Cos’è il butanale?
Il butanale, noto anche come butirraldeide, è un composto organico con formula CH3(CH2)2CHO. È un liquido incolore infiammabile con un odore forte e sgradevole, spesso descritto come di pane, formaggio o burro.
Il n-butanale è un composto naturale presente in tracce in oli essenziali, piante e altre sostanze.
Il butanale è un intermedio altamente reattivo che viene utilizzato principalmente come elemento costitutivo versatile in numerose sintesi chimiche, principalmente per la preparazione di composti C4 e C8 come alcoli, acidi carbossilici e ammine.
La produzione globale di butanali supera i 7 milioni di tonnellate all’anno.
Sommario
1. Produzione di butanale
Attualmente, l’unico metodo impiegato per la produzione su larga scala di butanale è il processo di idroformilazione del propene.
Percorsi alternativi, come la dimerizzazione dell’acetaldeide in crotonaldeide, seguita da idrogenazione selettiva in n-butirraldeide, non sono più impiegati commercialmente.
Altri potenziali percorsi, tra cui la deidrogenazione del butanolo, rimangono inattivi per scopi commerciali.
Il processo di idroformilazione (o oxo) è stato identificato per la prima volta nel 1938 da OTTO ROELEN della Ruhrchemie di Oberhausen, in Germania.
La sua ricerca sullo sviluppo di composti ossigenati all’interno della chimica di Fischer-Tropsch catalizzata dal cobalto ha portato alla conclusione che le olefine possono interagire con una miscela di monossido di carbonio e idrogeno (attualmente denominata gas di sintesi) in presenza di specifici catalizzatori metallici, generando così aldeidi con un atomo di carbonio in più rispetto all’olefina iniziale.
La produzione di butanale tramite idroformilazione comporta l’uso di alte pressioni che vanno da 20 a 45 MPa e temperature tra 140 e 180 °C.
Prima degli anni ’70, il cobalto era il catalizzatore metallico preferito per il processo; tuttavia, da allora il rodio ha preso il suo posto.
Il rodio è ora utilizzato insieme ai ligandi per migliorare la stabilità, le velocità di reazione e migliorare il rapporto n:iso.
Attualmente, tre fosfine, tra cui la trifenilfosfina (TPP), e un bisfosfito complesso sono impiegati come ligandi nell’idroformilazione commerciale del propene.
L’idroformilazione industriale del propene è in genere condotta a temperature di 70-150 °C e un intervallo di pressione di 1,5-5,0 MPa, con tre processi generali su quattro che utilizzano un sistema catalizzatore omogeneo.
Il quarto processo utilizza un sistema bifase acqua-solvente organico che determina una migliore separazione del catalizzatore e un consumo energetico ottimizzato.
Il propene è la materia prima più ampiamente utilizzata per l’idroformilazione, rappresentando oltre il 70% dell’alimentazione totale del processo oxo, e si converte in una miscela di n- e isobutyraldeide.
Il rapporto n/iso della miscela di butanale ottenuta può variare da 1/1 a 30/1, a seconda del sistema catalizzatore-ligando, delle concentrazioni, delle condizioni di reazione e della progettazione del processo.
I butanali costituiscono il 90-98% della miscela di prodotti, mentre si formano piccole quantità di impurità, tra cui butilformiato, n- e isobutanolo e dimeri, trimeri e altri prodotti di condensazione di aldeide.
Queste impurità vengono successivamente eliminate tramite distillazioni multifase.
2. Reazioni chimiche del butanale
Il butanale è un intermedio reattivo che subisce reazioni tipiche caratteristiche delle aldeidi alifatiche sature.
Queste reazioni comuni includono l’ossidazione, che produce l’acido carbossilico corrispondente, l’idrogenazione, che produce l’alcol corrispondente, l’amminazione riduttiva, che porta alla formazione di ammine e la condensazione aldolica con un’aldeide diversa o un chetone.
Inoltre, il butanale è in grado di subire reazioni di Tishchenko, con conseguente produzione di esteri. Numerose altre reazioni di aldeide possono essere trovate nei testi standard di chimica organica.
3. Usi del butanale
Grazie alla sua elevata reattività e all’ampia disponibilità, il butanale è un materiale di partenza cruciale per una vasta gamma di prodotti.
L’elevata reattività del gruppo carbonilico e il protone α facilmente estraibile facilitano molte reazioni chimiche organiche.
Le tipiche reazioni di butanale commercialmente importanti includono reazioni di idrogenazione (riduzione), ossidazione, addizione e condensazione, condensazioni aldoliche, reazioni di Tishchenko, amminazioni riduttive e formazioni aldoliche.
La n-butirraldeide è un materiale di partenza fondamentale per numerosi prodotti C4, tra cui n-butanolo, acido n-butirrico, n-butilammina, acetato di n-butile, acrilato di n-butile e metacrilato.
Tramite l’autocondensazione aldolica, fornisce una via comoda per i prodotti C8 come l’alcol plastificante 2-etilesanolo, l’acido 2-etilesanoico e molti plastificanti essenziali, tra cui il di-(2-etilesil) ftalato (DOP).
La condensazione aldolica con formaldeide produce il poliolo trimetilolpropano commercialmente importante.
3.1 Idrogenazione
L’idrogenazione catalitica del butanale forma butanolo e avviene sia in processi in fase liquida che in fase gassosa. Questi processi di idrogenazione altamente selettivi utilizzano in genere catalizzatori a base di nichel o rame.
Il butanale può essere idrogenato singolarmente dopo la separazione, oppure la miscela n/iso può essere idrogenata con successiva separazione di n-butanolo e iso-butanolo per distillazione.
3.2 Ossidazione
L’ossigeno puro o l’aria convertono il butanale in acido carbossilico con rese elevate. La reazione avviene anche in assenza di un catalizzatore. I catalizzatori adatti includono metalli di transizione dei gruppi 5-10, Cu, Ag, Ce, metalli alcalini e metalli alcalino-terrosi.
Se l’ossidazione viene eseguita in fase liquida, spesso vengono utilizzati come catalizzatori naftenati o carbossilati metallici. Nei processi in fase gassosa, vengono generalmente utilizzati ossidi metallici depositati su supporti quali gel di silice, kieselguhr, silicati, quarzo o allumina.
3.3 Reazioni di addizione e condensazione
Si verifica un’ampia gamma di reazioni di addizione e condensazione quando il butanale reagisce con se stesso o con altri composti carbonilici, come ammoniaca, ammine, alcoli, nitrili e altri gruppi funzionali. Le reazioni includono condensazioni aldoliche, reazioni di Tishchenko, amminazioni, aggiunta di reagenti di Grignard e molte altre.
La clorurazione del butanale produce fragranze e intermedi farmaceutici.
La n-butirraldeide funge da componente catalizzatore per speciali reazioni di polimerizzazione.
Riferimento
- Butanals; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a04_447.pub2
