Butanal: Producción, Reacciones y Usos

butanal

El n-butanal es un líquido transparente e incoloro con un olor potente y acre. Es un compuesto natural presente en pequeñas cantidades en aceites esenciales, plantas y otras sustancias.

El butanal es un intermedio altamente reactivo que se utiliza principalmente como componente versátil en numerosas síntesis químicas, principalmente para la preparación de compuestos C4 y C8 como alcoholes, ácidos carboxílicos y aminas.

La producción mundial de butanales supera los 7 millones de toneladas al año.

Tabla de contenido

1. Producción de Butanal

Actualmente, el único método empleado para la producción a gran escala de butanal es el proceso de hidroformilación del propeno.

Ya no se emplean comercialmente rutas alternativas, como la dimerización de acetaldehído a crotonaldehído, seguida de una hidrogenación selectiva a n-butiraldehído.

Otras rutas potenciales, incluida la deshidrogenación del butanol, permanecen inactivas con fines comerciales.

El proceso de hidroformilación (u oxo) fue identificado por primera vez en 1938 por OTTO ROELEN de Ruhrchemie en Oberhausen, Alemania.

Su investigación sobre el desarrollo de compuestos oxigenados dentro de la química de Fischer-Tropsch catalizada por cobalto le llevó a darse cuenta de que las olefinas pueden interactuar con una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno (actualmente denominado gas de síntesis) en presencia de catalizadores metálicos específicos, generando así aldehídos con un átomo de carbono adicional respecto a la olefina inicial.

production of butanal by Hydroformylation of Propen

La producción de butanal mediante hidroformilación implica el uso de altas presiones que oscilan entre 20 y 45 MPa y temperaturas entre 140 y 180 °C.

Antes de la década de 1970, el cobalto era el catalizador metálico preferido para el proceso; sin embargo, desde entonces el rodio ha ocupado su lugar.

El rodio ahora se utiliza junto con ligandos para mejorar la estabilidad, las velocidades de reacción y mejorar la relación n:iso.

Actualmente, se emplean tres fosfinas, incluida la trifenilfosfina (TPP), y un bifosfito complejo como ligandos en la hidroformilación comercial de propeno.

La hidroformilación industrial de propeno se realiza normalmente a temperaturas de 70 a 150 °C y un rango de presión de 1,5 a 5,0 MPa, y tres de cada cuatro procesos generales utilizan un sistema catalítico homogéneo.

El cuarto proceso utiliza un sistema de dos fases de agua y disolvente orgánico que da como resultado una mejor separación del catalizador y un consumo de energía optimizado.

El propeno es la materia prima más utilizada para la hidroformilación, representa más del 70% de la alimentación total del proceso oxo y se convierte en una mezcla de n- e isobutiraldehído.

La relación n/iso de la mezcla de butanal obtenida puede variar de 1/1 a 30/1, dependiendo del sistema catalizador-ligando, concentraciones, condiciones de reacción y diseño del proceso.

Los butanales constituyen del 90 al 98% de la mezcla de productos, mientras que se forman cantidades menores de impurezas, incluidos formiato de butilo, n- e isobutanol, y dímeros y trímeros de aldehídos y otros productos de condensación.

Estas impurezas se eliminan posteriormente mediante destilaciones de varios pasos.

2. Reacciones químicas del butanal

El butanal es un intermedio reactivo que sufre reacciones típicas de los aldehídos alifáticos saturados.

Estas reacciones comunes incluyen oxidación, que da como resultado el ácido carboxílico correspondiente, hidrogenación, que produce el alcohol correspondiente, aminación reductora, que conduce a la formación de aminas, y condensación aldólica con un aldehído diferente o una cetona.

Además, el butanal es capaz de sufrir reacciones de Tishchenko, lo que da lugar a la producción de ésteres. Se pueden encontrar numerosas reacciones de aldehídos adicionales en los textos estándar de química orgánica.

3. Usos del Butanal

Debido a su alta reactividad y amplia disponibilidad, el butanal es un material de partida fundamental para una amplia gama de productos.

La alta reactividad del grupo carbonilo y el protón α fácilmente abstraible facilitan muchas reacciones químicas orgánicas.

Las reacciones típicas comercialmente importantes del butanal incluyen hidrogenación (reducción), oxidación, reacciones de adición y condensación, condensaciones aldólicas, reacciones de Tishchenko, aminaciones reductoras y formaciones aldólicas.

El n-butiraldehído es un material de partida fundamental para numerosos productos C4, incluidos n-butanol, ácido n-butírico, n-butilamina, acetato de n-butilo y acrilato y metacrilato de n-butilo.

A través de la autocondensación aldólica, proporciona una ruta conveniente hacia productos C8 como el alcohol plastificante 2-etilhexanol, el ácido 2-etilhexanoico y muchos plastificantes esenciales, incluido el ftalato de di-(2-etilhexilo) (DOP).

La condensación aldólica con formaldehído produce el poliol trimetilolpropano, de importancia comercial.

3.1 Hidrogenación

La hidrogenación catalítica de butanales a los correspondientes butanoles se produce tanto en procesos en fase líquida como en fase gaseosa. Estos procesos de hidrogenación altamente selectivos suelen utilizar catalizadores a base de níquel o cobre.

El butanal se puede hidrogenar individualmente después de la separación, o la mezcla n/iso se puede hidrogenar con posterior separación de n-butanol e isobutanol mediante destilación.

3.2 Oxidación

El oxígeno puro o el aire convierten el butanal en ácido carboxílico con altos rendimientos. La reacción tiene lugar incluso en ausencia de catalizador. Los catalizadores adecuados incluyen metales de transición de los grupos 5 a 10, Cu, Ag, Ce, metales alcalinos y metales alcalinotérreos.

Si la oxidación se lleva a cabo en fase líquida, a menudo se utilizan como catalizadores naftenatos o carboxilatos metálicos. En los procesos en fase gaseosa se utilizan generalmente óxidos metálicos depositados sobre soportes como gel de sílice, kieselguhr, silicatos, cuarzo o alúmina.

3.3 Reacciones de adición y condensación

Se produce una amplia gama de reacciones de adición y condensación donde el butanal reacciona consigo mismo o con otros compuestos carbonílicos, amoníaco, aminas, alcoholes, nitrilos y otros grupos funcionales. Las reacciones incluyen condensaciones aldólicas, reacciones de Tishchenko, aminaciones, adición de reactivos de Grignard y muchas más.

La cloración del butanal produce fragancias e intermediarios farmacéuticos.

El n-butiraldehído sirve como componente catalizador para reacciones de polimerización especiales.

Referencia