Acido adipico sintesis

El ácido adípico (ácido butanodioico, C6H10O4) es un polvo cristalino blanco perteneciente a la clase de ácidos dicarboxílicos de cadena recta C6. Es uno de los productos químicos más utilizados a nivel mundial. El ácido adípico es poco soluble en agua pero soluble en alcoholes y acetona.

El ácido adípico fue obtenido por primera vez por Dieterle y sus colegas en 1884 mediante la oxidación del aceite de ricino.

El ácido adípico, cuyo nombre proviene de la palabra latina "adeps" que significa grasa, es un producto de la oxidación de la grasa (peroxidación de lípidos). Casi el 90% del consumo de ácido adípico está relacionado con la producción de nailon (nailon-6,6) mediante su condensación con 1,6-hexametilendiamina. El ácido adípico se utiliza en la fabricación de plastificantes, lubricantes y polioles de poliéster para sistemas de poliuretano. El ácido y sus derivados también se emplean en la industria alimentaria (como agente gelificante, acidulante, saborizante, agente de fermentación y agente tampón), así como en la preparación de pesticidas, colorantes, auxiliares textiles, germicidas y medicamentos (como intermediarios de cefalosporina).

¿Cómo se Extrae el Ácido Adípico?

El ácido adípico tiene dos fuentes principales:

(1) Síntesis Industrial:

Este es el método más común para obtener ácido adípico. Se produce mediante la oxidación de una mezcla de ciclohexanona y ciclohexanol (conocida como aceite KA) con ácido nítrico. Este proceso implica múltiples pasos pero convierte esencialmente el anillo de ciclohexano en una cadena recta con dos grupos carboxílicos.

(2) Fuentes Naturales:

¿Dónde se encuentra naturalmente el ácido adípico? El ácido adípico se puede encontrar en pequeñas cantidades en algunos alimentos como remolachas y caña de azúcar. Sin embargo, este no es un método práctico para obtener grandes cantidades de ácido adípico.

Acido adipico sintesis:

El ácido adípico se produce mediante la oxidación de una mezcla de ciclohexanona y ciclohexanol, conocida como aceite KA, con ácido nítrico sirviendo como oxidante. Este proceso implica múltiples pasos. En las primeras etapas de la reacción, el ciclohexanol se convierte en cetona, liberando ácido nitroso. Luego, la ciclohexanona se nitrosa. Los subproductos de este método incluyen ácido glutárico y ácido succínico. El ácido nítrico reacciona con el ácido adípico en una proporción molar de aproximadamente uno a uno, produciendo también óxido nítrico a través de intermediarios de ácido nítrico.

Los procesos comerciales iniciales para el ácido adípico implicaban la oxidación de dos pasos del ciclohexano. La baja conversión de ciclohexano a una mezcla de ciclohexanol-ciclohexanona luego se sometía a una oxidación con aire de alta conversión para producir ácido adípico. Sin embargo, toda la producción a gran escala hoy en día implica la oxidación de ciclohexanol, ciclohexanona o una mezcla de ambos (aceite KA) con ácido nítrico. Las diferencias entre los procesos comerciales radican principalmente en la fabricación de aceite KA. Los seis átomos de carbono del esqueleto del ácido adípico suelen provenir del benceno, hidrogenado a ciclohexano, o del fenol, hidrogenado a ciclohexanol. El ciclohexano luego se oxida a aceite KA en el aire. En los últimos 20 años, ha habido un cambio hacia el proceso de ciclohexano de menor costo. Se ha realizado una investigación significativa desde principios de la década de 1980 sobre la síntesis de ácido adípico a partir de butadieno y monóxido de carbono.

La segunda etapa de la oxidación con ácido nítrico convencional de ciclohexanol fue desarrollada por DuPont a fines de la década de 1940, involucrando la oxidación de ciclohexanol, ciclohexanona o una mezcla de ambos con ácido nítrico. El rendimiento de ácido adípico es superior al 90%. Los principales subproductos son dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y algunos ácidos dicarboxílicos de bajo peso molecular. Algunos subproductos se forman a partir de impurezas en el aceite KA inicial.

El ciclohexanol (1) se oxida a ciclohexanona (2), junto con la generación de ácido nitroso. La ciclohexanona luego reacciona para formar ácido adípico (8) a través de una de tres posibles vías. La ruta principal implica la reacción de nitrosación para producir 2-nitrosociclohexanona (3), que luego reacciona con ácido nítrico para formar 2-nitro-2-nitrosociclohexanona (6). Este intermediario sufre descomposición hidrolítica para producir ácido 6-nitro-6-hidroxiadípico, también conocido como ácido nítrico (9). El ácido nítrico no recuperado es el principal producto de reducción. Típicamente, por cada mol de ácido adípico producido, se convierten aproximadamente 2.0 moles de ácido nítrico en óxido nítrico. La segunda vía ocurre a temperaturas más altas, donde la reacción de nitrosación predomina. A estas temperaturas elevadas, la vía a través de dinitrocetona (4) se vuelve significativa. Una tercera vía propuesta por investigadores tempranos implica la formación de 1,2-dicetona (5) o su dímero como intermediarios. Para convertir este material eficientemente en ácido adípico, se requieren catalizadores de vanadio. El impacto del vanadio en el rendimiento general sugiere una contribución significativa de esta vía. La nitrosociclohexanona intermedia (3) sufre dos reacciones secundarias importantes. La nitrosación repetida conduce al intermediario (10), que o pierde dióxido de carbono para producir ácido glutárico (11) o posteriormente reacciona con ácido nítrico para producir ácido succínico. Se agrega metal de cobre al ácido nítrico para suprimir estas reacciones. En sistemas con concentraciones estables relativamente altas de nitrosociclohexanona (3) o productos de reordenamiento, la reacción de reordenamiento tipo Beckmann conduce a pequeñas cantidades de ácido 5-cianopentanoico (12). Esta sustancia se hidroliza lentamente para producir ácido adípico.

Acido adipico sintesis

Impacto Ambiental y Económico

Impacto de la Producción de Ácido Adípico en el Medio Ambiente, Incluida la Generación de Residuos y el Consumo de Energía

Emisiones Atmosféricas

(1) Gases de Efecto Invernadero

La producción convencional libera cantidades significativas de gases de efecto invernadero, principalmente debido a la dependencia de combustibles fósiles para la energía. Estas emisiones agravan el calentamiento global.

(2) Óxidos de Nitrógeno

El ácido nítrico utilizado en una etapa del proceso libera óxidos de nitrógeno al reaccionar, contribuyendo a la formación de smog y lluvia ácida.

(3) Otros Contaminantes

Hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO). Estos contaminantes se liberan durante las etapas iniciales de reacción mediante combustión incompleta, afectando la calidad del aire.

(4) Material Particulado (PM)

Se genera polvo durante el enfriamiento del producto, el secado, el almacenamiento y los procesos de manipulación. Este material particulado puede irritar los pulmones, exacerbando enfermedades respiratorias.

Generación de Residuos

(1) Uso de Agua

Se utilizan grandes cantidades de agua para la purificación y refrigeración de equipos, lo que podría tensionar los recursos hídricos locales.

(2) Aguas Residuales del Proceso

Las aguas residuales generadas durante el proceso de producción pueden requerir tratamiento antes de su descarga para evitar la contaminación del agua.

Consumo de Energía

Dependencia de combustibles fósiles. La producción tradicional de ácido adípico depende en gran medida de los combustibles fósiles como fuentes de energía, lo que conlleva emisiones de gases de efecto invernadero y agotamiento de recursos.

Análisis de los Factores Económicos que Influyen en el Proceso de Producción

En 1999, la capacidad anual global para el ácido adípico fue de 2.5 × 10^6 toneladas/año. Si bien esto refleja solo un aumento del 15% en la capacidad desde 1980, también indica el cierre de algunas plantas de adiponitrilo que usaban ácido adípico como materia prima, lo que lo hizo disponible para otros propósitos. La capacidad de América del Norte es de 1.06 × 10^6 toneladas/año, lo que representa el 42% del total, mientras que Europa Occidental representa el 35%, principalmente producido en el Reino Unido, Francia, Alemania e Italia. Las importaciones y exportaciones se vuelven significativas. En 1995, EE. UU. exportó 71 × 10^3 toneladas, lo que representó el 8.5% del total de las exportaciones de EE. UU.

La producción de ácido adípico está impulsada principalmente por las fibras y resinas de nailon 66. Por lo tanto, la perspectiva económica de este ácido está influenciada en gran medida por el dominio del mercado de estos materiales. Menos del 15% de la producción estadounidense se vende en mercados comerciales, principalmente para usos no relacionados con nailon. Esta proporción es más alta en Europa Occidental y Japón. La síntesis de adiponitrilo a partir de ácido adípico, una vez significativa, ya no es utilizada por ningún fabricante importante. Sin embargo, en algunos países de Europa del Este, esta práctica sigue siendo muy limitada. Los usos no relacionados con nailon del ácido adípico han crecido a una tasa anual de aproximadamente el 6% desde 1970. Los costos de producción están estrechamente relacionados con los precios de las materias primas (ciclohexano y amoníaco), que disminuyeron a fines de la década de 1990 con la caída de los precios del petróleo crudo. Las regiones de más rápido crecimiento para el ácido adípico y el nailon 66 son China y el Lejano Oriente. Se espera que las tasas de crecimiento en EE. UU. y Europa Occidental sean más lentas, por lo que la oferta y la demanda deberían permanecer relativamente estables en los próximos años.

Tendencias Futuras e Innovaciones

Un método alternativo potencialmente biológico implica la oxidación de ciclohexanol o ciclohexanona a ácido adípico por cepas de bacterias Acinetobacter, Pseudomonas y Xanthobacter. El grupo de genes de 14 kb de la especie Acinetobacter para la oxidación de ciclohexanol contiene genes que codifican dos alcohol deshidrogenasas, una aldehído deshidrogenasa, una monooxigenasa, una hidrolasa y un regulador transcripcional. Escherichia coli recombinante que contiene el grupo de genes de 14 kb puede convertir el ciclohexanol en ácido adípico. Teóricamente, el ácido adípico podría producirse a partir de ácido caproico (posiblemente de la especie Pseudomonas), un producto de la fermentación anaeróbica de glucosa de Megasphaera elsdenii. Esta bacteria metaboliza la glucosa o la maltosa en ácido acético, ácido butírico y ácido caproico a través de la condensación consecutiva de unidades C2 producidas por ácido pirúvico. Los rendimientos de ácido caproico van de 5 a 8 g/l^-1 a partir de 40 g/l^-1 de glucosa en fermentaciones por lotes agitadas entre intervalos. Otros posibles procesos biológicos para la producción de ácido adípico incluyen especies de Nocardia que producen cantidades traza de ácido a partir de aminas alifáticas o diaminas (por ejemplo, dodecilendiamina), y levaduras que convierten ácidos monocarboxílicos de cadena recta (por ejemplo, ácido caproico) en ácidos dicarboxílicos, incluido el ácido adípico. Ambos procesos biológicos son muy ineficientes y requieren una optimización significativa para competir con los procesos químicos.

Referencias:

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780123739445001565

[2] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527629114.ch7

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Adipic_acid

[4] https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/a/adipic-acid.html