El isopreno , o 2-metil-1,3-butadieno , es un compuesto orgánico común con la fórmula CH 2 = C (CH 3 ) -CH = CH 2 . En su forma pura es un líquido volátil incoloro. El isopreno es un hidrocarburo insaturado. Es producido por muchas plantas y animales [1] (incluidos los humanos) y sus polímeros son el componente principal del caucho natural . CG Williams nombró al compuesto en 1860 después de obtenerlo de la descomposición térmica ( pirólisis ) del caucho natural; dedujo correctamente la fórmula empírica C 5 H 8 . [2] [3]
Nombres | |||
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Nombre IUPAC Isopreno | |||
Nombre IUPAC preferido 2-metilbuta-1,3-dieno | |||
Otros nombres 2-metil-1,3-butadieno | |||
Identificadores | |||
Modelo 3D ( JSmol ) | |||
CHEBI | |||
ChemSpider | |||
Tarjeta de información ECHA | 100.001.040 | ||
KEGG | |||
PubChem CID | |||
UNII | |||
Tablero CompTox ( EPA ) | |||
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Propiedades | |||
C 5 H 8 | |||
Masa molar | 68,12 g / mol | ||
Densidad | 0,681 g / cm 3 | ||
Punto de fusion | −143,95 ° C (−227,11 ° F; 129,20 K) | ||
Punto de ebullición | 34,067 ° C (93,321 ° F; 307,217 K) | ||
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |||
verificar ( ¿qué es ?) | |||
Referencias de Infobox | |||
Sucesos naturales
El isopreno es producido y emitido por muchas especies de árboles (los principales productores son robles , álamos , eucaliptos y algunas leguminosas). La producción anual de emisiones de isopreno por la vegetación es de alrededor de 600 millones de toneladas métricas , la mitad de los árboles tropicales de hoja ancha y el resto principalmente de los arbustos . [4] Esto es aproximadamente equivalente a las emisiones de metano y representa alrededor de un tercio de todos los hidrocarburos liberados a la atmósfera. En los bosques caducifolios, el isopreno constituye aproximadamente el 80% de las emisiones de hidrocarburos. Si bien su aporte es pequeño en comparación con los árboles, las algas microscópicas y macroscópicas también producen isopreno. [5]
Plantas
El isopreno se produce a través de la vía del metil-eritritol 4-fosfato ( vía MEP, también llamada vía del no mevalonato) en los cloroplastos de las plantas. Uno de los dos productos finales de la vía MEP, el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), es escindido por la enzima isopreno sintasa para formar isopreno y difosfato. Por tanto, los inhibidores que bloquean la vía MEP, como la fosmidomicina , también bloquean la formación de isopreno. La emisión de isopreno aumenta drásticamente con la temperatura y se maximiza alrededor de los 40 ° C. Esto ha llevado a la hipótesis de que el isopreno puede proteger a las plantas contra el estrés por calor (hipótesis de termotolerancia, ver más abajo). La emisión de isopreno también se observa en algunas bacterias y se cree que proviene de degradaciones no enzimáticas de DMAPP.
Regulación
La emisión de isopreno en las plantas está controlada tanto por la disponibilidad del sustrato (DMAPP) como por la actividad de la enzima (isopreno sintasa). En particular, las dependencias de luz, CO 2 y O 2 de la emisión de isopreno están controladas por la disponibilidad de sustrato, mientras que la dependencia de la temperatura de la emisión de isopreno está regulada tanto por el nivel de sustrato como por la actividad enzimática.
Otros organismos
El isopreno es el hidrocarburo más abundante que se puede medir en el aliento de los seres humanos. [6] [7] La tasa de producción estimada de isopreno en el cuerpo humano es de 0,15 µmol / (kg · h), equivalente a aproximadamente 17 mg / día para una persona que pesa 70 kg. El isopreno es común en concentraciones bajas en muchos alimentos. Muchas especies de bacterias del suelo y marinas, como Actinobacteria , son capaces de degradar el isopreno y utilizarlo como fuente de combustible.
Roles biológicos
La emisión de isopreno parece ser un mecanismo que utilizan los árboles para combatir el estrés abiótico . [8] En particular, se ha demostrado que el isopreno protege contra el estrés por calor moderado (alrededor de 40 ° C). También puede proteger a las plantas contra grandes fluctuaciones en la temperatura de las hojas. El isopreno se incorpora y ayuda a estabilizar las membranas celulares en respuesta al estrés por calor.
El isopreno también confiere resistencia a las especies reactivas del oxígeno. [9] La cantidad de isopreno liberada de la vegetación que emite isopreno depende de la masa de la hoja, el área de la hoja, la luz (particularmente la densidad de flujo de fotones fotosintéticos o PPFD) y la temperatura de la hoja. Por lo tanto, durante la noche, las hojas de los árboles emiten poco isopreno, mientras que se espera que las emisiones diurnas sean sustanciales durante los días calurosos y soleados, hasta 25 μg / (g peso de hoja seca) / hora en muchas especies de robles. [10]
Isoprenoides
El esqueleto de isopreno se puede encontrar en compuestos naturales llamados terpenos (también conocidos como isoprenoides), pero estos compuestos no surgen del isopreno en sí. En cambio, el precursor de las unidades de isopreno en los sistemas biológicos es el pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y su isómero pirofosfato de isopentenilo (IPP). El plural "isoprenos" se utiliza a veces para referirse a los terpenos en general.
Los ejemplos de isoprenoides incluyen caroteno , fitol , retinol ( vitamina A ), tocoferol ( vitamina E ), dolicoles y escualeno . El hemo A tiene una cola isoprenoide y el lanosterol , el precursor de esteroles en animales, se deriva del escualeno y, por tanto, del isopreno. Las unidades funcionales de isopreno en los sistemas biológicos son pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP) y su isómero pirofosfato de isopentenilo (IPP), que se utilizan en la biosíntesis de isoprenoides naturales como carotenoides , quinonas , derivados de lanosterol (p. Ej., Esteroides) y las cadenas de prenilo de ciertos compuestos (por ejemplo, la cadena de fitol de la clorofila). Los isoprenos se utilizan en la monocapa de la membrana celular de muchas arqueas , llenando el espacio entre los grupos de cabezas de diglicerol tetraéter. Se cree que esto agrega resistencia estructural a entornos hostiles en los que se encuentran muchas Archaea.
Del mismo modo, el caucho natural está compuesto por cadenas lineales de poliisopreno de muy alto peso molecular y otras moléculas naturales. [11]
Impacto en aerosoles
Después de su liberación, el isopreno es convertido por radicales libres de vida corta (como el radical hidroxilo ) y en menor grado por ozono [12] en varias especies, como aldehídos , hidroperóxidos , nitratos orgánicos y epóxidos , que se mezclan en gotas de agua y ayudan a crear aerosoles y neblina . [13] [14]
Si bien la mayoría de los expertos reconocen que la emisión de isopreno afecta la formación de aerosoles, se debate si el isopreno aumenta o disminuye la formación de aerosoles. Un segundo efecto importante del isopreno en la atmósfera es que, en presencia de óxidos nítricos (NO x ) , contribuye a la formación de ozono troposférico (atmósfera inferior) , que es uno de los principales contaminantes del aire en muchos países. El isopreno en sí no se considera normalmente un contaminante, ya que es un producto vegetal natural. La formación de ozono troposférico solo es posible en presencia de altos niveles de NO x , que proviene casi exclusivamente de las actividades industriales. El isopreno puede tener el efecto opuesto y apagar la formación de ozono bajo niveles bajos de NO x .
Producción industrial
El isopreno se encuentra más fácilmente disponible industrialmente como subproducto del craqueo térmico de nafta o aceite, como subproducto en la producción de etileno . Aproximadamente 800.000 toneladas métricas se producen anualmente. Aproximadamente el 95% de la producción de isopreno se utiliza para producir cis-1,4-poliisopreno, una versión sintética del caucho natural . [11]
El caucho natural se compone principalmente de poli-cis-isopreno con una masa molecular de 100.000 a 1.000.000 g / mol. Normalmente, el caucho natural contiene un pequeño porcentaje de otros materiales, como proteínas, ácidos grasos, resinas y materiales inorgánicos. Algunas fuentes de caucho natural, llamadas gutapercha , están compuestas de trans-1,4-poliisopreno, un isómero estructural que tiene propiedades similares, pero no idénticas. [11]
Ver también
- Caucho natural
- Neopreno
Referencias
- ^ Sharkey, Thomas D. (1996). "Síntesis de isopreno por plantas y animales". Esfuerzo . 20 (2): 74–78. doi : 10.1016 / 0160-9327 (96) 10014-4 . PMID 8690002 .
- ^ Williams, C. Grenville (1860). "Sobre isopreno y caoutchine" . Actas de la Royal Society de Londres . 10 : 516–519. doi : 10.1098 / rspl.1859.0101 . S2CID 104233421 .
- ^ MJ Loadman (6 de diciembre de 2012). Análisis de caucho y polímeros similares al caucho . Saltador. pag. 10. ISBN 9789401144353.
- ^ Guenther, A .; Karl, T .; Harley, P .; Wiedinmyer, C .; Palmer, PI; Geron, C. (2006). "Estimaciones de las emisiones de isopreno terrestres globales utilizando MEGAN (Modelo de Emisiones de Gases y Aerosoles de la Naturaleza)" . Química y Física Atmosféricas . 6 (11): 3181–3210. doi : 10.5194 / acp-6-3181-2006 .
- ^ Johnston, Antonia; Crombie, Andrew T .; El Khawand, Myriam; Sims, Leanne; Whited, Gregg M .; McGenity, Terry J .; Colin Murrell, J. (septiembre de 2017). "Identificación y caracterización de bacterias degradantes de isopreno en un ambiente estuarino: bacterias degradantes de isopreno estuarino" . Microbiología ambiental . 19 (9): 3526–3537. doi : 10.1111 / 1462-2920.13842 . PMC 6849523 . PMID 28654185 .
- ^ Gelmont, David; Stein, Robert A .; Mead, James F. (1981). "Isopreno - el principal hidrocarburo en el aliento humano". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 99 (4): 1456-1460. doi : 10.1016 / 0006-291X (81) 90782-8 . PMID 7259787 .
- ^ Rey, Julián; Koc, Helin; Unterkofler, Karl; Mochalski, Paweł; Kupferthaler, Alexander; Teschl, Gerald; Teschl, Susanne; Hinterhuber, Hartmann; Amann, Anton (2010). "Modelado fisiológico de la dinámica del isopreno en el aliento exhalado". Revista de Biología Teórica . 267 (4): 626–637. arXiv : 1010.2145 . doi : 10.1016 / j.jtbi.2010.09.028 . PMID 20869370 . S2CID 10267120 .
- ^ Sharkey, TD; Wiberley, AE; Donohue, AR (2007). "Emisión de isopreno de plantas: por qué y cómo" . Anales de botánica . 101 (1): 5–18. doi : 10.1093 / aob / mcm240 . PMC 2701830 . PMID 17921528 .
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- ^ Subcomité de la IUPAC sobre evaluación de datos cinéticos de gases - Hoja de datos Ox_VOC7 , 2007
- ^ Los compuestos orgánicos de carbono emitidos por los árboles afectan la calidad del aire , ScienceDaily, 7 de agosto de 2009
- ^ Una fuente de neblina , ScienceNews, 6 de agosto de 2009
Otras lecturas
- Merck Index : una enciclopedia de productos químicos, fármacos y productos biológicos, Susan Budavari (ed.), 11a edición, Rahway, NJ: Merck, 1989, ISBN 0-911910-28-X
- Bekkedahl, normando; Wood, Lawrence A .; Wojciechowski, Mieczyslaw (1936). "Algunas propiedades físicas del isopreno" . Revista de investigación de la Oficina Nacional de Normas . 17 (6): 883. doi : 10.6028 / jres.017.052 .
- Poisson, Nathalie; Kanakidou, Maria; Crutzen, Paul J. (2000). "Impacto de los hidrocarburos distintos del metano en la química troposférica y el poder oxidante de la troposfera global: resultados de modelado tridimensional". Revista de Química Atmosférica . 36 (2): 157–230. doi : 10.1023 / A: 1006300616544 . S2CID 94217044 .
- Claeys, M .; Graham, B .; Vas, G .; Wang, W .; Vermeylen, R .; Pashynska, V .; Cafmeyer, J .; Guyon, P .; Andreae, MO; Artaxo, P .; Maenhaut, W. (2004). "Formación de aerosoles orgánicos secundarios mediante fotooxidación de isopreno". Ciencia . 303 (5661): 1173–1176. doi : 10.1126 / science.1092805 . PMID 14976309 . S2CID 19268599 .
- Pier, PA; McDuffie, C. (1997). "Tasas de emisión de isopreno estacional y comparaciones de modelos utilizando emisiones de árboles enteros de roble blanco" . Revista de Investigación Geofísica: Atmósferas . 102 : 23963–23971. doi : 10.1029 / 96JD03786 .
- Pöschl, Ulrich; von Kuhlmann, Rolf; Poisson, Nathalie; Crutzen, Paul J. (2000). "Desarrollo e intercomparación de mecanismos de oxidación de isopreno condensado para el modelado atmosférico global". Revista de Química Atmosférica . 37 : 29–52. doi : 10.1023 / A: 1006391009798 . S2CID 93419825 .
- Monson, Russell K .; Holanda, Elisabeth A. (2001). "Flujos de gases traza biosféricos y su control sobre la química troposférica". Revisión anual de ecología y sistemática . 32 : 547–576. doi : 10.1146 / annurev.ecolsys.32.081501.114136 .
enlaces externos
- Informe sobre carcinógenos, decimocuarta edición; Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU., Servicio de Salud Pública, Programa Nacional de Toxicología
- Artículo de Science News que describe cómo el isopreno liberado por las plantas se convierte en aerosoles que dispersan la luz