Acrilonitrilo: Producción, Reacciones y Usos

Acrylonitrile

El acrilonitrilo, un compuesto fundamental en la industria química, sirve como intermediario crucial para una amplia gama de productos. Tiene varios nombres, incluidos 2-propenenitrilo, propenenitrilo, nitrilo de ácido acrílico, nitrilo de propileno, cianuro de vinilo y nitrilo de ácido propenoico. Su fórmula química, C3H3N, corresponde a una masa molecular de 53,064.

La síntesis comercial de acrilonitrilo emplea el proceso de amoxidación de propileno, también conocido como proceso SOHIO. Este método, introducido por primera vez en 1960, implica la reacción de propileno, amoníaco y oxígeno utilizando un catalizador heterogéneo:

C3H6 + NH3 + 1,5 O2 → C3H3N + 3 H2O

Antes del descubrimiento del proceso de amoxidación de propileno, el acrilonitrilo se producía predominantemente mediante el proceso de etilencianhidrina.

La implementación del proceso SOHIO provocó una reducción significativa en el costo de producción del acrilonitrilo, lo que generó un aumento sustancial en la demanda de este compuesto en un amplio espectro de productos químicos y poliméricos.

La fibra acrílica sigue siendo la principal aplicación del acrilonitrilo, mientras que los mercados de resinas de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), adiponitrilo y acrilamida también han experimentado un rápido crecimiento. En consecuencia, la capacidad de producción anual mundial de acrilonitrilo supera ahora los 5 millones de t/a.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del acrilonitrilo

El acrilonitrilo es un líquido transparente e incoloro a temperatura ambiente. Esta molécula posee una naturaleza polar debido al grupo funcional electronegativo nitrilo, que está conjugado con un doble enlace carbono-carbono.

En términos de solubilidad, el acrilonitrilo demuestra miscibilidad con varios disolventes orgánicos, como acetonabencenotetracloruro de carbono, éter dietílico, acetato de etilo, etilencianhidrina, éter de petróleo, tolueno, ciertos querosenos y metanol.

La siguiente tabla enumera algunas propiedades físicas del acrilonitrilo.

Propiedad Valor
Masa molar 53,064 g/mol
Densidad 0,81 g/cm³
Punto de fusión -83,5 °C
Punto de ebullición 77,3 °C
Índice de refracción 1.391
Miscibilidad en agua 7,30 % en peso
Viscosidad 0,35 cP (a 20 °C)
Presión crítica 35,3 MPa
Temperatura crítica 245,8 °C
Temperatura de autoignición 481 °C

2. Reactividad química del acrilonitrilo

La reactividad química distintiva del acrilonitrilo se origina en la presencia de dos sitios reactivos, a saber, el doble enlace carbono-carbono y el grupo funcional nitrilo.

Las principales reacciones químicas que sufre son la polimerización y la hidratación. El acrilonitrilo se polimeriza fácil y exotérmicamente en ausencia de un inhibidor de hidroquinona, especialmente bajo exposición a la luz.

Este proceso de polimerización se inicia mediante radicales libres, catalizadores redox o bases y puede tener lugar en fase líquida, sólida o gaseosa. La polimerización en fase líquida es especialmente adecuada para la producción de homopolímeros y copolímeros.

Cuando el acrilonitrilo se hidrata con ácido sulfúrico, forma sulfato de acrilamida (C3H5NO·H2SO4), que puede convertirse en acrilamida (C3H5NO) mediante neutralización con una base y la hidratación completa conduce a la formación de ácido acrílico (C3H4O2).

La acrilamida también se puede generar directamente a partir de acrilonitrilo mediante hidratación parcial con catalizadores a base de cobre, que se ha convertido en la ruta comercial preferida para la producción de acrilamida.

Los ésteres acrílicos de importancia industrial se forman mediante la reacción de sulfato de acrilamida con alcoholes orgánicos.

La producción comercial de acrilato de metilo (C4H6O2) implica agregar metanol al sulfato de acrilamida.

El acrilonitrilo participa en otras reacciones, incluida la adición de Diels-Alder a dienos, lo que da como resultado productos cíclicos.

La hidrogenación sobre catalizadores metálicos produce propionitrilo (C3H5N) y propilamina (C3H9N). Además, una reacción industrial importante es la hidrodimerización del acrilonitrilo, produciendo adiponitrilo (C6H8N2).

Además, el acrilonitrilo puede sufrir una adición de halógeno a través del doble enlace para generar dihalopropionitrilos. También participa en reacciones de cianoetilación con alcoholes, aldehídos, ésteres, amidas, nitrilos, aminas, sulfuros, sulfonas y haluros.

3. Producción de acrilonitrilo

El acrilonitrilo se produce industrialmente mediante un proceso catalítico en fase de vapor llamado amoxidación de propileno, desarrollado por SOHIO. El proceso emplea un reactor de lecho fluidizado en el que el propileno, el amoníaco y el aire reaccionan con un catalizador sólido a temperaturas de 400 a 510 °C y presiones manométricas de 50 a 200 kPa.

La reacción es de un solo paso, con aproximadamente un 98% de conversión de propileno. Los catalizadores altamente selectivos han permitido reducir el consumo de propileno, alrededor de 1,1 kg por kilogramo de acrilonitrilo producido.

Además del acrilonitrilo, el proceso produce coproductos útiles como el HCN (utilizado en la fabricación de metacrilato de metilo y cianuro de sodio) y acetonitrilo (un valioso disolvente en aplicaciones farmacéuticas e industriales).

En la producción comercial de acrilonitrilo, el efluente caliente del reactor se enfría con agua en un absorbente a contracorriente y el amoníaco que no ha reaccionado se neutraliza con ácido sulfúrico. El sulfato de amonio resultante se recupera y se utiliza como fertilizante.

Simplified process flow diagram of the commercial propylene ammoxidation process
Figura 1: Diagrama de flujo simplificado del proceso comercial de amoxidación de propileno.
a) Reactor de lecho fluidizado; b) Absorbedor a contracorriente; c) columna de recuperación; d) Segunda columna de recuperación; e) Columnas de fraccionamiento

El gas de escape del absorbente, que contiene N2, CO, CO2 y propileno sin reaccionar, se ventila directamente o se pasa a través de un incinerador para quemar hidrocarburos y CO. Luego, la solución que contiene acrilonitrilo se procesa en columnas de recuperación para obtener acrilonitrilo crudo y acetonitrilo crudo. , con purificación adicional para acrilonitrilo de calidad de fibra acrílica.

La viabilidad comercial de la producción de acrilonitrilo a partir de propileno y amoníaco se logró en 1959 cuando SOHIO desarrolló un catalizador con alta selectividad para el acrilonitrilo. Las mejoras a lo largo de los años se han debido principalmente al desarrollo de nuevos catalizadores con mayores rendimientos de acrilonitrilo a partir de propileno.

Los óxidos metálicos mixtos de componentes múltiples, basados principalmente en óxido de bismuto-molibdeno, han sido los catalizadores clave, con varias mejoras logradas mediante la incorporación de hierro, cobalto, níquel y metales alcalinos.

Los catalizadores a base de molibdato son predominantes, pero también se utilizan comercialmente catalizadores de antimoniato. Los esfuerzos de investigación se han centrado en comprender la química de la reacción superficial y los mecanismos del estado sólido de los catalizadores basados en molibdato de bismuto.

Los estudios cinéticos han demostrado que el paso determinante de la velocidad implica la extracción de un átomo de hidrógeno del propileno para formar un complejo p-alilo en la superficie, lo que lleva a la formación de acroleína y, en última instancia, acrilonitrilo.

Diversas técnicas, como el análisis espectroscópico Raman, los rayos X, la difracción de neutrones, la espectroscopia de absorción de rayos X, los estudios cinéticos de pulso y las investigaciones de moléculas sonda, han proporcionado una comprensión más profunda de los complejos mecanismos de superficie y de estado sólido implicados en el propileno. amoxidación sobre catalizadores a base de molibdato de bismuto.

4. Usos del acrilonitrilo

El acrilonitrilo encuentra usos finales importantes en diversas industrias, incluida la fibra acrílica, resinas de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), adiponitrilo, acrilamida, cauchos de nitrilo y fibras de carbono. Entre estas aplicaciones, la fibra acrílica es el uso comercial más importante.

Producto %
Fibra acrílica 42
Resinas ABS 34
Adiponitrilo 8
Acrilamida 7
Caucho nitrilo 5
Fibra de carbono 2
Otro 2

Sin embargo, se espera que el ABS y la acrilamida sean las aplicaciones de más rápido crecimiento para el acrilonitrilo, mientras que las fibras de carbono también van en aumento, particularmente en aplicaciones de alta resistencia y peso ligero dentro de las industrias de las aerolíneas y del automóvil.

La fibra acrílica se utiliza principalmente en la fabricación de prendas de vestir y muebles para el hogar. Sin embargo, el crecimiento de su mercado se ha desacelerado en comparación con otros usos del acrilonitrilo, y gran parte de la capacidad de producción de fibra acrílica se ha desplazado de Estados Unidos y Europa a Asia, especialmente a China.

El ABS, un polímero especial de alto rendimiento, gana popularidad debido a su excelente resistencia, propiedades colorantes y facilidad de procesamiento. Encuentra aplicaciones en diversas industrias, incluidas la automoción, la construcción, los electrodomésticos y la electrónica. Los copolímeros SAN, conocidos por su transparencia óptica, se utilizan en embalajes, fibras ópticas y envases de alimentos, entre otras aplicaciones.

El adiponitrilo sirve como materia prima para la producción de hexametilendiamina (HMDA, C6H16N2) mediante electrohidrodimerización. Luego se utiliza HMDA para fabricar nailon-6,6.

La acrilamida se fabrica a partir de acrilonitrilo mediante un proceso catalizado por cobre. Tras la polimerización, encuentra un amplio uso en el tratamiento de aguas residuales, la producción de petróleo, el procesamiento de minerales y la fabricación de papel.

Los cauchos de nitrilo, que son copolímeros de butadieno-acrilonitrilo, son muy valorados en la industria por su resistencia química, al aceite y al ozono, junto con su excelente flexibilidad, estabilidad y resistencia al calor. Se utilizan comúnmente en la producción de juntas, sellos, mangueras, correas y cubiertas de cables eléctricos.

5. Toxicología y Salud Ocupacional

El acrilonitrilo plantea importantes riesgos de toxicidad si se ingiere, se inhala o se absorbe a través de la piel. En su forma líquida o de vapor concentrado, es corrosivo y puede causar quemaduras en la piel que se asemejan a quemaduras de segundo grado.

La sobreexposición a sus vapores puede provocar irritación conjuntival y respiratoria grave, así como síntomas como dolores de cabeza, náuseas, vómitos, debilidad y mareos.

La exposición prolongada puede provocar somnolencia, convulsiones, alucinaciones, pérdida del conocimiento e incluso la muerte. La aparición de estos efectos tóxicos puede retrasarse y ocurrir desde unos pocos minutos hasta varias horas después de la exposición.

Además, el acrilonitrilo se considera un riesgo sospechoso de cáncer, y el riesgo de cáncer depende del nivel y la duración de la exposición. Los estudios in vitro han demostrado propiedades mutagénicas débiles, mientras que los estudios in vivo no confirmaron este efecto.

Los estudios en animales han revelado efectos nocivos sobre el desarrollo y la reproducción fetal cuando se exponen a niveles tóxicos de acrilonitrilo. Se han observado efectos embriotóxicos y teratogénicos en animales cuando sus madres estuvieron expuestas a dosis altas.

Los estudios realizados en trabajadores de acrilonitrilo en China informaron tasas más altas de lo esperado de efectos reproductivos y desarrollo fetal anormal. Sin embargo, la confiabilidad de estos estudios ha sido cuestionada debido a incertidumbres con respecto a la metodología de recopilación de datos, exposiciones químicas, influencias sociales y de estilo de vida e inconsistencias con otra información.

Los estudios epidemiológicos sobre la relación entre la exposición al acrilonitrilo y tumores específicos no han proporcionado pruebas claras.

Si bien los datos sobre los niveles ocupacionales de exposición humana no indican una correlación definitiva entre el acrilonitrilo y el cáncer, sigue siendo prudente tratar el acrilonitrilo como un carcinógeno potencial. Se deben minimizar los niveles de exposición y se debe evitar el contacto con el acrilonitrilo líquido.

Durante la combustión, el acrilonitrilo produce subproductos altamente tóxicos, como cianuro de hidrógeno, dióxido de nitrógeno y monóxido de carbono.

Para proteger a los trabajadores, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de los Estados Unidos regula el acrilonitrilo como un riesgo de cáncer (29 CFR 1910.1045). El límite de exposición permisible (PEL) se establece en 2 ppm en aire como promedio durante un período de 8 horas (promedio ponderado en el tiempo – TWA).

El límite máximo (CL) es de 10 ppm como promedio durante un período de 15 minutos. El olor del acrilonitrilo es una mala señal de advertencia de exposición, ya que su umbral de olor está en el rango de 13 a 20 ppm, que está muy por encima tanto del PEL como del CL.

Los niveles de toxicidad del acrilonitrilo se han definido de la siguiente manera:

  • Toxicidad oral: rata LD50 81 mg/kg
  • Toxicidad por inhalación: rata CL50 557 ppm/4 h, 946 ppm/4 h (por nariz/senos nasales); rata LCL0 > 1008 ppm/1 h
  • Toxicidad cutánea: conejo LD50 226–250 mg/kg

Referencia

Preguntas frecuentes sobre el acrilonitrilo

El acrilonitrilo es un compuesto químico con la fórmula química C3H3N. Es un líquido transparente e incoloro a temperatura ambiente y posee un grupo funcional nitrilo unido a un doble enlace carbono-carbono. El acrilonitrilo es un intermediario esencial en la industria química y sirve como componente básico para diversos productos.

El acrilonitrilo se produce comercialmente mediante un proceso catalítico en fase de vapor llamado amoxidación de propileno. Este proceso implica la reacción de propileno, amoníaco y aire sobre un catalizador sólido a temperaturas y presiones específicas. Luego, el acrilonitrilo resultante se separa y purifica para diversas aplicaciones.

El acrilonitrilo encuentra diversas aplicaciones en diferentes industrias. Sus principales usos incluyen la producción de fibras acrílicas, resinas de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), adiponitrilo (un precursor del nailon-6,6), acrilamida (utilizada en el tratamiento de aguas residuales y otros procesos industriales), cauchos de nitrilo (para juntas, sellos, mangueras, etc.) y fibras de carbono (utilizadas en aplicaciones livianas y de alta resistencia en las industrias aeroespacial y automotriz).

El acrilonitrilo se polimeriza principalmente mediante una vía de polimerización radicalaria. Polimeriza fácilmente en presencia de iniciadores como radicales libres, catalizadores redox o bases. La polimerización puede tener lugar en fase líquida, sólida o gaseosa, siendo la polimerización en fase líquida el método preferido para producir homopolímeros y copolímeros.

No, el acrilonitrilo no es un polímero en sí mismo; es un monómero. Sin embargo, es un componente clave en la producción de varios polímeros, incluido el poliacrilonitrilo (PAN), que es el precursor de las fibras de carbono, y otros copolímeros utilizados en plásticos y fibras sintéticas.

El acrilonitrilo es tóxico si se ingiere, se inhala o se absorbe a través de la piel. Es corrosivo en forma líquida o de vapor concentrado y provoca quemaduras en la piel que se asemejan a quemaduras de segundo grado. La inhalación de sus vapores puede provocar irritación conjuntival y respiratoria grave, junto con síntomas como dolores de cabeza, náuseas, vómitos, debilidad y mareos. La exposición prolongada puede provocar efectos más graves, como somnolencia, convulsiones, alucinaciones, pérdida del conocimiento e incluso la muerte. El acrilonitrilo también se considera un posible riesgo de cáncer y se deben tomar precauciones para minimizar la exposición.

El acrilonitrilo es una materia prima fundamental en la producción de diversos productos, como fibras acrílicas utilizadas en prendas de vestir y muebles para el hogar, resinas ABS utilizadas en aplicaciones automotrices, de construcción y electrónica, adiponitrilo empleado para fabricar nailon-6,6, acrilamida utilizada en aguas residuales. tratamiento y otros procesos industriales, cauchos de nitrilo para juntas y sellos, y fibras de carbono para aplicaciones livianas y de alta resistencia en las industrias aeroespacial y automotriz.