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Furfural

El furfural es un compuesto orgánico de fórmula C 4 H 3 OCHO. 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 , incluidas las mazorcas de maíz , la avena , el salvado de trigo y el aserrín . El nombre furfural proviene del vocablo latino 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 químicos orgánicos más antiguos disponibles y fácilmente purificado 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 del ácido fórmico . [7] 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 (C 5 H 4 O 2 ). [8] George Fownes llamó 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 realizadas por el químico alemán Heinrich Limpricht apoyaron esta idea. [12] A partir de un trabajo publicado en 1877, Baeyer había confirmado su creencia anterior sobre la estructura del furfural. [13] En 1886, el furfurol se llamaba "furfural" (abreviatura de "furfuraldehído") y se proponía la estructura química correcta del furfural. [14] En 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 mediante el trabajo con succindialdehído y 2-metilfurano , confirmando así también la estructura propuesta del furfural. [16] [17]

El furfural permaneció relativamente oscuro 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 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, actuando como un polímero termoestable .

Producción

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

C
5h
10oh
5→ C
5h
4oh
2+ 3H
2oh

Estos azúcares pueden obtenerse a partir de pentosanos obtenidos a partir 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. [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 para sustituir el ácido sulfúrico con catalizadores ácidos sólidos fácilmente separables y reutilizables. [23] La formación y extracción de xilosa y posteriormente furfural puede verse favorecida 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 tras 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 cogeneración de electricidad, [25] [26] alimento para ganado, carbón activado, mantillo/fertilizante, etc.

Usos y ocurrencia

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

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 . [27]

La hidrogenación de 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. [28] 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 . [4]

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, [29] y el propio furano mediante descarbonilación en fase de vapor catalizada por paladio . [4]

Furfural es también un disolvente químico especializado. [20]

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

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 . [30] [31] [32] [33]

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

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

Ver también

Referencias

  1. ^ abcdefg Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos. "#0297". Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH).
  2. ^ Registro abcd de CAS RN 98-01-1 en la base de datos de sustancias GESTIS del Instituto de Seguridad y Salud Ocupacional
  3. ^ Baird, Zacarías Steven; Uusi-Kyyny, Petri; Pokki, Juha-Pekka; et al. (6 de noviembre de 2019). "Presiones de vapor, densidades y parámetros PC-SAFT para 11 biocompuestos". Revista Internacional de Termofísica . 40 (11): 102. Código bibliográfico : 2019IJT....40..102B. doi : 10.1007/s10765-019-2570-9 .
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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 diversas clases de vegetales". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 140 : 467–480. doi : 10.1098/rstl.1850.0024 . S2CID  186214485.
  9. ^ George Fownes (1845). "Un relato de la formación artificial de un vegeto-álcali". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 135 : 253–262. doi : 10.1098/rstl.1845.0008 . JSTOR  108270.
  10. ^ Cahours, Auguste (1848). "Note sur le furfurol" [Nota sobre el furfurol]. Annales de Chimie et de Physique . 3ª serie (en francés). 24 : 277–285.(Traducción al inglés: Cahours, A. (1848). "Observaciones sobre el furfurol". The Chemical Gazette . 6 : 457–460.)
  11. ^ Baeyer, A.; Emmerling, A. (1870). "Reduction des Istatins zu Indigblau" [Reducción de istatina a azul índigo]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (en alemán). 3 : 514–517. doi :10.1002/cber.187000301169.
  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 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.
    • Baeyer, Adolf (1877). "Ueber das Furfurol. III. Mittheilung" [Sobre furfural. Tercer informe.]. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft (en alemán). 10 (2): 1358-1364. doi :10.1002/cber.18770100225.
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enlaces externos