Furfural

furfural es un compuesto orgánico de fórmula C₄H₃OCHO. Es un líquido incoloro, aunque las muestras comerciales suelen ser de color marrón. Tiene un grupo aldehído unido a la posición 2 del furano. Es producto de la deshidratación de azúcares, como ocurre en una variedad de subproductos agrícolas, como mazorcas de maíz, avena, salvado de trigo y aserrín. El nombre furfural proviene de la palabra latina furfur, que significa salvado, en referencia a su fuente habitual. El furfural sólo se deriva de biomasa lignocelulósica, es decir, su origen no es alimentario ni está basado en carbón o petróleo. Además del etanol, el ácido acético y el azúcar, el furfural es uno de los químicos orgánicos más antiguos disponibles y fácilmente purificado a partir de precursores naturales.

Historia

El furfural fue aislado por primera vez en 1821 (publicado en 1832) por el químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner, quien produjo una pequeña muestra como subproducto de la síntesis del ácido fórmico. En 1840, el químico escocés John Stenhouse descubrió que se podía producir la misma sustancia química destilando una amplia variedad de materiales agrícolas, incluidos maíz, avena, salvado y aserrín, con ácido sulfúrico acuoso; también determinó la fórmula empírica del furfural (C₅H₄O₂). George Fownes llamó a este aceite "furfurol" en 1845 (de furfur (salvado) y oleum (aceite)). En 1848, el químico francés Auguste Cahours determinó que el furfural era un aldehído. Determinar la estructura del furfural requirió algún tiempo: la molécula de furfural contiene un éter cíclico (furano), que tiende a romperse cuando se trata con reactivos agresivos. En 1870, el químico alemán Adolf von Baeyer especuló sobre la estructura de los compuestos químicamente similares furano y ácido 2-furoico. Investigaciones adicionales del químico alemán Heinrich Limpricht respaldaron esta idea. A partir de un trabajo publicado en 1877, Baeyer había confirmado su creencia anterior sobre la estructura del furfural. En 1886, el furfurol se llamaba "furfural" (abreviatura de "furfuraldehído") y se estaba proponiendo la estructura química correcta del furfural. En 1887, el químico alemán Willy Marckwald había inferido que algunos derivados del furfural contenían un núcleo de furano. En 1901, el químico alemán Carl Harries determinó la estructura del furano trabajando con succindialdehído y 2-metilfurano, confirmando así también la estructura propuesta por el furfural.

El furfural permaneció relativamente desconocido hasta 1922, cuando la Quaker Oats Company comenzó a producirlo en masa a partir de cáscaras de avena. Hoy en día, el furfural todavía se produce a partir de subproductos agrícolas como el bagazo de caña de azúcar y las mazorcas de maíz. Los principales países productores de furfural en la actualidad son República Dominicana, Sudáfrica y China.

Propiedades

El furfural se disuelve fácilmente en la mayoría de los disolventes orgánicos polares, pero sólo es ligeramente soluble en agua o alcanos.

El furfural participa en los mismos tipos de reacciones que otros aldehídos y otros compuestos aromáticos. Presenta un carácter menos aromático que el benceno, como puede verse por el hecho de que el furfural se hidrogena fácilmente a alcohol tetrahidrofurfurílico. Cuando se calienta en presencia de ácidos, el furfural se polimeriza irreversiblemente y actúa como un polímero termoendurecible.

Producción

El furfural se puede obtener mediante la deshidratación catalizada por ácido de azúcares de 5 carbonos (pentosas), particularmente xilosa.

C5H10O5 → C
₅H
₄O
₂ + 3 H
₂O

Estos azúcares pueden obtenerse a partir de pentosanos obtenidos de hemicelulosa presente en la biomasa lignocelulósica.

Entre el 3% y el 10% de la masa de materias primas de residuos de cultivos se puede recuperar como furfural, dependiendo del tipo de materia prima. El furfural y el agua se evaporan juntos de la mezcla de reacción y se separan tras la condensación. La capacidad de producción mundial es de aproximadamente 800.000 toneladas en 2012. China es el mayor proveedor de furfural y representa la mayor parte de la capacidad mundial. Los otros dos grandes productores comerciales son Illovo Sugar en Sudáfrica y Central Romana en República Dominicana.

En el laboratorio, el furfural se puede sintetizar a partir de material vegetal calentándolo con ácido sulfúrico u otros ácidos. Con el fin de evitar efluentes tóxicos, se ha estudiado en todo el mundo un esfuerzo por sustituir el ácido sulfúrico por catalizadores ácidos sólidos fácilmente separables y reutilizables. La formación y extracción de xilosa y posteriormente furfural puede verse favorecida sobre la extracción de otros azúcares con condiciones variadas, como concentración de ácido, temperatura y tiempo.

En la producción industrial, quedan algunos residuos lignocelulósicos tras la eliminación del furfural. Este residuo se seca y se quema para proporcionar vapor para el funcionamiento de la planta de furfural. Las plantas más nuevas y más eficientes desde el punto de vista energético tienen un exceso de residuos, que se utilizan o pueden utilizarse para la cogeneración de electricidad, alimento para el ganado, carbón activado, mantillo/fertilizante, etc.

Usos y aparición

Se encuentra comúnmente en muchos alimentos cocidos o calentados, como el café (55-255 mg/kg) y el pan integral (26 mg/kg).

El furfural es una importante materia prima química renovable, no basada en petróleo. Se puede convertir en una variedad de solventes, polímeros, combustibles y otros productos químicos útiles mediante una variedad de reducción catalítica.

La hidrogenación del furfural proporciona alcohol furfurílico (FA), que se utiliza para producir resinas de furano, que se explotan en compuestos de matriz polimérica termoestable, cementos, adhesivos, resinas de fundición y revestimientos. Una mayor hidrogenación del alcohol furfurílico conduce al alcohol tetrahidrofurfurílico (THFA), que se utiliza como disolvente en formulaciones agrícolas y como adyuvante para ayudar a que los herbicidas penetren en la estructura de las hojas.

En otra aplicación como materia prima, la descarbonilación catalizada por paladio sobre furfural fabrica furano industrialmente.

Otro disolvente importante elaborado a partir de furfural es el metiltetrahidrofurano. El furfural se utiliza para fabricar otros derivados del furano, como el ácido furoico, mediante oxidación, y el propio furano mediante descarbonilación en fase de vapor catalizada por paladio.

El furfural también es un disolvente químico especializado.

Existe un buen mercado para los productos químicos con valor añadido que se pueden obtener del furfural.

Seguridad

El furfural es cancerígeno en animales de laboratorio y mutagénico en organismos unicelulares, pero no hay datos en sujetos humanos. Está clasificado en el Grupo 3 de la IARC debido a la falta de datos en humanos y a muy pocas pruebas en animales para satisfacer los criterios del Grupo 2A/2B. Es hepatotóxico.

La dosis letal media es alta, 650 a 900 mg/kg (oral, perros), lo que coincide con su omnipresencia en los alimentos.

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional ha establecido un límite de exposición permisible al furfural de 5 ppm durante un promedio ponderado de tiempo (TWA) de ocho horas, y también designa al furfural como riesgo de absorción cutánea.