Acetonitrile CH₃CN là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và công thức hóa học

Acetonitrile, công thức phân tử CH₃CN, là hợp chất hữu cơ đơn giản nhất trong nhóm nitrile, gồm một nhóm methyl liên kết trực tiếp với nhóm nitrile (–C≡N). Nó là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, mùi giống ete nhẹ, hòa tan tốt trong nhiều dung môi hữu cơ và nước. Đây là một dung môi phân cực không protic, có đặc điểm điện hóa ổn định, được sử dụng phổ biến trong hóa học phân tích và tổng hợp hữu cơ hiện đại.

Về mặt cấu trúc phân tử, acetonitrile có liên kết ba giữa nguyên tử carbon và nitrogen trong nhóm nitrile, tạo nên sự phân cực cao giữa hai đầu phân tử. Điều này dẫn đến khả năng tương tác tốt với cả hợp chất ion và phân tử hữu cơ trung tính. Công thức cấu tạo thu gọn biểu diễn như sau: $CH_3-C \equiv N$, trong đó nhóm methyl cung cấp điện tử và nhóm nitrile đóng vai trò nhận điện tử mạnh.

Bảng mô tả một số đặc tính cơ bản:

Tính chất vật lý và hóa học

Acetonitrile là chất lỏng có nhiệt độ sôi tương đối thấp (81.6°C), nhiệt độ nóng chảy −45°C và áp suất hơi cao, dễ bay hơi ở điều kiện phòng. Nó có độ nhớt thấp và hằng số điện môi cao (~36), khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các kỹ thuật tách chiết và phân tích điện hóa. Với khả năng hòa tan tốt muối vô cơ và hợp chất hữu cơ phân cực, acetonitrile thường được dùng để thay thế methanol trong các hệ dung môi cần độ ổn định điện tử cao.

Về tính chất hóa học, acetonitrile có tính ổn định cao với các điều kiện axit và bazơ yếu. Tuy nhiên, trong môi trường mạnh hoặc nhiệt độ cao, nhóm nitrile có thể tham gia các phản ứng như thủy phân thành amide hoặc axit carboxylic. Ngoài ra, nhóm nitrile cũng có thể bị khử hoặc phản ứng với tác nhân điện dương (electrophiles) để tạo dẫn xuất hữu cơ khác nhau.

Thông số kỹ thuật thường dùng:

• Tỷ trọng ở 20°C: 0.786 g/cm³
• Hằng số điện môi (ε): 35.94
• Áp suất hơi ở 20°C: ~10.1 kPa
• Độ nhớt: 0.34 cP

Xem thêm tại PubChem – Acetonitrile.

Các phương pháp điều chế

Trong công nghiệp, acetonitrile được sản xuất chủ yếu như sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất acrylonitrile – một nguyên liệu đầu vào quan trọng cho ngành nhựa tổng hợp. Phản ứng ammoxidation của propylene với amonia và oxy tạo ra acrylonitrile, kèm theo một lượng nhỏ acetonitrile thu được bằng chưng cất phân đoạn.

Phương trình phản ứng chính: $CH_3CH=CH_2 + NH_3 + \frac{3}{2}O_2 \rightarrow CH_2=CHCN + 3H_2O$ Quá trình này xảy ra trên xúc tác oxit kim loại hỗn hợp như Bi–Mo–Fe ở nhiệt độ khoảng 400–500°C. Sau khi tách acrylonitrile chính, acetonitrile được thu hồi từ phần phụ phẩm, tinh chế và đưa vào sử dụng.

Trong phòng thí nghiệm, acetonitrile cũng có thể được điều chế bằng cách khử nước từ acetamide hoặc từ acetic acid oxime, tuy nhiên không phổ biến do chi phí cao và hiệu suất thấp. Một số quy trình dùng dehydrating agents như P2O5 hoặc SOCl2 để thúc đẩy phản ứng loại nước.

Ứng dụng trong hóa học phân tích và sắc ký

Acetonitrile là một trong những dung môi pha động quan trọng nhất trong sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Nó mang lại độ nhớt thấp, áp suất vận hành ổn định, tương thích với detector UV và có độ ổn định quang cao. Hệ số hòa tan cao với nhiều hợp chất phân cực và không phân cực làm cho acetonitrile trở thành lựa chọn tối ưu trong phân tích đa thành phần.

Trong hệ thống HPLC pha đảo (reverse-phase), acetonitrile thường được dùng phối hợp với nước hoặc buffer phosphat để tăng khả năng rửa giải và giảm thời gian phân tích. Nó cũng là dung môi lý tưởng cho phổ UV-Vis vì hấp thụ thấp ở bước sóng dưới 200 nm, không gây nhiễu tín hiệu.

Một số đặc điểm ứng dụng trong HPLC:

• Ít tương tác nền với pha tĩnh C18
• Thay đổi gradient dễ kiểm soát
• Khả năng hòa tan chất phân tích cao
• Giảm thời gian lưu và mở rộng phạm vi ứng dụng

Vai trò trong tổng hợp hữu cơ

Acetonitrile không chỉ là dung môi phổ biến mà còn là chất phản ứng linh hoạt trong tổng hợp hữu cơ. Với nhóm nitrile có tính hút điện tử mạnh và khả năng tham gia nhiều phản ứng cơ chế nucleophilic hoặc electrophilic, acetonitrile có thể được sử dụng để tạo ra loạt hợp chất như amidine, amidoxime, imine, và các vòng dị hợp.

Trong môi trường base, acetonitrile dễ bị khử proton tại vị trí carbon alpha, hình thành carbanion ổn định tương đối. Trung gian này có thể tham gia phản ứng alkyl hóa, acyl hóa hoặc kết hợp với aldehyde/ketone trong phản ứng Knoevenagel hoặc Mannich mở rộng. Ngoài ra, acetonitrile còn được dùng để tổng hợp dẫn xuất β-ketoester, β-amino ketone và một số hợp chất hữu cơ thiên nhiên thông qua phản ứng đa thành phần.

Một số ứng dụng tiêu biểu:

• Điều chế acetamidine hydrochloride từ CH₃CN + NH₂OH·HCl
• Phản ứng Ritter tạo ra amide từ acetonitrile và carbocation
• Tổng hợp vòng pyridine bằng phản ứng với enone và NH₄OAc

An toàn và độc tính

Acetonitrile là chất dễ bay hơi, bắt cháy với giới hạn cháy nổ từ 4.4% đến 16% thể tích trong không khí. Hơi của nó có thể tạo hỗn hợp nổ khi tiếp xúc với tia lửa điện hoặc nguồn nhiệt. Khi đun nóng đến phân hủy, acetonitrile giải phóng khí độc như hydrogen cyanide (HCN), nitơ oxides (NOx) và CO.

Về độc tính sinh học, acetonitrile có thể hấp thụ qua hô hấp, tiêu hóa và qua da. Trong cơ thể, nó chuyển hóa thành cyanide – chất độc ảnh hưởng trực tiếp đến hô hấp tế bào. Các triệu chứng nhiễm độc gồm đau đầu, buồn nôn, khó thở, rối loạn ý thức, và trong trường hợp nặng có thể gây tử vong nếu không xử lý kịp thời.

Thông tin an toàn chính:

• LD50 đường uống (chuột): ~2730 mg/kg
• LC50 hít (chuột): ~7500 ppm/4h
• Giới hạn tiếp xúc OSHA (TWA): 40 ppm (70 mg/m³)
• Phân loại: H225 (dễ cháy), H302 (gây hại khi nuốt), H312/332 (gây hại khi tiếp xúc da/hít)

Tài liệu an toàn chi tiết có tại Sigma-Aldrich SDS – Acetonitrile

Môi trường và phân hủy sinh học

Acetonitrile có thể bị thải vào môi trường qua nước thải công nghiệp, đặc biệt từ nhà máy hóa chất, dược phẩm và phòng thí nghiệm. Nó tan hoàn toàn trong nước, dễ bốc hơi và có thể phát tán nhanh vào không khí. Trong môi trường, acetonitrile bị phân hủy bởi vi khuẩn hiếu khí thành acetate, formate và amoniac, nhưng quá trình này diễn ra chậm và cần điều kiện tối ưu.

Do có áp suất hơi tương đối cao và độ bền sinh học trung bình, acetonitrile có thể tồn tại trong môi trường nước hoặc không khí trong vài ngày đến vài tuần. Tuy nhiên, khả năng tích lũy sinh học thấp (BCF < 1), và độc tính với sinh vật thủy sinh chỉ xuất hiện ở nồng độ cao.

Bảng đánh giá nhanh các thông số môi trường:

Ứng dụng trong công nghiệp và dược phẩm

Acetonitrile đóng vai trò thiết yếu trong công nghiệp hóa chất và dược phẩm. Trong tổng hợp dược phẩm, nó thường được dùng làm dung môi phản ứng trong sản xuất kháng sinh, steroid, nucleoside và các chất trung gian hoạt tính sinh học. Tính chất ổn định và phân cực cao giúp acetonitrile thúc đẩy phản ứng SN2, phản ứng cộng ion cyanide và phản ứng vòng hóa.

Trong ngành điện tử, acetonitrile là dung môi trong pin lithium-ion và tụ điện siêu dẫn (supercapacitors), nơi cần môi trường điện môi có điện áp phân hủy cao và dẫn điện tốt. Nó cũng được sử dụng trong sản xuất phim ảnh, mực in, nhựa tổng hợp và chất tẩy rửa chuyên dụng.

Các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu:

• Phân tích dược phẩm bằng HPLC/UPLC
• Tổng hợp thuốc trừ sâu, chất hoạt động bề mặt
• Quy trình sản xuất chất bán dẫn và vi mạch
• Dung môi trong điện hóa học và điều chế chất điện giải

Thị trường và xu hướng phát triển

Acetonitrile hiện là một trong những dung môi phân cực được tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới, với thị trường toàn cầu vượt 250 triệu USD vào năm 2023. Sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực dược phẩm, hóa phân tích và điện tử đã thúc đẩy nhu cầu acetonitrile tăng đều trong những năm gần đây. Tuy nhiên, vì phần lớn nguồn cung phụ thuộc vào sản xuất acrylonitrile, thị trường acetonitrile thường gặp biến động do tính không ổn định nguồn nguyên liệu đầu vào.

Để giảm sự phụ thuộc và ổn định nguồn cung, các nghiên cứu mới đang tập trung vào:

• Công nghệ tái chế acetonitrile đã qua sử dụng trong phòng thí nghiệm
• Quy trình tổng hợp trực tiếp từ methane hoặc CO2 có xúc tác
• Ứng dụng acetonitrile sinh học hoặc dung môi thay thế an toàn hơn

Thông tin thị trường chi tiết có tại Markets & Markets – Acetonitrile Industry Trends