儿茶酚(catechol),也被称为儿茶素、1,2-
苯二酚或
苯二酚等,属于
酚化合物。常温下是白色或无色的片状或
菱形结晶,具有特殊气味,
熔点为105℃,
沸点为245℃,溶于水和苛性碱溶液及
乙醇、
乙醚、苯、
三氯甲烷等有机
溶剂,在空气和光线下会变色为
褐色。
儿茶酚广泛分布于自然界,不仅存在于蔬菜、水果等植物中,也存在于动物组织及微生物中。在1839年,由
芮恩施(H. Reinsch)通过
蒸馏儿茶素得到。早期的制备方法是通过
水解2-氯苯酚或
邻甲氧基苯酚,目前的主要制备方法则是以
过氧化氢为
氧化剂的苯酚
羟基化法。
儿茶酚是一种重要的有机化工原料和中间体,在农业、医药和工业等领域具有广泛的用途。比如可应用于农药、照相显影剂、香料、
染料和感光材料等的生产。但因为儿茶酚具有
可燃性、
挥发性和毒性,因此对其储存、运输和防护等工作要求严格,从而避免对人体及环境造成伤害。
发现历史
1839年,
芮恩施(H. Reinsch)通过
蒸馏儿茶素(
含羞草儿茶的汁液)得到
苯二酚,故
苯二酚又被称为儿茶酚。1841 年,瓦肯罗德(Wackenroder)和茨温格(Zwenger)独立地重新发现了儿茶酚,在报道他们的发现时,《哲学杂志》使用了焦儿茶酚这个名字。1852 年,埃德曼(Erdmann)认为儿茶酚是添加了两个氧原子的苯。1867 年,
弗里德利希·凯库勒(August Kekulé)认为儿茶酚是苯的
二醇。1868年,儿茶酚被命名为焦儿茶酚,之后,《
化学学会杂志》于1879年正式将其命名为“儿茶酚”。1909年,亨利·德赖斯代尔·达金(H.D.Dakin,
英国,1880-1952)利用
过氧苯甲酸氧化
水杨醛得到
邻苯二酚。
理化性质
物理性质
儿茶酚在常温下为白色或无色的片状或
菱形结晶,在空气和光线下变色为棕色,具有特殊气味,
熔点为105℃,
沸点为245.5℃,闪点为127℃,油水分离系数log P为0.88,20°C时在水中
溶解度为43g/100ml,蒸气压为3Pa,溶于水及乙醇、乙醚、苯、氯仿、吡和苛性碱溶液等有机
溶剂。
化学性质
儿茶酚具有酚类化合物的多种化学性质,既能与
蛋白质、生物碱、
多糖反应,又能与金属离子配位,还具有抗氧化性。
与蛋白质、生物碱、多糖的反应
可以通过疏水键和多点
氢键与蛋白质发生反应。茶叶中的
多酚使人感觉到涩味,正是利用了儿茶酚与蛋白质结合的性质。
与金属离子的配位
儿茶酚可合铁离子,形成无活性的铁
配位化合物,从而影响氧化过程。如儿茶酚遇
三氯化铁水溶液呈绿色,可用作
还原剂。
与
光气(COCl2)生成
碳酸根、缩合形成
杂环化合物的反应
儿茶酚与光气反应可以制得
邻苯二甲酸酐。此外,儿茶酚的缩合则可形成杂环化合物,如儿茶酚
硫醚。
儿茶酚的邻位酚
羟基很容易被氧化成
醌类化合物结构,如用
氢氧化二氨合银或费林溶液很容易把儿茶酚氧化成
1,2-苯醌,同时,对活性氧等
自由基具有很强的捕捉能力,这使其具有较强的抗氧化性以及清除自由基的能力。
自然分布及相关现象
自然分布
儿茶酚在自然界中广泛分布。儿茶酚及其化合物不仅存在于蔬菜、水果、
豆类、谷物类、茶等植物中,如:茶叶、
可可豆、
葡萄和石榴等植物;而且也存在于动物组织中,如:哺乳动物体内的拟交感胺“肾上腺素”和“去甲肾上腺素”、昆虫表皮中的N-乙多巴胺(NADA);在海洋附着生物中也存在,如:细菌中的铁载体(Siderophores)、
藻类如褐色海藻(Brown Algae)中的粘合剂、
管状蠕虫如加州篱帚毛虫(Phragmatopoma californica)分泌的管胶蛋白、
瓣鳃纲软体动物门如
贻贝(Mussel)分泌的足丝黏附蛋白等;此外,许多微生物也会含儿茶酚单元,如:细菌和真菌产生和分泌的
小分子合剂等。
酶促褐变
水果和蔬菜在贮运、包装或加工过程中受损后极易发生变色,这种现象被称为酶促褐变。酶促褐变涉及两个反应步骤。第一个反应是单酚
羟基化为二酚,邻二酚羟基化为。酶促氧化的主要产物醌具有不同的光谱特性,其颜色取决于酚的来源和pH值。例如,酶促氧化后,儿茶酚经氧化后呈亮黄色,且由儿茶酚形成的
1,2-苯醌颜色更深;第一个反应是自身的聚合,单酚在
酶促反应过程中会发生聚合,如儿茶酚会形成自身的二聚体。
制取方法
传统的儿茶酚主要通过
2-氯苯酚或
邻甲氧基苯酚等
水解获得,这些传统的生产方法工艺流程复杂,副产物多,而且在反应过程中采用
强酸、
强碱、Cl2等有毒、有害物质,设备腐蚀严重,三废量大,因此这些生产工艺已经被淘汰。20世纪70年代以来,以
过氧化氢为
氧化剂的
苯酚羟基化合成儿茶酚的方法由于工艺流程简单,反应条件温和,氧化副产物是水而无污染,符合
绿色化学的原则要求,被认为是21世纪最有价值的工艺路线之一。国际上开发的工艺路线主要有Rhone-Poulenc法、Brichima法、UBE法和Enichem法等。
Rhone-Poulenc法以H3PO4/HClO4为
催化剂,该方法的缺点是设备腐蚀严重,苯酚单程转化率低;Brichima法以
铁盐和
钴盐混合物为催化剂,该方法的缺点是所用的
过氧化氢的浓度高,危险性大;UBE法以
苯酚为原料,用
硫酸作催化剂,该方法的缺点是设备腐蚀严重,苯酚单程转化率低;Enichem法用TS-1
合成沸石作催化剂,用苯酚和过氧化氢(w(H2O2)=30%)为反应物,该方法的缺点是所用催化剂TS-1分子筛生产成本较高,价格昂贵,催化剂需多次使用,而且实际使用时只有细小粒度的TS-1分子筛的活性较好,回收困难。
应用领域
儿茶酚是一种重要的有机化工原料和中间体,在农业、医药和工业等领域具有广泛的用途。
农业领域
在农业领域,儿茶酚是制作农药的中间体。如是
克百威、
残杀威、
乙霉威等
氨基甲酯类农药的中间体;用于防治跟结线虫(Meloidogyne incognita)和
蛞蝓(Pseudaletia separata Walker)的新型
哌啶4-醇
衍生物的合成,用于
柞蚕寄蝇科防治的1-(3,4-二甲氧
苯基)-2-
乙基丁-2-炔基醚的合成。
喃丹作为高毒农药,虽然禁止在蔬菜上使用,但依然可以在粮食等作物上使用;另外残杀威是非内吸性杀虫剂具有熏蒸作用,药效与
敌敌畏接近,但毒性很低,是
世界卫生组织推荐的家庭害虫和仓储害虫防治药剂中的优良品种之一。
医药领域
在医药领域,儿茶酚主要作为药物的重要中间体。可用来制造止咳素、
丁子香酚、
小檗碱和异丙肾上腺素等。部分研究认为服用儿茶素补充剂可以促进机体的内源性抗氧化防御系统,同时抑制炎症因子,作为一种有效的抗氧化和
抗炎药物质,在预防各种慢性疾病方面发挥着重要作用。
工业领域
在工业领域,儿茶酚还广泛用于照相、香料、
没药树、涂料等工业部门。比如,在香料方面,儿茶酚是生产
香草醛、
乙基香兰素和
胡椒醛等香料的原料;还可应用于照相显影剂(尤其在
彩色摄影中)、特种墨水
抗氧化剂及制作
染料和感光材料等的生产。
此外,因其具有皮肤收敛、杀菌防腐作用,还可用于齿炎宁牙膏、
义齿杀菌防腐清洗剂、多用途漱口水、去屑止痒珠光香波和防霉鞋油的生产。
其他领域
儿茶酚是
阻聚剂和抗氧剂的
前体;可用于生产毛皮染色的显色剂、油脂和
清漆的抗起皮剂;此外,含儿茶酚基团的聚合物被广泛地用于胶黏剂、水凝胶、膜分离材料、多功能
涂层、胶囊和超疏水粒子等材料中。
测定方法
儿茶酚的测定主要运用
气相色谱法、毛细管电泳、高效液相色谱法和电化学分析法等。气相色谱法、毛细管电泳、高效液相色谱法三种方法灵敏度高、稳定性好,但检测费时费力、需要专业人员操作而且设备昂贵;电化学分析法具有成本低、操作简便、灵敏度高等优点,是儿茶酚定量快速检测的理想方法之一。
儿茶酚衍生物
儿茶酚的衍生物有很多,如
漆酚、儿茶酚胺和
多巴胺等。
漆酚
漆酚是
生漆的主要化学成分,是一种儿茶酚结构的
烃基酚类化合物,其侧链为不同饱和度的直链C15或C17的烃基。
儿茶酚胺
1895年,儿茶酚胺作为一种可升高血压的活性物质,在
肾上腺提取液中被发现,是一系列含有儿茶酚和
胺基的神经类物质,也是
盐酸肾上腺素、去甲肾上腺素和多巴胺及它们
衍生物的总称,此外,还与
神经内分泌肿瘤如
嗜铬细胞瘤、副神经节瘤和
成神经细胞瘤有着密切关系。
多巴胺
多巴胺是儿茶酚胺家族中的一种激素,是肾上腺素和去甲肾上腺素的
前体物质,在20世纪50年代首先作为大脑内的一种
应激性神经递质被人们所认识。而且随着剂量范围的不同,
多巴胺分别能够与
多巴胺受体以及P受体、a受体等交感神经受体相结合,并继而对心血管系统以及肾脏等内脏器官产生多种
药理学效应。在使用时可采用
静脉注射的方式。
安全事宜
健康危害
可通过吸入其
气溶胶、经皮肤和食入吸收到体内。进入
呼吸道或皮肤接触可致中毒,造成皮肤刺激,可能导致人咳嗽、
喉咙疼,
胸骨后有灼烧感,
呼吸困难,
惊厥;进入眼部会导致眼睛发红疼痛,对眼睛具有腐蚀性;误食后会导致腹痛、呕吐、
腹泻、惊厥,甚至呼吸停止;短期接触可能对
中枢神经系统造成影响,造成血压升高,导致
抑郁症、抽搐和呼吸衰竭;长期接触可能引起皮肤过敏,造成可遗传的基因损伤,可能会致癌。
消防措施
根据美国消防协会法规,儿茶酚的应急响应为: F1;H;R0。因为儿茶酚具有
可燃性,有着火和爆炸的危险,因此,当儿茶酚着火时,可使用雾状水、干粉、抗溶性泡沫、
二氧化碳灭火器灭火。
储存与运输
储存:在对儿茶酚进行储存时,可以将其储存在惰性气体下,因其见光会变色建议使用避光容器,并把该储存容器严格密封后再放置于黑暗、干燥通风处。对于存储空间则要求不能有
排水管或下水道。此外,儿茶酚还必须与
氧化剂、食品和饲料分开存放。
运输:在对儿茶酚进行运输时时,不得与食品和饲料一起运输,运输全程禁止明火和接触氧化剂。
泄露应急处理
当处理儿茶酚泄漏事故时,个人要配备适用于儿茶酚空气浓度的颗粒物过滤呼吸器。在处理已泄露的儿茶酚时,首先要进行润湿处理,防止扬尘;其次要小心收集残余物,将泄露的儿茶酚清扫进有盖的容器中;最后对于残余物和泄露的儿茶酚要按照当地规定进行储存和处置。
防护措施
在个体防护方面:面罩或眼睛防护要结合呼吸防护;穿防护服,着防护手套;工作时不得进食、饮水或吸烟,进食前洗手。防止粉尘扩散;禁止让儿茶酚进入下水道。
急救措施
当人吸入之后:将伤者移到空气新鲜处,必要时进行人工呼吸,立即就医;在皮肤接触的情况下:脱去污染的衣服,用大量水冲洗皮肤或淋浴,给予医疗护理;眼睛接触之后:先用大量水冲洗几分钟(如可能易行,摘除隐形眼镜),立即给予医疗护理;如果吞食:
漱口,饮用一或两杯水,立即就医。
参考资料
安全卡.国际化学品安全卡中文版.2024-05-13
邻苯二酚.International Labour Organization.2024-05-13