Ácido benzoico

El ácido benzoico es un compuesto orgánico sólido blanco (o incoloro) con la fórmula C₆H₅COOH, cuya estructura consiste en un anillo de benceno (C₆H₆) con un carboxilo (−C(=O)OH) sustituyente. Es el ácido carboxílico aromático más simple. El nombre se deriva de la goma de benjuí, que fue durante mucho tiempo su única fuente.

El ácido benzoico se encuentra naturalmente en muchas plantas y sirve como intermediario en la biosíntesis de muchos metabolitos secundarios. Las sales de ácido benzoico se utilizan como conservantes de alimentos. El ácido benzoico es un precursor importante para la síntesis industrial de muchas otras sustancias orgánicas. Las sales y ésteres del ácido benzoico se conocen como benzoatos.

Historia

El ácido benzoico fue descubierto en el siglo XVI. La destilación en seco de la goma de benjuí fue descrita por primera vez por Nostradamus (1556), y luego por Alexius Pedemontanus (1560) y Blaise de Vigenère (1596).

Justus von Liebig y Friedrich Wöhler determinaron la composición del ácido benzoico. Estos últimos también investigaron cómo se relaciona el ácido hipúrico con el ácido benzoico.

En 1875, Salkowski descubrió las propiedades antifúngicas del ácido benzoico, que se utilizó durante mucho tiempo en la conservación de frutos de mora que contenían benzoato.

Producción

Preparados industriales

El ácido benzoico se produce comercialmente por oxidación parcial de tolueno con oxígeno. El proceso es catalizado por naftenatos de cobalto o manganeso. El proceso utiliza abundantes materiales y procede con un alto rendimiento.

El primer proceso industrial consistía en la reacción del tricloruro de benzo (triclorometilbenceno) con hidróxido de calcio en agua, usando hierro o sales de hierro como catalizador. El benzoato de calcio resultante se convierte en ácido benzoico con ácido clorhídrico. El producto contiene cantidades significativas de derivados del ácido benzoico clorado. Por esta razón, el ácido benzoico para consumo humano se obtuvo por destilación en seco de la goma de benjuí. El ácido benzoico de calidad alimentaria ahora se produce sintéticamente.

Síntesis de laboratorio

El ácido benzoico es barato y fácilmente disponible, por lo que la síntesis de laboratorio del ácido benzoico se practica principalmente por su valor pedagógico. Es una preparación común de pregrado.

El ácido benzoico se puede purificar por recristalización en agua debido a su alta solubilidad en agua caliente y poca solubilidad en agua fría. La evitación de disolventes orgánicos para la recristalización hace que este experimento sea especialmente seguro. Este proceso suele dar un rendimiento de alrededor del 65%.

Por hidrólisis

Al igual que otros nitrilos y amidas, el benzonitrilo y la benzamida se pueden hidrolizar a ácido benzoico o su base conjugada en condiciones ácidas o básicas.

De reactivo de Grignard

El bromobenceno se puede convertir en ácido benzoico mediante "carboxilación" del intermediario bromuro de fenilmagnesio. Esta síntesis ofrece un ejercicio conveniente para que los estudiantes lleven a cabo una reacción de Grignard, una clase importante de reacción de formación de enlaces carbono-carbono en química orgánica.

Oxidación de compuestos bencílicos

El alcohol bencílico y el cloruro de bencilo y prácticamente todos los derivados de bencilo se oxidan fácilmente a ácido benzoico.

Usos

El ácido benzoico se consume principalmente en la producción de fenol por descarboxilación oxidativa a 300-400 °C:

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La temperatura requerida puede reducirse a 200 °C mediante la adición de cantidades catalíticas de sales de cobre (II). El fenol se puede convertir en ciclohexanol, que es un material de partida para la síntesis de nailon.

Precursora de plastificantes

Los plastificantes de benzoato, como los ésteres de glicol, dietilenglicol y trietilenglicol, se obtienen por transesterificación del benzoato de metilo con el diol correspondiente. Estos plastificantes, que se utilizan de forma similar a los derivados del éster de ácido tereftálico, representan alternativas a los ftalatos.

Precursor del benzoato de sodio y conservantes relacionados

El ácido benzoico y sus sales se utilizan como conservantes de alimentos, representados por los números E E210, E211, E212 y E213. El ácido benzoico inhibe el crecimiento de moho, levadura y algunas bacterias. Se agrega directamente o se crea a partir de reacciones con su sal de sodio, potasio o calcio. El mecanismo comienza con la absorción de ácido benzoico en la célula. Si el pH intracelular cambia a 5 o menos, la fermentación anaeróbica de glucosa a través de la fosfofructocinasa disminuye en un 95 %. Por tanto, la eficacia del ácido benzoico y del benzoato depende del pH del alimento. Ácido benzoico, benzoatos y sus derivados se utilizan como conservantes de alimentos y bebidas ácidos como jugos de frutas cítricas (ácido cítrico), refrescos (dióxido de carbono), refrescos (ácido fosfórico), encurtidos (vinagre) y otros alimentos acidificados.

Las concentraciones típicas de ácido benzoico como conservante en los alimentos están entre 0,05 y 0,1 %. Los alimentos en los que se puede utilizar ácido benzoico y los niveles máximos para su aplicación están controlados por las leyes alimentarias locales.

Se ha expresado la preocupación de que el ácido benzoico y sus sales puedan reaccionar con el ácido ascórbico (vitamina C) en algunos refrescos, formando pequeñas cantidades de benceno cancerígeno.

Medicina

El ácido benzoico es un componente de la pomada de Whitfield que se utiliza para el tratamiento de enfermedades fúngicas de la piel como la tiña y el pie de atleta. Como componente principal de la goma de benjuí, el ácido benzoico también es un ingrediente importante tanto en la tintura de benjuí como en el bálsamo de Friar. Dichos productos tienen una larga historia de uso como antisépticos tópicos y descongestionantes por inhalación.

El ácido benzoico se utilizó como expectorante, analgésico y antiséptico a principios del siglo XX.

Usos de nicho y de laboratorio

En los laboratorios de enseñanza, el ácido benzoico es un estándar común para calibrar una bomba calorimétrica.

Biología y efectos sobre la salud

El ácido benzoico se produce naturalmente al igual que sus ésteres en muchas especies de plantas y animales. En la mayoría de las bayas se encuentran cantidades apreciables (alrededor del 0,05%). Los frutos maduros de varias especies de Vaccinium (p. ej., arándano, V. vitis macrocarpon; arándano, V. myrtillus) contienen hasta 0,03–0,13 % ácido benzoico libre. El ácido benzoico también se forma en las manzanas después de la infección con el hongo Nectria galligena. Entre los animales, el ácido benzoico se ha identificado principalmente en especies omnívoras o fitófagas, por ejemplo, en las vísceras y los músculos de la perdiz nival (Lagopus muta), así como en las secreciones glandulares del buey almizclero macho (Ovibos moschatus) o elefantes machos asiáticos (Elephas maximus). La goma de benjuí contiene hasta un 20 % de ácido benzoico y un 40 % de ésteres de ácido benzoico.

En cuanto a su biosíntesis, el benzoato se produce en las plantas a partir del ácido cinámico. Se ha identificado una vía a partir del fenol a través del 4-hidroxibenzoato.

Reacciones

Las reacciones del ácido benzoico pueden ocurrir en el anillo aromático o en el grupo carboxilo.

Anillo aromático

La reacción de sustitución aromática electrófila tendrá lugar principalmente en la posición 3 debido al grupo carboxílico atractor de electrones; es decir, el ácido benzoico es meta-directivo.

Grupo carboxilo

Las reacciones típicas de los ácidos carboxílicos también se aplican al ácido benzoico.

• Los ésteres benzoados son el producto de la reacción catalizada del ácido con alcoholes.
• El ácido benzoico amides se prepara generalmente de cloruro de benzoilo.
• La deshidratación de anhídrido benzoico se induce con anhídrido acético o pentoxida fósforo.
• Los derivados ácidos altamente reactivos, como los halides ácidos, se obtienen fácilmente mezclando con agentes de halogenación como cloruro de fósforo o cloruro de thionilo.
• Los ortoesters pueden obtenerse por la reacción de alcoholes bajo condiciones libres de agua ácido con benzonitrilo.
• Es posible reducir el alcohol benzaldehído y benzyl utilizando DIBAL-H, LiAlH4 o sodio borohydride.
• La decarboxilación a benceno puede ser realizada por calefacción en quinolina en presencia de sales de cobre. La decarboxilación Hunsdiecker se puede lograr calentando la sal de plata.

Seguridad y metabolismo de los mamíferos

Se excreta como ácido hipúrico. El ácido benzoico es metabolizado por la butirato-CoA ligasa en un producto intermedio, benzoil-CoA, que luego es metabolizado por la glicina N-aciltransferasa en ácido hipúrico. Los seres humanos metabolizan el tolueno, que también se excreta como ácido hipúrico.

Para los seres humanos, el Programa Internacional de Seguridad Química (IPCS) de la Organización Mundial de la Salud sugiere que una ingesta tolerable provisional sería de 5 mg/kg de peso corporal al día. Los gatos tienen una tolerancia significativamente menor al ácido benzoico y sus sales que las ratas y los ratones. La dosis letal para gatos puede ser tan baja como 300 mg/kg de peso corporal. La LD50 oral para ratas es de 3040 mg/kg, para ratones es de 1940–2263 mg/kg.

En Taipei, Taiwán, una encuesta de salud de la ciudad en 2010 encontró que el 30 % de los productos alimenticios secos y en escabeche tenían ácido benzoico.