Butanon
Butanon (häufig auch Methylethylketon, abgekürzt MEK) ist neben Aceton eines der wichtigsten industriell genutzten Ketone. Es ist eine farblose, niedrig viskose Flüssigkeit mit charakteristischem Geruch und wird vor allem als Lösungsmittel eingesetzt.
Vorkommen
2-Butanon kommt natürlich in Bananen,<ref name="ZFNB" /> Wirsing,<ref name="Dr. Duke" /> Spanischem Pfeffer,<ref name="Dr. Duke" /> Tomaten,<ref name="Dr. Duke" /> Myrte,<ref name="Dr. Duke" /> Trauben-Katzenminze<ref name="Dr. Duke" /> und Schwarzen Johannisbeeren<ref name="Dr. Duke" /> vor. Vorlage:Absatz
Gewinnung und Darstellung
Butanon wird technisch durch Dehydrierung von 2-Butanol in der Gasphase bei Temperaturen von 400–500 °C unter Normaldruck in Gegenwart von Zink- oder Kupferoxid-Katalysatoren hergestellt.<ref name="Technische Chemie">Vorlage:Literatur</ref>
Man arbeitet in der Gasphase und verwendet Rohrbündelreaktoren für die Dehydrierung.<ref name="WINNACKER">Vorlage:Literatur</ref>
Daneben existiert auch noch ein Verfahren in der Flüssigphase, bei dem man die Dehydrierung bereits bei Temperaturen um 150 °C an Raney-Nickel-Katalysatoren durchführt.<ref name="Technische Chemie" />
Eine biotechnologische Herstellung aus Butan-2,3-diol basiert auf nachwachsenden Rohstoffen.<ref name="Roempp" />
Im Jahr 2011 wurden weltweit etwa 1,05 Millionen Tonnen verwendet.<ref name="Technische Chemie" />
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Butanon ist eine farblose, niedrigviskose Flüssigkeit mit typisch ketonartigem Geruch, der dem von Aceton sehr ähnlich ist.<ref name="ullmann" /> Die Verbindung siedet unter Normaldruck bei 79,6 °C.<ref name="ullmann" /> Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log10(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 3,9894, B = 1150,207 und C = −63,904.<ref>J. K. Nickerson, K. A. Kobe, John J. McKetta: The Thermodynamic Properties of the Methyl Keton Series. In: J. Phys. Chem. 65, 1961, S. 1037–1043; doi:10.1021/j100824a038.</ref><ref>Vorlage:NIST</ref> Die Verbindung bildet mit einer Reihe von Lösungsmitteln azeotrop siedende Gemische. Die azeotropen Zusammensetzungen und Siedepunkte finden sich in der folgenden Tabelle. Keine Azeotrope werden mit Toluol, m-Xylol, Ethylbenzol, 1-Propanol, 1-Butanol, 2-Methyl-1-propanol, 2-Butanol, Allylalkohol, Aceton, 1,4-Dioxan, Essigsäuremethylester, Essigsäureisopropylester, Essigsäurebutylester, Ameisensäure und Essigsäure gebildet.<ref name="Smallwood" /><ref name="ullmann" />
| Azeotrope mit verschiedenen Lösungsmitteln<ref name="Smallwood">I. M. Smallwood: Handbook of organic solvent properties. Arnold, London 1996, ISBN 0-340-64578-4, S. 175–177.</ref><ref name="ullmann" /> | |||||||||||
| Lösungsmittel | Wasser | n-Hexan | n-Heptan | Cyclohexan | Benzol | Chloroform | Tetrachlorkohlenstoff | ||||
| Gehalt Butanon | in % (m/m) | 88,7 | 29,5 | 71,3 | 44,1 | 44,3 | 83 | 29 | |||
| Siedepunkt | in °C | 73,4 | 64,3 | 77,0 | 71,8 | 78,4 | 80 | 74 | |||
| Lösungsmittel | Methanol | Ethanol | 2-Propanol | tert-Butanol | Ethylacetat | Methylpropionat | Diisopropylether | Di-n-propylether | |||
| Gehalt Butanon | in % (m/m) | 32,8 | 60,9 | 70,4 | 69,0 | 18,0 | 60,0 | 16,2 | 74,6 | ||
| Siedepunkt | in °C | 63,9 | 74,0 | 77,5 | 78,7 | 77,0 | 79,0 | 66,8 | 78,3 | ||
Die Mischbarkeit mit Wasser ist begrenzt. Mit steigender Temperatur sinkt die Löslichkeit von Butanon in Wasser bzw. steigt die Löslichkeit von Wasser in Butanon.<ref name="Stephenson" />
| Löslichkeiten zwischen Butanon und Wasser<ref name="Stephenson">R. M. Stephenson: Mutual Solubilities: Water-Ketones, Water-Ethers, and Water-Gasoline-Alcohols. In: J. Chem. Eng. Data. 37, 1992, S. 80–95; doi:10.1021/je00005a024.</ref> | ||||||||||||
| Temperatur | °C | 0 | 9,6 | 19,3 | 29,7 | 39,6 | 49,7 | 60,6 | 70,2 | |||
| Butanon in Wasser | in % (m/m) | 35,7 | 31,0 | 27,6 | 24,5 | 22,0 | 20,6 | 18,0 | 18,2 | |||
| Wasser in Butanon | in % (m/m) | 10,9 | 11,1 | 11,2 | 11,3 | 11,7 | 11,9 | 13,4 | 13,7 | |||
Wichtige thermodynamische Größen werden in der folgenden Tabelle gegeben:
| Eigenschaft | Typ | Wert [Einheit] | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Standardbildungsenthalpie | ΔfH0liquid ΔfH0gas |
−273,3 kJ·mol−1<ref name="Sinke">G. C. Sinke, F. L. Oetting: The Chemical Thermodynamic Properties of Methyl Ethyl Ketone. In: J. Phys. Chem. 68, 1964, S. 1354–1358; doi:10.1021/j100788a014.</ref> −238,1 kJ·mol−1<ref name="Sinke" /> |
als Flüssigkeit als Gas |
| Verbrennungsenthalpie | ΔcH0liquid | −2444,2 kJ·mol−1<ref name="Sinke" /> | als Flüssigkeit |
| Wärmekapazität | cp | 158,91 J·mol−1·K−1 (25 °C)<ref name="Sinke" /> 2,204 J·g−1·K−1 (25 °C) |
als Flüssigkeit |
| Kritische Temperatur | Tc | 535,7 K<ref name="Key">W. B. Kay, C. L. Young: Gas-liquid critical properties. Diethylamine, 2-butanone (methylethyl ketone) system. In: Int. DATA Ser., Sel. Data Mixtures. Ser. A, 1976, No. 1, S. 76.</ref> | |
| Kritischer Druck | pc | 41,5 bar<ref name="Key" /> | |
| Kritische Dichte | ρc | 3,74 mol·l−1<ref name="Key" /> | |
| Schmelzenthalpie | ΔfH | 8,439 kJ·mol−1<ref name="Sinke" /> | beim Schmelzpunkt |
| Verdampfungsenthalpie | ΔVH | 31,3 kJ·mol−1<ref name="Majer Svoboda">V. Majer, V. Svoboda: Enthalpies of Vaporization of Organic Compounds: A Critical Review and Data Compilation. Blackwell Scientific Publications, Oxford 1985, S. 300.</ref> | beim Normaldrucksiedepunkt |
Die Temperaturabhängigkeit der Verdampfungsenthalpie lässt sich entsprechend der Gleichung ΔVH0=A·e(−βTr)(1−Tr)β (ΔVH0 in kJ/mol, Tr =(T/Tc) reduzierte Temperatur) mit A = 51,87 kJ/mol, β = 0,2925 und Tc = 536,8 K im Temperaturbereich zwischen 298 K und 371 K beschreiben.<ref name="Majer Svoboda" />
Chemische Eigenschaften
Butanon ist bei Raumtemperatur und in Abwesenheit von Luftsauerstoff stabil. In Gegenwart von Luftsauerstoff können bei längerer Lagerung Peroxide gebildet werden.<ref name="ullmann" /> Die gezielte Oxidation mit Luftsauerstoff mittels Katalysatoren führt zum Diacetyl.<ref name="ullmann" /> Die Reaktion mit Amylnitrit führt zur Oxidation in α-Position zum Monooxim des Diacetyls.<ref name="ullmann" />
Vorlage:Anker Die Umsetzung mit Wasserstoffperoxid ergibt das Methylethylketonperoxid, das als Polymerisationsinitiator verwendet werden kann.<ref name="ullmann" /> Die Reaktion mit Salpetersäure oder anderen starken Oxidationsmitteln führt zu einem Gemisch aus Ameisensäure und Propionsäure.<ref name="ullmann" /> Die Selbstkondensation führt im basischen bzw. sauren Medium zu unterschiedlichen Reaktionsprodukten.<ref name="ullmann" /> Unter basischer Katalyse reagiert die Carbonylfunktion mit der Methylgruppe, während unter sauren Bedingungen die Methylengruppe α-Position die Carbonylfunktion angreift.<ref name="ullmann" />
Die Kondensation mit Formaldehyd ergibt das Methylisopropylketon.<ref name="ullmann" /> Butanon bildet mit Cyanwasserstoff sowie mit Natriumhydrogensulfit bzw. Kaliumhydrogensulfit Additionsprodukte.<ref name="ullmann" /> Durch die Umsetzung mit Hydroxylamin erhält man das 2-Butanonoxim.<ref name="ullmann" /> Die Halogenierung erfolgt in α-Position zur Ketogruppe.<ref name="ullmann" /> Mit Grignard-Verbindungen werden tertiäre Alkohole gebildet.<ref name="ullmann" />
Sicherheitstechnische Kenngrößen
Butanon bildet leicht entzündliche Dampf-Luft-Gemische. Die Verbindung hat einen Flammpunkt bei −7,5 °C.<ref name="GESTIS" /> Der Explosionsbereich liegt zwischen 1,5 Vol.-% (45 g/m3) als untere Explosionsgrenze (UEG) und 12,6 Vol.-% (378 g/m3) als obere Explosionsgrenze (OEG).<ref name="Brandes">E. Brandes, W. Möller: Sicherheitstechnische Kenngrößen. Band 1: Brennbare Flüssigkeiten und Gase. Wirtschaftsverlag NW – Verlag für neue Wissenschaft, Bremerhaven 2003.</ref> Mit einer Mindestzündenergie von 0,27 mJ sind Dampf-Luft-Gemische extrem zündfähig.<ref name="GESTIS" /><ref name="BG RCI T033">BG RCI-Merkblatt T 033 Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen. Jedermann-Verlag, 2009, ISBN 978-3-86825-103-6.</ref> Der maximale Explosionsdruck beträgt 9,3 bar.<ref name="GESTIS" /> Mit steigender Temperatur und reduziertem Ausgangsdruck sinkt der maximale Explosionsdruck.<ref name="PTB" /> Die Sauerstoffgrenzkonzentration liegt bei 20 °C bei 9,5 Vol.-%.<ref name="Brandes" /> Tendenziell steigt der Wert mit sinkenden Druck bzw. verringert sich mit steigender Temperatur.<ref name="PTB" /> Die Grenzspaltweite wurde mit 0,85 mm bestimmt.<ref name="Brandes" /> Es resultiert damit eine Zuordnung in die Explosionsgruppe IIB.<ref name="Brandes" /><ref name="GESTIS" /> Die Zündtemperatur beträgt 475 °C.<ref name="Brandes" /><ref name="GESTIS" /> Der Stoff fällt somit in die Temperaturklasse T1. Die elektrische Leitfähigkeit ist mit 3,6·10−7 S·m−1 hoch nach Maßgabe des Explosionsschutzes.<ref name="Smallwood" /><ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
| Maximaler Explosionsdruck und Sauerstoffgrenzkonzentration unter reduziertem Druck <ref name="PTB">D. Pawel, E. Brandes: Vorlage:Webarchiv, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig 1998.</ref> | ||||||||||||
| Druck | in mbar | 1013 | 600 | 400 | 300 | 200 | 150 | 100 | ||||
| Maximaler Explosionsdruck | in bar | bei 20 °C | 9,5 | 5,7 | 2,7 | 1,8 | 1,4 | 0,9 | ||||
| bei 100 °C | 7,5 | 4,6 | 3,1 | 1,5 | 0,7 | |||||||
| Sauerstoffgrenzkonzentration | in Vol% | bei 20 °C | 9,5 | 9,5 | 9,9 | |||||||
| bei 100 °C | 8,5 | 8,5 | 8,7 | 9,1 | 12,5 | |||||||
Verwendung
Butanon ist wie Aceton ein gutes Lösungsmittel, in dem eine Vielzahl von Kunststoffen, Harzen und Lacken gelöst werden kann.<ref name="Roempp" /> Daneben wird es auch zur Entparaffinierung von Schmierölen, Entfettung von Metalloberflächen, Extraktion von Fetten und Ölen aus natürlichen Harzen, als künstlicher Aromastoff und zur Sterilisation medizinischer Instrumente verwendet. Durch die Reaktion von Butanon mit Wasserstoffperoxid entsteht Methylethylketonperoxid, ein wichtiger Radikalstarter für die Polymerisation von Polyesterharzen.<ref name="Roempp" /> Seit 1962 wird es in Deutschland wegen des ähnlichen Siedepunktes als Vergällungsmittel für Ethanol verwendet.<ref name="ullmann">Detlef Hoell, Thomas Mensing, Rafael Roggenbuck, Michael Sakuth, Egbert Sperlich, Thomas Urban, Wilhelm Neier, Guenther Strehlke: 2-Butanone. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2012; doi:10.1002/14356007.a04_475.pub2.</ref>
Sicherheitshinweise/Toxikologie
Butanon wurde 2017 von der EU gemäß der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 (REACH) im Rahmen der Stoffbewertung in den fortlaufenden Aktionsplan der Gemeinschaft (CoRAP) aufgenommen. Hierbei werden die Auswirkungen des Stoffs auf die menschliche Gesundheit bzw. die Umwelt neu bewertet und ggf. Folgemaßnahmen eingeleitet. Ursächlich für die Aufnahme von Butanon waren die Besorgnisse bezüglich Verbraucherverwendung, Umweltexposition, Exposition von Arbeitnehmern, hoher (aggregierter) Tonnage, hohes Risikoverhältnis (Risk Characterisation Ratio, RCR) und weit verbreiteter Verwendung sowie der möglichen Gefahr durch reproduktionstoxische Eigenschaften sowie als potentieller endokriner Disruptor. Die Neubewertung läuft seit 2018 und wird von Schweden durchgeführt. Um zu einer abschließenden Bewertung gelangen zu können, wurden weitere Informationen nachgefordert.<ref>Vorlage:CoRAP-Status</ref>
Weblinks
Vorlage:Commonscat Vorlage:Wiktionary
Einzelnachweise
<references> <ref name="Dr. Duke">Vorlage:DrDukesDB</ref> <ref name="ZFNB">Vorlage:ZNaturforsch</ref> </references>