Acrilonitrilo
El acrilonitrilo es un compuesto orgánico con la fórmula CH2CHCN y la estructura H2C=CH−C≡N. Es un líquido incoloro y volátil, aunque las muestras comerciales pueden volverse amarillas debido a las impurezas. Tiene un olor acre a ajo o cebolla. Su estructura molecular consiste en un grupo vinilo (−CH=CH2) unido a un nitrilo (−C≡N). Es un monómero importante para la fabricación de plásticos útiles como el poliacrilonitrilo. Es reactivo y tóxico a dosis bajas. El acrilonitrilo fue sintetizado por primera vez por el químico francés Charles Moureu (1863-1929) en 1893.
Ocurrencia
El acrilonitrilo no se forma naturalmente en la Tierra. Se ha detectado en niveles inferiores a ppm en sitios industriales. Persiste en el aire hasta por una semana. Se descompone al reaccionar con el oxígeno y el radical hidroxilo para formar cianuro de formilo y formaldehído. El acrilonitrilo es dañino para la vida acuática.
Se ha detectado acrilonitrilo en la atmósfera de Titán, una luna de Saturno. Las simulaciones por computadora sugieren que en Titán existen condiciones tales que el compuesto podría formar estructuras similares a las membranas celulares y vesículas en la Tierra, llamadas azotosomas.
Producción
El acrilonitrilo se produce por amoxidación catalítica de propileno, también conocida como proceso SOHIO. En 2002, la capacidad de producción mundial se estimó en 5 millones de toneladas por año, aumentando a unos 6 millones de toneladas en 2017. El acetonitrilo y el cianuro de hidrógeno son subproductos importantes que se recuperan para la venta. De hecho, la escasez de acetonitrilo de 2008–2009 fue causada por una disminución en la demanda de acrilonitrilo.
- 2 CH3−CH=CH2 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 CH2+ 6 H2O
En el proceso SOHIO, el propileno, el amoníaco y el aire (oxidante) pasan a través de un reactor de lecho fluidizado que contiene el catalizador a 400–510 °C y 50–200 kPag. Los reactivos pasan a través del reactor solo una vez, antes de apagarse en ácido sulfúrico acuoso. El exceso de propileno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y dinitrógeno que no se disuelve se ventila directamente a la atmósfera o se incinera. La solución acuosa consta de acrilonitrilo, acetonitrilo, ácido cianhídrico y sulfato de amonio (del exceso de amoníaco). Una columna de recuperación elimina el agua a granel y el acrilonitrilo y el acetonitrilo se separan por destilación. Uno de los primeros catalizadores útiles fue el fosfomolibdato de bismuto (Bi9PMo 12O52) soportado sobre sílice. Desde entonces se han realizado más mejoras.
Rutas alternativas
Se están explorando varias rutas de la química verde para el acrilonitrilo a partir de materias primas renovables, como la biomasa lignocelulósica, el glicerol (de la producción de biodiésel) o el ácido glutámico (que a su vez puede producirse a partir de materias primas renovables). La ruta lignocelulósica implica la fermentación de la biomasa a ácido propiónico y ácido 3-hidroxipropiónico, que luego se convierten en acrilonitrilo por deshidratación y amoxidación. La ruta del glicerol comienza con su deshidratación a acroleína, que sufre amoxidación para dar acrilonitrilo. La ruta del ácido glutámico emplea la descarboxilación oxidativa a ácido 3-cianopropanoico, seguida de una descarbonilación-eliminación a acrilonitrilo. De estos, la ruta del glicerol se considera ampliamente como la más viable, aunque ninguno de estos métodos ecológicos es comercialmente competitivo.
Usos
El acrilonitrilo se usa principalmente como monómero para preparar poliacrilonitrilo, un homopolímero o varios copolímeros importantes, como estireno-acrilonitrilo (SAN), acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), acrilato de acrilonitrilo estireno (ASA) y otros cauchos sintéticos como como acrilonitrilo butadieno (NBR). La hidrodimerización del acrilonitrilo produce adiponitrilo, que se utiliza en la síntesis de ciertos nailon:
- 2 CH2=CHCN + 2 e− + 2 H+ → NCCH2Č2Č2Č2CN
El acrilonitrilo también es un precursor en la fabricación de acrilamida y ácido acrílico.
Síntesis de productos químicos
La hidrogenación del acrilonitrilo es una ruta hacia el propionitrilo. La hidrólisis con ácido sulfúrico da sulfato de acrilamida, CH=CHC(O)NH2·H2SO4. Esta sal se puede convertir en acrilamida por tratamiento con una base o en acrilato de metilo por tratamiento con metanol.
La reacción del acrilonitrilo con los nucleófilos próticos es una ruta común para una variedad de productos químicos especiales. El proceso se llama cianoetilación:
- YH + H2C=CHCN → YCH2Č2CN
Los nucleófilos próticos típicos son alcoholes, tioles y especialmente aminas.
El acrilonitrilo y sus derivados, como el 2-cloroacrilonitrilo, son dienófilos en las reacciones de Diels-Alder.
Efectos sobre la salud
El acrilonitrilo es moderadamente tóxico con LD50 = 81 mg/kg (ratas). Sufre una polimerización explosiva. El material en combustión libera vapores de cianuro de hidrógeno y óxidos de nitrógeno. Está clasificado como carcinógeno Clase 2B (posiblemente carcinógeno) por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC), y los trabajadores expuestos a altos niveles de acrilonitrilo en el aire son diagnosticados con más frecuencia de cáncer de pulmón que el resto de la población. El acrilonitrilo es uno de los siete tóxicos en el humo del cigarrillo que están más asociados con la carcinogénesis del tracto respiratorio. El mecanismo de acción del acrilonitrilo parece implicar el estrés oxidativo y el daño oxidativo del ADN. El acrilonitrilo aumenta el cáncer en pruebas de dosis altas en ratas y ratones machos y hembras e induce la apoptosis en células madre mesenquimales del cordón umbilical humano.
Se evapora rápidamente a temperatura ambiente (20 °C) para alcanzar concentraciones peligrosas; la irritación de la piel, la irritación de las vías respiratorias y la irritación de los ojos son los efectos inmediatos de esta exposición. Las vías de exposición para los seres humanos incluyen emisiones, escapes de automóviles y humo de cigarrillos que pueden exponer al sujeto humano directamente si inhalan o fuman. Las vías de exposición incluyen la inhalación, la vía oral y, hasta cierto punto, la absorción dérmica (probada con humanos voluntarios y en estudios con ratas). La exposición repetida causa sensibilización de la piel y puede causar daño al sistema nervioso central y al hígado.
Hay dos procesos principales de excreción de acrilonitrilo. El método principal es la excreción en la orina cuando el acrilonitrilo se metaboliza al conjugarse directamente con el glutatión. El otro método es cuando el acrilonitrilo se convierte enzimáticamente en óxido de 2-cianoetileno que producirá productos finales de cianuro que finalmente forman tiocianato, que se excreta a través de la orina. Por lo tanto, la exposición se puede detectar mediante extracciones de sangre y muestras de orina.