Il 2,3-butandiolo, noto anche come 2,3-butilene glicole, è un composto organico con formula C4H10O2. È un liquido incolore e viscoso, miscibile con acqua in tutte le proporzioni. Il 2,3-butandiolo è un vic-diolo, il che significa che i due gruppi idrossilici si trovano su atomi di carbonio adiacenti.
Sommario
In passato, la fermentazione batterica di esosi e pentosi produceva 2,3-butandiolo. La pirolisi del diacetato produceva butadiene ad alta purezza, precedentemente utilizzato per la produzione di gomma sintetica negli Stati Uniti. Ora, i buteni derivati da gas di cracking servono come materia prima primaria.
1. Proprietà fisiche del 2,3-butandiolo
Il 2,3-butilene glicole, noto anche come 2,3-butandiolo, può esistere in tre diverse forme stereoisomeriche:
- (2S,3S)-2,3-butandiolo (1): Questo stereoisomero è destrogiro, ovvero ruota la luce polarizzata piana verso destra. Ha il numero CAS [24347-58-8].
- (2R,3R)-2,3-Butandiolo (2): Questo stereoisomero è levogiro, ovvero ruota la luce polarizzata piana verso sinistra. Ha il numero CAS [5341-95-7].
- (R,S)-2,3-Butandiolo (3): Questo stereoisomero è otticamente inattivo, ovvero non ha alcun effetto netto sulla luce polarizzata piana. È un composto meso ed è una miscela degli enantiomeri (2R,3S) e (2S,3R).
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Formula | C4H10O2 |
| Massa molecolare | 90,12 g/mol |
| Colore | Incolore |
| Odore | Inodore |
| Igroscopicità | Fortemente igroscopico |
| Aspetto | Liquido oleoso o cristallo |
| Sapore | Dolce |
| Miscibilità con acqua | Miscibile |
| Solubilità in alcoli e chetoni a basso peso molecolare | Facilmente solubile |
| Punto di fusione | 23 °C (73 °F) |
| Punto di ebollizione | 177 °C (351 °F) |
| Densità | 0,987 g/cm³ |
| Indice di rifrazione (a 25 °C) | 1,43 |
| Viscosità (35 °C) | 65,6 mPa s |
| Punto di infiammabilità | 85 °C (165 °F) |
| Temperatura di autoaccensione | 402 °C |
2. Reazioni chimiche del 2,3-butandiolo
Il 2,3-butandiolo è un vic-diolo, il che rende la molecola più reattiva di altri dioli, come 1,4-butandiolo.
La deidrogenazione del 2,3-butandiolo produce acetoina e diacetile.
La disidratazione produce principalmente 2-butanone.
Il 2,3-butandiolo viene ossidato ad esempio con periodato per formare acetaldeide; questa reazione può essere utilizzata per la determinazione analitica.
Il 2,3-butandiolo forma esteri ciclici, acetali e chetali con acidi carbossilici e chetoni o aldeidi.
Quando reagisce con diisocianati, produce poliuretani.
3. Produzione di 2,3-butandiolo
3.1. Produzione di 2,3-butandiolo da C4 Raffinato II
Il 2,3-butandiolo viene prodotto da C4 Raffinato II. I gas di cracking vengono elaborati per rimuovere butadiene e isobutene, ottenendo una frazione di idrocarburi C4 nota come C4 raffinato II. Questa frazione contiene circa il 77% di buteni e il 23% di butano/isobutano.
C4 raffinato II subisce una cloridrinazione con una soluzione di cloro, seguita da ciclizzazione con idrossido di sodio. Ciò produce una miscela di ossido di butene contenente:
- 55% di ossido di trans-2,3-butene
- 30% di ossido di cis-2,3-butene
- 15% di ossido di 1,2-butene
La miscela di ossido di butene viene idrolizzata a 50 bar, 160-220 °C con un eccesso di acqua (ΔH = -42 kJ/mol). Questa reazione produce una miscela di butandioli:
- meso-2,3-butandiolo da trans-2-butene tramite ossido di trans-2,3-butene
- miscela racemica di R,R- e S,S-2,3-butandiolo da cis-2-butene tramite ossido di cis-2,3-butene
La miscela di butandiolo viene separata tramite frazionamento sotto vuoto, che è più facile della separazione della miscela iniziale di ossido di butene.
3.2. Produzione di 2,3-butandiolo mediante fermentazione
La produzione di 2,3-butandiolo comporta un percorso acido misto, che produce vari prodotti finali quali etanolo, acetato, lattato, formiato e succinato. L’acetoina, un intermedio formato durante la fermentazione, può essere convertito metabolicamente in 2,3-butandiolo. I percorsi metabolici utilizzano il glucosio e sono catalizzati da enzimi come l’acetoina reduttasi.
Il 2,3-butandiolo esiste in tre stereoisomeri: destro-, levo- e meso-forme, con le loro proporzioni che dipendono dal microrganismo utilizzato per la fermentazione. Vari ceppi batterici, quali Bacillus polymyxa, Klebsiella oxytoca e Aeromonas hydrophila, sono noti produttori di 2,3-butandiolo.
La scelta del ceppo e della fonte di carbonio influenza la composizione stereoisomerica del prodotto finale.
Il processo di produzione può utilizzare diverse fonti di carbonio, tra cui glucosio, xilosio, glicerolo e persino zuccheri pentosi. I carboidrati derivati da risorse naturali come substrati cellulosici ed emicellulosici possono anche fungere da substrati di fermentazione.
Il processo di fermentazione è influenzato da fattori come l’apporto di ossigeno, il pH, la concentrazione di acido succinico e i livelli di acetato. La disponibilità di ossigeno, controllata dalla velocità di trasferimento dell’ossigeno, svolge un ruolo cruciale nel determinare la resa e la composizione del prodotto.
La progettazione e le modalità operative del bioreattore, come i sistemi di riciclo cellulare continuo, possono migliorare la produttività. Il monitoraggio dei prodotti di fermentazione può essere ottenuto tramite tecniche come l’analisi dell’iniezione di flusso e la spettrometria di massa a introduzione di membrana.
4. Utilizzi del 2,3-butandiolo
Il 2,3-butandiolo (prevalentemente meso isomero) ha diverse applicazioni importanti:
- Agente di reticolazione: Funge da agente di reticolazione per il naftalene-1,5-diisocianato nella produzione di specifici prodotti in gomma dura come il Vulkollan.
- Derivati insetticidi: I derivati del 2,3-butandiolo svolgono un ruolo nello sviluppo di insetticidi, come il Sapecron, un acetale formato con l’N-metilcarbammato di aldeide salicilica.
- Intermedi farmaceutici: Vari derivati del 2,3-butandiolo fungono da preziosi intermedi nell’industria farmaceutica.
- Umettanti: i 2,3-butandioli mostrano un certo potenziale come umettanti, aiutando a trattenere l’umidità in varie applicazioni.
- Sintesi di polimeri e plastificanti: Trovano impiego nella sintesi di vari polimeri e plastificanti.
- Il 2,3-butandiolo può essere utilizzato come additivo per carburante per migliorare le prestazioni dei motori a benzina e diesel. Può anche essere utilizzato come biocarburante.
- È un buon solvente per una varietà di composti organici, tra cui vernici, inchiostri e adesivi.
- Agente aromatizzante: Quando convertito in diacetile, il 2,3-butandiolo può essere utilizzato come agente aromatizzante nei prodotti alimentari.
- Antigelo: La forma levo del 2,3-butandiolo ha un potenziale come agente antigelo.
5. Tossicologia
Il 2,3-butandiolo ha un valore LD50 di 8,9 g/kg (topo, orale)
Riferimenti
- Butanediols, Butenediol, and Butynediol, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a04_455.pub2
- Biological production of 2,3-butanediol – https://link.springer.com/article/10.1007/s002530000486
