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Como siempre me es muy grato poder saludarles, esta comunidad de ciencia y tecnología es de mis favoritas en el mundo de los hivers.
En esta ocasión les traigo un estudio que he realizado como parte de mi tesis de grado para ingeniero químico y que me fascinó realizar.
Se trata de un estudio acerca de los terpenos en especial un terpeno muy particular llamado Limoneno. Con este compuesto tuve la dicha de realizar ciertos experimentos que involucran el reciclaje de polímeros y que más adelante pienso compartir con ustedes.
Espero sea de su interés y les agrade.
Terpenos
Se llama terpenos a los principales componentes de la resina y del aguarrás (el nombre terpeno es derivado de la palabra turpentine, "aguarrás" en inglés). Químicamente, forman una diversa familia de sustancias naturales. Son producidos principalmente por una gran variedad de plantas, particularmente las coníferas, aunque algunos insectos también emiten terpenos, y hay terpenos que pueden obtenerse de forma sintética.
Cuando los terpenos son modificados químicamente, ya sea por oxidación o por reorganización del esqueleto carbonado, los compuestos resultantes son referidos generalmente como terpenoides, algunos autores usan el término terpeno para referirse a todos los terpenoides.
Tradicionalmente se han considerado derivados del 2-metil-1,3-butadieno, más conocido como isopreno. Esta llamada "regla del isopreno" ha permitido clasificarlos y estudiarlos, pero en realidad los terpenos no derivan del isopreno ya que éste nunca se ha encontrado como producto natural.
El verdadero precursor de los terpenos es el ácido mevalónico, el cual proviene del acetil coenzima A. En cualquier caso la división de la estructura de los terpenos en unidades de isopreno es útil y pragmática y se emplea con mucha asiduidad.
Los Terpenos y terpenoides son los principales constituyentes de los aceites esenciales presentes en muchas familias de plantas, que son usados por el hombre como aditivos en la comida, para hacer las fragancias en perfumería, en aromaterapia y en medicina tradicional y alternativa.
También se conocen terpenos y terpenoides sintéticos que han sido utilizados por el hombre para expandir la variedad de aromas usados en perfumería y saborizantes usados en los alimentos20.
Limoneno
El 4-isopropenil-metilciclohexeno o (+)-p-Meta-1,8-dieno, (R)-(+)-4-Isopropenil-1-metil-1-ciclohexeno, mejor conocido como limoneno, pertenece a la familia de los terpenos (monoterpeno monocíclico) y es el principal constituyente de los aceites esenciales de los frutos cítricos. Es la sustancia que da olor característico a las naranjas y los limones.
Industrialmente se utiliza para producir para-cimeno por deshidrogenación catalítica. En los últimos años su demanda ha experimentado un gran crecimiento para su uso como disolvente biodegradable.
Posee un centro quiral, concretamente un carbono asimétrico. Por lo tanto existen dos isómeros ópticos: el D-limoneno y el L-limoneno. La nomenclatura IUPAC correcta es R-limoneno y S-limoneno, pero se emplean con más asiduidad los prefijos D y L o alfa y beta.
Aparte de disolvente industrial también tiene aplicaciones como componente aromático y es ampliamente usado para sintetizar nuevos compuestos.
Puesto que es un derivado de los cítricos, el limoneno se considera un agente de transferencia de calor limpio y ambientalmente inocuo con lo cual es utilizado en muchos procesos farmacéuticos y de alimentos28.
Usos del limoneno
El limoneno es usado, por ejemplo, en disolvente de resinas, pigmentos, tintas, en la fabricación de adhesivos, etc. También es usado por las industrias farmacéutica y alimentaria como componente aromático y para dar sabor, siendo usado, por ejemplo, en la obtención de sabores artificiales de menta y en la fabricación de dulces y goma de mascar.
Recientes estudios parecen apuntar que el limoneno tiene efectos anticancerígenos. Incrementa los niveles de enzimas hepáticos implicados en la detoxificación de carcinógenos. La glutationa S-transferasa (GST) es un sistema que elimina carcinógenos. El limoneno parece promover el sistema GST del hígado y los intestinos atenuando el efecto dañino de los carcinógenos. Estudios en animales demuestran que limoneno en la dieta reduce el crecimiento tumoral en mamíferos28.
Algunas aplicaciones del limoneno como solvente son: limpieza de drenajes y alcantarillados, eliminación de grasas, desengrasante en líneas de producción, limpieza de equipos de asfalto, remoción de aceites en carreteras y pistas, lavado de unidades recolectoras de basura, eliminación de hidrocarburos totales de suelos contaminados, lavado de piezas mecánicas, limpieza en general.
El limoneno también se utiliza para disolver y compactar poliestireno expandido (anime). El limoneno es un solvente biodegradable que se asemeja la estructura del poliestireno y puede romper fácilmente los enlaces químicos de su estructura. Cuando el EPS se convierte en desecho, debido a su baja densidad, se genera un problema para su transporte debido a que se necesitarían varios camiones para cargar una tonelada de EPS. El limoneno puede utilizarse para remediar esta situación ya que pudiera disolver rápidamente el EPS y la mezcla resultante EPS-Limoneno ocupa menos del 5% del volumen original de EPS.
Extracción de un compuesto por destilación por arrastre con vapor
La destilación por arrastre con vapor es una técnica para la separación de sustancias insolubles en agua y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles. Las sustancias arrastradas con vapor son inmiscibles en agua, tienen presión de vapor baja y punto de ebullición alto. Los vapores saturados de los líquidos inmiscibles siguen la ley de Dalton sobre las presiones parciales.
Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual a suma de las presiones de vapor de cada líquido es igual a la presión atmosférica. La destilación por arrastre de vapor sirve para separar aceites esenciales de tejidos vegetales.
Si los dos líquidos presentes en la mezcla son totalmente insolubles el uno en el otro, la presión de vapor de cada uno de ellos no estaría afectada por la presencia del otro. A la temperatura de ebullición de una mezcla de esta clase la suma de las presiones de vapor de los dos compuestos debe ser igual a la presión atmosférica, puesto que suponemos que la mezcla está hirviendo. El punto de ebullición de esta mezcla será, pues, inferior al del compuesto de punto de ebullición más bajo, y bajo la misma presión, puesto que la presión parcial es forzosamente inferior a la presión total, que es igual a la presión atmosférica. Se logra, pues, el mismo efecto que la destilación a presión reducida30.
El que una sustancia determinada destile o se arrastre más o menos de prisa en una corriente de vapor de agua, depende de la relación entre la tensión parcial y de la densidad de su vapor y las mismas constantes físicas del agua. Si denominamos P1 y P2 las presiones de vapor de la sustancia y del agua a la temperatura que hierve su mezcla, y D1 y D2 sus densidades de vapor, los pesos de sustancia y de agua que destilan estarán en la relación:
Si el valor de esta fracción es grande, la sustancia destila con poca agua y lo contrario ocurre cuando dicha relación es pequeña.
Por ejemplo, una mezcla de nitrobenceno y de agua hierve a 99ºC bajo una presión de 760 mmHg. La presión de vapor de agua a esa temperatura es de 733 mmHg, de manera que la presión de vapor del nitrobenceno será 760 – 733 = 27 mmHg. Las densidades del vapor de agua y del nitrobenceno están en la relación 18/123 (la de sus pesos moleculares), de modo que la relación entre los pesos del agua y del nitrobenceno que destilan estarán en la relación30
Destilación al vacío (presión reducida)
Muchas sustancias no pueden purificarse por destilación a la presión ordinaria, por que se descomponen a temperaturas cercanas a su punto de ebullición normal, tal es el caso del limoneno quien a su temperatura de ebullición (179-180 ºC) en otros casos la destilación requiere de inmensas inversiones o utilización de energía en gran cantidad, o finalmente poseen problemas de equilibrio liquido-vapor, en consecuencia se emplea el método de destilación al vacío o a presión reducida. Sabemos que un líquido empieza a hervir cuando su presión de vapor iguala a la presión atmosférica o de operación, por lo tanto si reducimos la presión de operación tendremos la ebullición a temperaturas más bajas de lo normal30.
Bibliografía.
1 Patiño, M. (1996). Técnicas de Laboratorio de Química Orgánica. Trabajo de ascenso no publicado. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”. Barquisimeto.
2 Perry R. H. Manual del Ingeniero Químico. (6ta ed.). Tomo I. Mc Graw Hill
3 Von Meysenburg, C.M. (1967). Manual del Ingeniero Técnico. Tecnología de Plásticos para Ingenieros. (Vol. 4). Madrid: Ediciones URMO, S.A.
4 Wade, L.G. (2004). Química Orgánica (5ta ed.). Madrid: Pearson Educación, S.A.
5 Advanced Chemistry Development (ACD/LABS). Canadá. Disponible en:
http://www.acdlabs.com/download/
6 Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Data base. Japón. Disponible en:
http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
7 The Meck Chemical. Venezuela. Disponible en:
http://www.merck-chemicals.com.ve/
Un agradecimiento especial a las comunidades que me han dado su apoyo, 
[INGLES]
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As I am always very pleased to greet you, this science and technology community is one of my favorites in the world of hivers.
This time I bring you a study that I have carried out as part of my degree thesis for chemical engineering and that I was fascinated to carry out.
This is a study about terpenes, especially a very particular terpene called Limonene. With this compound I had the good fortune to carry out certain experiments involving the recycling of polymers and which I intend to share with you later.
I hope it is of interest to you and you like it.
Terpenes
Terpenes are the main components of resin and turpentine (the name terpene is derived from the word turpentine, "turpentine" in English). Chemically, they form a diverse family of natural substances. They are produced mainly by a wide variety of plants, particularly conifers, although some insects also emit terpenes, and there are terpenes that can be obtained synthetically.
When terpenes are chemically modified, either by oxidation or by rearrangement of the carbon skeleton, the resulting compounds are generally referred to as terpenoids, some authors use the term terpene to refer to all terpenoids.
They have traditionally been considered derivatives of 2-methyl-1,3-butadiene, better known as isoprene. This so-called "isoprene rule" has allowed them to be classified and studied, but in reality terpenes are not derived from isoprene since it has never been found as a natural product.
The true precursor of terpenes is mevalonic acid, which comes from acetyl coenzyme A. In any case, the division of the terpene structure into isoprene units is useful and pragmatic and is used very frequently.
Terpenes and terpenoids are the main constituents of essential oils present in many families of plants, which are used by man as additives in food, to make fragrances in perfumery, in aromatherapy and in traditional and alternative medicine.
Synthetic terpenes and terpenoids are also known that have been used by man to expand the variety of aromas used in perfumery and flavorings used in food20.
Limonene
4-Isopropenyl-methylcyclohexene or (+) - p-Meta-1,8-diene, (R) - (+) - 4-Isopropenyl-1-methyl-1-cyclohexene, better known as limonene, belongs to the family of terpenes (monocyclic monoterpene) and is the main constituent of the essential oils of citrus fruits. It is the substance that gives oranges and lemons their characteristic odor.
Industrially it is used to produce para-cymene by catalytic dehydrogenation. In recent years, its demand has experienced great growth for its use as a biodegradable solvent.
It has a chiral center, specifically an asymmetric carbon. Therefore there are two optical isomers: D-limonene and L-limonene. The correct IUPAC nomenclature is R-limonene and S-limonene, but the prefixes D and L or alpha and beta are used more frequently.
Apart from being an industrial solvent, it also has applications as an aromatic component and is widely used to synthesize new compounds.
Since it is derived from citrus fruits, limonene is considered a clean and environmentally safe heat transfer agent, which is why it is used in many pharmaceutical and food processes28.
Uses of limonene
Limonene is used, for example, in solvent for resins, pigments, inks, in the manufacture of adhesives, etc. It is also used by the pharmaceutical and food industries as an aromatic component and to give flavor, being used, for example, in obtaining artificial mint flavors and in the manufacture of sweets and chewing gum.
Recent studies seem to point out that limonene has anticancer effects. Increases the levels of liver enzymes involved in the detoxification of carcinogens. Glutathione S-transferase (GST) is a system that removes carcinogens. Limonene appears to promote the GST system of the liver and intestines by attenuating the damaging effect of carcinogens. Studies in animals show that limonene in the diet reduces tumor growth in mammals28.
Some applications of limonene as a solvent are: drain and sewer cleaning, grease removal, degreaser in production lines, cleaning of asphalt equipment, oil removal on roads and tracks, washing of garbage collection units, removal of total hydrocarbons from contaminated floors, washing of mechanical parts, cleaning in general.
Limonene is also used to dissolve and compact expanded polystyrene (anime). Limonene is a biodegradable solvent that resembles the structure of polystyrene and can easily break chemical bonds in its structure. When EPS becomes waste, due to its low density, a problem is generated for its transportation because several trucks would be needed to load one ton of EPS. Limonene can be used to remedy this situation as it could quickly dissolve EPS and the resulting EPS-Limonene mixture occupies less than 5% of the original EPS volume.
Extraction of a compound by steam distillation
Steam distillation is a technique for the separation of water-insoluble and slightly volatile substances from other non-volatile products. Vapor entrained substances are immiscible in water, have low vapor pressure and a high boiling point. Saturated vapors from immiscible liquids follow Dalton's law of partial pressures.
When distilling a mixture of two immiscible liquids, its boiling point will be the temperature at which the sum of the vapor pressures of each liquid is equal to atmospheric pressure. Steam distillation is used to separate essential oils from plant tissues.
If the two liquids present in the mixture are totally insoluble in each other, the vapor pressure of each of them would not be affected by the presence of the other. At the boiling temperature of such a mixture, the sum of the vapor pressures of the two compounds must equal atmospheric pressure, since we assume that the mixture is boiling. The boiling point of this mixture will therefore be lower than that of the compound with the lower boiling point, and under the same pressure, since the partial pressure is necessarily lower than the total pressure, which is equal to atmospheric pressure. Thus, the same effect as reduced pressure distillation is achieved30.
Whether a given substance distills or is entrained more or less rapidly in a stream of water vapor depends on the relationship between the partial stress and the density of its vapor and the same physical constants for water. If we call P1 and P2 the vapor pressures of the substance and of the water at the temperature that their mixture boils, and D1 and D2 their vapor densities, the weights of substance and water that distil will be in the relation:
If the value of this fraction is large, the substance distills with little water and the opposite occurs when this ratio is small.
For example, a mixture of nitrobenzene and water boils at 99 ° C under a pressure of 760 mmHg. The vapor pressure of water at that temperature is 733 mmHg, so the vapor pressure of nitrobenzene will be 760 - 733 = 27 mmHg. The densities of water vapor and nitrobenzene are in the ratio 18/123 (that of their molecular weights), so that the ratio between the weights of water and nitrobenzene that distills will be in the ratio30
Vacuum distillation (reduced pressure)
Many substances cannot be purified by distillation at ordinary pressure, because they decompose at temperatures close to their normal boiling point, such is the case of limonene, which at its boiling temperature (179-180 ºC) in other cases requires distillation of immense investments or use of energy in great quantity, or finally they have liquid-vapor equilibrium problems, consequently the vacuum or reduced pressure distillation method is used. We know that a liquid begins to boil when its vapor pressure equals atmospheric or operating pressure, therefore if we reduce the operating pressure we will boil at temperatures lower than normal30.
Bibliography.
1 Patiño, M. (1996). Organic Chemistry Laboratory Techniques. Rise unpublished work. National Polytechnic Experimental University "Antonio José de Sucre". Barquisimeto.
2 Perry R. H. Chemical Engineer's Manual. (6th ed.). Volume I. Mc Graw Hill
3 Von Meysenburg, C.M. (1967). Technical Engineer Manual. Plastics Technology for Engineers. (Vol. 4). Madrid: Ediciones URMO, S.A.
4 Wade, L.G. (2004). Organic Chemistry (5th ed.). Madrid: Pearson Educación, S.A.
5 Advanced Chemistry Development (ACD / LABS). Canada. Available in:
http://www.acdlabs.com/download/
6 Advanced Industrial Science and Technology (AIST). Data base. Japan. Available in:
http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
7 The Meck Chemical. Venezuela. Available in:
http://www.merck-chemicals.com.ve/
A special thanks to the communities that have given me their support,
