Acetone là gì? Các nghiên cứu, bài báo khoa học về Acetone

Acetone là gì?

Acetone, còn được gọi là propanone, là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm ketone, có công thức phân tử $C_3H_6O$. Đây là ketone đơn giản nhất và phổ biến nhất, tồn tại ở dạng chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có mùi đặc trưng, dễ nhận biết và rất dễ cháy. Acetone được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp nhờ vào khả năng hòa tan cao, độ bay hơi nhanh và tính ổn định hóa học trong nhiều điều kiện khác nhau.

Với tên gọi IUPAC là propan-2-one, acetone là hợp chất trung gian quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, sản xuất nhựa, sơn, dược phẩm và mỹ phẩm. Ngoài ra, nó còn xuất hiện tự nhiên trong cơ thể con người như một sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa chất béo. Ứng dụng của acetone không chỉ giới hạn trong công nghiệp mà còn mở rộng sang lĩnh vực y tế, nghiên cứu và bảo quản hóa chất.

Để biết thêm chi tiết về cấu trúc và tính chất của acetone, có thể tham khảo tại PubChem - Acetone.

Cấu trúc phân tử và tính chất đặc trưng

Acetone có cấu trúc gồm ba nguyên tử carbon, sáu nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, trong đó nhóm carbonyl (C=O) nằm ở vị trí carbon giữa (carbon số 2). Cấu trúc này khiến acetone là một ketone đối xứng, có tính phân cực cao nhưng vẫn có thể hòa tan được cả các chất phân cực và không phân cực.

Tính chất vật lý

• Công thức phân tử: $C_3H_6O$
• Khối lượng mol: 58.08 g/mol
• Điểm sôi: ~56.05°C
• Điểm nóng chảy: -94.7°C
• Mật độ: 0.7845 g/cm³ ở 20°C
• Áp suất hơi: Cao, dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng
• Khả năng hòa tan: Tan hoàn toàn trong nước, ethanol, ether, chloroform và nhiều dung môi hữu cơ khác

Tính chất hóa học

• Do có nhóm carbonyl, acetone tham gia phản ứng với nucleophile như nước, alcohol, amin để tạo ra hydrate, hemiacetal hoặc imine.
• Có khả năng tạo enolate trong môi trường bazơ, dẫn đến các phản ứng aldol quan trọng trong tổng hợp hữu cơ.
• Có thể bị oxy hóa để tạo axit acetic hoặc bị khử để tạo isopropanol.

Phản ứng aldol tự ngưng tụ của acetone trong môi trường kiềm:

$2CH_3COCH_3 \xrightarrow{NaOH} CH_3COCH_2CH(OH)CH_3 \rightarrow CH_3COCH=CHCH_3 + H_2O$

Đây là một trong những phản ứng đặc trưng giúp mở rộng chuỗi carbon và tạo tiền chất cho các hợp chất hữu cơ phức tạp hơn.

Phương pháp sản xuất công nghiệp

Trong công nghiệp, acetone được sản xuất chủ yếu thông qua quy trình cumene, còn gọi là quy trình phenol-acetone. Đây là quy trình kinh tế và hiệu quả, vì cho phép sản xuất đồng thời phenol và acetone từ nguyên liệu là benzene và propylene.

1. Giai đoạn 1: Benzene phản ứng với propylene để tạo cumene (isopropylbenzene).
2. Giai đoạn 2: Cumene được oxy hóa thành hydroperoxide cumene.
3. Giai đoạn 3: Hydroperoxide bị phân hủy tạo ra acetone và phenol.

Phản ứng tổng thể:

$C_6H_5CH(CH_3)_2 + O_2 \rightarrow C_6H_5C(CH_3)_2OOH \rightarrow C_6H_5OH + (CH_3)_2CO$

Một số phương pháp sản xuất khác như oxy hóa isopropanol hoặc khử nước acetic acid cũng được sử dụng, nhưng không phổ biến bằng quy trình cumene. Tham khảo thêm tại ScienceDirect - Acetone.

Ứng dụng trong công nghiệp và đời sống

1. Dung môi trong sản xuất công nghiệp

Acetone là dung môi lý tưởng cho sơn, mực in, keo dán, nhựa epoxy, polyester và các polymer tổng hợp khác. Nhờ khả năng bay hơi nhanh, nó giúp lớp phủ khô nhanh và bám tốt trên bề mặt. Trong ngành sản xuất điện tử và linh kiện, acetone cũng được sử dụng để làm sạch bề mặt vật liệu.

2. Mỹ phẩm và sản phẩm tiêu dùng

Acetone là thành phần chính trong nhiều loại nước tẩy sơn móng tay do khả năng hòa tan tốt và bay hơi nhanh mà không để lại cặn. Nó cũng xuất hiện trong các sản phẩm tẩy rửa công nghiệp và gia dụng như chất tẩy keo, dung dịch vệ sinh kim loại. Tuy nhiên, việc sử dụng trên da và móng cần tuân theo khuyến cáo để tránh làm khô hoặc kích ứng.

3. Ngành dược và y sinh

Acetone được sử dụng trong quá trình tổng hợp và tinh chế dược phẩm như kháng sinh, thuốc giảm đau và hormone. Do độ tinh khiết cao và dễ loại bỏ sau khi sử dụng, acetone là lựa chọn hàng đầu trong quy trình sản xuất thuốc. Ngoài ra, nó còn dùng làm dung môi chiết xuất hoạt chất sinh học từ thảo dược.

4. Phòng thí nghiệm và nghiên cứu

Trong phòng thí nghiệm, acetone dùng để làm sạch dụng cụ thủy tinh, khử nước mẫu phân tích, rửa cặn hóa chất và hỗ trợ tách chiết DNA, protein. Với tính chất không màu, không dẫn điện, acetone còn được dùng để làm khô nhanh các vật liệu cần xử lý bằng điện.

Sự hiện diện sinh học và chuyển hóa trong cơ thể

Acetone là một trong ba thể ketone chính được tạo ra trong gan từ quá trình chuyển hóa chất béo, bên cạnh acetoacetate và beta-hydroxybutyrate. Trong trạng thái nhịn ăn kéo dài, tập luyện cường độ cao, ăn kiêng keto hoặc bệnh tiểu đường type 1, nồng độ acetone trong máu và hơi thở tăng cao đáng kể.

Acetone có thể được đo trong hơi thở như một chỉ dấu sinh học cho trạng thái chuyển hóa của cơ thể. Công nghệ đo hơi thở để xác định acetone đang được phát triển trong thiết bị hỗ trợ chẩn đoán tiểu đường và theo dõi chế độ ăn ketogenic. Tham khảo nghiên cứu tại NCBI - Acetone in Breath.

Tác động sức khỏe và an toàn hóa chất

Mặc dù acetone được xem là có độc tính thấp, nhưng việc tiếp xúc kéo dài hoặc ở nồng độ cao có thể gây ảnh hưởng sức khỏe:

• Gây kích ứng mắt, mũi, cổ họng và da nếu tiếp xúc trực tiếp.
• Gây đau đầu, chóng mặt, buồn nôn nếu hít phải hơi acetone trong không gian kín.
• Có thể làm khô da nếu tiếp xúc lâu dài, do đặc tính hút ẩm mạnh.

Giới hạn tiếp xúc nghề nghiệp với acetone do OSHA khuyến nghị là 1000 ppm (2400 mg/m³) trong 8 giờ làm việc.

Do dễ cháy, acetone cần được lưu trữ trong chai kín, nơi thoáng mát, tránh xa lửa và tia lửa điện. Nếu có sự cố tràn, cần sử dụng vật liệu hấp thụ và thông gió tốt để làm sạch khu vực.

Ảnh hưởng đến môi trường

Acetone là hợp chất dễ phân hủy sinh học, ít tích tụ trong sinh vật và không gây ảnh hưởng lâu dài đến hệ sinh thái. Tuy nhiên, khi thải ra môi trường với lượng lớn, acetone có thể làm giảm chất lượng nước, gây ảnh hưởng đến vi sinh vật và động vật thủy sinh.

Theo EPA, acetone có thời gian phân hủy ngắn trong không khí (vài ngày), do phản ứng với gốc hydroxyl. Trong nước và đất, acetone cũng bị vi khuẩn phân hủy nhanh, với chu kỳ tồn tại dưới 2 tuần trong điều kiện tiêu chuẩn.

Kết luận

Acetone là một hợp chất ketone quan trọng có mặt rộng rãi trong công nghiệp, sinh học và đời sống hàng ngày. Nhờ vào tính chất lý – hóa ổn định, khả năng hòa tan mạnh và độ bay hơi cao, acetone đóng vai trò trung tâm trong sản xuất hóa chất, mỹ phẩm, dược phẩm và nghiên cứu khoa học. Dù tương đối an toàn khi sử dụng đúng cách, acetone vẫn cần được kiểm soát chặt chẽ để hạn chế nguy cơ cháy nổ và bảo vệ môi trường. Hiểu rõ về đặc điểm và ứng dụng của acetone là nền tảng quan trọng trong nhiều ngành kỹ thuật, hóa học và y tế hiện đại.