Producción y usos de benzonitrilo

benzonitrile structure

El benzonitrilo es un compuesto orgánico de fórmula C7H5N, abreviado PhCN. Es un líquido incoloro con olor dulce a almendras amargas. Se utiliza principalmente como precursor de la resina benzoguanamina.

Tabla de contenido

1. Propiedades físicas del benzonitrilo

La siguiente tabla resume las propiedades físicas del benzonitrilo:

Propiedad Valor
Fórmula C7H5N/C6H5(CN)
Masa molecular 103.1 g/mol
Color líquido incoloro
Olor olor a almendra
Punto de ebullición 190,7°C
Punto de fusión -12,8 °C
Densidad relativa (agua = 1) 1,0 g/cm3 (20 °C)
Índice de refracción 1,53056 (15 °C)
Solubilidad en agua, g/100ml a 22 °C 0,1-0,5 (deficiente)
Miscible con disolventes orgánicos comunes
Presión de vapor, Pa a 25°C 102
Densidad relativa del vapor (aire = 1) 3.6
Punto de inflamación 75 °C
Capacidad calorífica 1,840 J/g/K
Calor de vaporización 46 kJ/mol
Calor de formación -155 kJ/mol
Calor de combustión 3063 kJ/mol
Temperatura de autoignición 550 °C
Límites de explosividad, % vol en el aire 1.4-7.2
Coeficiente de partición octanol/agua como log Pow 1,56

2. Reacciones químicas del benzonitrilo

El benzonitrilo es un líquido incoloro estable al aire y a la luz.

Es un potente disolvente que disuelve resinas de poli(cloruro de vinilo), poli(acetato de vinilo), poliestireno, poli(metacrilato) y nitrocelulosa. Sin embargo, no disuelve polietileno, poliamida, poli(alcohol vinílico) ni fluoropolímeros.

El benzonitrilo se puede hidrolizar a ácido benzoico y amoníaco en presencia de una base o ácido fuerte.

Hydrolysis of benzonitrile to benzoic acid

La hidrogenación del benzonitrilo produce bencilamina y dibencilamina.

Hydrogenation of benzonitrile

La reacción del benzonitrilo con un reactivo de Grignard, como el bromuro de metilmagnesio (CH3MgBr), en presencia de éter seco da un producto de adición que, por hidrólisis ácida, produce acetofenona.

Production of Acetophenone from benzonitrile

La reacción procede de la siguiente manera:

  1. El reactivo de Grignard se suma al triple enlace carbono-nitrógeno del benzonitrilo, formando una imina.
  2. La imina se hidroliza con un ácido, rompiendo el enlace carbono-nitrógeno y formando una cetona.

3. Producción de benzonitrilo

El benzonitrilo se produce mediante la amoxidación del tolueno en fase de vapor, que es la reacción del tolueno con amoníaco en presencia de oxígeno.

Production of benzonitrile by ammoxidation of toluene

La reacción normalmente se lleva a cabo a altas temperaturas (450 °C) y presiones (10-20 atm) sobre un catalizador, como un complejo de tungsteno-manganeso. La reacción es muy exotérmica, con un calor de reacción de -256 kJ/mol.

Los catalizadores tradicionales para la amoxidación de tolueno son el vanadio y el molibdeno, pero estos catalizadores adolecen de una baja selectividad y una grave descomposición del amoníaco. Un catalizador complejo de tungsteno-manganeso muestra un mejor rendimiento, con una selectividad de hasta el 87,4%.

La reacción se lleva a cabo en un reactor de lecho fijo. La concentración de tolueno en la corriente de alimentación suele ser del 1,5 % en volumen. La proporción de amoníaco a tolueno es de 4:1 con un tiempo de contacto de 2,4 s. La reacción convierte el 97% del tolueno y el 30% del amoníaco. El producto bruto, que contiene amoníaco, cianuro de hidrógeno, tolueno y productos de alto punto de ebullición, se purifica mediante destilación.

El benzonitrilo también se puede producir a partir de ácido benzoico y amoníaco. Esta reacción se lleva a cabo en fase de vapor a 400-410 °C sobre alúmina o en fase líquida a 225-245 °C.

production of benzonitrile from benzoic acid and ammonia

Otros métodos para producir benzonitrilo incluyen:

  1. Amoxidación de tolueno en fase líquida en presencia de un catalizador de bromuro de cobalto o manganeso
  2. Condensación deshidrogenativa de alcohol bencílico o benzaldehído con amoníaco.
  3. La reacción a alta temperatura del tolueno con óxido nitroso.
  4. Cianación de benceno con cloruro de cianógeno o dicianógeno

4. Usos del benzonitrilo

El benzonitrilo es una sustancia química versátil con una variedad de usos. Es un precursor de muchas otras sustancias químicas, incluida la benzoguanamina, que se produce mediante la reacción del benzonitrilo con dicianodiamida en presencia de una base fuerte.

La benzoguanamina reacciona con formaldehído o alcoholes para producir una resina termoendurecible resistente al calor que se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluidos recubrimientos, adhesivos y compuestos.

Otros usos del benzonitrilo incluyen:

  • Disolvente para una variedad de compuestos orgánicos.
  • Reactivo en síntesis orgánica.
  • Intermedio en la producción de productos farmacéuticos y pesticidas.
  • Retardante de llama
  • Agente saborizante

5. Toxicología y peligros

5.1. Toxicología

El benzonitrilo, si bien presenta una toxicidad menor que los nitrilos alifáticos, tiene la capacidad de absorberse a través de la piel, lo que puede provocar efectos adversos como convulsiones tisulares y parálisis nerviosa.

Los siguientes datos toxicológicos proporcionan información sobre sus peligros potenciales:

Exposición oral:

  • Rata: LDLo (dosis letal, baja) – 720 mg/kg
  • Ratón: LD50 (dosis letal, 50 % de mortalidad): 971 mg/kg

Exposición por inhalación:

  • Rata: LCL0 (Concentración Letal, Baja) – 950 ppm
  • Ratón: CL50 (Concentración letal, 50% de mortalidad) – 1800 mg/m3

Exposición intraperitoneal (i.p.):

  • Ratón: LD50 – 400 mg/kg

Exposición subcutánea (s.c.):

  • Conejo: LDL0 (dosis letal, baja) – 200 mg/kg

Exposición de la piel:

  • Conejo: LD50 – 1250 mg/kg
  • Irritación de la piel: moderada

5.2. Peligros

El benzonitrilo presenta ciertos peligros agudos que requieren una cuidadosa consideración:

Fuego y Explosión:

La sustancia es combustible y, en caso de incendio, libera vapores o gases irritantes y potencialmente tóxicos. A temperaturas superiores a 75°C existe el riesgo de que se formen mezclas explosivas de vapor y aire.

Se deben evitar estrictamente las llamas abiertas. Para operaciones que superen los 75°C, se recomienda emplear un sistema cerrado junto con una ventilación adecuada.

Las medidas de control de incendios deben incluir el uso de agentes extintores adecuados, como polvo, AFFF (espuma formadora de película acuosa), espuma y dióxido de carbono. En caso de incendio, se recomienda mantener frescos los contenedores aplicando agua pulverizada.

Prevención de la generación de niebla: Es fundamental tomar precauciones para evitar la generación de niebla, ya que la exposición a dicha niebla puede provocar efectos adversos para la salud.

5.3. Síntomas de exposición

La exposición al benzonitrilo puede provocar los siguientes síntomas:

Inhalación: confusión, dolor de cabeza, dificultad para respirar, náuseas, pérdida del conocimiento, vómitos y debilidad son síntomas potenciales. Se debe emplear ventilación adecuada, sistemas de escape locales o protección respiratoria personal para mitigar los riesgos de inhalación.

Si se produce exposición, traslade a la persona afectada al aire libre y proporcione descanso. En casos graves, puede ser necesaria la respiración artificial y se debe buscar atención médica inmediata.

Piel: El contacto con la piel puede provocar enrojecimiento. Para evitar la exposición de la piel, se recomiendan guantes y ropa protectora. En caso de contacto, se debe retirar la ropa contaminada y enjuagar bien la zona de la piel afectada con abundante agua o ducha. Se aconseja atención médica.

Ojos: el enrojecimiento y el dolor son posibles síntomas relacionados con los ojos. Se debe utilizar protección ocular adecuada, como gafas de seguridad combinadas con protección respiratoria. En caso de contacto con los ojos, se deben enjuagar los ojos con abundante agua durante varios minutos. Si el individuo usa lentes de contacto, se deben quitar antes de enjuagarse. Es necesaria atención médica inmediata.

Ingestión: Los síntomas relacionados con la ingestión pueden ser similares a los resultantes de la exposición por inhalación. Para evitar la ingestión, es fundamental no comer, beber ni fumar durante el trabajo que involucre benzonitrilo. En caso de ingestión se debe enjuagar la boca y la persona debe descansar. Se debe buscar atención médica de inmediato.

Es de suma importancia cumplir con las medidas de seguridad adecuadas al trabajar con benzonitrilo, incluida la prevención de la exposición, el uso adecuado del equipo de protección personal (EPP) y atención médica inmediata en caso de síntomas o incidentes relacionados con la exposición.

Referencias