Etileno
Etileno (nombre IUPAC: ethene) es un hidrocarburo que tiene la fórmula C2H4 o H2C=CH2. Es un gas incoloro e inflamable con un leve olor "dulce y almizclado" olor cuando es puro. Es el alqueno más simple (un hidrocarburo con dobles enlaces carbono-carbono).
El etileno se utiliza ampliamente en la industria química y su producción mundial (más de 150 millones de toneladas en 2016) supera la de cualquier otro compuesto orgánico. Gran parte de esta producción se destina al polietileno, un plástico ampliamente utilizado que contiene cadenas poliméricas de unidades de etileno en varias longitudes de cadena. El etileno también es una importante hormona vegetal natural y se utiliza en la agricultura para forzar la maduración de las frutas. El hidrato de etileno es etanol.
Estructura y propiedades
Este hidrocarburo tiene cuatro átomos de hidrógeno unidos a un par de átomos de carbono que están conectados por un doble enlace. Los seis átomos que componen el etileno son coplanares. El ángulo H-C-H es de 117,4°, cercano a los 120° del carbono híbrido sp² ideal. La molécula también es relativamente débil: la rotación alrededor del enlace C-C es un proceso de muy baja energía que requiere romper el enlace π suministrando calor a 50°C.
El enlace π en la molécula de etileno es responsable de su reactividad útil. El doble enlace es una región de alta densidad electrónica, por lo que es susceptible al ataque de los electrófilos. Muchas reacciones del etileno son catalizadas por metales de transición, que se unen transitoriamente al etileno usando los orbitales π y π*.
Al ser una molécula simple, el etileno es espectroscópicamente simple. Su espectro UV-vis todavía se usa como prueba de métodos teóricos.
Usos
Las principales reacciones industriales del etileno incluyen, en orden de escala: 1) polimerización, 2) oxidación, 3) halogenación e hidrohalogenación, 4) alquilación, 5) hidratación, 6) oligomerización y 7) hidroformilación. En Estados Unidos y Europa, aproximadamente el 90 % del etileno se utiliza para producir óxido de etileno, dicloruro de etileno, etilbenceno y polietileno. La mayoría de las reacciones con etileno son por adición electrofílica.
Polimerización
El polietileno consume más de la mitad del suministro mundial de etileno. El polietileno, también llamado polietileno y polietileno, es el plástico más utilizado en el mundo. Se utiliza principalmente para fabricar películas en embalajes, bolsas de transporte y bolsas de basura. Las alfa-olefinas lineales, producidas por oligomerización (formación de polímeros cortos) se utilizan como precursores, detergentes, plastificantes, lubricantes sintéticos, aditivos y también como comonómeros en la producción de polietilenos.
Oxidación
El etileno se oxida para producir óxido de etileno, una materia prima clave en la producción de tensioactivos y detergentes mediante etoxilación. El óxido de etileno también se hidroliza para producir etilenglicol, ampliamente utilizado como anticongelante para automóviles, así como glicoles de mayor peso molecular, éteres de glicol y tereftalato de polietileno.
El etileno se oxida con paladio para dar acetaldehído. Esta conversión sigue siendo un proceso industrial importante (10 millones de kg/año). El proceso procede a través de la formación de complejos inicial de etileno a un centro de Pd (II).
Halogenación e hidrohalogenación
Los principales productos intermedios de la halogenación e hidrohalogenación del etileno incluyen dicloruro de etileno, cloruro de etilo y dibromuro de etileno. La adición de cloro implica "oxicloración", es decir, no se usa cloro en sí. Algunos productos derivados de este grupo son el cloruro de polivinilo, el tricloroetileno, el percloroetileno, el metilcloroformo, el cloruro de polivinilideno y sus copolímeros y el bromuro de etilo.
Alquilación
El principal intermediario químico de la alquilación con etileno es el etilbenceno, precursor del estireno. El estireno se utiliza principalmente en poliestireno para embalaje y aislamiento, así como en caucho de estireno-butadieno para neumáticos y calzado. En menor escala, etiltolueno, etilanilinas, 1,4-hexadieno y alquilos de aluminio. Los productos de estos intermedios incluyen poliestireno, poliésteres insaturados y terpolímeros de etileno-propileno.
Reacción oxo
La hidroformilación (reacción oxo) del etileno da como resultado propionaldehído, un precursor del ácido propiónico y el alcohol n-propílico.
Hidratación
El etileno ha representado durante mucho tiempo el principal precursor no fermentativo del etanol. El método original implicaba su conversión a sulfato de dietilo, seguida de hidrólisis. El principal método practicado desde mediados de la década de 1990 es la hidratación directa de etileno catalizada por catalizadores ácidos sólidos:
- C2H4 + H2O → CH3CH2Oh.
Dimerización a butenos
El etileno se dimeriza mediante hidrovinilación para dar n-butenos utilizando procesos autorizados por Lummus o IFP. El proceso Lummus produce n-butenos mixtos (principalmente 2-butenos) mientras que el proceso IFP produce 1-buteno. El 1-buteno se usa como comonómero en la producción de ciertos tipos de polietileno.
Fruto y floración
El etileno es una hormona que afecta la maduración y floración de muchas plantas. Es ampliamente utilizado para controlar la frescura en horticultura y frutas. El lavado del etileno natural retrasa la maduración.
Usos de nicho
Un ejemplo de un nicho de uso es como agente anestésico (en una proporción de 85 % de etileno/15 % de oxígeno). Otro uso es como gas de soldadura.
Producción
La producción mundial de etileno fue de 107 millones de toneladas en 2005, 109 millones de toneladas en 2006, 138 millones de toneladas en 2010 y 141 millones de toneladas en 2011. Para 2013, al menos 117 empresas en 32 países producían etileno. Para satisfacer la demanda cada vez mayor de etileno, se agregan fuertes aumentos en las instalaciones de producción a nivel mundial, particularmente en el Medio Oriente y China.
Procesos industriales
El etileno se produce mediante varios métodos en la industria petroquímica. Un método principal es el craqueo al vapor (SC), donde los hidrocarburos y el vapor se calientan a 750–950 °C. Este proceso convierte hidrocarburos grandes en pequeños e introduce insaturación. Cuando el etano es la materia prima, el etileno es el producto. El etileno se separa de la mezcla resultante mediante compresión y destilación repetidas. En Europa y Asia, el etileno se obtiene principalmente del craqueo de nafta, gasóleo y condensados con la coproducción de propileno, olefinas C4 y aromáticos (gasolina de pirólisis). Otras tecnologías empleadas para la producción de etileno incluyen acoplamiento oxidativo de metano, síntesis de Fischer-Tropsch, metanol a olefinas (MTO) y deshidrogenación catalítica.
Síntesis de laboratorio
Aunque tiene un gran valor industrial, el etileno rara vez se sintetiza en el laboratorio y normalmente se compra. Se puede producir por deshidratación de etanol con ácido sulfúrico o en fase gaseosa con óxido de aluminio.
Biosíntesis
El etileno se produce a partir de la metionina en la naturaleza. El precursor inmediato es el ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico.
Ligando
El etileno es un ligando fundamental en los complejos de alquenos de metales de transición. Uno de los primeros compuestos organometálicos, la sal de Zeise es un complejo de etileno. Los reactivos útiles que contienen etileno incluyen Pt(PPh3)2(C2H4) y Rh 2Cl2(C2H4)4. La hidroformilación de etileno catalizada por Rh se lleva a cabo a escala industrial para proporcionar propionaldehído.
Historia
Algunos geólogos y eruditos creen que el famoso oráculo griego de Delfos (la pitonisa) entró en un estado de trance como efecto del etileno que sube de las fallas terrestres.
El etileno parece haber sido descubierto por Johann Joachim Becher, quien lo obtuvo calentando etanol con ácido sulfúrico; mencionó el gas en su Physica Subterranea (1669). Joseph Priestley también menciona el gas en sus Experimentos y observaciones relativas a las diversas ramas de la filosofía natural: con una continuación de las observaciones sobre el aire (1779), donde informa que Jan Ingenhousz vio etileno sintetizado en el de la misma manera por el Sr. Enée en Amsterdam en 1777 y que Ingenhousz posteriormente produjo él mismo el gas. Las propiedades del etileno fueron estudiadas en 1795 por cuatro químicos holandeses, Johann Rudolph Deimann, Adrien Paets van Troostwyck, Anthoni Lauwerenburgh y Nicolas Bondt, quienes descubrieron que difería del gas hidrógeno y que contenía tanto carbono como hidrógeno. Este grupo también descubrió que el etileno podía combinarse con cloro para producir el aceite de los químicos holandeses, 1,2-dicloroetano; este descubrimiento le dio al etileno el nombre que se le daba en ese momento, gas olefiante (gas productor de petróleo). El término gas olefiante es a su vez el origen etimológico de la palabra moderna "olefina", la clase de hidrocarburos en la que el etileno es el primer miembro.
A mediados del siglo XIX, el sufijo -ene (una raíz griega antigua añadida al final de los nombres femeninos que significa "hija de") se usaba mucho para referirse a una molécula o parte de la misma que contenía un átomo de hidrógeno menos que la molécula que se modifica. Por lo tanto, etileno (C
2H
4) era la "hija de etilo" (C
2H
5). El nombre etileno se usó en este sentido ya en 1852.
En 1866, el químico alemán August Wilhelm von Hofmann propuso un sistema de nomenclatura de hidrocarburos en el que se usaban los sufijos -ane, -ene, -ine, -one y -une para indicar los hidrocarburos con 0, 2, 4, 6 y 8 hidrógenos menos que su alcano original. En este sistema, el etileno se convirtió en eteno. El sistema de Hofmann finalmente se convirtió en la base de la nomenclatura de Ginebra aprobada por el Congreso Internacional de Químicos en 1892, que sigue siendo el núcleo de la nomenclatura de la IUPAC. Sin embargo, en ese momento, el nombre etileno estaba profundamente arraigado y sigue siendo de uso generalizado en la actualidad, especialmente en la industria química.
Después de la experimentación de Luckhardt, Crocker y Carter en la Universidad de Chicago, se utilizó etileno como anestésico. Permaneció en uso durante la década de 1940, incluso cuando el cloroformo se estaba eliminando. Su olor acre y su naturaleza explosiva limitan su uso en la actualidad.
Nomenclatura
Las reglas de nomenclatura de la IUPAC de 1979 hicieron una excepción al retener el nombre no sistemático etileno; sin embargo, esta decisión se revirtió en las reglas de 1993 y permanece sin cambios en las recomendaciones más recientes de 2013, por lo que el nombre de la IUPAC ahora es ethene. En el sistema IUPAC, el nombre etileno se reserva para el grupo divalente -CH2CH2-. Por lo tanto, se permiten nombres como óxido de etileno y dibromuro de etileno, pero no el uso del nombre etileno para el alqueno de dos carbonos. Sin embargo, el uso del nombre etileno para H2C=CH2 (y propileno para H2C= CHCH3) todavía prevalece entre los químicos en América del Norte.
Seguridad
Como todos los hidrocarburos, el etileno es un combustible asfixiante. Está catalogado como un carcinógeno de clase 3 de IARC, ya que no hay evidencia actual de que cause cáncer en humanos.