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1. Introducción [1]
En química existen grupos de sustancias con características o propiedades semejantes e incluso con un rasgo común en su estructura, estas reciben el nombre de función química. Entre las diversas funciones químicas encontramos al grupo de los aldehídos.
La palabra aldehído deriva de dos palabras: Alcohol DEsHIdrogenaDO.
Deshidrogenación del etanol [1]
Los aldehídos son compuestos ternarios constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno principalmente. Poseen en su estructural al grupo funcional carbonilo al igual que la función cetona, la diferencia es que en los aldehídos el átomo de carbono de la función es primario, mientras que en las cetonas este carbono es secundario, es decir en un aldehído el grupo carbonilo va en un extremo.
Grupo carbonilo en aldehídos y cetonas [1]
Aldehídos aromáticos:En este caso el grupo funcional carbonilo esta unido a un anillo o núcleo aromático, como por ejemplo:
Curso Química OrgánicaTítulo: Obtención del furfural a partir de pentosanosAlumno: José Arteaga OroscoDocente: Ing. Cristina Viza Llenque
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Benzaldehído [1]
Compuestos heterocíclicos: [2]Son compuestos que además de carbono e hidrógeno contienen al menos otro elemento (denominado heteroátomo) formando parte de su anillo o ciclo. Los más comunes son los heterociclos de 5 o 6 átomos en donde uno o más átomos de carbono del ciclo han sido sustituidos por átomos de nitrógenos, oxígeno o azufre.Estos compuestos son relativamente abundantes en la naturaleza, debido a que sus anillos casi no presentan tensión por lo que son bastante estables.De manera general se clasifican en dos grandes grupos: alifáticos y aromáticos.
Los alifáticos poseen las propiedades físicas y químicas típicas del heteroátomo específico que incorporan, así tenemos:
Heterociclos alifáticos [2]
En los heterociclos aromáticos un orbital p del heteroátomo contiene uno o dos (según sea el caso) electrones no compartidos que se superponen con los orbitales p de los átomos de carbono formando una nube de 6 electrones pi encima y debajo del anillo.
Heterociclos aromáticos [2]
Furano:
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Es el análogo oxigenado del pirrol. En este el oxígeno posee un par de electrones no compartidos más que el nitrógeno del pirrol. El derivado más importante del furano es el furfural. Este aldehído se obtiene de la deshidratación con H2SO4 de las pentosas (presentes en el salvado, la cascara de avena o de marlo de maíz, constituidos en gran medida por pentosanos).
Método general de obtención del furfural. [2]
2. Furfural [3]
Sinónimos:Furfural, Fural, 2-furfuraldehído, aldehído piromúico o 2-Furancarbocialdehído.
Estructural del furfural [4]
Es un aldehído aromático con una estructura en anillo. Cuando se encuentra en estado puro y a temperatura ambiente, es un líquido aceitoso incoloro que presenta olor a almendras. Es derivado de diversos sub productos de la agricultura como por ejemplo del maíz, avena, trigo, aserrín, etc.
Propiedades físicas y químicas [5]
Estado de agregación Líquido
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AparienciaAceitoso entre Incoloro-amarillo. Vira a rojo-marrón por exposición al aire y a la luz
Masa molar 96,09 g/mol
Densidad Relativa 1160 kg/m3; 1,16 g/cm3
Solubilidad en agua 8,3g/100mL (a 20°C)
Presión de vapor 0,144 kPa (a 20°C)
Punto de fusión 236,5 K (-37 °C)
Punto de ebullición 434,7 K (162 °C)
Punto de inflamación 60°C (c.c.)
Temperatura crítica 670 K (397 °C)
Presión crítica 54,3 atm
Índice de refracción 1,5261 (20º C)
Límites de explosividad 2,1-19,3% (% en volumen en el aire)
Estabilidad e identificación de riesgos (toxicología) [5]
- Material combustible / inflamable. Puede incendiarse por calor, chispas o llamas.- Los vapores pueden formar mezclas explosivas con el aire.- Los vapores pueden viajar a una fuente de encendido y regresar en llamas.- Peligro de explosión de vapor en interiores, exteriores o en alcantarillas.- Pueden polimerizarse explosivamente cuando se calientan o se involucran en un incendio.
Las fugas resultantes cayendo a las alcantarillas pueden crear incendio o peligro de explosión. Los contenedores pueden explotar cuando se calientan.
- Puede causar efectos tóxicos si se inhala o se ingiere.- El contacto con la sustancia puede causar severas quemaduras en la piel y los ojos.- El fuego producirá gases irritantes, corrosivos y/o tóxicos.- Los vapores pueden causar mareos o sofocación.- Las fugas resultantes del control del incendio o la dilución con agua, pueden causar
contaminación.
Medidas de seguridad industrial [5]
- Algunos de estos materiales pueden reaccionar violentamente con agua.- En caso de incendios pequeños: Utilizar CO2 , polvos químicos secos, rocío de agua o espuma resistente al
alcohol.- En caso de incendios grandes:- Usar rocío de agua, niebla o espuma resistente al alcohol.- Mover los contenedores del área de fuego si lo puede hacer sin ningún riesgo.- No introducir agua en los contenedores.- Si existe derrame o fuga: Deberán usarse trajes protectores de encapsulamiento total contra el vapor, en
derrames y fugas sin fuego. Eliminar todas las fuentes de ignición (no fumar, no usar bengalas, chispas o llamas en el área de peligro). No tocar ni caminar sobre el material derramado. Detenga la fuga, en caso de poder hacerlo sin riesgo.
3. Obtención del furfural
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Como se ha descrito anteriormente el furfural se suele obtener principalmente de residuos agrícolas que son una valiosa fuente de diversos carbohidratos y principalmente de pentosanos. A continuación se mostraran algunos métodos para sintetizar el furfural a partir de dichos residuos:
3.1. Síntesis del furfural a partir del olote (coronta del choclo): [6]
Materiales:1matraz balón de 100mL1refigerante1cabeza de destilación1 embudo de separación1 bomba de agua1 vaso de precipitados de 250mL2 soportes universales1 probeta de 50mL1embudo de vidrio1 anillo de fierro1parrilla de calentamiento
Reactivos:H2SO4 al 20%NaClCloroformoNa2SO4 anhidro
Procedimiento:Pesar 10g de olote fresco, molido al tamaño de un grano de maíz o menor, y colocarlos en un matraz balón de 100mL con 50mL de solución de ácido sulfúrico al 20%, (o HCl al 12%) tapar el matraz y guardarlo así durante 8 días.Calentar el macerado en un equipo de reflujo durante 1 hora, directamente con la parrilla de calentamiento. Después de este tiempo dejar enfriar al ambiente, luego filtrar y lavar el residuo con pequeños volúmenes de agua que se juntan con el filtrado. Saturar el filtrado con NaCl y extraer el furfural de la solución acuosa con 15mL de cloroformo. Secar el extracto con clorofórmico con Na2SO4 anhidro y filtrar o decantar para eliminarlo. Destilar el cloroformo hasta que en el matraz quede un residuo aceitoso color amarillo y olor característico. Determinar el volumen del producto para calcular el rendimiento.
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Nota: Como la cantidad del producto suele ser muy pequeña, es difícil medir el volumen, por lo que es aconsejable pesar el matraz con el que se va a realizar la destilación para determinar la cantidad de producto por diferencia de peso.
3.2. Síntesis de Furfural a partir de la cascarilla de arroz pretratada mediante explosión con vapor: [7]
En este método el furfural es obtenido de los pentosanos de la cascarilla de arroz, principalmente de la xilosa.
Procedimiento:El proceso se llevó a cabo tomando 100g de cascarilla de arroz e impregnándola por 12h con soluciones de ácido sulfúrico de concentración variable entre 0% y 1% v/v. Posteriormente el material previamente filtrado se llevó al equipo de explosión con vapor para ser sometido al tratamiento. El pretratamiento de explosión con vapor permite el fraccionamiento de la cascarilla de arroz, obteniendo de esta manera la fracción hemicelulosa, con un alto contenido de xilosa la cual es la materia prima para la obtención del furfural.
Tabla 1. Diseño experimental para el pretratamiento de explosión con vapor a la cascarilla de arroz
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Una vez obtenido el líquido resultante del proceso de explosión con vapor se llevo a cabo la reacción de deshidratación de xilosa para la obtención de furfural. El procedimiento consistió en tomar 25mL de líquido y 0.5g de catalizador, el cual fue en este caso una arcilla pilarizada sintetizada previamente. La reacción se lleva a cabo en un reactor con atmosfera de nitrógeno, con agitación fuerte y constante.
Tabla 2. Producción de xilosa a partir de la cascarilla de arroz sometido a tratamiento de explosión con vapor.
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Reacción de conversión de pentosanos en medio ácido para la obtención del furfural [7]
La cuantificación de xilosa se realizó por cromatografía liquida de alta eficiencia empleando un detector de índice de refracción, columna Aminex HPX-87H Biorad, temperatura de la columna 65°C, la fase móvil fue una solución de ácido sulfúrico 5x10-4M en un flujo de 0,6 ml/min.
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La mayor producción de xilosa (26.70 g/L) se logró en una temperatura de 173ºC, con un tiempo de 10minutos y una concentración de ácido 0.5%. La mayor recuperación de xilosa (10.4 g/100gr de cascarilla) se logró a 190°C en un tiempo de 10min e igualmente con una concentración de ácido de 0.5%.
Los investigadores realizaron un análisis estadístico, determinando el punto óptimo para el rendimiento global de xilosa (g/L) el cual se localiza en 173ºC, 16 min y 1% en la concentración de ácido, para el cual se esperaba obtener un valor de 38.1g/L de xilosa. En consecuencia, se realizó el procedimiento en estas condiciones y el resultado obtenido fue de 30.8g/L de xilosa, valor superior a todos los obtenidos en los diferentes ensayos. Respecto a la recuperación de xilosa, el resultado fue de 8.52 g xilosa/100 gramos de cascarilla.
4. Aplicaciones del furfural
Es uno de los principales solventes empleados en la fabricación de una amplia variedad de productos químicos en diferentes ramas como la refinación de petróleo, plásticos, industrias farmacéuticas y agroquímica. A partir del furfural se obtienen con fines comerciales, una amplia gama de productosderibados, entre los más destacados se encuentran:el tetrahidrofurano (THF), el cloruro de tetrametileno (TMC), el pirrol y la piridina.
5. Bibliografía
[1]:“Aldehídos”. Patricio Andrés Arroyo, Bioquímico. http://www.quimicayalgomas.com/quimica-organica/alcoholes-aldehidos-cetonas/aldehidos/
[2]:“Compuestos heterocíclicos”. Manual de química orgánica. Universidad de la Plata, Facultad de CS.Agrarias y Forestales. Buenos Aires, Argentina.https://www.google.com.pe/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=9&cad=rja&uact=8&ved=0CD8QFjAI&url=http%3A%2F%2Fecaths1.s3.amazonaws.com%2Forganica2quimica%2F239987502.1345767421._Compuestos_Heterociclicos%2520(1).pdf&ei=6KOjU8H9D-
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qisQTc8ID4DQ&usg=AFQjCNFF00MuoE7AP5WxUuAc_On51XnSPQ&bvm=bv.69411363,d.cWc
[3]:“Riesgo químico-accidentes graves Furfural”. Consejería de sanidad de la Región de Murcia, dirección general de salud pública. http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/132199-FURFURAL.pdf
[4]:Imágenes: http://es.wikipedia.org/wiki/Furfural#mediaviewer/Archivo:Furfural-3D-vdW.pnghttp://es.wikipedia.org/wiki/Furfural#mediaviewer/Archivo:Furfural_structure.png
[5]:http://www.estis.net/sites/cien-bo/default.asp?site=cien-bo&page_id=A2F38E5A-9A16-4C5A-A99B-3596B2E842D5
[6]:“Síntesis de Furfural”. Manual de prácticas de Química Heterocíclica. Instituto Politécnico Nacional, Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología (UPIBI). México DF.http://www.biblioteca.upibi.ipn.mx/Archivos/Material%20Didactico/manual%20Quimica%20Hetero.pdf
[7]:“Producción de furfural a partir de cascarilla de arroz pretratada mediante explosión con vapor”.Willian G. Cortes, Yineth Piñeros, Ana M. Campos. Facultad de Ciencas Naturales e Ingeniería. Universidad de Bogotá Jorge Tadeo Lozano. V Simposio Internacional de Biofábricas, I Congreso internacional de Fluidos Reactivos. Universidad Nacional de Colombia.http://www.unalmed.edu.co/biofab/memorias/Posters/Produccion_furfural_cascarilla_arroz.pdf
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