Química de los organoclorados

Dos representaciones del cloroformo .

La química de los organoclorados se ocupa de las propiedades de los compuestos organoclorados , u organoclorados , compuestos orgánicos que contienen al menos un átomo de cloro unido covalentemente . La clase de los cloroalcanos ( alcanos con uno o más hidrógenos sustituidos por cloro) incluye ejemplos comunes. La amplia variedad estructural y las propiedades químicas divergentes de los organoclorados dan lugar a una amplia gama de nombres, aplicaciones y propiedades. Los compuestos organoclorados tienen un amplio uso en muchas aplicaciones, aunque algunas son de gran preocupación medioambiental, siendo la TCDD una de las más notorias. ^[1]

Los organoclorados como el tricloroetileno , el tetracloroetileno , el diclorometano y el cloroformo se utilizan comúnmente como disolventes y se denominan "disolventes clorados".

La cloración modifica las propiedades físicas de los hidrocarburos de varias maneras. Estos compuestos suelen ser más densos que el agua debido al mayor peso atómico del cloro en comparación con el hidrógeno. Tienen puntos de ebullición y fusión más altos en comparación con los hidrocarburos relacionados. La inflamabilidad se reduce con una mayor sustitución del cloro en los hidrocarburos.

Los organoclorados alifáticos a menudo son agentes alquilantes , ya que el cloro puede actuar como un grupo saliente , lo que puede provocar daño celular.

Muchos compuestos organoclorados han sido aislados de fuentes naturales que van desde bacterias hasta humanos. ^{[2] [3]} Los compuestos orgánicos clorados se encuentran en casi todas las clases de biomoléculas y productos naturales , incluyendo alcaloides , terpenos , aminoácidos , flavonoides , esteroides y ácidos grasos . ^{[2] [4]} Las dioxinas , que son de particular preocupación para la salud humana y ambiental, se producen en el ambiente de alta temperatura de los incendios forestales y se han encontrado en las cenizas preservadas de incendios iniciados por rayos que anteceden a las dioxinas sintéticas. ^[5] Además, una variedad de hidrocarburos clorados simples, incluyendo diclorometano , cloroformo y tetracloruro de carbono , han sido aislados de algas marinas. ^[6] La mayoría del clorometano en el medio ambiente se produce naturalmente por descomposición biológica, incendios forestales y volcanes. ^[7]

El organoclorado natural epibatidina , un alcaloide aislado de las ranas arbóreas, tiene potentes efectos analgésicos y ha estimulado la investigación de nuevos analgésicos. Sin embargo, debido a su inaceptable índice terapéutico , ya no es objeto de investigación para posibles usos terapéuticos. ^[8] Las ranas obtienen epibatidina a través de su dieta, que luego queda secuestrada en su piel. Las posibles fuentes alimenticias son escarabajos, hormigas, ácaros y moscas. ^[9]

Los alcanos y arilalcanos pueden clorarse en condiciones de radicales libres, con luz ultravioleta. Sin embargo, el grado de cloración es difícil de controlar. Los cloruros de arilo pueden prepararse mediante la halogenación de Friedel-Crafts , utilizando cloro y un catalizador de ácido de Lewis . ^[1]

La reacción del haloformo , que utiliza cloro e hidróxido de sodio , también permite generar haluros de alquilo a partir de metilcetonas y compuestos relacionados. Anteriormente, el cloroformo se producía de esta manera.

El cloro también se suma a los enlaces múltiples de los alquenos y alquinos, dando lugar a compuestos di- o tetra-cloro.

Los alquenos reaccionan con cloruro de hidrógeno (HCl) para dar cloruros de alquilo. Por ejemplo, la producción industrial de cloroetano se realiza mediante la reacción del etileno con HCl:

H2C = _CH2 + HCl _{→ CH3CH2Cl​}​

En la oxicloración se utiliza cloruro de hidrógeno en lugar del cloro, más caro, para el mismo propósito:

CH2 = _{CH2 +} 2HCl + 1⁄2O2 → _{ClCH2CH2Cl +} H2O ._​​​​_​​​

Los alcoholes secundarios y terciarios reaccionan con cloruro de hidrógeno para dar los cloruros correspondientes. En el laboratorio, la reacción relacionada que involucra cloruro de cinc en ácido clorhídrico concentrado es la siguiente :

${\displaystyle {\ce {{R-OH}+HCl->[{\ce {ZnCl2}}][\Delta ]{\overset {haluro\ de alquilo}{R-Cl}}+H2O}}}$

Esta mezcla, llamada reactivo de Lucas , se utilizó antiguamente en el análisis orgánico cualitativo para clasificar alcoholes.

Los cloruros de alquilo se preparan más fácilmente tratando los alcoholes con cloruro de tionilo (SOCl ₂ ) o pentacloruro de fósforo (PCl ₅ ), pero también comúnmente con cloruro de sulfurilo (SO ₂ Cl ₂ ) y tricloruro de fósforo (PCl ₃ ):

ROH + SOCl2 _→ RCl + SO2 ₊ HCl

3 ROH + PCl3 _{→ 3} RCl + _H3PO3

ROH + PCl5 _→ RCl + POCl3 ₊ HCl

En el laboratorio, el cloruro de tionilo es especialmente conveniente, porque los subproductos son gaseosos. Alternativamente, se puede utilizar la reacción de Appel :

Los cloruros de alquilo son componentes básicos versátiles en la química orgánica. Si bien los bromuros y yoduros de alquilo son más reactivos, los cloruros de alquilo tienden a ser menos costosos y más fáciles de conseguir. Los nucleófilos atacan fácilmente a los cloruros de alquilo.

Calentando haluros de alquilo con hidróxido de sodio o agua se obtienen alcoholes. La reacción con alcóxidos o arilóxidos da éteres en la síntesis de éter de Williamson ; la reacción con tioles da tioéteres . Los cloruros de alquilo reaccionan fácilmente con aminas para dar aminas sustituidas . Los cloruros de alquilo se sustituyen por haluros más suaves como el yoduro en la reacción de Finkelstein . También es posible la reacción con otros pseudohaluros como azida , cianuro y tiocianato . En presencia de una base fuerte, los cloruros de alquilo experimentan deshidrohalogenación para dar alquenos o alquinos .

Los cloruros de alquilo reaccionan con el magnesio para formar reactivos de Grignard , transformando un compuesto electrofílico en un compuesto nucleofílico . La reacción de Wurtz acopla de forma reductiva dos haluros de alquilo para acoplarlos con el sodio .

Algunos organoclorados (como el cloruro de etilo ) pueden utilizarse como agentes alquilantes . El tetraetilo de plomo se produjo a partir de cloruro de etilo y una aleación de sodio y plomo : ^{[10] [11]}

La decloración reductiva rara vez es útil en la síntesis química, pero es un paso clave en la biodegradación de varios contaminantes organoclorados persistentes. ^{[ cita requerida ]}

La mayor aplicación de la química de los organoclorados es la producción de cloruro de vinilo . La producción anual en 1985 fue de alrededor de 13 millones de toneladas, de las cuales casi la totalidad se convirtió en cloruro de polivinilo (PVC).

La mayoría de los hidrocarburos clorados líquidos y de bajo peso molecular, como el diclorometano , el cloroformo , el tetracloruro de carbono , el dicloroetileno , el tricloroetileno , el tetracloroetileno , el 1,2-dicloroetano y el hexaclorobutadieno , son disolventes útiles. Estos disolventes tienden a ser relativamente no polares ; por lo tanto, son inmiscibles con agua y eficaces en aplicaciones de limpieza como desengrasado y limpieza en seco por su capacidad para disolver aceites y grasas . En su mayoría, no son inflamables o tienen una inflamabilidad muy baja.

Algunos de ellos, como el tetracloruro de carbono y el 1,1,1-tricloroetano, se han eliminado gradualmente debido a su toxicidad o su impacto ambiental negativo (agotamiento de la capa de ozono por el 1,1,1-tricloroetano).

Cada año se producen varios miles de millones de kilogramos de metanos clorados, principalmente mediante la cloración del metano:

CH4 + xCl2 _→ CH4 _{− xClx +} xHCl

El más importante es el diclorometano, que se utiliza principalmente como disolvente. El clorometano es un precursor de los clorosilanos y las siliconas . Históricamente importante (como anestésico), pero en menor escala, es el cloroformo, principalmente un precursor del clorodifluorometano (CHClF ₂ ) y del tetrafluoroeteno , que se utiliza en la fabricación de teflón. ^[1]

Los dos grupos principales de insecticidas organoclorados son los compuestos tipo DDT y los alicíclicos clorados . Su mecanismo de acción difiere ligeramente.

• Los compuestos similares al DDT actúan sobre el sistema nervioso periférico . En el canal de sodio del axón , impiden el cierre de la compuerta después de la activación y la despolarización de la membrana . Los iones de sodio se filtran a través de la membrana nerviosa y crean un "potencial pospotencial" negativo desestabilizador con hiperexcitabilidad del nervio. Esta fuga provoca descargas repetidas en la neurona, ya sea de forma espontánea o después de un único estímulo. ^{[12] : 255}
• Los ciclodienos clorados incluyen aldrina , dieldrina , endrina , heptacloro , clordano y endosulfán . Una exposición de 2 a 8 horas provoca una disminución de la actividad del sistema nervioso central (SNC), seguida de hiperexcitabilidad, temblores y, a continuación, convulsiones. El mecanismo de acción es la unión del insecticida en el sitio GABA _A en el complejo ionóforo de cloruro de ácido gamma-aminobutírico (GABA), que inhibe el flujo de cloruro hacia el nervio. ^{[12] : 257}
• Otros ejemplos incluyen dicofol , mirex , kepone y pentaclorofenol . Estos pueden ser hidrófilos o hidrófobos , dependiendo de su estructura molecular. ^[13]

Los bifenilos policlorados (PCB) solían utilizarse como aislantes eléctricos y agentes de transferencia de calor. Su uso se ha ido eliminando gradualmente debido a problemas de salud. Los PCB fueron reemplazados por éteres de difenilo polibromados (PBDE), que plantean problemas similares de toxicidad y bioacumulación . ^{[ cita requerida ]}

Algunos tipos de organoclorados tienen una toxicidad significativa para las plantas o los animales, incluidos los humanos. Las dioxinas, producidas cuando se quema materia orgánica en presencia de cloro, son contaminantes orgánicos persistentes que plantean peligros cuando se liberan al medio ambiente, al igual que algunos insecticidas (como el DDT ). Por ejemplo, el DDT, que se utilizó ampliamente para controlar insectos a mediados del siglo XX, también se acumula en las cadenas alimentarias, al igual que sus metabolitos DDE y DDD , y causa problemas reproductivos (por ejemplo, adelgazamiento de la cáscara de los huevos) en ciertas especies de aves. ^[14] El DDT también planteó más problemas para el medio ambiente, ya que es extremadamente móvil, incluso se encontraron rastros en la Antártida a pesar de que el químico nunca se utilizó allí. Algunos compuestos organoclorados, como las mostazas de azufre , las mostazas de nitrógeno y la lewisita , incluso se utilizan como armas químicas debido a su toxicidad.

Sin embargo, la presencia de cloro en un compuesto orgánico no garantiza su toxicidad. Algunos organoclorados se consideran lo suficientemente seguros para su consumo en alimentos y medicamentos. Por ejemplo, los guisantes y las habas contienen la hormona vegetal clorada natural ácido 4-cloroindol-3-acético (4-Cl-IAA); ^{[15] [16]} y el edulcorante sucralosa (Splenda) se utiliza ampliamente en productos dietéticos. En 2004 ^[actualizar], se habían aprobado al menos 165 organoclorados en todo el mundo para su uso como fármacos, incluido el antibiótico natural vancomicina , el antihistamínico loratadina (Claritin), el antidepresivo sertralina (Zoloft), el antiepiléptico lamotrigina (Lamictal) y el anestésico inhalatorio isoflurano . ^[17]

• Haluro orgánico

• Artículo sobre la "Formación de hidrocarburos clorados en material vegetal meteorizado" en el sitio web de SLAC
• Artículo sobre la oxidación de los hidrocarburos clorados del sitio web del Instituto de Química de Oxidación Verde de la Universidad Carnegie Mellon