Nitrometano

También puede prepararse mediante otros métodos que tienen valor didáctico. La reacción del cloroacetato de sodio con nitrito de sodio en solución acuosa produce este compuesto, junto con cloruro de sodio y bicarbonato de sodio : ^{[ 13 ]}

ClCH ₂ COONa + NaNO ₂ + H ₂ O → CH ₃ NO ₂ + NaCl + NaHCO ₃

Su principal aplicación es como estabilizador en disolventes clorados. Como disolvente orgánico, el nitrometano presenta una combinación inusual de propiedades: es altamente polar (ε _r = 36 a 20  °C y μ = 3,5 Debye), pero aprótico y débilmente básico. Esta combinación lo hace útil para disolver especies con carga positiva y fuertemente electrófilas. Es un disolvente para monómeros de acrilato , como los cianoacrilatos (más conocidos como "superpegamentos"). ^{[ 12 ]}

Aunque su aplicación es menor en términos de volumen, ^{[ 12 ]} el nitrometano también se utiliza como combustible o aditivo para combustible en deportes y aficiones. En algunas aplicaciones, se mezcla con metanol en coches de carreras, barcos y motores de modelismo.

El nitrometano se utiliza como combustible en las carreras de motor, especialmente en las de aceleración , así como para lanchas, coches , aviones y helicópteros a control remoto . En este contexto, el nitrometano se conoce comúnmente como "combustible nitro" o simplemente "nitro", y es el ingrediente principal del combustible utilizado en la categoría " Top Fuel " de las carreras de aceleración. ^{[ 14 ]}

El contenido de oxígeno del nitrometano le permite arder con mucho menos oxígeno atmosférico que los combustibles convencionales. ^{[ 15 ]} Durante la combustión del nitrometano, el óxido nítrico (NO) es uno de los principales productos de emisión junto con el CO ₂ y el H ₂ O. ^{[ 16 ]} El óxido nítrico contribuye a la contaminación del aire, la lluvia ácida y el agotamiento de la capa de ozono. Estudios recientes (2020) ^{[ 17 ]} sugieren que la ecuación estequiométrica correcta para la combustión del nitrometano es:

4 CH ₃ NO ₂ + 5 O ₂ → 4 CO ₂ + 6 H ₂ O + 4 NO

La cantidad de aire necesaria para quemar 1 kg (2,2 lb) de gasolina es de 14,7 kg (32 lb) , pero solo se requieren 1,7 kg (3,7 lb) de aire para 1 kg de nitrometano. Dado que el cilindro de un motor solo puede contener una cantidad limitada de aire en cada carrera, se puede quemar 8,6 veces más nitrometano que gasolina en una sola carrera. Sin embargo, el nitrometano tiene una energía específica menor: la gasolina proporciona entre 42 y 44 MJ /kg, mientras que el nitrometano proporciona solo 11,3 MJ/kg. Este análisis indica que el nitrometano genera aproximadamente 2,3 veces la potencia de la gasolina cuando se combina con una cantidad determinada de oxígeno.       

El nitrometano también puede utilizarse como monopropelente , es decir, un propelente que se descompone liberando energía sin oxígeno añadido. Fue probado por primera vez como monopropelente para cohetes en la década de 1930 por Luigi Crocco de la Sociedad Italiana de Cohetes. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Existe un renovado interés en el nitrometano como sustituto más seguro del monopropelente de hidracina . ^{[ 20 ]} La siguiente ecuación describe este proceso:

2 CH ₃ NO ₂ → 2 CO + 2 H ₂ O + H ₂ + N ₂

El nitrometano tiene una velocidad de combustión laminar de aproximadamente 0,5  m/s, algo superior a la de la gasolina, lo que lo hace adecuado para motores de alta velocidad. Además, presenta una temperatura de llama algo más elevada , de unos 2400 °C (4350 °F) . Su elevado calor de vaporización de 0,56 MJ/kg, junto con el alto caudal de combustible, proporciona una refrigeración significativa de la carga entrante (aproximadamente el doble que la del metanol), lo que resulta en temperaturas relativamente bajas.  

El nitrometano se suele utilizar con mezclas ricas de aire y combustible, ya que proporciona potencia incluso en ausencia de oxígeno atmosférico. Cuando se utilizan estas mezclas, el hidrógeno y el monóxido de carbono son dos de los productos de la combustión. Estos gases suelen encenderse, a veces de forma espectacular, cuando la mezcla, normalmente muy rica, del combustible aún en combustión sale por los puertos de escape. Las mezclas muy ricas son necesarias para reducir la temperatura de las partes calientes de la cámara de combustión y así controlar la preignición y la posterior detonación. Los detalles operativos dependen de la mezcla específica y de las características del motor.

Una pequeña cantidad de hidracina mezclada con nitrometano puede aumentar aún más la potencia. Con el nitrometano, la hidracina forma una sal explosiva que, a su vez, actúa como monopropelente. Esta mezcla inestable representa un grave peligro para la seguridad. La National Hot Rod Association y la Academy of Model Aeronautics no permiten su uso en competiciones. ^{[ 21 ]}

En el combustible para aeromodelismo y motores de combustión interna , el ingrediente principal suele ser metanol con algo de nitrometano (entre un 0 % y un 65 %, pero rara vez más del 30 %), y entre un 10 % y un 20 % de lubricantes (normalmente aceite de ricino o aceite sintético ). Incluso cantidades moderadas de nitrometano tienden a aumentar la potencia del motor (ya que el factor limitante suele ser la entrada de aire), lo que facilita su puesta a punto (ajuste de la relación aire/combustible).

Anteriormente se utilizaba en la industria de explosivos como componente de una formulación explosiva binaria con nitrato de amonio y en cargas huecas, y también como estabilizador químico para prevenir la descomposición de diversos hidrocarburos halogenados. ^{[ 22 ]}

Puede utilizarse como explosivo cuando se gelifica con un porcentaje determinado de agente gelificante. Este tipo de mezcla se denomina PLX . Otras mezclas incluyen ANNM y ANNMAl, mezclas explosivas de nitrato de amonio, nitrometano y polvo de aluminio .

El nitrometano es un ácido de carbono relativamente ácido . Tiene un pKa _de 17,2 en solución de DMSO . Este valor indica un pKa acuoso _de aproximadamente 11. ^{[ 23 ]} La acidez del nitrometano surge de la estabilidad conferida por su estructura de resonancia, que deslocaliza la carga a través de la molécula:

El ácido se desprotona lentamente. La protonación de la _base conjugada O₂NCH₂ , que es casi isostérica con ^el nitrato , ocurre inicialmente en el oxígeno. ^{[ 24} ]

En síntesis orgánica, el nitrometano se emplea como un bloque de construcción de un carbono . ^{[ 25 ] [ 26 ]} Su acidez le permite sufrir desprotonación, lo que posibilita reacciones de condensación análogas a las de los compuestos carbonílicos, y actúa como donador de Michael . Así, bajo catálisis básica, el nitrometano se adiciona a aldehídos en adición 1,2 en la reacción nitroaldólica y se condensa consigo mismo para formar ácido metazónico .

Algunos derivados importantes incluyen el pesticida cloropicrina Cl₃CNO₂ _, el limocida β - bromo - β-nitrostireno (a través de _β -nitrostireno ) y el biocida tris(hidroximetil)nitrometano ₍ HOCH₂ ₎ ₃CNO₂ _{. La} reducción de este último produce tris(hidroximetil) aminometano , (HOCH₂ ₎ ₃CNH₂ _, más conocido como tris , un tampón ampliamente utilizado . ^{[ 12 ]}

No se sabía que el nitrometano fuera un explosivo de alta potencia hasta que un vagón cisterna cargado con él explotó el 1 de junio de 1958. [ ^{31 ] Después} de muchas pruebas , se descubrió que el nitrometano era un explosivo de alta potencia más energético que el TNT , aunque este último tiene una mayor velocidad de detonación (VoD) y brisancia . Ambos explosivos son pobres en oxígeno, y se obtienen algunos beneficios al mezclarlos con un oxidante , como el nitrato de amonio . Se utilizaron grandes cantidades de estos explosivos en la Operación Plowshare , que se centró principalmente en explosiones nucleares.

El nitrometano puro es un explosivo poco sensible con una velocidad de detonación (VoD) de aproximadamente 6400 m/s (21 000 ft/s) , pero aun así se pueden usar inhibidores para reducir los riesgos. Se especuló que la explosión del vagón cisterna se debió a la compresión adiabática , un riesgo común a todos los explosivos líquidos. Esto ocurre cuando pequeñas burbujas de aire atrapadas se comprimen y se sobrecalientan con rápidos aumentos de presión. Se pensó que un operador cerró bruscamente una válvula, creando una sobrepresión repentina .  

El nitrometano se utiliza como explosivo modelo, junto con el TNT. Presenta varias ventajas como explosivo modelo con respecto al TNT, principalmente su densidad uniforme y la ausencia de especies sólidas posteriores a la detonación que compliquen la determinación de la ecuación de estado y los cálculos posteriores.

El nitrometano reacciona con soluciones de hidróxido o metóxido de sodio en alcohol para producir una sal insoluble de nitrometano. Esta sustancia es un explosivo sensible que se transforma de nuevo en nitrometano en condiciones ácidas y se descompone en agua para formar otro compuesto explosivo, el metazonato de sodio, que tiene un color marrón rojizo.

2 CH ₃ NO ₂ + NaOH → HON=CHCH=NO ₂ Na + 2 H ₂ O

La reacción del nitrometano con hidróxido de sodio sólido es hipergólica .

Según la Ley Integral de Respuesta, Compensación y Responsabilidad Ambiental (CERCLA), el nitrometano es una sustancia química peligrosa con una cantidad mínima de notificación federal de 1000 libras. Cualquier liberación de esta sustancia química igual o superior a esta cantidad debe notificarse en un plazo de 24 horas. ^{[ 32 ]}

Los datos de la Encuesta Nacional de Examen de Salud y Nutrición de los Estados Unidos (NHANES) sobre esta sustancia química indican que se ha detectado nitrometano en muchas muestras de sangre de fumadores. El análisis de estos datos reveló que fumar medio paquete de cigarrillos al día podría provocar un  aumento de 150 ng/L de nitrometano en el torrente sanguíneo en comparación con los no fumadores. ^{[ 33 ]}