El metanol (también llamado alcohol metílico y alcohol de madera , entre otros nombres) es un compuesto químico orgánico y el alcohol alifático más simple , con la fórmula química CH 3 OH (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). [17] El metanol adquirió el nombre de alcohol de madera porque alguna vez se produjo principalmente mediante la destilación destructiva de la madera . Hoy en día, el metanol se produce principalmente industrialmente mediante la hidrogenación de monóxido de carbono . [18]
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 formaldehído , ácido acético , metil terc-butil éter , benzoato de metilo , anisol , peroxiácidos , así como una serie de productos químicos más especializados. [18]
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. [19] La media de metanol endógeno 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) [20]
El metanol es producido por bacterias anaeróbicas y fitoplancton . [21] [22]
El metanol también se encuentra en cantidades abundantes en las regiones del espacio donde se forman estrellas y se utiliza en astronomía como marcador de dichas regiones. Se detecta a través de sus líneas de emisión espectral. [23]
En 2006, los astrónomos que utilizaron el conjunto de radiotelescopios MERLIN del Observatorio Jodrell Bank descubrieron una gran nube de metanol en el espacio de 463 terametros (288 mil millones de millas) de ancho. [24] [25] 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 . [26]
En su proceso de embalsamamiento , los antiguos egipcios utilizaban una mezcla de sustancias, entre ellas el metanol, que obtenían de la pirólisis de la madera. El metanol puro, sin embargo, fue aislado por primera vez en 1661 por Robert Boyle , cuando lo produjo mediante la destilación de buxus (boj). [27] Más tarde pasó a ser conocido como "espíritu piroxílico". En 1834, los químicos franceses Jean-Baptiste Dumas y Eugene Peligot determinaron su composición elemental. [28]
También introdujeron la palabra "metilène" en la química orgánica, formándola del griego methy = "líquido alcohólico" + hȳlē = "bosque, madera, madera, material". "Metileno" designaba un "radical" que tenía aproximadamente un 14% de hidrógeno en peso y contenía un átomo de carbono. Este sería CH 2 , pero en ese momento se pensaba que el carbono tenía un peso atómico sólo seis veces mayor que el del hidrógeno, por lo que dieron la fórmula CH. [28] Luego llamaron al alcohol de madera (l'esprit de bois) "bihidrato de méthylène" (bihidrato porque pensaban que la fórmula era C 4 H 8 O 4 o (CH) 4 (H 2 O) 2 ). El término "metilo" se derivó alrededor de 1840 por retroformación a partir de "metileno" y luego se aplicó para describir el "alcohol metílico". Esto fue abreviado a "metanol" en 1892 por la Conferencia Internacional sobre Nomenclatura Química . [29] 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 podría usarse para producir metanol sintéticamente en 1905. Este proceso sugirió que se podía hacer reaccionar dióxido de carbono e hidrógeno para producir metanol. [9] Los químicos alemanes Alwin Mittasch y Mathias Pier, trabajando para Badische-Anilin & Soda-Fabrik (BASF), desarrollaron un medio para convertir el gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono , dióxido de carbono e hidrógeno ) en metanol y recibieron una patente. . Según Bozzano y Manenti, el proceso de BASF se utilizó por primera vez en Leuna , Alemania, en 1923. Las condiciones de funcionamiento consistían en temperaturas "altas" (entre 300 y 400 °C) y presiones (entre 250 y 350 atm) con un catalizador de óxido de zinc / cromo . . [30]
La patente estadounidense 1.569.775 ( US 1569775 ) se solicitó el 4 de septiembre de 1924 y se concedió el 12 de enero de 1926 a BASF; el proceso utilizó un catalizador de óxido de cromo y manganeso en condiciones extremadamente vigorosas: presiones que oscilaban 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 moderno proceso de metanol a baja presión (LPM) fue desarrollado por ICI a fines de la década de 1960 (US 3326956) y la patente de la tecnología expiró hace mucho tiempo.
Durante la Segunda Guerra Mundial , el metanol se utilizó como combustible en varios diseños de cohetes militares alemanes, con el nombre de M-Stoff, y en una mezcla aproximadamente 50/50 con hidracina , conocida como C-Stoff .
El uso de metanol como combustible para motores recibió atención durante las crisis del petróleo de los años 1970 . A mediados de la década de 1990, se introdujeron en Estados Unidos más de 20.000 " vehículos de combustible flexible " (FFV) de metanol capaces de funcionar con metanol o gasolina. Además, se mezclaron bajos niveles de metanol en los combustibles de gasolina vendidos en Europa durante gran parte de la década de 1980 y principios de la década de 1990. Los fabricantes de automóviles dejaron de fabricar vehículos FFV con metanol a finales de la década de 1990 y centraron su atención en los vehículos propulsados por etanol. Si bien el programa FFV de metanol fue un éxito técnico, el aumento del precio del metanol a mediados y finales de la década de 1990 durante un período de caída de los precios de la gasolina en las gasolineras disminuyó el interés en los combustibles de metanol . [31]
A principios de la década de 1970, Mobil desarrolló un proceso para producir gasolina a partir de metanol. [32]
Entre los años 1960 y 1980 el metanol surgió como 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 .
El metanol se convierte principalmente en formaldehído, que se usa ampliamente en muchas áreas, especialmente en polímeros . La conversión implica oxidación:
El ácido acético se puede producir a partir de metanol.
Se combinan metanol e isobuteno para dar metil terc -butil éter (MTBE). MTBE es un importante potenciador del octanaje de la 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 alguna vez se comercializó en Motunui en Nueva Zelanda. [34] [35]
La Directiva Europea sobre la Calidad de los Combustibles permite a los productores mezclar hasta un 3% de metanol, con una cantidad igual de cosolvente, con gasolina vendida en Europa. China utiliza más de 4.500 millones de litros de metanol al 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. [ cita necesaria ]
El metanol es el precursor de la mayoría de las metilaminas simples , haluros de metilo y éteres metílicos. [18] Los ésteres metílicos se producen a partir de metanol, incluida la transesterificación de grasas y la producción de biodiesel mediante transesterificación . [36] [37]
El metanol es un portador de energía prometedor porque, como líquido, es más fácil de almacenar que el hidrógeno y el gas natural. Su densidad energética es, sin embargo, inferior a la del metano , por kg. Su densidad de energía de combustión es de 15,6 MJ / L ( LHV ), mientras que la del etanol es de 24 y la de la gasolina es de 33 MJ/L.
Otras ventajas del metanol son su fácil biodegradabilidad y su baja toxicidad ambiental. No persiste ni en ambientes aeróbicos (con presencia de oxígeno) ni anaeróbicos (con ausencia de oxígeno). La vida media del metanol en el agua subterránea es de sólo 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, superficiales, aire o suelo. [38]
Ocasionalmente se utiliza metanol como combustible para motores de combustión interna . Se quema formando dióxido de carbono y agua:
Se ha propuesto 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 modificaciones mínimas en los motores y en la infraestructura que suministra y almacena el combustible líquido. Su densidad energética, sin embargo, es menor que la de la gasolina, lo que significa que se requerirían repostajes más frecuentes. Sin embargo, equivale 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 usarla. [39]
El metanol es un combustible alternativo para barcos que ayuda a la industria naviera a cumplir con regulaciones de emisiones cada vez más estrictas. Reduce significativamente las emisiones de óxidos de azufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas. El metanol se puede utilizar con alta eficiencia en motores diésel marinos después de modificaciones menores utilizando una pequeña cantidad de combustible piloto (combustible dual). [40] [41]
En China, el metanol alimenta 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. [42]
Las pilas de combustible de metanol directo son únicas por su funcionamiento a baja temperatura y presión atmosférica, lo que les permite miniaturizarse en gran medida. [43] [44] Esto, combinado con el almacenamiento y manejo relativamente fácil y seguro del metanol, puede abrir la posibilidad de la electrónica de consumo alimentada por celdas de combustible , como computadoras portátiles y teléfonos móviles. [45]
El metanol también es un combustible muy 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 diésel 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 .
El metanol se utiliza como desnaturalizante del etanol; el producto se conoce como "alcohol desnaturalizado" o "alcohol metilado". Esto se utilizó comúnmente durante la prohibición estadounidense para desalentar el consumo de licor de contrabando y terminó provocando varias muertes. [46]
El metanol se utiliza como solvente y como anticongelante en tuberías y líquido lavaparabrisas . El metanol se utilizaba como anticongelante para automóviles a principios del siglo XX. [47] A partir de mayo de 2018, se prohibió en la UE el uso de metanol para lavar o descongelar parabrisas debido a su riesgo de consumo humano [48] [49] como resultado de las intoxicaciones por metanol de la República Checa en 2012 . [50]
En algunas plantas de tratamiento de aguas residuales , se añade una pequeña cantidad de metanol a las aguas residuales para proporcionar una fuente 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 .
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 , soportados sobre alúmina , como lo utilizó por primera vez ICI en 1966. A 5-10 MPa (50-100 atm) y 250 °C (482 °F), el reacción
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 sólo dos moles de gas hidrógeno por cada 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
En términos de mecanismo, el proceso se produce mediante la conversión inicial de CO en CO 2 , que luego se hidrogena : [51]
donde el subproducto H2O se recicla mediante la reacción de desplazamiento agua-gas
Esto da una reacción general.
que es el mismo que el mencionado anteriormente. 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 . [52] La principal ventaja de este proceso es que se podría utilizar CO 2 capturado e hidrógeno procedente de la electrólisis , eliminando la dependencia de los combustibles fósiles.
La conversión catalítica de metano en metanol se realiza mediante enzimas que incluyen metano monooxigenasas . Estas enzimas son oxigenasas de función mixta, es decir, la oxigenación se combina con la producción de agua [53] y NAD + : [54]
Se han caracterizado enzimas dependientes de Fe y Cu. [54] Se han realizado esfuerzos intensos, pero en gran medida infructuosos, para emular esta reactividad. [55] [56] 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 evitar este problema. Los ejemplos incluyen sistemas Shilov y zeolitas que contienen Fe y Cu. [57] Estos sistemas no necesariamente imitan los mecanismos empleados por las metaloenzimas , pero se inspiran 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 ). [58]
Las emisiones globales de metanol por parte de las plantas se estiman entre 180 y 250 millones de toneladas por año. [59] Esto es entre dos y tres veces mayor que la producción industrial de metanol hecha por el hombre.
A partir de 2023, el 0,2% de la producción mundial de metanol se producirá de manera que generen emisiones de gases de efecto invernadero relativamente bajas; esto se conoce como metanol "verde". [60] La mayor parte del metanol verde se produce a partir de la gasificación de biomasa . [60] El gas de síntesis se produce a partir de la gasificación de biomasa y luego se convierte en metanol verde. [61]
Otro método para producir metanol verde implica combinar hidrógeno, dióxido de carbono y un catalizador bajo altas temperaturas y presión. [60] Para ser clasificado como metanol verde, el hidrógeno debe ser hidrógeno verde , que se produce utilizando electricidad renovable. [60] Además, el dióxido de carbono en este proceso debe ser producto de la captura y almacenamiento de carbono o de la captura directa de aire o biomasa de origen reciente. [60] Algunas definiciones de metanol verde especifican que el dióxido de carbono debe capturarse durante la quema de bioenergía . [62]
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. El metanol de grado "AA" también contiene trazas de etanol. [30]
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 valoración de Karl-Fischer .
El metanol es altamente inflamable. Sus vapores son ligeramente más pesados que el aire y pueden viajar a una fuente de ignición distante y encenderse. Los incendios de metanol deben extinguirse con productos químicos secos , dióxido de carbono , agua pulverizada o espuma resistente al alcohol. [12] Las llamas de metanol son invisibles a la luz del día.
La ingestión de tan solo 10 ml (0,34 onzas líquidas estadounidenses) de metanol puro puede causar ceguera permanente por destrucción del nervio óptico . 30 ml (1,0 fl oz estadounidense) son potencialmente mortales. [63] La dosis letal mediana es de 100 ml (3,4 onzas líquidas estadounidenses), es decir , 1 a 2 ml/kg de peso corporal de metanol puro. [64] La dosis de referencia para el metanol es 0,5 mg/kg al día. [65] [66] Los efectos tóxicos comienzan horas después de la ingestión y los antídotos a menudo pueden prevenir daños permanentes. [63] Debido a sus similitudes tanto en apariencia como en olor con el etanol (el alcohol en las bebidas), es difícil diferenciar entre los dos; tal es también el caso del alcohol desnaturalizado , los licores adulterados o las bebidas alcohólicas de muy baja calidad.
El metanol es tóxico por dos mecanismos. Primero, el metanol puede ser fatal debido a sus 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 de formaldehído en un proceso iniciado por la enzima alcohol deshidrogenasa en el hígado . [67] El metanol se convierte en formaldehído mediante la alcohol deshidrogenasa (ADH) y el formaldehído se convierte en ácido fórmico (formato) mediante la aldehído deshidrogenasa (ALDH). La conversión al formato mediante ALDH se realiza completamente, sin que quede ningún formaldehído detectable. [68] 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. [69]
Los brotes de intoxicación por metanol se han producido principalmente debido a la contaminación del consumo de alcohol . Esto es más común en el mundo en desarrollo . [70] En 2013, no obstante, se produjeron más de 1.700 casos en los Estados Unidos. Los afectados suelen ser hombres adultos. [71] Los resultados pueden ser buenos con el tratamiento temprano. [72] La toxicidad del metanol se describió ya en 1856. [73]
Debido a sus propiedades tóxicas, el metanol se utiliza frecuentemente 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 metilado") de impuestos especiales sobre bebidas alcohólicas en los EE.UU. y otros países.
El metóxido es un anión orgánico que es la base conjugada del metanol.
... Es una base conjugada de metanol.
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398: 15. Los alcoholes y los fenoles reciben el nombre del hidrocarburo del que derivan, terminado con el sufijo
ol
(ej. pentanol, pentenol, etc.).