Acetonitrile là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Acetonitrile

Acetonitrile (CH₃CN), còn gọi là methyl cyanide, là một hợp chất hữu cơ đơn giản thuộc nhóm nitrile. Nó tồn tại dưới dạng chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có mùi ether nhẹ, hòa tan tốt trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ khác. Là một dung môi phân cực aprotic, acetonitrile đặc biệt phù hợp cho các phản ứng hóa học nhạy cảm với proton.

Trong phòng thí nghiệm, acetonitrile thường được sử dụng làm dung môi trong sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và phổ khối (LC-MS). Trong công nghiệp, nó đóng vai trò như một dung môi hoặc nguyên liệu trung gian trong tổng hợp dược phẩm, sản xuất thuốc trừ sâu, và xử lý hóa chất điện tử. Đây là một trong số ít dung môi vừa có tính linh hoạt cao, vừa có độ tinh khiết ổn định khi được tinh chế đúng cách.

Nguồn dữ liệu chi tiết về hợp chất này có thể được tìm thấy tại PubChem – Acetonitrile, một cơ sở dữ liệu hóa học trực tuyến uy tín được duy trì bởi Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ (NIH).

Công thức phân tử và tính chất vật lý

Acetonitrile có công thức phân tử là CH₃CN và khối lượng phân tử 41.05 g/mol. Phân tử gồm một nhóm methyl (-CH₃) liên kết với một nhóm nitrile (-C≡N). Sự phân cực mạnh của nhóm nitrile khiến acetonitrile trở thành dung môi lý tưởng cho các phản ứng hóa học đòi hỏi môi trường phân cực nhưng không có proton.

Tính chất vật lý đặc trưng của acetonitrile:

• Điểm sôi: 81.6°C
• Điểm nóng chảy: −45°C
• Khối lượng riêng: 0.786 g/cm³ (ở 20°C)
• Áp suất hơi: 97 mmHg (ở 25°C)
• Hằng số điện môi: khoảng 36 (ở 20°C)

Bảng so sánh một số thông số chính:

Thuộc tính	Giá trị	Ghi chú
Khối lượng phân tử	41.05 g/mol	Nhẹ, dễ bay hơi
Điểm sôi	81.6°C	Thấp, dễ thu hồi bằng chưng cất
Hằng số điện môi	36	Phù hợp cho phản ứng phân cực
Độ hòa tan trong nước	Cao	Khả năng trộn lẫn hoàn toàn

Cấu trúc phân tử và liên kết

Acetonitrile là một phân tử tuyến tính, trong đó nhóm methyl liên kết trực tiếp với nhóm nitrile. Nhóm nitrile chứa một liên kết ba giữa carbon và nitrogen, tạo nên sự phân cực điện tích đáng kể, giúp phân tử tương tác mạnh với các ion và phân tử phân cực khác. Phân tử không có cặp electron tự do ở vùng trung tâm nên không tham gia hydrogen bonding như các dung môi chứa nhóm OH hoặc NH.

Công thức cấu trúc có thể viết như sau:

$\text{CH}_3 - \text{C} \equiv \text{N}$

Liên kết ba trong nhóm nitrile là một yếu tố then chốt tạo nên độ bền nhiệt cao và tính chất hóa học ổn định của acetonitrile. Do không có khả năng cho proton, acetonitrile là dung môi lý tưởng cho các phản ứng hữu cơ cần điều kiện khan và không proton như:

• Phản ứng Grignard
• Phản ứng thế nucleophil
• Phản ứng tạo dẫn xuất muối diazonium

Nhờ cấu trúc tuyến tính và khối lượng nhỏ, acetonitrile còn có độ nhớt thấp, giúp dễ dàng bơm và pha loãng trong các thiết bị phân tích tự động.

Quá trình sản xuất công nghiệp

Trong công nghiệp, acetonitrile không được sản xuất như sản phẩm chính mà thu được chủ yếu như sản phẩm phụ từ quy trình sản xuất acrylonitrile qua phản ứng ammoxidation của propylene. Phản ứng cơ bản:

$\text{CH}_2 = \text{CH-CH}_3 + \text{NH}_3 + \frac{3}{2} \text{O}_2 \rightarrow \text{CH}_2 = \text{CH-CN} + 3\text{H}_2\text{O}$

Trong đó, acetonitrile sinh ra ở mức khoảng 2–4% khối lượng sản phẩm và được thu hồi từ dòng sản phẩm phụ thông qua quá trình chưng cất phân đoạn, sau đó tinh chế bằng than hoạt tính hoặc phương pháp chưng chân không để đạt độ tinh khiết phù hợp với tiêu chuẩn phân tích.

Các bước xử lý thường bao gồm:

1. Loại bỏ tạp chất hữu cơ nặng bằng chưng cất sơ cấp
2. Hấp phụ tạp màu và chất khử bằng cột than hoạt tính
3. Chưng cất tinh luyện ở áp suất thấp

Một số phương pháp tổng hợp khác, như dehydrat hóa acetamide bằng chất xúc tác axit, tuy có thể tạo acetonitrile tinh khiết nhưng không được ứng dụng rộng rãi do chi phí cao và hiệu suất thấp.

Ứng dụng trong phân tích và công nghiệp

Acetonitrile được xem là một trong những dung môi quan trọng nhất trong hóa phân tích hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), phổ khối (LC-MS), và phân tích môi trường. Sự kết hợp giữa tính bay hơi thấp, độ tinh khiết cao và khả năng hòa tan mạnh với nhiều chất hữu cơ và vô cơ khiến nó trở thành dung môi tiêu chuẩn cho nhiều phương pháp định lượng.

Trong HPLC, acetonitrile được dùng làm pha động do:

• Độ nhớt thấp, giúp giảm áp suất hệ thống và tăng tuổi thọ cột.
• Khả năng hòa tan tốt các chất có phân cực từ thấp đến cao.
• Hấp thụ UV yếu, lý tưởng cho detector UV-VIS.
• Tương thích với nhiều hệ đệm như axit formic hoặc axit trifluoroacetic (TFA).

Ngoài phân tích, acetonitrile còn có mặt trong nhiều quy trình công nghiệp:

• Dược phẩm: tổng hợp kháng sinh, thuốc tim mạch, thuốc chống ung thư.
• Ngành điện tử: rửa sạch bề mặt silicon, xử lý màng dẫn điện mỏng.
• Sản xuất hóa chất: làm dung môi cho phản ứng alkyl hóa, acyl hóa, và tổng hợp dẫn xuất heterocycle.
• Ngành năng lượng: ứng dụng trong pin lithium-ion như chất điện giải hữu cơ.

Tham khảo thêm tại Sigma-Aldrich – Acetonitrile for HPLC.

Độc tính và an toàn hóa chất

Mặc dù acetonitrile có nhiều ứng dụng, nhưng đây cũng là một hóa chất độc ở nồng độ cao. Khi vào cơ thể qua đường hô hấp, tiêu hóa hoặc tiếp xúc da, acetonitrile có thể được chuyển hóa thành hydro cyanide (HCN) – một chất cực độc ức chế hệ thống hô hấp tế bào bằng cách bất hoạt cytochrome oxidase.

Biểu hiện ngộ độc cấp tính:

• Đau đầu, chóng mặt, buồn nôn
• Thở nhanh, loạn nhịp tim
• Co giật, hôn mê, có thể tử vong nếu không xử lý kịp thời

Các chỉ số an toàn tiêu chuẩn:

Chỉ số	Giá trị	Nguồn
LD50 (chuột, uống)	2,730 mg/kg	NIOSH
OSHA PEL	40 ppm (8 giờ)	OSHA
NIOSH IDLH	500 ppm	NIOSH

Trong môi trường làm việc, cần sử dụng găng tay chống hóa chất, kính bảo hộ và thông gió đầy đủ. Trong trường hợp rò rỉ, nên dùng chất hấp thụ trung tính như vermiculite và thu gom đúng quy định chất thải nguy hại.

Thông tin chi tiết tại CDC – NIOSH Pocket Guide: Acetonitrile.

Tác động môi trường

Acetonitrile là một hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), có thể bay hơi vào khí quyển nếu bị đổ hoặc sử dụng không kiểm soát. Mặc dù nó không phá hủy tầng ozone, nhưng có thể góp phần tạo ra ozon tầng đối lưu khi tham gia phản ứng quang hóa với NO_x.

Trong môi trường nước và đất, acetonitrile có độ bền trung bình. Quá trình phân hủy sinh học xảy ra nhưng chậm, đặc biệt trong môi trường kỵ khí. Tác động lâu dài có thể ảnh hưởng đến vi sinh vật đất và sinh vật thủy sinh nếu nồng độ vượt mức cho phép.

Do đó, nước thải có chứa acetonitrile cần được xử lý bằng:

• Hấp phụ bằng than hoạt tính
• Oxy hóa nâng cao (UV/H₂O₂, ozon hóa)
• Xử lý sinh học hiếu khí

Trong nhiều quốc gia, lượng VOC phát thải từ phòng thí nghiệm hoặc nhà máy có sử dụng acetonitrile được kiểm soát bởi luật môi trường, như US EPA – Acetonitrile.

So sánh với các dung môi tương tự

Acetonitrile thường được lựa chọn thay thế cho các dung môi aprotic phân cực như dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO) và tetrahydrofuran (THF). Mỗi dung môi có đặc tính riêng, tuy nhiên acetonitrile được ưa chuộng trong phân tích sắc ký vì tính bay hơi hợp lý và độ tinh khiết cao.

Thuộc tính	Acetonitrile	DMF	DMSO	THF
Điểm sôi (°C)	81.6	153	189	66
Hằng số điện môi	36	38	47	7.6
Độ hòa tan muối	Cao	Rất cao	Rất cao	Trung bình
Độc tính	Trung bình	Cao	Thấp	Trung bình

Trong khi DMSO có độ an toàn sinh học cao hơn và được dùng trong y học, acetonitrile lại được ưu tiên trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ bay hơi nhanh và độ nhiễu nền thấp cho phân tích UV.

Xu hướng sử dụng và thay thế xanh

Với xu thế phát triển bền vững, việc tìm kiếm dung môi thay thế acetonitrile đang thu hút nhiều nghiên cứu. Một số hướng thay thế được đề xuất bao gồm dung môi sinh học (bio-based solvents), dung môi xanh (green solvents) và dung môi ion lỏng (ionic liquids).

Tuy nhiên, các dung môi thay thế vẫn gặp hạn chế như chi phí cao, không tương thích hoàn toàn với các hệ phân tích hiện tại hoặc thiếu dữ liệu an toàn dài hạn. Vì vậy, chiến lược phổ biến hiện nay là tối ưu quy trình sử dụng acetonitrile như:

• Tái chế dung môi bằng hệ thống thu hồi chân không
• Giảm tỷ lệ dung môi trong phương pháp HPLC
• Thay thế từng phần bằng hệ dung môi ethanol – nước

Một số nghiên cứu như ACS – Green Chemistry and Solvent Replacement đề xuất phương pháp tiếp cận "thiết kế lại toàn bộ quy trình" thay vì thay thế từng hóa chất, nhằm đảm bảo an toàn, hiệu quả và tính bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. PubChem – Acetonitrile
2. Sigma-Aldrich – Acetonitrile for HPLC
3. CDC – NIOSH Pocket Guide: Acetonitrile
4. EPA – Health Effects of Acetonitrile
5. ACS – Green Chemistry and Solvent Replacement
6. ScienceDirect – Ionic liquids as green solvents