¿Qué es el ácido levulínico?
El ácido levulínico, también conocido como ácido 4-oxopentanoico o ácido γ-cetovalérico, es el ácido γ-oxocarboxílico más simple e importante con la fórmula C5H8O3. Es un sólido cristalino blanco soluble en agua y disolventes orgánicos polares.
El ácido levulínico fue descrito y nombrado por primera vez por Grote y Tollens en 1875, pero no fue hasta 1960 que adquirió importancia comercial.
Tabla de contenido
1. Propiedades físicas del ácido levulínico
El ácido levulínico forma cristales incoloros que son fácilmente solubles en agua, etanol y éter dietílico.
En la siguiente tabla se indican las propiedades físicas importantes del ácido levulínico.
| Propiedad | Valor |
|---|---|
| Número CAS | [123-76-2] |
| Fórmula química | H3C-CO-CH2-CH2-COOH |
| Masa molecular | 116,11 g/mol |
| Punto de fusión | 37 °C |
| Punto de ebullición | a (101,31 kPa): 245–246 °C a (1,33 kPa): 137–139 °C |
| Densidad específica (20 °C) | 1,14 |
| Índice de refracción (25 °C) | 1,4396 g/cm3 |
| pKa | 4,64 (a 18 °C) |
| Punto de inflamación | 138 °C |
2. Reacciones del ácido levulínico
El ácido levulínico reacciona como cetona y como ácido carboxílico. El calentamiento prolongado induce la deshidratación, lo que produce lactona de angélica (1).
La hidrogenación catalítica transforma el ácido levulínico en γ-valerolactona (2). Se han empleado diferentes catalizadores, incluidos óxido de platino, níquel Raney, cromita de cobre y sistemas basados en renio. La hidrogenación posterior produce 1,4-pentanodiol (3), un precursor del metiltetrahidrofurano (4).
Las reacciones de condensación con aldehídos ocurren en las posiciones de carbono α, β o δ, dependiendo de las condiciones de reacción.
La bromación del ácido levulínico con bromo, seguida de aminación, produce ácido aminolevulínico (5), que es un herbicida con actividad de amplio espectro. Este herbicida también se puede producir con alto rendimiento mediante bromación del ácido levulínico, seguida de reacción con el anión diformilamida y luego hidrólisis ácida.
La reacción del ácido levulínico con fenol produce ácido difenólico (6), que es un compuesto utilizado en la producción de polímeros.
El ácido levulínico se utiliza como precursor para la síntesis de diversos compuestos heterocíclicos. La aminación reductora genera 5-metil-2-pirrolidona (7), mientras que la reacción con hidrazina produce 6-ceto-3-metil-1,4,5,6-tetrahidropiridazona (8).
El ácido levulínico puede reaccionar con alcoholes para formar ésteres, como el levulinato de etilo, que se utiliza en fragancias.
3. Producción de ácido levulínico
El ácido levulínico se sintetiza industrialmente a partir de polímeros de carbohidratos, como la celulosa o el almidón. Estos polímeros se despolimerizan inicialmente en monómeros de hexosa, principalmente D-glucosa, mediante hidrólisis catalizada por ácido, seguida de isomerización enzimática de D-glucosa a D-fructosa.
La deshidratación posterior de la D-fructosa produce hidroximetilfurfural, un intermediario clave en la formación de ácido levulínico. La síntesis clásica utiliza la reacción directa de la D-fructosa con ácido clorhídrico.
Las vías de síntesis alternativas incluyen la hidrólisis de ésteres, la hidrólisis del alcohol furfurílico, la oxidación de cetonas, la carbonilación de cetonas catalizada por paladio y la alquilación de nitroalcanos. Sin embargo, estos métodos a menudo producen subproductos significativos o requieren materiales de partida costosos.
El proceso Biofine (Figura 1) representa un avance notable en la producción de ácido levulínico. Se emplea un sistema de reactor de dos etapas para la síntesis de ácido levulínico a partir de materias primas de carbohidratos.
En el reactor inicial, la hidrólisis de carbohidratos ocurre a temperaturas que van desde 210 a 230 °C durante un breve período de 13 a 25 segundos en presencia de un catalizador de ácido mineral diluido. Esta etapa produce hidroximetilfurfural, que se extrae continuamente y se transfiere al reactor siguiente.
Dentro del segundo reactor, el hidroximetilfurfural sufre una hidrólisis adicional a temperaturas entre 195 y 215 °C durante un período de 15 a 30 minutos. El ácido levulínico se elimina continuamente de este reactor.
El rendimiento total de ácido levulínico, calculado en función del contenido inicial de hexosa de la materia prima de carbohidratos, es de aproximadamente el 60%. Esta eficiencia es notablemente alta en comparación con los métodos informados anteriormente.
Este proceso brinda altos rendimientos, menor formación de subproductos y el potencial de una producción rentable a partir de diversas corrientes de desechos celulósicos. Las proyecciones económicas indican un ahorro sustancial de energía y una reducción de desechos mediante la implementación a gran escala del proceso Biofine.
Alternativamente, el ácido levulínico se puede producir a partir de materias primas petroquímicas. Un proceso patentado utiliza la ozonólisis de hidrocarburos insaturados para generar ácido levulínico, aunque la reacción es compleja.
4. Usos del ácido levulínico
El ácido levulínico se utiliza como precursor para la síntesis de productos farmacéuticos, plastificantes y como auxiliar en la galvanoplastia. Se utiliza en la producción de ácido aminolevulínico (un herbicida biodegradable), gamma-valerolactona (un disolvente, aditivo de combustible e intermediario para otros productos químicos) y ácido difenólico.
La sal de calcio del ácido levulínico se utiliza en la terapia de calcio, y los ésteres de ácido levulínico se utilizan en la producción de cosméticos y fragancias.
5. Toxicología del ácido levulínico
El ácido levulínico muestra una baja toxicidad aguda. La LD50 oral en ratas se determina en 1850 mg/kg. La LD50 dérmica en ratas es mayor de 2000 mg/kg. No hay datos disponibles sobre toxicidad por inhalación.
El ácido levulínico es un irritante de la piel. Provoca graves daños oculares. Es un sensibilizador cutáneo, como lo indican los resultados positivos en los análisis de ganglios linfáticos locales.
El ácido levulínico no induce aberraciones cromosómicas en linfocitos humanos ni mutaciones genéticas en células pulmonares de hámster chino in vitro.
Los datos disponibles sobre carcinogenicidad, toxicidad reproductiva y toxicidad específica en determinados órganos del ácido levulínico son insuficientes.
El ácido levulínico no contiene componentes identificados como disruptores endocrinos, según la normativa REACH.
Los datos de toxicidad, persistencia y degradabilidad del ácido levulínico en el medio ambiente son limitados.
El ácido levulínico es nocivo si se ingiere, puede provocar reacciones alérgicas en la piel y provoca graves daños oculares.
Referencias
- Oxocarboxylic Acids; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a18_313
- https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Levulinic-acid
- https://www.aceee.org/files/proceedings/1999/data/papers/SS99_Panel1_Paper60.pdf
- https://www.merckmillipore.com/INTL/en/product/msds/MDA_CHEM-814254
