Estireno

El estireno es un compuesto orgánico con la fórmula química C₆H₅CH=CH₂. Este derivado del benceno es un líquido aceitoso incoloro, aunque las muestras envejecidas pueden tener un color amarillento. El compuesto se evapora fácilmente y tiene un olor dulce, aunque en altas concentraciones tiene un olor menos agradable. El estireno es el precursor del poliestireno y varios copolímeros. Aproximadamente 25 millones de toneladas de estireno se produjeron en 2010, aumentando a alrededor de 35 millones de toneladas en 2018.

Ocurrencia natural

El estireno recibe su nombre del bálsamo de estorax (a menudo vendido comercialmente como styrax), la resina de los árboles Liquidambar de la familia de plantas Altingiaceae. El estireno se encuentra naturalmente en pequeñas cantidades en algunas plantas y alimentos (canela, granos de café, árboles de bálsamo y maní) y también se encuentra en el alquitrán de hulla.

Historia

En 1839, el boticario alemán Eduard Simon aisló un líquido volátil de la resina (llamada storax o styrax (latín)) del árbol del liquidámbar americano ( Liquidámbar styraciflua). Llamó al líquido "estirol" (ahora estireno). También notó que cuando el estirol se exponía al aire, la luz o el calor, se transformaba gradualmente en una sustancia dura similar al caucho, a la que llamó "óxido de estirol". En 1845, el químico alemán August Wilhelm von Hofmann y su alumno John Buddle Blyth habían determinado la fórmula empírica del estireno: C₈H₈. También habían determinado que el "óxido de estirol" – al que rebautizaron como "metastirol" – tenía la misma fórmula empírica que el estireno. Además, podrían obtener estireno mediante la destilación en seco de "metastirol". En 1865, el químico alemán Emil Erlenmeyer descubrió que el estireno podía formar un dímero, y en 1866 el químico francés Marcelin Berthelot afirmó que el "metastirol" era un polímero de estireno (es decir, poliestireno). Mientras tanto, otros químicos habían estado investigando otro componente del estoraque, a saber, el ácido cinámico. Habían descubierto que el ácido cinámico podía descarboxilarse para formar "cinameno" (o "cinnamol"), que parecía ser estireno. En 1845, el químico francés Emil Kopp sugirió que los dos compuestos eran idénticos y, en 1866, Erlenmeyer sugirió que tanto el "cinamol" y el estireno podría ser vinilbenceno. Sin embargo, el estireno que se obtenía del ácido cinámico parecía diferente del estireno que se obtenía destilando la resina de estoraque: este último era ópticamente activo. Finalmente, en 1876, el químico holandés van 't Hoff resolvió la ambigüedad: la actividad óptica del estireno que se obtenía al destilar la resina de estorax se debía a un contaminante.

Producción industrial

De etilbenceno

La gran mayoría del estireno se produce a partir de etilbenceno y casi todo el etilbenceno producido en todo el mundo se destina a la producción de estireno. Como tal, los dos procesos de producción suelen estar muy integrados. El etilbenceno se produce mediante una reacción de Friedel-Crafts entre benceno y eteno; originalmente, este usaba cloruro de aluminio como catalizador, pero en la producción moderna ha sido reemplazado por zeolitas.

Por deshidrogenación

Alrededor del 80 % del estireno se produce por la deshidrogenación del etilbenceno. Esto se logra utilizando vapor sobrecalentado (hasta 600 °C) sobre un catalizador de óxido de hierro (III). La reacción es altamente endotérmica y reversible, con un rendimiento típico de 88 a 94%.

El producto bruto de etilbenceno/estireno se purifica luego por destilación. Como la diferencia en los puntos de ebullición entre los dos compuestos es de solo 9 °C a presión ambiente, se requiere el uso de una serie de columnas de destilación. Esto consume mucha energía y se complica aún más por la tendencia del estireno a sufrir polimerización inducida térmicamente en poliestireno, lo que requiere la adición continua de inhibidor de polimerización al sistema.

Vía hidroperóxido de etilbenceno

El estireno también se coproduce comercialmente en un proceso conocido como POSM (Lyondell Chemical Company) o SM/PO (Shell) para monómero de estireno/óxido de propileno. En este proceso, el etilbenceno se trata con oxígeno para formar el hidroperóxido de etilbenceno. Este hidroperóxido luego se usa para oxidar propileno a óxido de propileno, que también se recupera como un coproducto. El 1-feniletanol restante se deshidrata para dar estireno:

Otras rutas industriales

Extracción de gasolina de pirólisis

La extracción de la gasolina de pirólisis se realiza a escala limitada.

De tolueno y metanol

El estireno se puede producir a partir de tolueno y metanol, que son materias primas más baratas que las del proceso convencional. Este proceso ha sufrido de baja selectividad asociada con la descomposición competitiva del metanol. Exelus Inc. afirma haber desarrollado este proceso con selectividades comercialmente viables, a 400–425 °C y presión atmosférica, forzando estos componentes a través de un catalizador zeolítico patentado. Se informa que se obtiene una mezcla de estireno y etilbenceno aproximadamente 9:1, con un rendimiento total de estireno superior al 60%.

De benceno y etano

Otra ruta hacia el estireno implica la reacción del benceno y el etano. Este proceso está siendo desarrollado por Snamprogetti y Dow. El etano, junto con el etilbenceno, se alimenta a un reactor de deshidrogenación con un catalizador capaz de producir simultáneamente estireno y etileno. El efluente de deshidrogenación se enfría y se separa y la corriente de etileno se recicla a la unidad de alquilación. El proceso intenta superar las deficiencias anteriores en intentos anteriores de desarrollar la producción de estireno a partir de etano y benceno, como la recuperación ineficiente de compuestos aromáticos, la producción de altos niveles de productos pesados y alquitranes y la separación ineficiente de hidrógeno y etano. El desarrollo del proceso está en curso.

Síntesis de laboratorio

Una síntesis de laboratorio de estireno implica la descarboxilación del ácido cinámico:

C₆H₅CH=CHCO₂H → C₆H₅CH=CH₂ + CO₂

El estireno se preparó por primera vez con este método.

Polimerización

La presencia del grupo vinilo permite que el estireno se polimerice. Los productos de importancia comercial incluyen poliestireno, acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), caucho de estireno-butadieno (SBR), látex de estireno-butadieno, SIS (estireno-isopreno-estireno), S-EB-S (estireno-etileno/butileno-estireno), estireno-divinilbenceno (S-DVB), resina de estireno-acrilonitrilo (SAN) y poliésteres insaturados utilizados en resinas y compuestos termoendurecibles. Estos materiales se utilizan en caucho, plástico, aislamiento, fibra de vidrio, tuberías, piezas de automóviles y embarcaciones, recipientes para alimentos y respaldo de alfombras.

Peligros

Autopolimerización

Como líquido o gas, el estireno puro polimerizará espontáneamente a poliestireno, sin necesidad de iniciadores externos. Esto se conoce como autopolimerización. A 100 °C, se autopolimerizará a una velocidad de ~2 % por hora, y más rápidamente que esto a temperaturas más altas. Como la reacción de autopolimerización es exotérmica, puede acelerarse a sí misma, con un riesgo real de fuga térmica, que podría provocar una explosión. Los ejemplos incluyen la explosión del petrolero Stolt Groenland en 2019, las explosiones en Phillips Petroleum Company en 1999 y 2000 y el sobrecalentamiento de los tanques de estireno que provocaron la fuga de gas en Visakhapatnam en 2020, en la que murieron varias personas. La reacción de autopolimerización solo puede controlarse mediante la adición continua de inhibidores de polimerización.

Efectos sobre la salud

El estireno se considera un "carcinógeno conocido", especialmente en caso de contacto con los ojos, pero también en caso de contacto con la piel, ingestión e inhalación, según varias fuentes. El estireno se metaboliza en gran medida en óxido de estireno en humanos, como resultado de la oxidación por el citocromo P450. El óxido de estireno se considera tóxico, mutagénico y posiblemente cancerígeno. El óxido de estireno se hidroliza posteriormente in vivo a estireno glicol mediante la enzima epóxido hidrolasa. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA, por sus siglas en inglés) ha descrito que el estireno es "una toxina sospechosa para el tracto gastrointestinal, los riñones y el sistema respiratorio, entre otros". El 10 de junio de 2011, el Programa Nacional de Toxicología de EE. UU. describió el estireno como "razonablemente anticipado como carcinógeno humano". Sin embargo, un autor de STATS describe una revisión que se realizó en la literatura científica y concluyó que "La evidencia epidemiológica disponible no respalda una relación causal entre la exposición al estireno y cualquier tipo de cáncer humano". A pesar de esta afirmación, investigadores daneses han investigado la relación entre la exposición ocupacional al estireno y el cáncer. Concluyeron: "Los hallazgos deben interpretarse con cautela, debido a la evaluación de exposición realizada por la empresa, pero la posible asociación entre exposiciones en la industria de plásticos reforzados, principalmente estireno, y trastornos degenerativos del sistema nervioso y cáncer de páncreas, merece atención". En 2012, la EPA danesa concluyó que los datos de estireno no respaldan una preocupación de cáncer por estireno. La EPA de EE. UU. no tiene una clasificación de cáncer para el estireno, pero ha sido objeto de su programa Sistema Integrado de Información de Riesgos (IRIS). El Programa Nacional de Toxicología del Departamento de Salud y Servicios Humanos de los EE. UU. ha determinado que el estireno es "razonablemente anticipado como carcinógeno humano". Varios organismos reguladores se refieren al estireno, en varios contextos, como un carcinógeno humano posible o potencial. La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer considera que el estireno es "probablemente cancerígeno para los humanos".

También se han estudiado las propiedades neurotóxicas del estireno y los efectos informados incluyen efectos sobre la visión (aunque no se pueden reproducir en un estudio posterior) y sobre las funciones auditivas. Los estudios en ratas han arrojado resultados contradictorios, pero los estudios epidemiológicos han observado una interacción sinérgica con el ruido que causa dificultades auditivas.