1,3-Butadieno

El 1,3-Butadieno es el compuesto orgánico con la fórmula (CH2=CH)2. Es un gas incoloro que se condensa fácilmente en un líquido. Es importante industrialmente como monómero en la producción de caucho sintético. La molécula puede verse como la unión de dos grupos de vinilo. Es el dieno conjugado más simple.

Aunque el butadieno se descompone rápidamente en la atmósfera, se encuentra sin embargo en el aire ambiente en las zonas urbanas y suburbanas como consecuencia de su emisión constante de los vehículos de motor.

Estructura 2D del 1,3 butadieno
Estructura 2D del 1,3 butadieno

El nombre butadieno también puede referirse al isómero, 1,2-butadieno, que es un dieno acumulado con estructura H2C=C=CH-CH3. Este aleno no tiene importancia industrial.

Historia del descubrimiento del 1,3-butadieno

En 1863, el químico francés E. Caventou aisló un hidrocarburo desconocido obtenido de la pirólisis del alcohol amílico, aunque en realidad fue del aceite de fusel. En 1886, el químico inglés Henry Edward Armstrong (1848-1937) lo aisló de la destilación del petróleo y lo caracterizó como 1,3 – butadieno. Pero no fue sino hasta 1910 que el químico ruso Sergey Vasilyevich Lebedev (1874-1934) polimerizó el butadieno y produjo un material presente en las propiedades naturales del caucho.

La industria del butadieno se originó en el periodo entre las dos guerras mundiales. Muchas de las naciones beligerantes se dieron cuenta de que, en caso de guerra, podrían quedar aisladas de las plantaciones de caucho de América y especialmente Asia, controladas por el Imperio Británico, y trataron de reducir su dependencia del caucho natural

En 1929, Eduard Tschunker y Walter Bock (1895-1948) prepararon un copolímero de estireno y butadieno, que se utilizaron en la fabricación de neumáticos. La producción mundial creció rápidamente cuando el butadieno comenzó a producirse a partir de etanol en la URSS y los Estados Unidos a partir de acetileno.

Estructura 3D del 1,3 butadieno
Estructura 3D del 1,3 butadieno

Producción del 1,3-butadieno

Extracción de hidrocarburos C4

En los Estados Unidos, Europa occidental y el Japón, el butadieno se produce como subproducto del proceso de craqueo al vapor utilizado para producir etileno y otros alquenos. Cuando se mezclan con el vapor y se calientan brevemente a temperaturas muy altas (a menudo por encima de los 900 °C), los hidrocarburos alifáticos ceden hidrógeno para producir una mezcla compleja de hidrocarburos insaturados, incluido el butadieno.

La cantidad de butadieno producida depende de los hidrocarburos utilizados como alimento. Los piensos ligeros, como el etano, dan principalmente etileno cuando se agrietan, pero los piensos más pesados favorecen la formación de olefinas, butadieno e hidrocarburos aromáticos más pesados.

El butadieno se aísla típicamente de los otros cuatro hidrocarburos de carbono producidos en el craqueo a vapor por destilación extractiva utilizando un disolvente aprótico polar como el acetonitrilo, la N-metil-2-pirrolidona, el furfural o la dimetilformamida, de los que luego se extrae por destilación.

Obtención a partir de la deshidrogenación del n-butano

El butadieno también puede ser producido por la deshidrogenación catalítica del butano normal (n-butano). La primera de estas plantas comerciales de la posguerra, que produjo 65.000 toneladas anuales de butadieno, comenzó a funcionar en 1957 en Houston, Texas.

Anteriormente, en la década de 1940, la Rubber Reserve Company, que forma parte del gobierno de los Estados Unidos, construyó varias plantas en Borger, Texas, Toledo, Ohio y El Segundo, California, para producir caucho sintético para el esfuerzo bélico como parte del Programa de Caucho Sintético de los Estados Unidos. La capacidad total fue de 68 KMTA (kilotoneladas métricas por año).

Sintesis butadieno 1
Síntesis de 1,3 butadieno a partir de n-butano

Hoy en día, el butadieno de n-butano se practica comercialmente utilizando el proceso de Houdry, que fue desarrollado durante la Segunda Guerra Mundial. Consiste en tratar el butano sobre una alúmina y una cromía a altas temperaturas.

Síntesis a partir del etanol

En otras partes del mundo, como América del Sur, Europa oriental, China y la India, el butadieno también se produce a partir del etanol. Si bien no es competitivo con el craqueo al vapor para producir grandes volúmenes de butadieno, los menores costos de capital hacen que la producción a partir de etanol sea una opción viable para las plantas de menor capacidad. Se utilizan dos procesos.

En el proceso de un solo paso desarrollado por Sergei Lebedev, el etanol se convierte en butadieno, hidrógeno y agua a 400-450 °C sobre cualquiera de una variedad de catalizadores de óxido metálico:

Síntesis de butadieno en un solo paso
Síntesis de butadieno en un solo paso

Este proceso fue la base de la industria del caucho sintético de la Unión Soviética durante y después de la Segunda Guerra Mundial, y siguió siendo de uso limitado en Rusia y otras partes de Europa oriental hasta finales del decenio de 1970. Al mismo tiempo, este tipo de fabricación se canceló en Brasil. A partir de 2017, no se produjo industrialmente butadieno a partir de etanol.

En el otro proceso de dos etapas, desarrollado por el químico emigrante ruso Ivan Ostromislensky, el etanol se oxida a acetaldehído, que reacciona con etanol adicional sobre un catalizador de sílice poroso promovido por tántalo a 325-350 °C para producir butadieno:

Síntesis de butadieno en dos pasos
Síntesis de butadieno en dos pasos

Este proceso fue uno de los tres que se utilizaron en los Estados Unidos para producir «caucho gubernamental» durante la Segunda Guerra Mundial, aunque es menos económico que las rutas del butano o el buteno para los grandes volúmenes. Aun así, se construyeron tres plantas con una capacidad total de 200 KMTA en los Estados Unidos (Institute, West Virginia, Louisville, Kentucky y Kobuta, Pensilvania) con arranques completados en 1943, la planta de Louisville creó inicialmente el butadieno a partir del acetileno generado por una planta asociada de carburo de calcio. El proceso sigue utilizándose hoy en día en China y la India.

Síntesis a partir de butenos

El 1,3-Butadieno también puede ser producido por la deshidrogenación catalítica de los butenos normales. Este método también fue utilizado por el Programa de Caucho Sintético de los EE.UU. (USSRP) durante la Segunda Guerra Mundial. El proceso era mucho más económico que la ruta del alcohol o del n-butano, pero competía con la gasolina de aviación por las moléculas de buteno disponibles (los butenos abundaban gracias al craqueo catalítico).

El USSRP construyó varias plantas en Baton Rouge y Lake Charles, Louisiana; Houston, Baytown y Port Neches, Texas; y Torrance, California. La producción anual total fue de 275 KMTA.

En el decenio de 1960, una empresa de Houston conocida como «Petro-Tex» patentó un proceso para producir butadieno a partir de butenos normales mediante deshidrogenación por oxidación utilizando un catalizador patentado. No está claro si esta tecnología se practica comercialmente.

Después de la Segunda Guerra Mundial, la producción de butenos se convirtió en el principal tipo de producción en la URSS.

Para uso en laboratorio

El 1,3-Butadieno es inconveniente para el uso en el laboratorio porque es un gas. Los procedimientos de laboratorio han sido optimizados para su generación a partir de precursores no gaseosos. Puede ser producido por la reacción retro-Diels-Alder del ciclohexeno. El sulfoleno es una fuente sólida conveniente para almacenar el 1,3-butadieno en el laboratorio. Libera el dieno y el dióxido de azufre al calentarse.

Usos del 1,3 butadieno

La mayoría del butadieno se polimeriza para producir caucho sintético. El polibutadieno en sí es un material muy suave, casi líquido, de interés comercial. Los copolímeros preparados a partir de butadieno y estireno y/o acrilonitrilo, como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el nitrilo butadieno (NBR) y el estireno-butadieno (SBR) son resistentes y/o elásticos. El SBR es el material más comúnmente usado para la producción de neumáticos de automóviles.

Se utilizan cantidades más pequeñas de butadieno para fabricar el intermediario del nailon, el adiponitrilo, mediante la adición de una molécula de cianuro de hidrógeno a cada uno de los dobles enlaces en un proceso llamado hidrocianación desarrollado por DuPont.

Otros materiales de caucho sintético como el cloropreno y el disolvente sulfolano también se fabrican a partir del 1,3-butadieno. El butadieno se utiliza en la producción industrial de 4-vinilciclohexeno mediante una reacción de dimerización de Diels Alder. El vinilciclohexeno es una impureza común que se encuentra en el butadieno cuando se almacena debido a la dimerización.

El ciclooctadieno y el ciclododecatrieno se producen mediante reacciones de dimerización y trimerización catalizadas por níquel o titanio, respectivamente. El butadieno también es útil en la síntesis de cicloalcanos y cicloalcenos, ya que reacciona con dobles y triples enlaces carbono-carbono mediante la reacción Diels-Alder.

Para más información 1,3-Butadiene