Etilenglicol

El etilenglicol (nombre IUPAC: etano-1,2-diol) es un compuesto orgánico (un diol vecinal) con la fórmula (CH₂OH)₂. Se utiliza principalmente para dos fines, como materia prima en la fabricación de fibras de poliéster y para formulaciones anticongelantes. Es un líquido viscoso, inodoro, incoloro e inflamable. El etilenglicol tiene un sabor dulce, pero es tóxico en altas concentraciones.

Producción

Rutas industriales

El etilenglicol se produce a partir de etileno (eteno), a través del óxido de etileno intermedio. El óxido de etileno reacciona con el agua para producir etilenglicol de acuerdo con la ecuación química:

C₂H₄O + H₂O → HO−CH₂CH₂−OH

Esta reacción puede ser catalizada por ácidos o bases, o puede ocurrir a pH neutro a temperaturas elevadas. Los mayores rendimientos de etilenglicol se producen a pH ácido o neutro con un gran exceso de agua. Bajo estas condiciones, se pueden lograr rendimientos de etilenglicol del 90%. Los subproductos principales son los oligómeros dietilenglicol, trietilenglicol y tetraetilenglicol. La separación de estos oligómeros y el agua consume mucha energía. Anualmente se producen alrededor de 6,7 millones de toneladas.

Se logra una mayor selectividad mediante el uso del proceso OMEGA de Shell. En el proceso OMEGA, el óxido de etileno se convierte primero con dióxido de carbono (CO₂) en carbonato de etileno. Luego, este anillo se hidroliza con un catalizador base en un segundo paso para producir monoetilenglicol con una selectividad del 98 %. El dióxido de carbono se vuelve a liberar en este paso y se puede realimentar al circuito de proceso. El dióxido de carbono proviene en parte de la producción de óxido de etileno, donde una parte del etileno se oxida por completo.

El etilenglicol se produce a partir de monóxido de carbono en países con grandes reservas de carbón y regulaciones ambientales menos estrictas. La carbonilación oxidativa de metanol a oxalato de dimetilo proporciona un enfoque prometedor para la producción de C
₁ a base de etilenglicol. El oxalato de dimetilo se puede convertir en etilenglicol con altos rendimientos (94,7%) mediante hidrogenación con un catalizador de cobre:

Debido a que el metanol se recicla, solo se consume monóxido de carbono, hidrógeno y oxígeno. Una planta con una capacidad de producción de 200 000 toneladas de etilenglicol por año está en Mongolia Interior, y una segunda planta en la provincia china de Henan con una capacidad de 250 000 toneladas por año estaba programada para 2012. A partir de 2015, cuatro plantas en China con una capacidad de 200 000 t/a cada uno estaban operando con al menos 17 más a continuación.

Rutas biológicas

La oruga de la polilla de la cera mayor, Galleria mellonella, tiene bacterias intestinales con la capacidad de degradar el polietileno (PE) en etilenglicol.

Rutas históricas

Según la mayoría de las fuentes, el químico francés Charles-Adolphe Wurtz (1817–1884) preparó por primera vez etilenglicol en 1856. Primero trató el "yoduro de etileno" (C₂H₄I₂) con acetato de plata y luego se hidroliza el "diacetato de etileno" con hidróxido de potasio. Wurtz nombró a su nuevo compuesto "glicol" porque compartía cualidades tanto con el alcohol etílico (con un grupo hidroxilo) como con la glicerina (con tres grupos hidroxilo). En 1859, Wurtz preparó etilenglicol mediante la hidratación del óxido de etileno. Parece que no hubo fabricación ni aplicación comercial de etilenglicol antes de la Primera Guerra Mundial, cuando se sintetizaba a partir de dicloruro de etileno en Alemania y se usaba como sustituto del glicerol en la industria de explosivos.

En los Estados Unidos, la producción semicomercial de etilenglicol a través de etilenclorhidrina comenzó en 1917. La primera planta de glicol comercial a gran escala fue erigida en 1925 en South Charleston, West Virginia, por Carbide and Carbon Chemicals Co. (ahora Union Carbide Corporación). En 1929, casi todos los fabricantes de dinamita utilizaban etilenglicol. En 1937, Carbide puso en marcha la primera planta basada en el proceso de Lefort para la oxidación en fase vapor de etileno a óxido de etileno. Carbide mantuvo el monopolio del proceso de oxidación directa hasta 1953, cuando se comercializó y se ofreció la licencia del proceso de diseño científico.

Usos

Agente refrigerante y de transferencia de calor

El principal uso del etilenglicol es como agente anticongelante en el refrigerante, por ejemplo, en automóviles y sistemas de aire acondicionado que colocan el enfriador o los controladores de aire en el exterior o deben enfriar por debajo de la temperatura de congelación del agua. En los sistemas geotérmicos de calefacción/refrigeración, el etilenglicol es el fluido que transporta el calor mediante el uso de una bomba de calor geotérmica. El etilenglicol obtiene energía de la fuente (lago, océano, pozo de agua) o disipa el calor hacia el sumidero, dependiendo de si el sistema se usa para calefacción o refrigeración.

El etilenglicol puro tiene una capacidad calorífica específica de aproximadamente la mitad de la del agua. Por lo tanto, mientras brinda protección contra congelamiento y un punto de ebullición aumentado, el etilenglicol reduce la capacidad calorífica específica de las mezclas de agua en relación con el agua pura. Una mezcla 1:1 por masa tiene una capacidad calorífica específica de alrededor de 3140 J/(kg·°C) (0,75 BTU/(lb·°F)), tres cuartas partes de la del agua pura, por lo que requiere mayores caudales en la misma mezcla. comparaciones de sistemas con agua.

La mezcla de etilenglicol con agua brinda beneficios adicionales a las soluciones refrigerantes y anticongelantes, como la prevención de la corrosión y la degradación ácida, así como la inhibición del crecimiento de la mayoría de los microbios y hongos. Las mezclas de etilenglicol y agua a veces se denominan informalmente en la industria concentrados, compuestos, mezclas o soluciones de glicol.

Tabla de propiedades térmicas y físicas del etilenglicol líquido saturado:

Anticongelante

El etilenglicol puro se congela a aproximadamente -12 °C (10,4 °F) pero, cuando se mezcla con agua, la mezcla se congela a una temperatura más baja. Por ejemplo, una mezcla de 60 % de etilenglicol y 40 % de agua se congela a -45 °C (-49 °F). El dietilenglicol se comporta de manera similar. La depresión del punto de congelación de algunas mezclas se puede explicar como una propiedad coligativa de las soluciones pero, en mezclas altamente concentradas como la del ejemplo, se esperan desviaciones del comportamiento ideal de la solución debido a la influencia de las fuerzas intermoleculares. Es importante tener en cuenta que, aunque el agua pura y destilada tendrá una mayor capacidad calorífica específica que cualquier mezcla de anticongelante y agua, los anticongelantes comerciales también suelen contener un aditivo anticorrosivo para evitar que el agua pura corroa los conductos de refrigerante del motor. bloque, culata(s), bomba de agua y radiador.

Hay una diferencia en la proporción de mezcla, dependiendo de si se trata de etilenglicol o propilenglicol. Para el etilenglicol, las proporciones de mezcla son típicamente 30/70 y 35/65, mientras que las proporciones de mezcla del propilenglicol son típicamente 35/65 y 40/60. Es importante que la mezcla sea resistente a las heladas a la temperatura de funcionamiento más baja.

Debido a las bajas temperaturas de congelación, el etilenglicol se utiliza como líquido descongelante para parabrisas y aeronaves, como anticongelante en motores de automóviles y como componente de mezclas de vitrificación (anticristalización) para la conservación a baja temperatura de tejidos biológicos. y órganos

El uso de etilenglicol no solo reduce el punto de congelación de las mezclas acuosas, sino que también eleva su punto de ebullición. Esto da como resultado que el rango de temperatura de operación para los fluidos de transferencia de calor se amplíe en ambos extremos de la escala de temperatura. El aumento de la temperatura de ebullición se debe a que el etilenglicol puro tiene un punto de ebullición mucho más alto y una presión de vapor más baja que el agua pura.

Precursora de los polímeros

El glicol de etileno es un precursor del polietilenotereftalato, que se produce anualmente en la escala multimillonaria de toneladas.

En la industria del plástico, el etilenglicol es un importante precursor de las fibras y resinas de poliéster. El tereftalato de polietileno, utilizado para fabricar botellas de plástico para refrescos, se prepara a partir de etilenglicol.

Otros usos

Agente deshidratante

El etilenglicol se utiliza en la industria del gas natural para eliminar el vapor de agua del gas natural antes de su posterior procesamiento, de forma muy similar al trietilenglicol (TEG).

Inhibición de hidratos

Debido a su alto punto de ebullición y afinidad por el agua, el etilenglicol es un desecante útil. El etilenglicol se usa ampliamente para inhibir la formación de clatratos de gas natural (hidratos) en tuberías multifásicas largas que transportan gas natural desde campos de gas remotos hasta una instalación de procesamiento de gas. El etilenglicol se puede recuperar del gas natural y reutilizar como inhibidor después del tratamiento de purificación que elimina el agua y las sales inorgánicas.

El gas natural se deshidrata con etilenglicol. En esta aplicación, el etilenglicol fluye hacia abajo desde la parte superior de una torre y se encuentra con una mezcla ascendente de vapor de agua y gases de hidrocarburo. El gas seco sale por la parte superior de la torre. El glicol y el agua se separan y el glicol se recicla. En lugar de eliminar el agua, también se puede usar etilenglicol para reducir la temperatura a la que se forman los hidratos. La pureza del glicol utilizado para la supresión de hidratos (monoetilenglicol) suele rondar el 80 %, mientras que la pureza del glicol utilizado para la deshidratación (trietilenglicol) suele oscilar entre el 95 y más del 99 %. Además, la tasa de inyección para la supresión de hidratos es mucho más baja que la tasa de circulación en una torre de deshidratación de glicol.

Aplicaciones

Los usos menores del etilenglicol incluyen la fabricación de condensadores, como producto químico intermedio en la fabricación de 1,4-dioxano, como aditivo para evitar la corrosión en sistemas de refrigeración líquida para ordenadores personales y dentro de los dispositivos de lentes de cátodo- Tipo de tubo de rayos de televisores de retroproyección. El etilenglicol también se usa en la fabricación de algunas vacunas, pero no está presente en estas inyecciones. Se utiliza como ingrediente menor (1-2%) en betún para zapatos y también en algunas tintas y tintes. El glicol de etileno ha tenido algún uso como tratamiento contra la podredumbre y los hongos para la madera, tanto como preventivo como como tratamiento después del hecho. Se ha utilizado en algunos casos para tratar objetos de madera parcialmente podridos para exhibirlos en museos. Es uno de los pocos tratamientos que tienen éxito en el tratamiento de la podredumbre en botes de madera y es relativamente barato. El glicol de etileno también puede ser uno de los ingredientes secundarios en las soluciones de limpieza de pantallas, junto con el alcohol isopropílico como ingrediente principal. El etilenglicol se usa comúnmente como conservante para muestras biológicas, especialmente en las escuelas secundarias durante la disección como una alternativa más segura al formaldehído. También se utiliza como parte del fluido hidráulico a base de agua que se utiliza para controlar los equipos submarinos de producción de petróleo y gas.

El etilenglicol se utiliza como grupo protector en la síntesis orgánica para proteger los compuestos carbonílicos como las cetonas y los aldehídos.

El dióxido de silicio reacciona en reflujo calentado bajo dinitrógeno con etilenglicol y una base de metal alcalino para producir silicatos pentacoordinados altamente reactivos que brindan acceso a una amplia variedad de nuevos compuestos de silicio. Los silicatos son esencialmente insolubles en todos los disolventes polares excepto en metanol.

También se puede utilizar en la fabricación de vacunas o como sustituto del formaldehído al conservar muestras biológicas.

Reacciones químicas

El etilenglicol se utiliza como grupo protector de los grupos carbonilo en la síntesis orgánica. El tratamiento de una cetona o aldehído con etilenglicol en presencia de un catalizador ácido (p. ej., ácido p-toluenosulfónico; BF3·Et2O) da el correspondiente 1,3-dioxolano, que es resistente a bases y otros nucleófilos. A continuación, el grupo protector 1,3-dioxolano puede eliminarse mediante hidrólisis ácida adicional. En este ejemplo, la isoforona se protegió utilizando etilenglicol con ácido p-toluenosulfónico con un rendimiento moderado. El agua se eliminó por destilación azeotrópica para desplazar el equilibrio hacia la derecha.

Toxicidad

El etilenglicol tiene una toxicidad en mamíferos relativamente alta cuando se ingiere, aproximadamente a la par que el metanol, con una LDLo oral = 786 mg/kg para humanos. El mayor peligro se debe a su sabor dulce, que puede atraer a niños y animales. Tras la ingestión, el etilenglicol se oxida a ácido glicólico, que a su vez se oxida a ácido oxálico, que es tóxico. Este y sus subproductos tóxicos afectan primero al sistema nervioso central, luego al corazón y finalmente a los riñones. La ingestión de cantidades suficientes es fatal si no se trata. Varias muertes se registran anualmente solo en los EE. UU.

Hay disponibles productos anticongelantes para uso automotriz que contienen propilenglicol en lugar de etilenglicol. Por lo general, se consideran más seguros de usar, ya que el propilenglicol no es tan apetecible y se convierte en el cuerpo en ácido láctico, un producto normal del metabolismo y el ejercicio.

Australia, el Reino Unido y diecisiete estados de EE. UU. (a partir de 2012) requieren la adición de un saborizante amargo (benzoato de denatonio) al anticongelante. En diciembre de 2012, los fabricantes de anticongelantes de EE. UU. acordaron voluntariamente agregar un sabor amargo a todos los anticongelantes que se venden en el mercado de consumo de EE. UU.

En 2022, varios cientos de niños murieron de insuficiencia renal aguda en Indonesia y Gambia porque el jarabe de paracetamol fabricado por Maiden Pharmaceuticals, con sede en Nueva Delhi, contenía etilenglicol y dietilenglicol, ingredientes que se han relacionado con muertes infantiles por lesión renal aguda. en Gambia. En diciembre de 2022, el Ministerio de Salud de Uzbekistán dijo que los niños murieron como resultado del etilenglicol en el jarabe para la tos fabricado por Marion Biotech, con sede en Noida, cerca de Nueva Delhi.

Efectos ambientales

El etilenglicol es un químico de alto volumen de producción; se descompone en el aire en unos 10 días y en el agua o el suelo en unas pocas semanas. Entra al medio ambiente a través de la dispersión de productos que contienen etilenglicol, especialmente en los aeropuertos, donde se usa en agentes descongelantes para pistas y aviones. Si bien las dosis bajas prolongadas de etilenglicol no muestran toxicidad, en dosis casi letales (≥1000 mg/kg por día), el etilenglicol actúa como un teratógeno. "Basado en una base de datos bastante extensa, induce variaciones esqueléticas y malformaciones en ratas y ratones por todas las vías de exposición." Esta molécula ha sido observada en el espacio exterior.