Axit axetic là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Axit axetic (CH3COOH) là hợp chất hữu cơ đơn giản nhất trong nhóm axit carboxylic, có mùi đặc trưng của giấm và đóng vai trò cơ bản trong nhiều ngành công nghiệp hóa chất. Trong tự nhiên, axit axetic tồn tại dưới dạng dung dịch loãng trong giấm, được sản xuất bởi quá trình lên men ethanol nhờ vi khuẩn Acetobacter. Ở nồng độ cao hơn, axit axetic nguyên chất (axit bậc công nghiệp) có tính ăn mòn mạnh và được sử dụng rộng rãi làm dung môi, chất phản ứng trung gian và chất bảo quản thực phẩm.

Lịch sử ứng dụng axit axetic có nguồn gốc từ xa xưa, với giấm được biết đến trong văn minh Lưỡng Hà và Ai Cập cổ đại. Đến thế kỷ XVII, nhà hóa học người Pháp Lavoisier đã nhận diện axit axetic là một hợp chất chứa cacbon, hydrogen và oxy. Sự phát triển của hóa học hữu cơ hiện đại đã mở rộng phạm vi ứng dụng của axit axetic từ chế biến thực phẩm đến sản xuất polyme, dược phẩm và phụ gia công nghiệp.

Một số tính chất nổi bật của axit axetic làm nên tầm quan trọng công nghiệp bao gồm khả năng hòa tan tốt trong nước và nhiều dung môi hữu cơ, độ axit vừa phải với pKa≈4.76, và khả năng tham gia đa dạng phản ứng hóa học như este hóa, tạo anhydrit và khử-oxy hóa. Những tính chất này khiến axit axetic trở thành nguyên liệu trung gian linh hoạt, phục vụ cho hơn 15 triệu tấn sản xuất hàng năm trên toàn cầu.

Cấu trúc và tính chất vật lý

Axit axetic có công thức phân tử CH3COOH, khối lượng mol 60.05 g/mol. Cấu trúc phân tử gồm một nhóm metyl liên kết trực tiếp với nhóm carboxyl, tạo nên phân cực cao tại đầu -COOH. Liên kết H nội phân tử giữa nguyên tử H của nhóm -OH và oxy của nhóm C=O ổn định cấu hình, ảnh hưởng đến điểm sôi và độ hòa tan.

• Khối lượng mol: 60.05 g/mol (PubChem)
• Nhiệt độ nóng chảy: 16.6 °C (NIST)
• Nhiệt độ sôi: 118.1 °C (NIST)
• Độ hòa tan trong nước: hòa tan vô hạn ở 20 °C

Khả năng hòa tan cao trong nước và tính phân cực của axit axetic đến từ nhóm carboxyl có thể hình thành mạng lưới liên kết hydrogen với phân tử nước. Khả năng này quan trọng trong ứng dụng làm dung môi phản ứng và dung môi chiết xuất hợp chất sinh học.

Độ nhớt của axit axetic lỏng tương đối thấp, cho phép nó được sử dụng làm pha lỏng trong sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) và điện di sinh học. Áp suất hơi tại 20 °C khoảng 15 mmHg, cần lưu ý khi bảo quản để tránh bay hơi và ăn mòn thiết bị.

Tính chất hóa học

Tính axit của axit axetic thể hiện qua hằng số phân ly pKa≈4.76, cho thấy nó là axit yếu nhưng vẫn đủ mạnh để phản ứng với base loãng. Phản ứng phân ly trong nước được biểu diễn bởi phương trình:

$\mathrm{CH_3COOH} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3COO^-} + \mathrm{H^+}$

Khả năng este hóa với rượu dưới xúc tác acid tạo ra este như ethyl acetate, ứng dụng làm dung môi và hương liệu. Phản ứng este hóa điển hình:

$\mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{C_2H_5OH} \xrightarrow{\mathrm{H^+}} \mathrm{CH_3COOC_2H_5} + \mathrm{H_2O}$

• Phản ứng tạo anhydrit: 2 CH3COOH → (CH3CO)2O + H2O
• Phản ứng khử thành ethanol dưới xúc tác kim loại
• Phản ứng oxy hóa nhóm methyl thành CO2 và H2O

Tính khử-oxy hóa của nhóm metyl phụ thuộc vào điều kiện phản ứng, thường cần xúc tác kim loại như Pd, Pt hoặc xúc tác sinh học. Axit axetic cũng tham gia phản ứng với amine để tạo amid, ứng dụng trong tổng hợp dược phẩm và phụ gia hóa học.

Phương pháp sản xuất và nguồn gốc

Quy mô công nghiệp chủ yếu dựa trên hai công nghệ: carbonyl hóa methanol (phản ứng Monsanto hoặc Cativa) và oxy hóa ethanol sinh học. Công nghệ carbonyl hóa methanol sử dụng xúc tác rhodium hoặc iridium, cho hiệu suất cao trên 98% và ít tạp chất (PubChem).

Quá trình oxy hóa ethanol sinh học sử dụng vi khuẩn Acetobacter trong môi trường kỵ khí hoặc hiếu khí để chuyển hóa ethanol thành axit axetic. Phương pháp này cho sản lượng thấp hơn nhưng được ưa chuộng trong sản xuất giấm thực phẩm nhờ chi phí vận hành thấp và tính tự nhiên của sản phẩm.

• Methanol carbonylation: CH3OH + CO → CH3COOH
• Oxy hóa sinh học: C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O

Nguồn gốc tự nhiên của axit axetic không chỉ giới hạn trong giấm; nhiều thực vật và vi sinh vật tổng hợp axit axetic như sản phẩm chuyển hóa trung gian trong chu trình Krebs. Trong dạ dày động vật, axit axetic cũng là sản phẩm của quá trình lên men vi sinh và đóng vai trò trong cân bằng pH nội mô.

Ứng dụng công nghiệp

Axit axetic là dung môi quan trọng trong sản xuất công nghiệp, chiếm khoảng 75% tổng lượng axit axetic tiêu thụ hàng năm. Ethyl acetate và butyl acetate được tổng hợp từ axit axetic qua phản ứng este hóa, sử dụng rộng rãi trong sơn, vecni, mực in và keo dán nhờ khả năng hòa tan cao và bay hơi nhanh (PubChem).

Sản xuất vinyl acetate monomer (VAM) dựa trên quá trình oxy hóa ethylene với axit axetic trên xúc tác palladium–copper cho phép tạo polyvinyl acetate và polyvinyl alcohol, vật liệu nhựa thông dụng trong ngành giấy, giấy dán và mỹ phẩm (ScienceDirect).

• Chế tạo cellulose acetate: nguyên liệu sản xuất phim nhựa, sợi tổng hợp và màng lọc.
• Tổng hợp dược phẩm trung gian: axit axetic là nguyên liệu để điều chế aspirin, paracetamol và dung môi chiết xuất hoạt chất.
• Phụ gia thực phẩm: E260, điều chỉnh độ axit và bảo quản thực phẩm, đặc biệt trong nước giải khát và gia vị.

Trong ngành công nghiệp hóa chất, axit axetic còn được dùng làm chất xúc tác và chất phản ứng trung gian để tổng hợp các anhydrit, este cao phân tử và các hợp chất hữu cơ khác. Hiệu quả kinh tế và tính linh hoạt trong quy trình khiến axit axetic trở thành hóa chất cơ bản với sản lượng toàn cầu trên 15 triệu tấn mỗi năm.

Vai trò sinh học và y sinh

Axit axetic đóng vai trò trung gian sinh học quan trọng dưới dạng acetyl-CoA trong chu trình Krebs, là điểm giao giữa quá trình phân giải đường và tổng hợp acid béo, steroid và acetylcholine. Mất cân bằng nồng độ acetyl-CoA ảnh hưởng đến chuyển hóa năng lượng và sự biểu hiện gene epigenetic (NCBI PMC4283210).

Trong y sinh, axit axetic loãng (1–5%) được sử dụng làm thuốc diệt khuẩn tại chỗ, tiêu diệt vi khuẩn gram âm và gram dương trên da hoặc niêm mạc. Dung dịch axit axetic 3% là phương pháp xét nghiệm viêm cổ tử cung lâm sàng (VIA) để phát hiện tổn thương tế bào tiền ung thư cổ tử cung (WHO).

Chất cố định mô trong giải phẫu bệnh thường chứa axit axetic (điển hình là dung dịch Carnoy: ethanol, axit axetic, chloroform) giúp bảo quản cấu trúc tế bào và nhân mô, hỗ trợ chẩn đoán mô bệnh học.

Phương pháp phân tích và định lượng

Phổ hồng ngoại (FTIR) nhận diện nhóm carboxyl thông qua đỉnh hấp thụ tại 1705–1725 cm−1. Sắc ký khí (GC) với detector ion hóa ngọn lửa (FID) cho phép định lượng chính xác axit axetic trong mẫu môi trường và thực phẩm với độ nhạy đến 0.1 μg/mL (ScienceDirect).

Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) sử dụng cột C18 và eluant acid phosphoric cho phép tách axit axetic khỏi các acid hữu cơ khác, đạt ngưỡng phát hiện 0.5 μg/mL. Phương pháp chuẩn độ acid–base dùng dung dịch NaOH 0.1 N với chỉ thị phenolphthalein thường cho kết quả nhanh chóng trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.

An toàn và độc tính

Axit axetic nguyên chất là chất ăn mòn, gây bỏng da và niêm mạc hô hấp. Nồng độ hơi axit axetic ≥10 ppm gây kích ứng đường hô hấp, mắt và da. Giá trị giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn (STEL) của ACGIH là 25 ppm, giá trị ngưỡng cho phép OSHA PEL là 10 ppm (OSHA).

• Cấp tính: LD50 đường uống ở chuột ~3.5–5.0 g/kg.
• Ảnh hưởng hô hấp: ho, khó thở, viêm phổi hóa chất.
• Ảnh hưởng da: viêm da, phồng rộp, bỏng hóa chất.

Biện pháp an toàn bao gồm sử dụng bảo hộ cá nhân: kính bảo hộ, găng tay chịu axit, hệ thống hút khói và thông gió tại nguồn. Xử lý tràn đổ bằng cát trung hòa và thu gom vào thùng chứa chuyên dụng.

Tác động môi trường

Axit axetic có khả năng phân hủy sinh học nhanh trong môi trường nước và đất, thời gian bán phân hủy (DT50) <48 giờ, ít tích lũy sinh học (EPA Factsheet).

Tuy nhiên, xả trực tiếp nồng độ cao có thể làm giảm pH môi trường nước, gây stress cho sinh vật thủy sinh; giới hạn xả thải được quy định ≤50 mg/L theo tiêu chuẩn EPA. Độ acid làm mất ổn định hệ vi sinh và ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp.

• Phân hủy sinh học: đạt >90% COD trong 14 ngày qua quy trình vi sinh hiếu khí.
• Giới hạn xả thải: EPA ≤50 mg/L, EU ≤100 mg/L.

Quy định và kiểm soát

Chất lượng axit axetic công nghiệp phải tuân thủ tiêu chuẩn ASTM D1252 về độ tinh khiết, độ axit và hàm lượng nước tối đa. Trong dược phẩm, axit axetic phải đạt tiêu chuẩn USP–NF với độ tinh khiết ≥99.7% và không chứa kim loại nặng (>5 ppm) (USP).

Quy định REACH (EC 1272/2008) yêu cầu đăng ký và đánh giá rủi ro an toàn hóa chất tại EU; EINECS số 200-580-7. Tại Mỹ, CFR Title 21 §184.1005 quy định sử dụng axit axetic trong thực phẩm và dược phẩm, đồng thời yêu cầu báo cáo tác dụng phụ và tuân thủ GMP.

• Đăng ký REACH và EINECS tại EU.
• Tuân thủ chỉ thị OSHA, EPA và ACGIH tại Mỹ.
• Thực hiện kiểm tra định kỳ, báo cáo an toàn và huấn luyện nhân viên.

Tài liệu tham khảo

• PubChem. “Acetic acid.” https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Acetic-acid
• ScienceDirect. “Vinyl Acetate Monomer.” https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/vinyl-acetate-monomer
• NCBI PMC4283210. “Role of Acetyl-CoA in Metabolism.” https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4283210/
• WHO. “Cervical Cancer Screening: VIA.” https://www.who.int/publications/i/item/9789241512340
• ScienceDirect. “Determination of Acetic Acid by GC.” https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021967310006615
• OSHA. “Acetic Acid.” https://www.osha.gov/chemicaldata/chemdatacard?recNo=21
• EPA. “Acetic Acid Factsheet.” https://www.epa.gov/sites/default/files/2015-09/documents/acetic-acid.pdf
• USP. “Acetic Acid Monograph.” https://www.uspnf.com/sites/default/files/usp_pdf/EN/USPNF/revisions/09192020-Acetic-Acid.pdf
• ASTM D1252-21. “Specification for Acetic Acid.” American Society for Testing and Materials, 2021.
• REACH Regulation (EC) No 1272/2008. European Chemicals Agency, 2020.