Cloruro de bencilo: producción, reacciones y usos

benzyl chloride structure

El cloruro de bencilo es un derivado de tolueno con sustitución de cloro en la cadena lateral. Es un compuesto importante con muchas aplicaciones industriales. Fue sintetizado originalmente por S. Cannizzaro en 1853 mediante la reacción entre alcohol bencílico y ácido clorhídrico.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del cloruro de bencilo

El cloruro de bencilo es un líquido incoloro con un olor fuerte y acre. Es un potente lacrimógeno que provoca una intensa irritación tanto en los ojos como en las mucosas.

Estas son algunas de las propiedades físicas clave del cloruro de bencilo:

propiedades físicas del cloruro de bencilo
Propiedad Valor
Peso molecular (Sr.) 126,58
Punto de ebullición a 101,3 kPa 179,4°C
Punto de fusión (pf) -39,2°C
Densidad (ρ) a 10°C 1,1188 g/cm³
Densidad (ρ) a 20°C 1,1081 g/cm³
Densidad (ρ) a 30°C 1,1004 g/cm³
Densidad (ρ) a 50°C 1,0870 g/cm³
Densidad (ρ) a 87°C 1,072 g/cm³
Índice de refracción (n20D) 1,5389
Viscosidad dinámica (η) a 15°C 1.501 mPa·s
Viscosidad dinámica (η) a 20°C 1,38 mPa·s
Viscosidad dinámica (η) a 25°C 1,289 mPa·s
Viscosidad dinámica (η) a 30°C 1,175 mPa·s
Tensión superficial (σ) a 15°C 38,43 mN/m
Tensión superficial (σ) a 20°C 37,80 mN/m
Tensión superficial (σ) a 30°C 36,63 mN/m
Tensión superficial (σ) a 88°C 29,15 mN/m
Tensión superficial (σ) a 17°C 19,5 mN/m
Calor específico a 0°C 178 J mol⁻¹ K⁻¹ (1403 J kg⁻¹ K⁻¹)
Calor específico a 20°C 181 J mol⁻¹ K⁻¹ (1432 J kg⁻¹ K⁻¹)
Calor específico a 25°C 183 J mol⁻¹ K⁻¹ (1444 J kg⁻¹ K⁻¹)
Calor específico a 50°C 189 J mol⁻¹ K⁻¹ (1495 J kg⁻¹ K⁻¹)
Calor específico a 100°C 212 J mol⁻¹ K⁻¹ (1675 J kg⁻¹ K⁻¹)
Calor de vaporización a 25°C 50,1 kJ/mol (396 kJ/kg)
Calor de combustión a volumen constante 3708 kJ/mol (29,29 × 10³ kJ/kg)
Punto de inflamación 60°C
Temperatura de ignición 585°C
Límites de explosividad en el aire Inferior: 1,1 % en volumen, Superior: 14 % en volumen
Límites de explosividad en cloro Inferior: aproximadamente 6 % en volumen, superior: aproximadamente 60 % en volumen
Conductividad específica a 20°C 1,5 × 10⁻⁸ S/cm
Presión de vapor a 0°C 0,025 kPa
Presión de vapor a 10°C 0,05kPa
Presión de vapor a 20°C 0,12kPa
Presión de vapor a 30°C 0,37 kPa
Presión de vapor a 50°C 0,99kPa
Presión de vapor a 100°C 7,96 kPa
Presión de vapor a 130°C 23,40 kPa
Presión de vapor a 179,4°C 101,33 kPa

El cloruro de bencilo forma varios azeótropos y se pueden encontrar ejemplos en la siguiente tabla:

Mezclas azeotrópicas con cloruro de bencilo
Componente pb, °C Cloruro de bencilo, % en peso
Benzaldehído 178 50
Ácido hexanoico 179 95
Ácido isovalérico 171 38
Ácido valérico 175 25
Acetoacetato de etilo 175 35
Acetoacetato de metilo 167 <80
1,3-Dicloro-2-propanol 169 57
2,3-Dicloro-2-propanol 171 40
Etilenglicol ca. 167 ca. 30

La solubilidad del cloruro de bencilo en agua varía con la temperatura, siendo 0,33 g/l a 4 °C, 0,49 g/l a 20 °C y 0,55 g/l a 30 °C. Se disuelve fácilmente en disolventes como cloroformoacetona, ésteres acéticos, éter dietílico y etanol.

La solubilidad del cloro en 100 g de cloruro de bencilo cambia con la temperatura, alcanzando 8,0 g a 30 °C, 5,4 g a 50 °C y 2,1 g a 100 °C.

2. Reacciones químicas del cloruro de bencilo

El cloruro de bencilo es un material de partida para la síntesis de cloruro de benzalbenzotricloruro mediante cloración de cadena lateral. La cloración nuclear produce cloruros de clorobencilo. Se oxida en una solución acuosa con dicromato de sodio y carbonato de sodio para formar benzaldehído y ácido benzoico.

oxidation of benzyl chloride

El cloruro de bencilo reacciona con los metales para producir diferentes productos. Por ejemplo, reacciona con magnesio en éter dietílico para formar cloruro de bencilmagnesio, un reactivo de Grignard. Con polvo de cobre o sodio se produce 1,2-difeniletano como producto principal de la síntesis de Wurtz.

Reacciona con catalizadores ácidos de Lewis fuertes como FeCl3, AlCl3 y ZnCl2 para formar productos de autocondensación de Friedel-Crafts del tipo (C7H6)n. Sin embargo, estos polímeros no son comercialmente significativos a pesar de la capacidad de controlar el grado de condensación cambiando las condiciones de reacción.

Reacciona con benceno o tolueno en presencia de catalizadores de Friedel-Crafts para formar difenilmetano o benciltoluenos isoméricos, respectivamente.

El cloruro de bencilo reacciona con sulfuro de hidrógeno y metales alcalinos para producir bencilmercaptano y sulfuro de dibencilo, respectivamente. Su reacción con sales sódicas de ácidos carboxílicos produce los correspondientes ésteres bencílicos.

Forma alcohol bencílico cuando se hidroliza con agua caliente, pero esta reacción no se utiliza industrialmente porque el alcohol bencílico formado se transforma en cloruro de bencilo mediante el ácido clorhídrico formado en el proceso. También promueve la formación de éter dibencílico. Sin embargo, la hidrólisis en presencia de álcali produce alcohol bencílico.

El cloruro de bencilo reacciona con cianuro de sodio para producir fenilacetonitrilo (cianuro de bencilo). Cuando reacciona con amoníaco o aminas, produce aminas primarias, secundarias, terciarias y sales de amonio cuaternario.

La reacción con hexametilentetramina produce benzaldehído, conocida como reacción de Sommelet.

3. Producción de cloruro de bencilo

production of benzyl chloride

3.1. Mecanismo de reacción

El proceso de cloración del tolueno implica dos mecanismos distintos: cadena radical y mecanismos polares electrófilos. El mecanismo de cadena radical consta de varios pasos: 1. Iniciación de la Cadena:
  • El cloro gaseoso (Cl2) se inicia con la energía luminosa (hν), produciendo dos radicales de cloro (2 Cl•).
2. Propagación en cadena:
  • Los radicales cloro (Cl•) reaccionan con la cadena lateral alifática (RH), formando un radical metilo (R•) y cloruro de hidrógeno (HCl).
  • Los radicales metilo (R•) luego reaccionan con más cloro (Cl2), produciendo cloruro de metilo (RCl) y más radicales cloro (Cl•).
3. Terminación de la Cadena:
  • Los radicales de cloro (Cl•) pueden terminar la cadena combinándose para formar cloro gaseoso (Cl2).
  • Los radicales metilo (R•) también pueden terminar la cadena reaccionando entre sí para formar compuestos de dimetilo (RR).
Este proceso de cloración es altamente exotérmico y libera energía en el rango de 96 a 105 kJ/mol de cloro. Debido a la rápida formación de radicales de cloro y al desplazamiento de hidrógeno, las longitudes de las cadenas de radicales pueden variar de 103 a 106, dependiendo del sustrato y las condiciones de reacción. Debido a que la cloración de cadena lateral y la cloración nuclear siguen mecanismos fundamentalmente diferentes, es posible lograr selectividad. Para garantizar una alta eficiencia en la cloración de cadena lateral, se deben cumplir ciertas condiciones:
  1. Concentración Óptima de Radicales: Mantenga una concentración ideal de radicales.
  2. Eliminar efectos electrofílicos: Eliminar componentes que puedan introducir reacciones electrofílicas.
  3. Prevenir la terminación de la cadena: Eliminar sustancias que puedan terminar prematuramente las cadenas radicales.
  4. Evite reacciones secundarias: minimice las condiciones que conducen a reacciones no deseadas.
  5. Promueva reacciones radicales: tome precauciones que favorezcan las reacciones radicales sobre las electrofílicas.
Abordando cada uno de estos puntos: 1. La formación de radicales de cloro se puede mejorar utilizando agentes formadores de radicales como 2,2´-azobis(isobutironitrilo) (AIBN), peróxido de benzoílo o temperaturas elevadas (100–200 °C). La irradiación con luz ultravioleta o radiación β también puede excitar las moléculas de cloro. 2. Los catalizadores de Friedel-Crafts favorecen la cloración nuclear. Por tanto, los materiales de partida deben estar libres de sustancias que promuevan la cloración nuclear, como las sales de hierro. Se prefieren los materiales del reactor como vidrio, acero revestido de vidrio y politetrafluoroetileno. 3. El oxígeno es un eliminador de radicales y se debe minimizar su presencia. El cloro destilado o la purga con un gas inerte pueden ayudar a eliminar el oxígeno. 4. El agua puede provocar la formación de ácido clorhídrico y provocar la hidrólisis de los compuestos clorados. El cloruro de hidrógeno formado durante la cloración puede contribuir a la cloración nuclear. 5. Las concentraciones excesivas de cloro pueden provocar reacciones secundarias no deseadas. Introducir un gas inerte en la corriente de cloro y utilizar unidades de reactor más pequeñas puede ayudar a mitigar este problema. Durante la cloración radicalaria del tolueno, los tres átomos de hidrógeno de la cadena lateral son reemplazados progresivamente por cloro, lo que da como resultado mezclas de cloruro de bencilo, cloruro de benzal y benzotricloruro.

3.2. Proceso de producción

Para producir cloruro de bencilo con una producción mínima de productos secundarios como cloruro de benzal y benzotricloruro, un enfoque es limitar la cloración a solo el 30-40 % del aporte de tolueno y luego separar la mezcla resultante mediante fraccionamiento. Otro método consiste en utilizar sulfuros de alquilo o arilo como iniciadores de cadenas radicales para monoclorar la cadena lateral sin necesidad de luz ultravioleta. En los procesos industriales modernos, el cloruro de bencilo se produce mediante cloración de cadena lateral de tolueno en fotorreactores de bucle continuo hechos de acero o vidrio revestido de vidrio. Los métodos más antiguos que utilizaban columnas de reacción revestidas de plata, plomo o níquel se han descontinuado debido a problemas de corrosión. En el proceso continuo, la cloración normalmente se limita al 20-40 % del aporte de tolueno para minimizar la formación de subproductos con mayor contenido de cloro. La mezcla resultante, que todavía contiene una cantidad significativa de tolueno y normalmente entre un 0,5 y un 2 % de cloruro de benzal, se somete a destilación. Durante la destilación, los compuestos de alto punto de ebullición se separan para una mayor purificación y el tolueno se recicla de nuevo al reactor. La espectroscopia de infrarrojo cercano en línea se utiliza para monitorear la composición de la mezcla de reacción en reactores de cloración y unidades de destilación, lo que permite un control eficiente de las alimentaciones de tolueno y cloro en el proceso continuo. Sin embargo, el principal inconveniente de este método es el alto costo asociado con los procesos de destilación debido a la cantidad sustancial de tolueno reciclado. En la Figura 1 se muestra una configuración típica de una planta para la producción continua de cloruro de bencilo.
Continuous process for the manufacture of benzyl chloride
Figura 1: Proceso continuo para la fabricación de cloruro de bencilo (R0 = preclorador, R1–R4 = fotorreactor con intercambiador de calor, C1 = unidad de destilación cruda, C2 = unidad de destilación fina)

El tolueno fresco ingresa al preclorador (R0) y luego fluye a través de una cascada de cuatro fotorreactores adicionales (R1-R4), a los que se les suministra cloro en cantidades medidas con precisión, con niveles de cloro decrecientes de un reactor a otro.

Normalmente, el último reactor de la cascada se purga con nitrógeno puro para eliminar el cloro gaseoso disuelto de la mezcla de reacción antes de la purificación. En la destilación bruta posterior (C1), se elimina el tolueno que no ha reaccionado, dejando cloruro de bencilo (junto con pequeñas cantidades de cloruro de benzal) en el sumidero de destilación.

El producto crudo clorado se dirige a la unidad de destilación fina (C2) para su posterior purificación y lograr la calidad final. El producto restante del sumidero es una mezcla de cloruros de bencilo y benzal, adecuada para reciclarse en la producción de cloruro de benzal o benzotricloruro.

Los gases de escape combinados de los reactores se devuelven al preclorador (R0), donde el cloro residual reacciona con tolueno fresco o reciclado.

Los gases de escape libres de cloro, compuestos principalmente de cloruro de hidrógeno y nitrógeno, se someten a un tratamiento en un sistema de depuración en el que el agua absorbe el HCl, lo que produce ácido clorhídrico concentrado de calidad técnica.

Alternativamente, se puede producir cloruro de bencilo puro mediante cloración en fase de vapor en reactores especializados, manteniendo la temperatura en el punto de alimentación del cloro dentro del rango de los puntos de ebullición del tolueno y el cloruro de bencilo.

En estas condiciones, el cloruro de bencilo se condensa y recoge rápidamente, mientras que el cloruro de hidrógeno sale por la parte superior y el tolueno se licua y se recicla. El reactor funciona de forma continua y el producto de fondo normalmente consta de 0,9% de tolueno, 93,6% de cloruro de bencilo y 5,5% de residuo de destilación.

Este método conlleva riesgos inherentes, incluida la temperatura de ignición del tolueno en cloro gaseoso (185 °C) y la naturaleza explosiva de las mezclas de tolueno-cloro y cloruro de bencilo-cloro en una amplia gama de concentraciones.

Otro método para producir cloruro de bencilo implica la clorometilación del benceno, aunque este método carece de importancia comercial.

4. Usos del cloruro de bencilo

El cloruro de bencilo se utiliza para producir alcohol bencílico, ftalato de bencilbutilo, ácido fenilacético y sales de amonio cuaternario. También se utiliza para producir ésteres bencílicos, colorantes de trifenilmetano, disulfuro de dibencilo, bencilfenol y bencilamina.

El alcohol bencílico se utiliza como disolvente, fragancia y antiséptico. El ftalato de bencilo butilo es un plastificante utilizado en el cloruro de polivinilo (PVC). El ácido fenilacético se utiliza para producir penicilina sintética. Las sales de amonio cuaternario se utilizan como desinfectantes y catalizadores de transferencia de fases.

Los ésteres bencílicos se utilizan en la industria de sabores y fragancias. Los colorantes de trifenilmetano se utilizan como colorantes y pigmentos. El disulfuro de dibencilo es un antioxidante utilizado en lubricantes. El bencilfenol se utiliza como estabilizador de polímeros. Las bencilaminas se utilizan como productos farmacéuticos e intermedios en la producción de otras sustancias químicas.

5. Toxicología del cloruro de bencilo

La toxicidad oral aguda del cloruro de bencilo en ratas es de 1230 mg/kg y en ratones es de 1620 mg/kg. Sin embargo, el expediente de registro REACH sugiere un valor LD50 más bajo, de 560 mg/kg en ratas. Cuando se administra por vía subcutánea en una solución oleosa, la LD50 en ratas es de 1000 mg/kg.

La exposición al cloruro de bencilo en concentraciones de 100 a 1000 mg/m3 durante 2 horas en ratas y ratones provocó irritación de las membranas mucosas y conjuntivitis.

En un estudio subcrónico de dosis repetidas en ratas, las principales causas de muerte fueron gastritis aguda y crónica grave en el estómago, a menudo acompañada de úlceras, así como necrosis miocárdica aguda y edema del corazón.

Se sabe que el cloruro de bencilo es un potente agente sensibilizante de la piel de los conejillos de indias y presenta propiedades mutagénicas débiles.

En experimentos con ratas, las inyecciones subcutáneas de dosis semanales de 80 mg/kg durante un año, seguidas de un período de observación posterior, provocaron el desarrollo de sarcomas locales con metástasis pulmonares. El tiempo medio de inducción de estos tumores fue de 500 días.

La aplicación dérmica de cloruro de bencilo en ratones dio como resultado la observación de carcinomas de piel.

Un estudio posterior sobre la carcinogenicidad del cloruro de bencilo administrado en aceite de maíz encontró aumentos estadísticamente significativos en los tumores de células C de tiroides en ratas hembra y en varios tipos de tumores, incluidos hemangiosarcoma, carcinoma preestómago y carcinoma alveolar-bronquiolar de pulmón en ratones, en una dosis -manera dependiente.

El cloruro de bencilo se absorbe fácilmente en los pulmones y el tracto gastrointestinal. Después de la administración oral, conduce a la excreción de varios compuestos en la orina, incluidos N-acetil-S-bencilcisteína, alcohol bencílico, benzaldehído y ácido benzoico.

Para los seres humanos, la exposición a una concentración de 16 ppm de cloruro de bencilo en el aire se considera intolerable en tan solo un minuto. Es un potente lacrimógeno que provoca una fuerte irritación en los ojos, la nariz y la garganta y tiene el potencial de inducir edema pulmonar.

Aunque existe evidencia limitada sobre la carcinogenicidad de los toluenos α-clorados y el cloruro de benzoílo en humanos, según los datos disponibles y la evidencia suficiente de efectos cancerígenos en animales, el cloruro de bencilo está clasificado como probablemente cancerígeno para los humanos según varios sistemas de clasificación, incluido el GHS ( categoría 1B), IARC (categoría 2A) y clasificación MAK (categoría 2).

Referencia