O isopreno (abreviación de isoterpeno), tamén chamado 2-metil-1,3-butadieno, é un composto orgánico común do grupo dos hidrocarburos coa fórmula CH2=C(CH3)CH=CH2 incoloro e bastante volátil, que é o monómero doutros compostos de maior peso molecular como os isoprenoides ou terpenoides. Utilízase industrialmente na produción de polímeros como o caucho sintético.
Compostos derivados do isopreno
O isopreno é o monómero que se repite na estrutura dos isoprenoides e terpenoides, un grupo de compostos moi variado e moi estendido na natureza. A fórmula molecular dun isoprenoide contén moitos isoprenos e de forma xeral pode escribirse así: (C5H8)n. En realidade, as unidades funcionais do isopreno nos sistemas biolóxicos son o dimetilalil pirofosfato (tamén chamado dimetilalil difosfato) e o seu isómero isopentenil pirofosfato (tamén chamado difosfato de isopentenilo, pirofosfato de isopentenilo ou isopreno activo).
Son isoprenoides, por exemplo, os carotenos, que son tetraterpenos. Tamén derivan do isopreno o alcol fitol, que forma parte da clorofila, o retinol (ou vitamina A), o tocoferol (ou vitamina E), o dolicol, o escualeno, do cal derivan os esteroides, e o caucho. O grupo hemo A ten unha cola isoprenoide.
O isopreno na Natureza
Moitas especies de árbores emiten isopreno á atmosfera (principalmente os carballos, lamagueiros, eucaliptos, e algunhas leguminosas). A produción anual de emisións de isopreno polos vexetais estímase en arredor 600 Tg, a metade da cal a realizan as árbores tropicais, e os arbustos contribúen con boa parte do resto.[1] Isto equivale á emisión de metano á atmosfera e supón ~1/3 de todos os hidrocarburos liberados á atmosfera. Unha vez no aire, o isopreno convértese en radicais libres (como o radical hidroxilo) e en menor extensión en ozono [2] e varias especies de aldehidos, hidroperóxidos, nitratos orgánicos, e epóxidos, que se mesturan nas gotas de auga e axudan a crear aerosois e néboas.[3][4] Un segundo efecto importante do isopreno na atmosfera é que en presenza de óxidos de nitróxeno (NOx) contribúe á formación de ozono troposférico (en capas baixas da atmosfera), que é un dos principais contaminantes en moitos países. O isopreno como tal non é considerado un contaminante, xa que é un produto natural das plantas. A formación de ozono troposférico é só posible en presenza de altos niveis de NOx, que se orixinan case exclusivamente nas actividades industriais.
Produción de isopreno nas plantas
As plantas sintetizan isopreno pola vía alternativa á do mevalonato ou vía do metileritritol fosfato que se localiza nos cloroplastos das plantas. Un dos dous produtos finais da vía alternativa á do malonato, o dimetilalil difosfato, orixina isopreno nunha reacción catalizada polo encima isopreno sintase. Por tanto, os inhibidores que bloquean a vía alternativa á do mevalonato, como a fosmidomicina, tamén bloquean a formación de isopreno. A rmisión de isopreno aumenta sensiblemente coa temperatura e chega a un máximo arredor dos 40 °C. Existe a hipótese de que o isopreno pode protexer as plantas contra o estrés por calor (hipótese da termotolerancia). Algunhas bacterias tamén emiten isopreno e pénsase que este isopreno se orixina de degradacións non encimáticas a partir de dimetilalil difosfato.
Regulación das emisións de isopreno
Nas plantas a emisión de isopreno está controlada tanto pola dispoñibilidade de substrato (é dicir, de dimetilalil difosfato) como pola actividade do encima isopreno sintase. En particular, a dependencia da emisión de isopreno da cantidade de luz, CO2 e O2 está controlada pola dispoñibilidade de substrato, entanto que a súa dependencia da temperatura está regulada tanto a nivel de substrato coma pola actividade do encima.
Funcións biolóxicas
A emisión de isopreno parece ser un mecanismo que usan as árbores para combater os estreses abióticos.[5] En concreto, o isopreno protexe contra o estrés por calor moderada (~ 40 °C). Propúxose que a emisión de isopreno é utilizada especificamente polas plantas para protexer contra as flutuacións grandes na temperatura das follas.
O isopreno incorpórase ás membranas e axuda a estabilizalas en resposta ao estrés por calor, conferíndolles certa tolerancia aos picos de calor. O isopreno pode tamén darlle certa resistencia ás especies reactivas do osíxeno.[5] A cantidade de isopreno liberado da vexetación depende da masa da folla, área da folla, luz (especialmente a densidade do fluxo fotónico fotosintético, ou PPFD), e a temperatura da folla. Deste modo, durante a noite, as follas das árbores emiten pouco isopreno, e durante as horas diúrnas espérase que haxa unha emisión substancial nos días soleados e calorosos de ata 25 μg/(g de peso seco de folla)/hora en moitas especies de carballos [6]
O isopreno noutros organismos
En xeral, o isopreno é o hidrocarburo máis común no corpo humano[7],
[8].
A taxa de produción estimada de isopreno no corpo humano é de 0,15 µmol/(kg·h), equivalente a aproximadamente 17 mg/día para unha persoa de 70 kg de peso. O isopreno é tamén común en baixas concentracións en moitos alimentos.
Nos animais o isopreno sintetízase pola vía do mevalonato a partir de acetil-CoA.
Saúde
A exposición continuada ao isopreno é sospeitosa de ser potencialmente canceríxena. O Programa Nacional de Toxicoloxía (2007) nos Estados Unidos concluíu en experimentos realizados con roedores que o isopreno pode orixinar cáncer de mama neses animais. Está incluído na lista do NTP (12º informe) como posible carcinóxeno en humanos [9][10]. O isopreno atópase no fume do tabaco e esa é a forma máis común de exposición significativa en interiores [9].
Produción industrial
O isopreno foi illado por primeira vez por descomposición termal do caucho natural.[11] Obtense industrialmente principalmente como un subproduto do cracking térmico do petróleo, durante a produción de etileno. Prodúcense anualmente arredor de 800.000 toneladas. Arredor do 95% da produción de isopreno utilízase para producir cis-1,4-poliisopreno, é dicir, caucho sintético, obtido utilizando catalizadores como o complexo trialquilaluminio-tetracloruro de titanio. O restante 5% utilízase para producir a goma copolimérica isobuteno-isopreno e outras materias plásticas.
O caucho natural é un polímero do isopreno (xeralmente do cis-1,4-poliisopreno) cun peso molecular de 100.000 a 1.000,000 de daltons. Tipicamente, atópanse tamén no caucho natural de alta calidade unha pequena porcentaxe doutros materiais, como proteínas, ácidos graxos, resinas, e materiais inorgánicos. Algunhas fontes de caucho natural chamadas gutta percha están compostas de trans-1,4-poliisopreno, un isómero estrutural que ten propiedades similares, pero non idénticas.[12]
Os procesos de produción industrial do isopreno usan esencialmente as fraccións C5 derivadas do petróleo e específicas reaccións de síntese. Os procesos principais son:
Isopreno obtido de pentanos e pentenos
O isopreno pode obterse por deshidroxenación do 2-metilbutano e do 2-metilbuteno orixinados no fraccionamento de pentanos de topping nas refinarías de petróleo, e dos pentenos orixinados no cracking. Pode utilizarse tamén n-pentano previa isomerización a 2-metilbutano.
Proceso ENICHEM (actual Polimeros Europa)
Disolvendo acetona e acetileno en amoníaco líquido, a unha presión de 25 atm, co catalizador hdroxido de potasio, ocorre unha condensación con produción de 2-metil-3-butin-2-ol (MBI). O MBI é parcialmente hidroxenado a MBE que, finalmente, é deshidratado cataliticamente en alúmina.
Proceso IFP (Institut Français du Pétrole)
Utilízase a condensación entre dúas moléculas de formaldehido e unha de isobuteno, con catálise ácida, con formación de 4,4-dimetil-1,3-dioxano. Por pirólise catalítica o dioxano elimina auga e formaldehido (que é reciclado) producindo isopreno.
Proceso Goodyear Tire and Scientific Design Co.
Utiliza tres fases de síntese:
- dimerización do propeno, catalizada por un trialquilaluminio, a 2-metil-1-penteno;
- isomerización do 2-metil-1-penteno a 2-metil-2-penteno;
- pirólise do 2-metil-2-penteno, con ácido bromhídrico como catalizador, a isopreno.
Notas
- ↑ Guenther, A.; T. Karl, P. Harley, C. Wiedinmyer, P. I. Palmer and C. Geron (2006). "Estimates of global terrestrial isoprene emissions using MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature)" (PDF). Atmos. Chem. Phys. 6 (11): 3181–3210. doi:10.5194/acp-6-3181-2006.
- ↑ IUPAC Subcommittee on Gas Kinetic Data Evaluation – Data Sheet Ox_VOC7, 2007
- ↑ Organic Carbon Compounds Emitted By Trees Affect Air Quality, ScienceDaily, Aug. 7, 2009
- ↑ A source of haze Arquivado 04 de xuño de 2011 en Wayback Machine., ScienceNews, August 6th, 2009
- ↑ 5,0 5,1 Sharkey, TD; AE Wiberley, and AR Donohue (2007). "Isoprene Emission from Plants: Why and How". Annals of Botany 101 (1): 5–18. PMC 2701830. PMID 17921528. doi:10.1093/aob/mcm240.
- ↑ Benjamin M.T., Sudol M., Bloch L. and Winer A.M. (1996) Low-emitting urban forests: A taxonomic methodology for assigning isoprene and monoterpene emission rates. Atmospheric Environment. 30(9):1437-1452.
- ↑ Gelmont, D; R.A. Stein, and J.F. Mead (1981). "Isoprene- the main hydrocarbon in human breath". Biochem. Biophys. Res. Commun. 99 (4): 1456–1460. PMID 7259787. doi:10.1016/0006-291X(81)90782-8.
- ↑ King, Julian; Helin Koc, Karl Unterkofler, Pawel Mochalski, Alexander Kupferthaler, Gerald Teschl, Susanne Teschl, Hartmann Hinterhuber, and Anton Amann (2010). "Physiological modeling of isoprene dynamics in exhaled breath". J. Theoret. Biol. 267 (4): 626–637. doi:10.1016/j.jtbi.2010.09.028.
- ↑ 9,0 9,1 NTP Report on Carcinogens 12th edition (2011). Isoprene is "reasonably anticipated" to be a human carcinogen. Arquivado 18 de outubro de 2011 en Wayback Machine.
- ↑ NTP Testings. Testing Status:Isoprene Arquivado 20 de outubro de 2011 en Wayback Machine.
- ↑ C. G. Williams, Proceedings of the Royal Society (1860) 10.
- ↑ Hans Martin Weitz and Eckhard Loser “Isoprene” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH, Weinheim. doi 10.1002/14356007.a14_627
Véxase tamén
Outros artigos
Bibliografía
- Merck Index: an encyclopedia of chemicals, drugs, and biologicals, Susan Budavari (ed.), 11th Edition, Rahway, NJ : Merck, 1989, ISBN 0-911910-28-X
- Poisson, N.; M. Kanakidou, and P. J. Crutzen (2000). "Impact of nonmethanehydrocarbons on tropospheric chemistry and the oxidizing power of the global troposphere: 3-dimensional modelling results". Journal of Atmospheric Chemistry 36 (2): 157–230. ISSN 0167-7764. doi:10.1023/A:1006300616544.
- Claeys, M.; B. Graham, G. Vas, W. Wang, R. Vermeylen, V. Pashynska, J. Cafmeyer, P. Guyon, M. O. Andreae, P. Artaxo, and W. Maenhaut (2004). "Formation of secondary organic aerosols through photooxidation of isoprene". Science 303 (5661): 1173–1176. ISSN 0036-8075. PMID 14976309. doi:10.1126/science.1092805.
- Pier, P. A.; and C. McDuffie (1997). "Seasonal isoprene emission rates and model comparisons using whole-tree emissions from white oak". Journal of Geophysical Research 102 (D20): 23,963–23,971. Bibcode:1997JGR...10223963P. ISSN 0148-0227. doi:10.1029/96JD03786.
- Poschl, U.; R. von Kuhlmann, N. Poisson, and P. J. Crutzen (2000). "Development and intercomparison of condensed isoprene oxidation mechanisms for global atmospheric modeling". Journal of Atmospheric Chemistry 37 (1): 29–52. ISSN 0167-7764. doi:10.1023/A:1006391009798.
- Monson, R. K.; and E. A. Holland (2001). "Biospheric trace gas fluxes and their control over tropospheric chemistry". Annual Review of Ecology and Systematics 32: 547–576. doi:10.1146/annurev.ecolsys.32.081501.114136.
Ligazóns externas
