Cos’è il cloruro di benzile?
Il cloruro di benzile, noto anche come α-clorotoluene, è un derivato del toluene con sostituzione del cloro nella catena laterale. È un liquido incolore con formula chimica C7H7Cl.
Il cloruro di benzile è un composto importante con molte applicazioni industriali che è stato originariamente sintetizzato da S. Cannizzaro nel 1853 dalla reazione tra alcol benzilico e acido cloridrico.
Sommario
1. Proprietà fisiche del cloruro di benzile
Il cloruro di benzile è un liquido incolore con un odore forte e pungente. È un potente lacrimatore, che causa un’intensa irritazione sia agli occhi che alle mucose.
Ecco alcune delle principali proprietà fisiche del cloruro di benzile:
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Peso molecolare | 126,58 g/mol |
| Punto di ebollizione a 101,3 kPa | 179,4 °C |
| Punto di fusione | -39,2 °C |
| Densità (ρ) a 10 °C | 1,1188 g/cm³ |
| Densità (ρ) a 20 °C | 1,1081 g/cm³ |
| Densità (ρ) a 30 °C | 1,1004 g/cm³ |
| Densità (ρ) a 50 °C | 1,0870 g/cm³ |
| Densità (ρ) a 87 °C | 1,072 g/cm³ |
| Indice di rifrazione | 1,5389 |
| Viscosità dinamica (η) a 15 °C | 1,501 mPa s |
| Viscosità dinamica (η) a 20 °C | 1,38 mPa s |
| Viscosità dinamica (η) a 25 °C | 1,289 mPa s |
| Viscosità dinamica (η) a 30 °C | 1,175 mPa s |
| Tensione superficiale (σ) a 15 °C | 38,43 mN/m |
| Tensione superficiale (σ) a 20 °C | 37,80 mN/m |
| Tensione superficiale (σ) a 30 °C | 36,63 mN/m |
| Tensione superficiale (σ) a 88 °C | 29,15 mN/m |
| Tensione superficiale (σ) a 17 °C | 19,5 mN/m |
| Calore specifico a 0 °C | 178 J mol⁻¹ K⁻¹ (1403 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Calore specifico a 20 °C | 181 J mol⁻¹ K⁻¹ (1432 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Calore specifico a 25 °C | 183 J mol⁻¹ K⁻¹ (1444 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Calore specifico a 50 °C | 189 J mol⁻¹ K⁻¹ (1495 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Calore specifico a 100 °C | 212 J mol⁻¹ K⁻¹ (1675 J kg⁻¹ K⁻¹) |
| Calore di vaporizzazione a 25 °C | 50,1 kJ/mol (396 kJ/kg) |
| Calore di combustione a volume costante | 3708 kJ/mol (29,29 × 103 kJ/kg) |
| Punto di infiammabilità | 60 °C |
| Temperatura di accensione | 585 °C |
| Limiti di esplosività nell'aria | Inferiore: 1,1 vol% Superiore: 14 vol% |
| Limiti di esplosività nel cloro | Inferiore: circa 6 vol% Superiore: circa 60 vol% |
| Conduttività specifica a 20 °C | 1,5 × 10-8 S/cm |
| Pressione di vapore a 0 °C | 0,025 kPa |
| Pressione di vapore a 10 °C | 0,05 kPa |
| Pressione di vapore a 20 °C | 0,12 kPa |
| Pressione di vapore a 30 °C | 0,37 kPa |
| Pressione di vapore a 50 °C | 0,99 kPa |
| Pressione di vapore a 100 °C | 7,96 kPa |
| Pressione di vapore a 130 °C | 23,40 kPa |
| Pressione di vapore a 179,4 °C | 101,33 kPa |
Il cloruro di benzile forma vari azeotropi, alcuni esempi dei quali si possono trovare nella seguente tabella:
| Componente | Punto di ebollizione, °C | Cloruro di benzile, % in peso |
|---|---|---|
| Benzaldeide | 178 | 50 |
| Acido esanoico | 179 | 95 |
| Acido isovalerico | 171 | 38 |
| Acido valerico | 175 | 25 |
| Acetoacetato di etile | 175 | 35 |
| Acetoacetato di metile | 167 | <80 |
| 1,3-Dicloro-2-propanolo | 169 | 57 |
| 2,3-Dicloro-2-propanolo | 171 | 40 |
| Glicole etilenico | circa 167 | circa 30 |
La solubilità del cloruro di benzile in acqua varia con la temperatura, essendo 0,33 g/L a 4 °C, 0,49 g/L a 20 °C e 0,55 g/L a 30 °C. Si dissolve facilmente in solventi come cloroformio, acetone, esteri acetici, etere dietilico ed etanolo.
La solubilità del cloro in 100 g di cloruro di benzile cambia con la temperatura, raggiungendo 8,0 g a 30 °C, 5,4 g a 50 °C e 2,1 g a 100 °C.
2. Reazioni chimiche del cloruro di benzile
Il cloruro di benzile è un materiale di partenza per la sintesi di cloruro di benzale e benzotricloruro mediante clorurazione a catena laterale. La clorurazione nucleare produce cloruri di clorobenzile. Viene ossidato in una soluzione acquosa con bicromato di sodio e carbonato di sodio per formare benzaldeide e acido benzoico.
Il cloruro di benzile reagisce con i metalli per produrre diversi prodotti. Ad esempio, reagisce con il magnesio in etere dietilico per formare cloruro di magnesio benzilico, un reagente di Grignard. Con polvere di rame o sodio, produce 1,2-difeniletano come prodotto principale nella sintesi di Wurtz.
Reagisce con forti catalizzatori acidi di Lewis come FeCl3, AlCl3 e ZnCl2 per formare prodotti di autocondensazione di Friedel–Crafts del tipo (C7H6)n. Tuttavia, questi polimeri non sono significativi a livello commerciale nonostante la capacità di controllare il grado di condensazione modificando le condizioni di reazione.
Reagisce con benzene o toluene in presenza di catalizzatori Friedel–Crafts per formare rispettivamente difenilmetano o benziltolueni isomerici.
Il cloruro di benzile reagisce con acido solfidrico e metalli alcalini per produrre rispettivamente mercaptano benzilico e solfuro di dibenzile. La sua reazione con sali di sodio di acidi carbossilici produce i corrispondenti esteri benzilici.
Forma alcol benzilico quando idrolizzato con acqua calda, ma questa reazione non è utilizzata industrialmente perché l’alcol benzilico formato viene riformato in cloruro di benzile dall’acido cloridrico formato nel processo. Promuove anche la formazione di etere dibenzilico. Tuttavia, l’idrolisi in presenza di alcali produce alcol benzilico.
Il cloruro di benzile reagisce con il cianuro di sodio per produrre fenilacetonitrile (cianuro di benzile). Quando reagisce con ammoniaca o ammine, produce ammine primarie, secondarie, terziarie e sali di ammonio quaternario.
La reazione con esametilentetrammina produce benzaldeide, nota come reazione di Sommelet.
3. Produzione di cloruro di benzile
3.1. Meccanismo di reazione
Il processo di clorurazione del toluene coinvolge due meccanismi distinti: meccanismi a catena radicale e meccanismi polari elettrofili. Il meccanismo a catena radicale consiste in diversi passaggi:
1. Inizio della catena:
Il gas cloro è iniziato dall’energia luminosa (hν), producendo due radicali cloro (2 Cl•).
2. Propagazione della catena:
- I radicali cloro (Cl•) reagiscono con la catena laterale alifatica (RH), formando un radicale metilico (R•) e acido cloridrico (HCl).
- I radicali metilici (R•) reagiscono quindi con altro cloro (Cl2), producendo cloruro di metile (RCl) e altri radicali cloro (Cl•).
3. Terminazione della catena:
- I radicali cloro (Cl•) possono terminare la catena combinandosi per formare gas cloro (Cl2).
- I radicali metilici (R•) possono anche terminare la catena reagendo tra loro per formare composti dimetilici (RR).
Questo processo di clorurazione è altamente esotermico, rilasciando energia nell’intervallo da 96 a 105 kJ/mol di cloro. A causa della rapida formazione di radicali cloro e dello spostamento dell’idrogeno, le lunghezze della catena radicale possono variare da 103 a 106, a seconda del substrato e delle condizioni di reazione.
Poiché la clorurazione della catena laterale e la clorurazione nucleare seguono meccanismi fondamentalmente diversi, è possibile ottenere selettività. Per garantire un’elevata efficienza nella clorurazione della catena laterale, devono essere soddisfatte determinate condizioni:
- Concentrazione ottimale dei radicali: mantenere una concentrazione ideale di radicali.
- Eliminare gli effetti elettrofili: rimuovere i componenti che potrebbero introdurre reazioni elettrofile.
- Prevenire la terminazione della catena: eliminare le sostanze che possono terminare prematuramente le catene radicaliche.
- Evitare le reazioni collaterali: ridurre al minimo le condizioni che portano a reazioni indesiderate.
- Promuovere le reazioni radicaliche: adottare precauzioni che favoriscano le reazioni radicaliche rispetto a quelle elettrofile.
Affrontando ciascuno di questi punti:
- La formazione di radicali di cloro può essere migliorata utilizzando agenti formanti radicali come 2,2′-azobis(isobutyronitrile) (AIBN), perossido di benzoile o temperature elevate (100–200 °C). Anche l’irradiazione con luce UV o radiazioni β può eccitare le molecole di cloro.
- I catalizzatori Friedel–Crafts favoriscono la clorurazione nucleare. Pertanto, i materiali di partenza devono essere privi di sostanze che promuovono la clorurazione nucleare, come i sali di ferro. Sono preferiti materiali per reattori come vetro, acciaio rivestito in vetro e politetrafluoroetilene.
- L’ossigeno è uno scavenger di radicali e la sua presenza deve essere ridotta al minimo. Il cloro distillato o la purga con un gas inerte possono aiutare a rimuovere l’ossigeno.
- L’acqua può portare alla formazione di acido cloridrico e può causare l’idrolisi dei composti clorurati. L’acido cloridrico formato durante la clorurazione può contribuire alla clorurazione nucleare.
- Concentrazioni eccessive di cloro possono portare a reazioni collaterali indesiderate. L’introduzione di un gas inerte nel flusso di cloro e l’utilizzo di unità reattore più piccole possono aiutare ad attenuare questo problema.
Durante la clorurazione radicale del toluene, tutti e tre gli atomi di idrogeno nella catena laterale vengono progressivamente sostituiti dal cloro, dando origine a miscele di cloruro di benzile, cloruro di benzale e benzotricloruro.
3.2. Processo di produzione
Per produrre cloruro di benzile con una produzione minima di prodotti secondari come cloruro di benzale e benzotricloruro, un approccio è quello di limitare la clorurazione a solo il 30-40% dell’input di toluene e quindi separare la miscela risultante tramite frazionamento.
Un altro metodo è quello di utilizzare solfuri alchilici o arilici come iniziatori di catena radicale per monoclorurare la catena laterale senza la necessità di luce UV.
Nei moderni processi industriali, il cloruro di benzile viene prodotto tramite clorurazione della catena laterale del toluene in fotoreattori a ciclo continuo realizzati in acciaio o vetro smaltati. I vecchi metodi che utilizzavano colonne di reazione rivestite in argento, piombo o nichel sono stati interrotti a causa di problemi di corrosione.
Nel processo continuo, la clorurazione è in genere limitata al 20-40% dell’input di toluene per ridurre al minimo la formazione di sottoprodotti clorurati più elevati. La miscela risultante, contenente ancora una quantità significativa di toluene e in genere 0,5-2% di cloruro di benzale, viene sottoposta a distillazione.
Durante la distillazione, le caldaie ad alto volume vengono separate per un’ulteriore purificazione e il toluene viene riciclato nuovamente nel reattore.
La spettroscopia nel vicino infrarosso online viene utilizzata per monitorare la composizione della miscela di reazione nei reattori di clorurazione e nelle unità di distillazione, consentendo un controllo efficiente delle alimentazioni di toluene e cloro nel processo continuo. Tuttavia, lo svantaggio principale di questo metodo è l’elevato costo associato ai processi di distillazione dovuto alla notevole quantità di toluene riciclato.
Una tipica configurazione di impianto per la produzione continua di cloruro di benzile è mostrata nella Figura 1.
Il toluene fresco entra nel pre-cloratore (R0) e poi scorre attraverso una cascata di quattro fotoreattori aggiuntivi (R1-R4), alimentati con cloro in quantità misurate con precisione, con livelli di cloro decrescenti da un reattore all’altro.
In genere, l’ultimo reattore nella cascata viene spurgato con azoto puro per rimuovere il gas di cloro disciolto dalla miscela di reazione prima della purificazione. Nella successiva distillazione grezza (C1), il toluene non reagito viene rimosso, lasciando il cloruro di benzile (insieme a piccole quantità di cloruro di benzale) nella vasca di distillazione.
Il prodotto grezzo clorurato viene indirizzato all’unità di distillazione fine (C2) per un’ulteriore purificazione per ottenere la qualità finale. Il prodotto della vasca rimanente è una miscela di cloruri di benzile e benzale, adatta al riciclaggio nella produzione di cloruro di benzale o benzotricloruro.
I gas di scarico combinati dai reattori vengono riportati al pre-cloratore (R0), dove il cloro residuo reagisce con toluene fresco o riciclato.
I gas di scarico privi di cloro, composti principalmente da acido cloridrico e azoto, vengono trattati in un sistema di lavaggio in cui l’HCl viene assorbito dall’acqua, producendo acido cloridrico concentrato di qualità tecnica.
In alternativa, è possibile produrre cloruro di benzile puro tramite clorurazione in fase vapore in reattori specializzati, mantenendo la temperatura al punto di alimentazione del cloro entro l’intervallo dei punti di ebollizione del toluene e del cloruro di benzile.
In queste condizioni, il cloruro di benzile viene rapidamente condensato e raccolto, mentre l’acido cloridrico fuoriesce in cima e il toluene viene liquefatto e riciclato. Il reattore funziona in continuo e il prodotto di fondo è in genere costituito da 0,9% di toluene, 93,6% di cloruro di benzile e 5,5% di residuo di distillazione.
Questo metodo comporta rischi intrinseci, tra cui la temperatura di accensione del toluene nel gas cloro (185 °C) e la natura esplosiva delle miscele toluene-cloro e cloruro di benzile-cloro su un’ampia gamma di concentrazioni.
Un altro approccio alla produzione di cloruro di benzile prevede la clorometilazione del benzene, sebbene questo metodo non abbia rilevanza commerciale.
4. Usi del cloruro di benzile
Il cloruro di benzile viene utilizzato per produrre alcol benzilico, benzilbutilftalato, acido fenilacetico e sali di ammonio quaternario. Viene inoltre utilizzato per produrre esteri benzilici, coloranti al trifenilmetano, disolfuro di dibenzile, benzilfenolo e benzilammina.
L’alcol benzilico viene utilizzato come solvente, fragranza e antisettico. Il benzilbutilftalato è un plastificante utilizzato nel cloruro di polivinile (PVC). L’acido fenilacetico viene utilizzato per produrre penicillina sintetica. I sali di ammonio quaternario vengono utilizzati come disinfettanti e catalizzatori di trasferimento di fase.
Gli esteri benzilici vengono utilizzati nell’industria degli aromi e delle fragranze. I coloranti al trifenilmetano vengono utilizzati come coloranti e pigmenti. Il disolfuro di dibenzile è un antiossidante utilizzato nei lubrificanti. Il benzilfenolo è utilizzato come stabilizzante per i polimeri. Le benzilammine sono utilizzate come prodotti farmaceutici e intermedi nella produzione di altri prodotti chimici.
5. Tossicologia del cloruro di benzile
La tossicità orale acuta del cloruro di benzile nei ratti è di 1230 mg/kg e nei topi è di 1620 mg/kg. Tuttavia, il dossier di registrazione REACH suggerisce un valore LD50 inferiore di 560 mg/kg nei ratti. Quando somministrato per via sottocutanea in una soluzione oleosa, la LD50 nei ratti è di 1000 mg/kg.
L’esposizione al cloruro di benzile a concentrazioni di 100-1000 mg/m³ per 2 ore nei ratti e nei topi ha causato irritazione delle mucose e congiuntivite.
In uno studio subcronico a dosi ripetute condotto sui ratti, gastrite acuta e cronica grave nel prestomaco, spesso accompagnata da ulcere, nonché necrosi miocardica acuta ed edema del cuore, sono state le cause principali di morte.
Il cloruro di benzile è noto per essere un potente agente sensibilizzante cutaneo per le cavie e presenta deboli proprietà mutagene.
Negli esperimenti sui ratti, iniezioni sottocutanee di dosi settimanali di 80 mg/kg per un anno, seguite da un periodo di post-osservazione, hanno portato allo sviluppo di sarcomi locali con metastasi polmonari. Il tempo medio di induzione per questi tumori è stato di 500 giorni.
L’applicazione cutanea di cloruro di benzile nei topi ha portato all’osservazione di carcinomi cutanei.
Uno studio successivo sulla cancerogenicità del cloruro di benzile somministrato nell’olio di mais ha riscontrato aumenti statisticamente significativi nei tumori delle cellule C della tiroide nei ratti femmina e in vari tipi di tumori, tra cui emangiosarcoma, carcinoma del prestomaco e carcinoma alveolo-bronchiolare polmonare nei topi, in modo dose-dipendente.
Il cloruro di benzile viene prontamente assorbito dai polmoni e dal tratto gastrointestinale. Dopo somministrazione orale, porta all’escrezione di vari composti nelle urine, tra cui N-acetil-S-benzilcisteina, alcol benzilico, benzaldeide e acido benzoico.
Per gli esseri umani, l’esposizione a una concentrazione di 16 ppm di cloruro di benzile nell’aria è considerata intollerabile entro un solo minuto. È un potente lacrimatore, che causa una forte irritazione agli occhi, al naso e alla gola e ha il potenziale di indurre edema polmonare.
Sebbene vi siano prove limitate sulla cancerogenicità dei tolueni α-clorurati e del cloruro di benzoile negli esseri umani, sulla base dei dati disponibili e delle prove sufficienti di effetti cancerogeni negli animali, il cloruro di benzile è classificato come probabilmente cancerogeno per gli esseri umani secondo vari sistemi di classificazione, tra cui GHS (categoria 1B), IARC (categoria 2A) e classificazione MAK (categoria 2).
Riferimento
- Benzyl Chloride and Other Side-Chain-Chlorinated Aromatic Hydrocarbons; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.o04_o01.pub2
