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Furfural

El furfural es un compuesto orgánico con la fórmula C 4 H 3 OCHO. Es un líquido incoloro, aunque las muestras comerciales suelen ser marrones. Tiene un grupo aldehído unido a la posición 2 del furano . Es un producto de la deshidratación de azúcares, como ocurre en una variedad de subproductos agrícolas , incluyendo 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 solo se deriva de biomasa seca. Además del etanol , el ácido acético y el azúcar , el furfural es uno de los productos químicos orgánicos más antiguos disponibles fácilmente purificados a partir de precursores naturales. [6]

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 de ácido fórmico . [7] En 1840, el químico escocés John Stenhouse descubrió que el mismo químico podía producirse destilando una amplia variedad de materiales de cultivo, incluidos maíz, avena, salvado y aserrín, con ácido sulfúrico acuoso ; también determinó la fórmula empírica del furfural (C 5 H 4 O 2 ). [8] George Fownes nombró a este aceite "furfurol" en 1845 (de furfur (salvado) y oleum (aceite)). [9] En 1848, el químico francés Auguste Cahours determinó que el furfural era un aldehído . [10] Determinar la estructura del furfural requirió algo de 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 . [11] Investigaciones adicionales del químico alemán Heinrich Limpricht apoyaron esta idea. [12] A partir del trabajo publicado en 1877, Baeyer había confirmado su creencia previa sobre la estructura del furfural. [13] Para 1886, el furfurol se llamaba "furfural" (abreviatura de "furfuraldehído") y se estaba proponiendo la estructura química correcta para el furfural. [14] Para 1887, el químico alemán Willy Marckwald había inferido que algunos derivados del furfural contenían un núcleo de furano. [15] En 1901, el químico alemán Carl Harries determinó la estructura del furano a través del trabajo con succindialdehído y 2-metilfurano , confirmando así también la estructura propuesta del furfural. [16] [17]

El furfural permaneció relativamente desconocido hasta 1922, [6] cuando la Quaker Oats Company comenzó a producirlo en masa a partir de cáscaras de avena. [18] 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 la 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 se puede observar 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, actuando como un polímero termoendurecible .

Producción

El furfural se puede obtener mediante la deshidratación catalizada por ácido de azúcares de 5 carbonos ( pentosas ), particularmente xilosa . [19]

do
5yo
10Oh
5→ C
5yo
4Oh
2+ 3 horas
2Oh

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

Entre el 3% y el 10% de la masa de las 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 por 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 principales productores comerciales son Illovo Sugar en Sudáfrica y Central Romana en la República Dominicana. [20]

En el laboratorio, el furfural se puede sintetizar a partir de material vegetal calentándolo con ácido sulfúrico [21] u otros ácidos. [22] [20] Con el fin de evitar efluentes tóxicos, se ha estudiado en todo el mundo un esfuerzo por sustituir el ácido sulfúrico con catalizadores ácidos sólidos fácilmente separables y reutilizables. [23] La formación y extracción de xilosa y posteriormente furfural se puede favorecer sobre la extracción de otros azúcares con condiciones variadas, como la concentración de ácido, la temperatura y el tiempo.

En la producción industrial, quedan algunos residuos lignocelulósicos después de la eliminación del furfural. [24] 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 energéticamente tienen un exceso de residuos, que se utilizan o pueden utilizarse para la cogeneración de electricidad, [25] [26] alimento para ganado, carbón activado, mantillo/fertilizante, etc.

Usos y ocurrencia

Se encuentra comúnmente en muchos alimentos cocinados o calentados, como el café (55–255 mg/kg) y el pan integral (26 mg/kg). [4]

En la industria petroquímica , el furfural se utiliza como disolvente químico especializado para la extracción de dienos . [27]

Aún más importante, el furfural es también una importante materia prima química renovable, no derivada del petróleo . Se puede convertir en una variedad de solventes, polímeros, combustibles y otros productos químicos útiles mediante una serie de reducciones catalíticas . [28]

La hidrogenación del furfural proporciona alcohol furfurílico (FA), que se utiliza para producir resinas de furano , que se explotan en compuestos de matriz polimérica termoendurecible , cementos, adhesivos, resinas de colada y revestimientos. [29] 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 los herbicidas a penetrar en la estructura de las hojas.

En otra aplicación como materia prima, la descarbonilación catalizada por paladio sobre furfural fabrica furano industrialmente . [4]

Otro disolvente importante elaborado a partir del furfural es el metiltetrahidrofurano . El furfural se utiliza para fabricar otros derivados del furano , como el ácido furoico , mediante oxidación [30] y el propio furano mediante descarbonilación en fase de vapor catalizada por paladio [4] .

Existe un buen mercado para los productos químicos de valor añadido que pueden obtenerse a partir del furfural. [20]

Seguridad

El furfural es cancerígeno en animales de laboratorio y mutagénico en organismos unicelulares , pero no hay datos sobre sujetos humanos. Está clasificado en el Grupo 3 de la IARC debido a la falta de datos sobre seres humanos y a la escasez de pruebas en animales para satisfacer los criterios del Grupo 2A/2B. Es hepatotóxico . [31] [32] [33] [34]

La dosis letal media es alta, 650–900 mg/kg (oral, perros), en consonancia con su omnipresencia en los alimentos. [4]

La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional ha establecido un límite de exposición permisible para el furfural en 5  ppm durante un promedio ponderado en el tiempo (TWA) de ocho horas, y también designa al furfural como un riesgo de absorción por la piel. [1]

Véase también

Referencias

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  8. ^ John Stenhouse (1843). "Sobre los aceites producidos por la acción del ácido sulfúrico sobre diversas clases de vegetales. [Resumen]". Resúmenes de los artículos comunicados a la Royal Society de Londres . 5 : 939–941. doi : 10.1098/rspl.1843.0234 . JSTOR  111080.
    • Véase también: Stenhouse, John (1850). "Sobre los aceites producidos por la acción del ácido sulfúrico sobre varias clases de vegetales". Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 140 : 467–480. doi : 10.1098/rstl.1850.0024 . S2CID  186214485.
  9. ^ George Fownes (1845). "Un relato de la formación artificial de un álcali vegetal". Philosophical Transactions de la Royal Society de Londres . 135 : 253–262. doi : 10.1098/rstl.1845.0008 . JSTOR  108270.
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  12. ^ Limpricht, H. (1870). "Ueber das Tetrafenol C4H4O" [Sobre el tetrafenol C 4 H 4 O]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (en alemán). 3 : 90–91. doi :10.1002/cber.18700030129.De la pág. 90: "Die Ansicht, dass die Pyroschleimsäure eine der Salicylsäure ähnliche Constitution besitzt, macht das Auftreten des Tetrafenoles bei der Destillation der pyroschleimsauren Salze wahrscheinlich". (La creencia de que el ácido 2-furoico tiene una estructura similar a la del ácido salicílico hace probable la presencia de tetrafenol [furano] durante la destilación de las sales del ácido 2-furoico.) Es decir, así como calentar las sales del ácido salicílico produce fenol, también calentar sales de ácido 2-furoico debería producir un análogo del fenol que contenga 4 átomos de carbono.
  13. ^ En 1877, Baeyer publicó una serie de artículos sobre el furfural, mientras intentaba determinar su estructura.
    • Baeyer, Adolf (1877). "Ueber das Furfurol. Erste Mittheilung" [Sobre el furfural. Primer informe.]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (en alemán). 10 : 355–358. doi :10.1002/cber.187701001101.
    • Baeyer, Adolf (1877). "Ueber das Furfurol. Zweite Mittheilung" [Sobre el furfural. Segundo informe.]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (en alemán). 10 : 695–698. doi :10.1002/cber.187701001195.
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