Metanol

Metanol (también llamado alcohol metílico y aceite de madera, entre otros nombres) es un químico orgánico y el alcohol alifático más simple, con la fórmula CH₃OH (un grupo metilo unido a un grupo hidroxilo, a menudo abreviado como MeOH). Es un líquido ligero, volátil, incoloro e inflamable con un olor alcohólico distintivo similar al del etanol (alcohol potable). Un solvente polar, el metanol adquirió el nombre de alcohol de madera porque una vez fue producido principalmente por la destilación destructiva de la madera. Hoy en día, el metanol se produce principalmente industrialmente por hidrogenación de monóxido de carbono.

El metanol consta de un grupo metilo unido a un grupo hidroxilo polar. Con más de 20 millones de toneladas producidas anualmente, se utiliza como precursor de otros productos químicos básicos, incluidos el formaldehído, el ácido acético, el metil terc-butil éter, el benzoato de metilo, el anisol, los peroxiácidos, así como una serie de productos químicos más especializados.

Ocurrencia

Pequeñas cantidades de metanol están presentes en individuos humanos normales y sanos. Un estudio encontró una media de 4,5 ppm en el aliento exhalado de los sujetos de prueba. El metanol endógeno medio en humanos de 0,45 g/d puede metabolizarse a partir de la pectina que se encuentra en la fruta; un kilogramo de manzana produce hasta 1,4 g de pectina (0,6 g de metanol).

El metanol es producido por bacterias anaerobias y fitoplancton.

Medio interestelar

El metanol también se encuentra en cantidades abundantes en las regiones del espacio donde se forman estrellas y se utiliza en astronomía como indicador de dichas regiones. Se detecta a través de sus líneas de emisión espectral.

En 2006, los astrónomos que usaban el conjunto de radiotelescopios MERLIN en el observatorio de Jodrell Bank descubrieron una gran nube de metanol en el espacio de 463 terametros (288 mil millones de millas) de ancho. En 2016, los astrónomos detectaron metanol en un disco de formación de planetas alrededor de la joven estrella TW Hydrae utilizando el radiotelescopio Atacama Large Millimeter Array.

Seguridad

El metanol es altamente inflamable. Sus vapores son ligeramente más pesados que el aire, pueden viajar y encenderse. Los incendios de metanol deben extinguirse con polvo químico seco, dióxido de carbono, agua pulverizada o espuma resistente al alcohol.

Toxicidad

Ingerir tan solo 10 mL (0,34 US fl oz) de metanol puro puede causar ceguera permanente por destrucción del nervio óptico. 30 mL (1,0 US fl oz) es potencialmente mortal. La dosis letal media es de 100 ml (3,4 onzas líquidas estadounidenses), es decir, 1-2 ml/kg de peso corporal de metanol puro. La dosis de referencia para el metanol es de 0,5 mg/kg al día. Los efectos tóxicos comienzan horas después de la ingestión y los antídotos a menudo pueden prevenir daños permanentes. Debido a sus similitudes tanto en apariencia como en olor con el etanol (el alcohol de las bebidas), es difícil diferenciar entre los dos; tal es el caso también del alcohol desnaturalizado, licores adulterados o bebidas alcohólicas de muy baja calidad.

El metanol es tóxico por dos mecanismos. Primero, el metanol puede ser fatal debido a los efectos sobre el sistema nervioso central, actuando como un depresor del sistema nervioso central de la misma manera que el envenenamiento por etanol. En segundo lugar, en un proceso de intoxicación, se metaboliza a ácido fórmico (que está presente como ion formiato) a través del formaldehído en un proceso iniciado por la enzima alcohol deshidrogenasa en el hígado. El metanol se convierte en formaldehído a través de la alcohol deshidrogenasa (ADH) y el formaldehído se convierte en ácido fórmico (formiato) a través de la aldehído deshidrogenasa (ALDH). La conversión a formiato a través de ALDH continúa completamente, sin que quede formaldehído detectable. El formiato es tóxico porque inhibe la citocromo c oxidasa mitocondrial, lo que provoca hipoxia a nivel celular y acidosis metabólica, entre una variedad de otras alteraciones metabólicas.

Se han producido brotes de intoxicación por metanol principalmente debido a la contaminación del consumo de alcohol. Esto es más común en el mundo en desarrollo. Sin embargo, en 2013 ocurrieron más de 1700 casos en los Estados Unidos. Los afectados suelen ser hombres adultos. Los resultados pueden ser buenos con un tratamiento temprano. La toxicidad para el metanol se describió ya en 1856.

Debido a sus propiedades tóxicas, el metanol se usa con frecuencia como aditivo desnaturalizante para el etanol fabricado para usos industriales. Esta adición de metanol exime al etanol industrial (comúnmente conocido como "alcohol desnaturalizado" o "alcohol desnaturalizado") del impuesto especial sobre bebidas alcohólicas en EE. UU. y otros países.

Durante el curso de la pandemia de COVID-19, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de EE. UU. descubrió que se vendían varios productos desinfectantes para manos que estaban etiquetados como que contenían etanol, pero dieron positivo por contaminación con metanol. Debido a los efectos tóxicos del metanol cuando se absorbe a través de la piel o se ingiere, en contraste con el etanol relativamente más seguro, la FDA ordenó el retiro del mercado de dichos productos desinfectantes para manos que contienen metanol y emitió una alerta de importación para evitar que estos productos ingresen ilegalmente al mercado estadounidense..

Aplicaciones

Formaldehído, ácido acético, metil terc-butiléter

El metanol se convierte principalmente en formaldehído, que se usa ampliamente en muchas áreas, especialmente en polímeros. La conversión implica oxidación:

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El ácido acético se puede producir a partir del metanol.

El proceso Cativa convierte el metanol en ácido acético.

El metanol y el isobuteno se combinan para dar metil terc-butil éter (MTBE). MTBE es un importante potenciador de octanaje en la gasolina.

Metanol a hidrocarburos, olefinas, gasolina

La condensación de metanol para producir hidrocarburos e incluso sistemas aromáticos es la base de varias tecnologías relacionadas con la conversión de gas a líquido. Estos incluyen metanol a hidrocarburos (MtH), metanol a gasolina (MtG), metanol a olefinas (MtO) y metanol a propileno (MtP). Estas conversiones son catalizadas por zeolitas como catalizadores heterogéneos. El proceso MtG se comercializó una vez en Motunui en Nueva Zelanda.

Aditivo de gasolina

La Directiva Europea de Calidad del Combustible permite a los productores de combustible mezclar hasta un 3 % de metanol, con una cantidad igual de codisolvente, con la gasolina que se vende en Europa. China utiliza más de 4500 millones de litros de metanol por año como combustible para el transporte en mezclas de bajo nivel para vehículos convencionales y mezclas de alto nivel en vehículos diseñados para combustibles de metanol. Sin embargo, en los últimos años, la mayoría de los vehículos modernos que usan gasolina pueden usar una variedad de combustibles alcohólicos, lo que resulta en una potencia similar o mayor, pero con un simple cambio en la configuración del software del vehículo y posiblemente un sello o pieza de tubo de 50 centavos..

Otros productos químicos

El metanol es el precursor de la mayoría de las metilaminas, haluros de metilo y éteres de metilo. Los ésteres metílicos se producen a partir de metanol, incluida la transesterificación de grasas y la producción de biodiésel mediante transesterificación.

Nicho y usos potenciales

Portadora de energía

El metanol es un portador de energía prometedor porque, como líquido, es más fácil de almacenar que el hidrógeno y el gas natural. Sin embargo, su densidad energética es inferior a la del metano, por kg. Su densidad energética de combustión es de 15,6 MJ/l (LHV), mientras que la del etanol es de 24 y la de la gasolina de 33 MJ/L.

Otras ventajas del metanol son su fácil biodegradabilidad y baja toxicidad ambiental. No persiste en ambientes aeróbicos (con presencia de oxígeno) o anaeróbicos (sin oxígeno). La vida media del metanol en el agua subterránea es de uno a siete días, mientras que muchos componentes comunes de la gasolina tienen vidas medias de cientos de días (como el benceno de 10 a 730 días). Dado que el metanol es miscible con agua y biodegradable, es poco probable que se acumule en aguas subterráneas, aguas superficiales, aire o suelo.

Combustible

El metanol se usa ocasionalmente para alimentar motores de combustión interna. Se quema formando dióxido de carbono y agua:

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Se ha propuesto el combustible de metanol para el transporte terrestre. La principal ventaja de una economía de metanol es que podría adaptarse a los motores de combustión interna de gasolina con una modificación mínima de los motores y de la infraestructura que entrega y almacena combustible líquido. Su densidad de energía, sin embargo, es menor que la gasolina, lo que significa que se requerirán repostajes más frecuentes. Sin embargo, es equivalente a la gasolina de súper alto octanaje en caballos de fuerza, y la mayoría de los sistemas modernos de inyección de combustible controlados por computadora ya pueden usarlo.

El metanol es un combustible alternativo para barcos que ayuda a la industria naviera a cumplir con las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas. Reduce significativamente las emisiones de óxidos de azufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx) y material particulado. El metanol se puede usar con alta eficiencia en motores diesel marinos después de modificaciones menores usando una pequeña cantidad de combustible piloto (combustible dual).

En China, el metanol alimenta las calderas industriales, que se utilizan ampliamente para generar calor y vapor para diversas aplicaciones industriales y calefacción residencial. Su uso está desplazando al carbón, que está bajo la presión de regulaciones ambientales cada vez más estrictas.

Las celdas de combustible de metanol directo son únicas en su funcionamiento a baja temperatura y presión atmosférica, lo que les permite miniaturizarse en gran medida. Esto, combinado con el almacenamiento y manejo relativamente fácil y seguro del metanol, puede abrir la posibilidad de productos electrónicos de consumo alimentados por celdas de combustible, como computadoras portátiles y teléfonos móviles.

El metanol también es un combustible ampliamente utilizado en estufas para acampar y navegar. El metanol se quema bien en un quemador sin presión, por lo que las estufas de alcohol suelen ser muy simples, a veces poco más que una taza para contener combustible. Esta falta de complejidad los convierte en los favoritos de los excursionistas que pasan mucho tiempo en la naturaleza. Del mismo modo, el alcohol se puede gelificar para reducir el riesgo de fugas o derrames, como ocurre con la marca "Sterno".

El metanol se mezcla con agua y se inyecta en motores diesel y de gasolina de alto rendimiento para aumentar la potencia y disminuir la temperatura del aire de admisión en un proceso conocido como inyección de metanol en agua.

Otras aplicaciones

El metanol se utiliza como desnaturalizante del etanol, y el producto se conoce como "alcohol desnaturalizado" o "alcohol desnaturalizado". Esto se usó comúnmente durante la prohibición de los EE. UU. para desalentar el consumo de licor de contrabando y terminó causando varias muertes. Este tipo de prácticas ahora son ilegales en los EE. UU. y se consideran homicidio.

El metanol se usa como solvente y como anticongelante en tuberías y líquido limpiaparabrisas. El metanol se utilizó como anticongelante refrigerante para automóviles a principios del siglo XX. A partir de mayo de 2018, se prohibió el metanol en la UE para su uso en el lavado o descongelación de parabrisas debido a su riesgo de consumo humano como resultado de las intoxicaciones por metanol en la República Checa en 2012.

En algunas plantas de tratamiento de aguas residuales, se agrega una pequeña cantidad de metanol a las aguas residuales para proporcionar una fuente de alimento de carbono para las bacterias desnitrificantes, que convierten los nitratos en gas nitrógeno y reducen la nitrificación de los acuíferos sensibles.

El metanol se utiliza como agente decolorante en la electroforesis en gel de poliacrilamida.

Producción

De gas de síntesis

El monóxido de carbono y el hidrógeno reaccionan sobre un catalizador para producir metanol. Hoy en día, el catalizador más utilizado es una mezcla de óxidos de cobre y zinc, sobre alúmina, tal como lo utilizó ICI por primera vez en 1966. A 5–10 MPa (50–100 atm) y 250 °C (482 °F), el reacción

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se caracteriza por una alta selectividad (>99,8%). La producción de gas de síntesis a partir de metano produce tres moles de hidrógeno por cada mol de monóxido de carbono, mientras que la síntesis consume solo dos moles de gas hidrógeno por mol de monóxido de carbono. Una forma de lidiar con el exceso de hidrógeno es inyectar dióxido de carbono en el reactor de síntesis de metanol, donde también reacciona para formar metanol según la ecuación

CH3OH + H2O}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">CO2+3H2restablecimiento restablecimiento CH3Oh.+H2O{displaystyle {ce {CO2 + 3 H2] CH3OH + H2O}} CH3OH + H2O}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/736c8158163231f1844927b076b3dec9dde724cb" style="vertical-align: -1.005ex; width:32.296ex; height:2.843ex;"/>.

En términos de mecanismo, el proceso ocurre a través de la conversión inicial de CO en CO₂, que luego se hidrogena:

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donde el subproducto H₂O se recicla a través de la reacción de cambio de agua-gas

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Esto da una reacción general

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que es lo mismo que se indica arriba. En un proceso estrechamente relacionado con la producción de metanol a partir de gas de síntesis, se puede utilizar directamente una alimentación de hidrógeno y CO₂. La principal ventaja de este proceso es que se podría utilizar el CO2 capturado y el hidrógeno procedente de la electrólisis, eliminando la dependencia de los combustibles fósiles.

Biosíntesis

La conversión catalítica de metano a metanol se realiza mediante enzimas, incluidas las metano monooxigenasas. Estas enzimas son oxigenasas de función mixta, es decir, la oxigenación se combina con la producción de agua y NAD+:

CH3OH + H2O + NAD^+}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">CH4+O2+NADPH+H+restablecimiento restablecimiento CH3Oh.+H2O+NAD+{displaystyle {ce {CH4 + O2 + NADPH + H^+] CH3OH + H2O + NAD^+}} CH3OH + H2O + NAD^+}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f04219105e0c1b5e27761ffcad899668ae66095" style="vertical-align: -1.005ex; width:57.882ex; height:3.176ex;"/>.

Se han caracterizado enzimas dependientes de Fe y Cu. Se han realizado esfuerzos intensos pero en gran medida infructuosos para emular esta reactividad. El metanol se oxida más fácilmente que el metano como materia prima, por lo que las reacciones tienden a no ser selectivas. Existen algunas estrategias para eludir este problema. Los ejemplos incluyen los sistemas Shilov y las zeolitas que contienen Fe y Cu. Estos sistemas no imitan necesariamente los mecanismos empleados por las metaloenzimas, pero se inspiran un poco en ellos. Los sitios activos pueden variar sustancialmente de los conocidos en las enzimas. Por ejemplo, se propone un sitio activo dinuclear en la enzima sMMO, mientras que en la zeolita Fe se propone un hierro mononuclear (alfa-oxígeno).

Las emisiones globales de metanol de las plantas se estiman entre 180 y 250 millones de toneladas por año. Esto es entre dos y tres veces mayor que la producción industrial de metanol hecha por el hombre.

Especificaciones y análisis de calidad

El metanol está disponible comercialmente en varios grados de pureza. El metanol comercial generalmente se clasifica según los grados de pureza A y AA de ASTM. Tanto la pureza de grado A como la de grado AA son 99,85 % de metanol en peso. Grado "AA" El metanol también contiene trazas de etanol.

El metanol para uso químico normalmente corresponde al Grado AA. Además del agua, las impurezas típicas incluyen acetona y etanol (que son muy difíciles de separar por destilación). La espectroscopia UV-vis es un método conveniente para detectar impurezas aromáticas. El contenido de agua se puede determinar mediante la titulación de Karl-Fischer.

Historia

En su proceso de embalsamamiento, los antiguos egipcios utilizaban una mezcla de sustancias, incluido el metanol, que obtenían de la pirólisis de la madera. Sin embargo, el metanol puro fue aislado por primera vez en 1661 por Robert Boyle, cuando lo produjo mediante la destilación de buxus (boj). Más tarde se conoció como "espíritu piroxílico". En 1834, los químicos franceses Jean-Baptiste Dumas y Eugene Peligot determinaron su composición elemental.

También introdujeron la palabra "metilène" a la química orgánica, formándola del griego methy = "líquido alcohólico" + hȳlē = "bosque, madera, madera, material". "Metileno" designado como "radical" eso era aproximadamente 14% de hidrógeno en peso y contenía un átomo de carbono. Esto sería CH₂, pero en ese momento se pensaba que el carbono tenía un peso atómico solo seis veces mayor que el del hidrógeno, por lo que dieron la fórmula como CH. Luego llamaron al alcohol de madera (l'esprit de bois) "bihydrate de méthylène" (bihidrato porque pensaron que la fórmula era C₄H₈O₄ = (CH)₄(H₂O)₂). El término "metilo" se derivó alrededor de 1840 por formación posterior a partir de "metileno", y luego se aplicó para describir "alcohol metílico". Esto se acortó a "metanol" en 1892 por la Conferencia Internacional de Nomenclatura Química. El sufijo -ilo, que en química orgánica forma nombres de grupos de carbono, proviene de la palabra metilo.

El químico francés Paul Sabatier presentó el primer proceso que podía usarse para producir metanol de forma sintética en 1905. Este proceso sugería que el dióxido de carbono y el hidrógeno podían reaccionar para producir metanol. Los químicos alemanes Alwin Mittasch y Mathias Pier, que trabajan para Badische-Anilin & Soda-Fabrik (BASF), desarrolló un medio para convertir el gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno) en metanol y recibió una patente. Según Bozzano y Manenti, el proceso de BASF se utilizó por primera vez en Leuna, Alemania, en 1923. Las condiciones de operación consistieron en "alta" temperaturas (entre 300 y 400 °C) y presiones (entre 250 y 350 atm) con un catalizador de óxido de zinc/cromo.

Patente de EE. UU. 1 569 775 (EE. UU. 1569775 ) se solicitó el 4 de septiembre de 1924 y emitido el 12 de enero de 1926 a BASF; el proceso utilizó un catalizador de óxido de cromo y manganeso con condiciones extremadamente vigorosas: presiones que oscilan entre 50 y 220 atm y temperaturas de hasta 450 °C. La producción moderna de metanol se ha vuelto más eficiente mediante el uso de catalizadores (comúnmente cobre) capaces de operar a presiones más bajas. El proceso moderno de metanol a baja presión (LPM) fue desarrollado por ICI a fines de la década de 1960 US 3326956 con la patente de tecnología ya caducada hace mucho tiempo.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el metanol se usó como combustible en varios diseños de cohetes militares alemanes, bajo el nombre de M-Stoff, y en una mezcla de aproximadamente 50/50 con hidracina, conocida como C-Stoff.

El uso de metanol como combustible para motores recibió atención durante la crisis del petróleo de la década de 1970. A mediados de la década de 1990, más de 20.000 "vehículos de combustible flexible" (FFV) capaces de operar con metanol o gasolina se introdujeron en los EE. UU. Además, se mezclaron niveles bajos de metanol en los combustibles de gasolina vendidos en Europa durante gran parte de la década de 1980 y principios de la de 1990. Los fabricantes de automóviles dejaron de fabricar FFV de metanol a fines de la década de 1990 y cambiaron su atención a los vehículos que funcionan con etanol. Si bien el programa FFV de metanol fue un éxito técnico, el aumento de los precios del metanol a mediados y finales de la década de 1990 durante un período de caída de los precios de las gasolineras disminuyó el interés en los combustibles de metanol.

A principios de la década de 1970, Mobil desarrolló un proceso para producir combustible de gasolina a partir de metanol.

Entre las décadas de 1960 y 1980, el metanol surgió como un precursor de las materias primas químicas ácido acético y anhídrido acético. Estos procesos incluyen la síntesis de ácido acético de Monsanto, el proceso de Cativa y el proceso de anhídrido acético de Tennessee Eastman.