استیک به شکل سرکه به مدت هزاران سال برای حفظ و طعم دهی غذاها استفاده شده است. سرکه در اصل یک محلول رقیق اسید استیک (معمولاً حدود ۴ تا ۸ درصد) است که از تخمیر مایعات الکلی (مانند شراب، سیب یا مالت) توسط باکتری های استوباکتر تولید می شود. در صنعت غذا، این اسید تولید شده به روش طبیعی به عنوان یک نگهدارنده عمل می کند زیرا اسیدیته آن جلوی رشد بسیاری از میکروب های فاسد کننده را می گیرد. سرکه امکان ترشی انداختن سبزیجات را فراهم کرده و ماندگاری انواع چاشنی ها، سس ها و مواد غذایی کنسروی را افزایش می دهد. مزه تند و ترش سرکه نیز آن را به یک طعم دهنده محبوب در آشپزی و آماده سازی غذا در سراسر جهان تبدیل کرده است. اسید استیک به عنوان یک افزودنی غذایی ایمن شناخته می شود در برخی استانداردها با کد E260 مشخص می شود. با افزایش علاقه مصرف کنندگان به نگهدارنده های طبیعی، سرکه و مشتقات اسید استیک همچنان در بخش غذایی اهمیت زیادی دارند. هرچند تنها بخش کوچکی از اسید استیک تولید شده در سطح جهان نسبت به مصارف صنعتی صرف تولید سرکه می شود، اما تأثیر آن بر روش های نگهداری مواد غذایی عظیم و دیرینه است.

اسید استیک در سنتز داروها در صنعت داروسازی

در صنعت داروسازی اسید استیک نقشی اساسی در سنتز بسیاری از ترکیبات دارویی فعال API ها دارد. نمونه کلیدی این موضوع تولید آسپیرین (اسید استیل سالیسیلیک) است: در این فرآیند، اسید سالیسیلیک با استفاده از انیدرید استیک (مشتق شده از اسید استیک) استیله شده و آسپیرین تشکیل می گردد؛ این روش بیش از یک قرن است که مورد استفاده قرار گرفته است. به طور مشابه، از اسید استیک برای تولید حدواسط های استیله شده یا وارد کردن گروه های استیل در بسیاری از مولکول های دارویی استفاده می شود که بر ویژگی های فارماکولوژیک آن ها تأثیر می گذارد. برای مثال در سنتز پاراستامول (استامینوفن)، از انیدرید استیک برای استیله کردن یک پیش ماده آمینی استفاده می شود. علاوه بر واکنش های شیمیایی مستقیم در برخی تخمیرهای تولید آنتی بیوتیک نیز از مشتقات اسید استیک استفاده می شود؛ به عنوان نمونه در تولید پنی سیلین، افزودن پیش ماده های آسیل خاص (مرتبط با اسید استیک) به محیط کشت، بازده آنتی بیوتیک مطلوب را افزایش می دهد. فراگیری واکنش های استیلاسیون در شیمی دارویی به این معناست که اسید استیک (معمولاً به شکل مشتقاتی مانند انیدرید یا استیل کلرید) در فرآیند تولید داروها حضوری مستمر دارد. این ماده به عنوان منبعی ارزان و مؤثر برای گروه های استیل عمل می کند و آن را در سنتز های دارویی بی بدیل ساخته است.

نقش اسید استیک به عنوان اکسپیانت در داروسازی و محصولات آرایشی

فراتر از نقش آن در ساخت مولکول های دارویی، اسید استیک در فرمولاسیون داروها و حتی محصولات آرایشی نیز کاربرد دارد. در بسیاری از محلول های دارویی، اسید استیک به عنوان یک اسیدولانت یا جزئی از سیستم بافر به منظور تنظیم pH به محدوده پایدار و سازگار با بدن افزوده می شود. برای مثال در برخی محلول های تزریقی یا وریدی، از بافرهای استات (ترکیب اسید استیک/استات) برای حفظ pH مناسب استفاده می شود و در برخی کرم ها یا لوسیون های موضعی نیز اسید استیک گنجانده می شود تا محیط کمی اسیدی ایجاد کند که می تواند به پایداری یا جذب سایر ترکیبات کمک کند. به عنوان یک اکسپیانت (ماده کمکی)، این اسید کمک می کند داروها اسیدیته صحیح برای اثربخشی و ماندگاری مناسب داشته باشند. در حوزه محصولات بهداشتی و آرایشی، گاه از اسید استیک برای تنظیم pH و به عنوان ماده پوشاننده بو استفاده می شود. بوی شدید آن در مقادیر بسیار کم در متعادل کردن رایحه های بیش از حد شیرین در عطرها موثر است و تن تند و تیزی به آن ها می بخشد. علاوه بر این مشتقاتی مانند سرکه سیب در محصولات آرایشی و سلامتی (از محلول های شستشوی مو گرفته تا تونر های پوستی) محبوبیت پیدا کرده اند، چرا که تصور می شود مزایای طبیعی دارند. در مجموع توانایی اسید استیک در اصلاح ایمن pH و ایفای نقش نگهدارنده ملایم، دلیل استفاده از آن به عنوان افزودنی در فرمولاسیون های دارویی و آرایشی است.

کاربردهای پزشکی و ضدعفونی اسید استیک

در پزشکی نیز اسید استیک کاربردهای مستقیمی به عنوان عامل درمانی یا تشخیصی دارد. محلول های رقیق اسید استیک (حدود ۱٪ تا ۵٪) به خوبی به خاصیت ضد میکروبی آن شناخته شده اند. شستشوی زخم با محلول ۱٪ اسید استیک می تواند به عنوان یک آنتی سپتیک طیف گسترده برای پاکسازی زخم ها یا سوختگی ها عمل کند و در برابر بسیاری از باکتری ها از جمله سویه های سودوموناس که در برابر بعضی آنتی بیوتیک ها مقاومند مؤثر است. در علم گوش و حلق و بینی، از قطره های گوش حاوی اسید استیک (معمولاً محلول ۲٪) برای درمان عفونت های کانال خارجی گوش مانند گوش شناگر استفاده می شود؛ مکانیزم آن ایجاد یک محیط اسیدی در کانال گوش است که رشد باکتری ها و قارچ ها را مهار می کند. اسید استیک همچنین در غربالگری سرطان دهانه رحم در کشورهای کم درآمد نقش دارد: در آزمونی به نام تست ویژوال با اسید استیک (VIA)، سرکه روی دهانه رحم اعمال می شود و نواحی غیرطبیعی پیش سرطانی ظرف حدود یک دقیقه به رنگ سفید در می آیند که امکان شناسایی آن ها را بدون تجهیزات گران قیمت فراهم می سازد. این کاربردهای پزشکی از خاصیت ضد عفونی و واکنش پذیر اسید استیک در غلظت های ایمن و رقیق بهره می گیرند. هرچند امروزه خود اسید استیک یک داروی وسیع الطیف مدرن به حساب نمی آید، اما به عنوان یک ابزار ساده و کم هزینه در برخی زمینه های مراقبت سلامت جایگاه ویژه ای دارد.

اهمیت اقتصادی و روندهای بازار اسید استیک

اسید استیک یک ماده پایه صنعتی با اهمیت اقتصادی قابل توجه است. تولید جهانی آن برای پاسخگویی به تقاضای صنایع پایین دستی مختلف در حال افزایش است. در حال حاضر سالانه حدود ۱۵ تا ۲۰ میلیون تن اسید استیک در جهان تولید می شود که ارزش آن در بازار جهانی به ده ها میلیارد دلار می رسد. بخش های مصرف عمده شامل تولید مونومر وینیل استات برای پلیمر ها، اسید ترفتالیک خالص برای پلاستیک ها و کاربردهای متعدد به عنوان حلال و ماده شیمیایی میانی است، به علاوه استفاده های رو به رشد در بخش های دارویی و غذایی. انتظار می رود بازار اسید استیک در سال های آینده به رشد پایدار خود ادامه دهد که محرک آن گسترش صنایع چسب، بسته بندی پلاستیک PET و داروسازی به ویژه در اقتصادهای نوظهور است. بر اساس تحلیل های صنعتی، ارزش بازار جهانی اسید استیک ممکن است طی دهه آینده از ۳۰ میلیارد دلار فراتر رود، چرا که مصرف آن افزایش می یابد. ظرفیت تولید در دست چند بازیگر اصلی متمرکز است: شرکت هایی مانند Celanese، BP Chemicals، Eastman و برخی شرکت های شیمیایی آسیایی از تولیدکنندگان پیشتاز به شمار می روند. مناطق آسیایی مانند چین هم از تولیدکنندگان بزرگ و هم از مصرف کنندگان عمده اسید استیک هستند که نقش ضروری آن را در بسیاری از زنجیره های تأمین صنعتی منعکس می کند. تقاضای پیوسته در طیف گسترده ای از صنایع باعث می شود اسید استیک همچنان جایگاه برجسته ای در بازار مواد شیمیایی داشته باشد.