El isopreno , o 2-metil-1,3-butadieno , es un compuesto orgánico volátil común con la fórmula CH 2 = C(CH 3 )−CH=CH 2 . En su forma pura es un líquido volátil incoloro. Es producido por muchas plantas y animales [1] (incluidos los humanos) y sus polímeros son el componente principal del caucho natural .
CG Williams nombró el compuesto en 1860 después de obtenerlo de la pirólisis del caucho natural. Dedujo correctamente las proporciones de masa del carbono y el hidrógeno [2] (pero debido a que el peso atómico moderno del carbono aún no se había adoptado en el Congreso de Karlsruhe, llegó a una fórmula incorrecta C 10 H 8 ). No especificó las razones del nombre, pero se plantea la hipótesis de que provenía del "propileno", con el que el isopreno comparte algunas propiedades físicas y químicas. El primero en observar la recombinación del isopreno en una sustancia similar al caucho fue Gustave Bouchardat en 1879, y William A. Tilden identificó su estructura cinco años después. [3]
El isopreno es producido y emitido por muchas especies de árboles (los principales productores son los robles , álamos , eucaliptos y algunas legumbres). La producción anual de emisiones de isopreno por parte de la vegetación es de alrededor de 600 millones de toneladas métricas , la mitad de las cuales provienen de árboles de hoja ancha tropicales y el resto principalmente de arbustos . [4] Esto es aproximadamente equivalente a las emisiones de metano y representa alrededor de un tercio de todos los hidrocarburos liberados a la atmósfera. En los bosques caducifolios, el isopreno representa aproximadamente el 80% de las emisiones de hidrocarburos. Si bien su contribución es pequeña en comparación con los árboles, las algas microscópicas y macroscópicas también producen isopreno. [5]
El isopreno se produce a través de la vía del metil-eritritol 4-fosfato (vía MEP, también llamada vía no mevalonato ) en los cloroplastos de las plantas. Uno de los dos productos finales de la vía MEP, el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), es escindido por la enzima isopreno sintasa para formar isopreno y difosfato. Por lo tanto, los inhibidores que bloquean la vía MEP, como la fosmidomicina , también bloquean la formación de isopreno. La emisión de isopreno aumenta drásticamente con la temperatura y alcanza su máximo en torno a los 40 °C. Esto ha llevado a la hipótesis de que el isopreno puede proteger a las plantas contra el estrés térmico (hipótesis de termotolerancia, véase más adelante). También se observa la emisión de isopreno en algunas bacterias y se cree que proviene de degradaciones no enzimáticas de DMAPP. La emisión global de isopreno por las plantas se estima en 350 millones de toneladas al año. [6]
La emisión de isopreno en las plantas está controlada tanto por la disponibilidad del sustrato (DMAPP) como por la actividad enzimática (isopreno sintasa). En particular, la dependencia de la luz, el CO2 y el O2 de la emisión de isopreno está controlada por la disponibilidad del sustrato, mientras que la dependencia de la temperatura de la emisión de isopreno está regulada tanto por el nivel de sustrato como por la actividad enzimática.
El isopreno es el hidrocarburo más abundante que se puede medir en el aliento de los humanos. [7] [8] [9] La tasa de producción estimada de isopreno en el cuerpo humano es de 0,15 μmol /(kg·h), equivalente a aproximadamente 17 mg/día para una persona que pesa 70 kg. El isopreno del aliento humano se origina a partir del metabolismo lipolítico del colesterol dentro de los peroxisomas musculares esqueléticos y el gen IDI2 actúa como determinante de producción. [10] Debido a la ausencia del gen IDI2 , animales como los cerdos y los delfines nariz de botella no exhalan isopreno.
El isopreno es común en bajas concentraciones en muchos alimentos. Muchas especies de bacterias del suelo y del mar, como Actinomycetota , son capaces de degradar el isopreno y utilizarlo como fuente de combustible.
La emisión de isopreno parece ser un mecanismo que los árboles utilizan para combatir el estrés abiótico . [11] En particular, se ha demostrado que el isopreno protege contra el estrés térmico moderado (alrededor de 40 °C). También puede proteger a las plantas contra grandes fluctuaciones en la temperatura de las hojas. El isopreno se incorpora a las membranas celulares y ayuda a estabilizarlas en respuesta al estrés térmico.
El isopreno también confiere resistencia a las especies reactivas de oxígeno. [12] La cantidad de isopreno liberado por la vegetación que lo emite depende de la masa y el área de las hojas, la luz (en particular, la densidad de flujo de fotones fotosintéticos o PPFD) y la temperatura de las hojas. Por lo tanto, durante la noche, las hojas de los árboles emiten poco isopreno, mientras que se espera que las emisiones diurnas sean sustanciales durante los días calurosos y soleados, hasta 25 μg/(g de peso de hoja seca)/hora en muchas especies de robles. [13]
El esqueleto de isopreno se puede encontrar en compuestos naturales llamados terpenos y terpenoides (terpenos oxigenados), denominados colectivamente isoprenoides. Estos compuestos no surgen del propio isopreno. En cambio, el precursor de las unidades de isopreno en los sistemas biológicos es el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y su isómero, el pirofosfato de isopentenilo (IPP). El plural "isoprenos" se utiliza a veces para referirse a los terpenos en general.
Los ejemplos de isoprenoides incluyen caroteno , fitol , retinol ( vitamina A ), tocoferol ( vitamina E ), dolicoles y escualeno . El hemo A tiene una cola isoprenoide, y el lanosterol , el precursor del esterol en animales, se deriva del escualeno y, por lo tanto, del isopreno. Las unidades funcionales de isopreno en sistemas biológicos son el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y su isómero pirofosfato de isopentenilo (IPP), que se utilizan en la biosíntesis de isoprenoides naturales como carotenoides , quinonas , derivados del lanosterol (p. ej., esteroides) y las cadenas de prenilo de ciertos compuestos (p. ej., cadena de fitol de clorofila). Los isoprenoides se utilizan en la monocapa de la membrana celular de muchas arqueas , rellenando el espacio entre los grupos de cabeza de tetraéter de diglicerol. Se cree que esto añade resistencia estructural a los entornos hostiles en los que se encuentran muchas arqueas.
De manera similar, el caucho natural está compuesto de cadenas lineales de poliisopreno de muy alto peso molecular y otras moléculas naturales. [14]
El isopreno se consigue con mayor facilidad a nivel industrial como subproducto del craqueo térmico de nafta o petróleo, como subproducto en la producción de etileno . Cuando el craqueo térmico del petróleo es menos común, el isopentano se puede deshidrogenar o el isopreno se puede sintetizar a partir de isobutileno y formaldehído . Cuando se produce acetileno barato a partir de carburo de calcio derivado del carbón , se puede combinar con acetona para producir 3-metilbutinol, que luego se hidrogena y se deshidrata para formar isopreno. [15]
Se producen anualmente unas 800.000 toneladas métricas de isopreno. Alrededor del 95% de la producción de isopreno se utiliza para producir cis-1,4-poliisopreno, una versión sintética del caucho natural . [14]
El caucho natural se compone principalmente de poli-cis-isopreno con una masa molecular de 100.000 a 1.000.000 g/mol. Normalmente, el caucho natural contiene un pequeño porcentaje de otros materiales, como proteínas, ácidos grasos, resinas y materiales inorgánicos. Algunas fuentes de caucho natural, llamadas gutapercha , están compuestas de trans-1,4-poliisopreno, un isómero estructural que tiene propiedades similares, pero no idénticas. [14]
