Disolventes en la Industria Química/Haloalcanos

Introducción

Los haloalcanos son un conjunto de compuestos químicos derivados de los alcanos, en el que uno o varios hidrógenos han sido sustituidos por átomos de halogeno. En función del tamaño de la cadena podemos encontrar halometanos, haloetanos, haloalcanos de cadena larga y polímeros. Otra clasificación posible es en función del átomo de halógeno que sustituye al hidrógeno: fluoroalcanos, cloroalcanos, bromoalcanos y yodoalcanos. También son posibles compuestos mixtos, siendo los más conocidos los clorofluorocarbonos (CFC) que son los principales responsables del agujero de ozono. Los haloalcanos han sido ampliamente utilizados en la industria, pero debido a la toxicidad y al daño que ejercen al medioambiente, muchos de ellos han sido sustituidos por otro tipo de disolventes.

Propiedades

En lineas generales los haloalcanos se parecen a sus alcanos correspondientes en que son incoloros, prácticamente inodoros e hidrofóbicos. Sus puntos de ebullición son mayores y se incrementa a medida que el peso molecular del compuesto aumenta. Esto es debido a una mayor fortaleza de las interacciones intermoleculares tipo London y dipolo-dipolo. Los haloalcanos, en general, al contener menos enlaces C-H son menos inflamables que sus alcanos correspondientes. Son bastante más reactivos que sus análogos sin átomos de halógeno.

Diclorometano

El diclorometano (DCM) o cloruro de metileno, es un compuesto orgánico con fórmula CH₂Cl₂. Es un líquido volátil, incoloro, con un leve aroma dulce que es utilizado en la industria como disolvente.

Propiedades físico-químicas

 * Apariencia: Líquido incoloro                  * Solubilidad en agua: 1.3 g/100 mL (20ºC)    
 * Densidad: 1.33 g/cm3                          * Presión de vapor: 47.4 kPa (20°C)
 * Masa molar: 84.933 g/mol                      * Coeficiente reparto octanol agua: 1.25
 * Punto de fusión: -95ºc (177,9 K)              * Límites de explosividad, % v en aire: 12-25
 * Punto de ebullición: 40ºc (313 K)             * Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.9

Producción

El DCM es producido de forma industrial mediante una reacción entre el metano o cloro metano y cloro gas a unas condiciones de temperaturas de 400-500ºC.

CH₄ + Cl₂ →CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

Usos industriales

Gracias a su volatilidad y su capacidad de disolver una amplia gama de compuestos orgánicos, el diclorometano es utilizado como disolvente en una gran variedad de productos químicos. Es utilizado como agente desengrasante y para eliminar pinturas. Su volatilidad se utiliza como un agente de soplado para espumas de poliuretano . También puede encontrarse en algunos aerosoles y pesticidas. En la industria alimentaria , se ha utilizado durante mucho tiempo para extraer la cafeína del café y del té, así como para preparar extractos de lúpulo y otros aromas, pero debido a su toxicidad, ha sido reemplazado por otros disolventes más verdes y sostenibles como el CO₂ supercrítico.

Toxicidad

El diclorometano se puede absorber por inhalación y por ingestión. Por evaporación de esta sustancia a 20°C se puede alcanzar muy rápidamente una concentración nociva en el aire. En el organismo es metabolizado a monóxido de carbono lo que puede llevar a envenenamiento por esta sustancia. Los efectos de corta duración pueden afectar a la piel, los ojos y el tracto respiratorio, causando vómitos, neumonías, irritación ocular, formación de carboxihemoglobina y una disminución del estado de alerta. en cuanto a la exposición prolongada o repetida, puede causar dermatitis por contacto con la piel, afectar al sistema nervioso central e hígado. Además es considerada un sustancia carcinógena en humanos. Tiene un olor medianamente agradable, y cuando se inhala, se siente un frescor en la garganta lo cual ofrece una sensación de placer entre la población joven.

Peligrosidad

En contacto con superficies calientes o con llamas esta sustancia se descompone formando humos tóxicos y corrosivos. Reacciona violentamente con metales como polvo de aluminio y de magnesio, bases fuertes y oxidantes fuertes, originando peligro de incendio y explosión. Ataca algunas formas de plásticos, caucho y revestimientos.

Cloroformo

El cloroformo o triclorometano, es un compuesto orgánico con fórmula CHCl₃. Es un líquido incoloro volátil, de olor característico.

Propiedades físico-químicas

 * Apariencia: Líquido incoloro                  * Solubilidad en agua: 0.8 g/100 mL (20ºC))    
 * Densidad: 1.483 g/cm3                         * Presión de vapor: 21.0861 kPa (20°C)
 * Masa molar: 119.38 g/mol                      * Coeficiente reparto octanol agua: 1.97
 * Punto de fusión: -63.5ºC (209.7 K)            * Densidad relativa de vapor (aire = 1): 4.12         
 * Punto de ebullición: 61.2ºC (334.3 K)

Producción

El cloroformo es producido en grandes cantidades de forma natural, especialmente a través de algas marinas. Industrialmente, se produce mediante una reacción entre el metano o cloro metano y cloro gas a unas condiciones de temperaturas de 400-500ºC.

CH₄ + Cl₂ →CH₃Cl + HCl

CH₃Cl + Cl₂ → CH₂Cl₂ + HCl

CH₂Cl₂ + Cl₂ → CHCl₃ + HCl

Usos industriales

Como disolvente es bastante común, ya que es miscible con gran cantidad de compuestos orgánicos. Es muy utilizado en la industria farmacéutica y para la producción de colorantes y pesticidas. Es un disolvente muy efectivo para alcaloides, empleándose en la extracción de la morfina, procedente de la amapola, y de la escopolamina, procedente de plantas del género Datura. El cloroformo deuterado, CDCl₃ se utiliza como disolvente en espectroscopia RMN.

Como reactivo, uno de sus usos principales es la producción de clorodifluorometano, precursor para la obtención de tetrafluoroetileno, que es empleado en la producción de teflón.

CHCl₃ + 2 HF → CHClF₂ + 2 HCl

Toxicidad

El cloroformo se puede absorber por inhalación,a través de la piel y por ingestión. Efectos de exposición de corta duración: irritación ocular, daños en el hígado, riñón y sistema nervioso central (antiguamente se utilizaba como anestésico), puede causar náuseas, dolor de cabeza y pérdida del conocimiento. Sus efectos pueden aparecer de forma no inmediata, y se recomienda vigilancia médica. En cuanto a los efectos de exposición prolongada: efectos adversos en el hígado y en el riñón, al ser una sustancia desengrasante, puede causar daños en las membranas lipídicas de los órganos. Es una sustancia considerada como posible carcinógena en seres humanos.

Peligrosidad

En presencia de oxígeno y en contacto con superficies calientes o llamas, el cloroformo puede descomponerse formando humos tóxicos, como HCl, fosgeno o vapores de cloro. Reacciona violentamente con bases fuertes, oxidantes fuertes, algunos metales, como aluminio, magnesio y zinc, originando peligro de incendio y explosión.

Tetracloruro de carbono

El tetracloruro de carbono es un compuesto inorgánico con fórmula CCl₄, es un líquido incoloro con un cierto olor dulce. En la década de los 80 fue muy utilizado como extintor de incendios, agente de limpieza y precursor de CFC's ampliamente empleados en esa época como refrigerantes con fines industriales. Desde los años 90, a raíz del descubrimiento del agotamiento de la capa de ozono mediante la acción de los CFC's y su prohibición tanto en su producción como en su comercialización a través del Protocolo de Montreal, la producción de CCl₄ descendió bruscamente.

Propiedades físico-químicas

 * Apariencia: Líquido incoloro                  * Solubilidad en agua: 0.1 g/100 mL (20ºC))    
 * Densidad: 1.5867 g/cm3                        * Presión de vapor: 12.2 kPa (20°C)
 * Masa molar: 153.82 g/mol                      * Coeficiente reparto octanol agua: 2.64
 * Punto de fusión: −22.92°C (250.23 K)          * Densidad relativa de vapor (aire = 1): 5.3           
 * Punto de ebullición: 76.72°C (349.87 K)

Producción

En la década de los 50, se preparaba por cloración de sulfuro de carbono a 105-130 ºC.

CS₂ + 3 Cl₂ → CCl₄ + S₂Cl₂

Hoy en día la principal reacción para producir CCl₄ es a partir de la reacción entre metano y cloro.

CH₄ + 4 Cl₂ → CCl₄ + 4 HCl

También se pueden obtener a partir de diclorometano, cloroformo u otros clorocarbonos de orden mayor.

C₂Cl₆ + Cl₂ → 2 CCl₄

Usos industriales

Durante la segunda mitad del siglo 20, este compuesto, fue ampliamente utilizado en la industria. Sus principales aplicaciones eran como refrigerante y como extintor de incendios, debido a su escasa inflamabilidad. A su vez se utilizó como precursor de otros compuesto utilizados como refrigerantes y agentes de extinción de incendios: CFC's, que debido a su capacidad de agotamientro del ozono fue prohibido su uso y comercialización. Como disolvente se utiliza en la investigación de síntesis química, pero debido a sus efectos tóxicos se trata de remplazarlo por otros disolventes menos nocivos, como el tetracloroetileno.

Puede servir como un disolvente para espectroscopia infrarroja , ya que no hay bandas de absorción significativas mayores de 1600 cm ^-1 . Debido a que no tiene ningún átomo de hidrógeno, se utilizado históricamente en H-RMN.

El CCl₄ es un hepatotóxico muy potente, y se utiliza en la investigación de agentes hepatoprotectores.

Toxicidad

Se puede absorber por inhalación,a través de la piel y por ingestión. La sustancia puede causar efectos en hígado, riñón y sistema nervioso central, dando lugar a pérdida del conocimiento, puede darse estado de coma e incluso la muerte. Puede producir irritación ocular. El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis. Esta sustancia es posiblemente carcinógena para los seres humanos.

Peligrosidad

El CCl₄ no tiene prácticamente inflamabilidad a temperaturas bajas. En contacto con superficies calientes o con llamas esta sustancia se descompone formando humos tóxicos y corrosivos, tales como el fosgeno. En cuanto al medioambiente, es un agotador de la capa de ozono y un gas de efecto invernadero, pero a raíz del Protocolo de Montreal su concentración en la atmósfera ha disminuido.

1,2-dicloroetano

También conocido como dicloruro de etileno, es un hidrocarburo clorado, que a temperatura ambiente se presenta en estado líquido, incoloro y de olor parecido al cloroformo. Históricamente, se ha utilizado como pesticida para fumigar plantas y terrenos. Debido a su alta volatilidad y persistencia en el aire, puede liberal radicales cloro, que intervengan en las reacciones de destrucción de ozono. Su potencial agotador de ozono es bajo y por ello no se incluyo en el Protocolo de Montreal, pero actualmente su uso y comercialización para algunas aplicaciones esta prohibido. Actualmente se utiliza para producir cloruro de vinilo.

Propiedades físico-químicas

 * Apariencia: Líquido incoloro                  * Solubilidad en agua: 0.87 g/100 mL (20ºC)    
 * Densidad: 1.253 g/cm3                         * Presión de vapor: 8.7 kPa (20°C)
 * Masa molar: 98.96 g/mol                       * Coeficiente reparto octanol agua: 1.48
 * Punto de fusión: -35ºC (238 K)                * Límites de explosividad, % v en aire: 6.2-16
 * Punto de ebullición: 84ºC (357 K)             * Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.42

Producción

Se produce en grandes cantidades (aproximadamente 20 millones de toneladas anuales). Su principal ruta de síntesis es a partir de la reacción entre etileno y cloro gas, catalizada por cloruro de hierro (III).

H₂C=CH₂ + Cl₂ → ClCH₂-CH₂Cl

Otra vía para la síntesis de este compuesto es mediante una reacción de oxicloración de etileno catalizada con cloruro de cobre (II).

H₂C=CH₂ + 4 HCl + O₂ → 2 ClCH₂-CH₂Cl + 2 H₂O

Usos industriales

El principal uso del 1,2-dicloroetano es la producción de cloruro de vinilo, precursor del polímero policloruro de vinilo (PVC).

Cl-CH₂-CH₂-Cl → H₂C=CH-Cl + HCl

El 1,2-dicloroetano es un buen disolvente aprótico polar, que se podría utilizar como desengrasante y removedor de pintura, pero en la actualidad está prohibido el uso debido a su toxicidad y carcinogenicidad.

Toxicidad

Por evaporación, esta sustancia a 20º C se puede alcanzar muy rápidamente una concentración nociva en el aire, provocando dolores abdominales, tos, vértigo, somnolencia, dolor de cabeza y garganta, náuseas, vómitos y pérdida del conocimiento. Según estudios epidemiológicos, existen evidencias claras de que el 1,2-dicloroetano es un posible cancerígeno para los seres humanos. Una exposición repetida a este compuesto puede provocar alteraciones funcionales en el sistema nervioso central, riñón e hígado. Por contacto con la piel y los ojos provoca enrojecimiento y sensibilización, y si la exposición es prolongada puede causar dermatitis.

Peligrosidad

Con respecto a su incidencia en el medio ambiente, se trata de una sustancia extremadamente inflamable, que se descompone al calentarla intensamente y al arder, produciendo humos tóxicos y corrosivos similares a los producidos por el cloroformo(ácido clorhídrico y fosgeno) que se liberan a la atmósfera. Debido a su gran persistencia y lenta degradación, puede permanecer muchos años en el medio ambiente, provocando alteraciones severas en la fauna y flora autóctona. A su vez al ser precursor de radicales cloro, puede considerarse como una sustancia con potencial agotador de ozono.

Referencias

https://en.wikipedia.org/wiki/Haloalkane
http://repository.lasallista.edu.co/dspace/bitstream/10567/1037/1/Extraccion_cafeina_Coffea_arabica_fluidos_super_criticos.pdf
http://www.semarnat.gob.mx/archivosanteriores/temas/gestionambiental/calidaddelaire/Documents/20%20preguntas%20de%20Ozono.pdf
http://www.norden.org/en/publications/publikationer/2003-516/at_download/publicationfile
http://ozone.unep.org/new_site/sp/montreal_protocol.php
Deficiencia de vitamina A potencia inducida por tetracloruro de carbono-fibrosis hepática en ratas

Enlaces externos

[1]Ficha de seguridad diclorometano INSHT
[2]Ficha de seguridad cloroformo INSHT
[3]Ficha de seguridad 1,2-dicloroetano INSHT
[4]Ficha de seguridad tetracloruro de carbono INSHT