Introducción a los Tensoactivos

8/18/2019 Introducción a los Tensoactivos

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CAPÍTULO 1

ANTECEDENTES TEÓRICOS

1.1. Moléculas Anfifílicas

Las moléculas anfifílicas poseen una estructura muy característica, la cual se constituye

por dos porciones completamente diferentes. Una de ellas forma a lo que se llama “cabeza

polar” (parte de la molécula con carácter hidrofílico) y la otra la “cola hidrofóbica”

(porción de la molécula con carácter hidrofóbico) (fig. 1.1). Estas dos partes se encuentran

unidas entre sí mediante un enlace covalente [5, 6].

Dentro de un medio acuoso, las moléculas anfifílicas tienden a agruparse formando

estructuras supramoleculares. En primera instancia estas moléculas tenderán a encontrarse

en la interfase aire-agua. Las cabezas hidrofílicas estarán en contacto con el agua, mientras

que las colas hidrofóbicas evitarán el contacto con la misma y se encontrarán apuntando

hacia el aire. Teniendo una concentración suficiente de molécula anfifílica, el aire y el agua

no están en contacto el uno con el otro (fig. 1.2) [6].

Al aumentar la concentración de moléculas anfifílicas éstas tenderán a autoasociarse dentro

del bulto de la solución [6]. Esta clase de comportamiento puede dar lugar a la formación

de varios tipos de estructuras dependiendo principalmente de la estructura molecular

específica de las partes hidrofílica e hidrofóbica de la molécula en específico (fig. 1.3) [5].

Figura 1.1. Esquema de la estructura general de las moléculas anfifílicas,en el que se muestra las regiones denominadas como cabeza hidrofílica y cola hidrofóbica [7]


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Figura 1.2. Moléculas anfifílicas organizadas en la interfase aire agua [6].

Las moléculas anfifílicas son de gran importancia biológica ya que constituyen la base de

las bicapas lipídicas a partir de las cuales se forman las membranas que rodean a las células

y a los organelos de las mismas [5]. Además de lo anterior, este tipo de moléculas puede

tener una amplia gama de aplicaciones tecnológicas ya que son capaces de modificar

propiedades interfaciales y aumentar la compatibilidad entre dos fases [3].

1.1.1 Tensoactivos

Se le llama tensoactivos a ciertas sustancias químicas que tienen la propiedad de reducir la

tensión superficial de un medio en el que se encuentren disueltos. Este mismo fenómeno se

presenta cuando el tensoactivo se encuentra dentro de un sistema multifásico. Éste es

positivamente adsorbido en la interfase y en consecuencia disminuye la tensión interfacial

[8].

Figura 1.3. Formación de micelas formadas por moléculas anfifílicas de una sola cadena hidrofóbica(izquierda) y de vesículas a partir de moléculas anfifílicas de doble cadena hidrofóbica (derecha)


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Existen diferentes tipos de tensoactivos, los cuales pueden ser clasificados de acuerdo a la

naturaleza de su cabeza polar, en: iónicos, no iónicos y zwiteriónicos [7].

Los tensoactivos iónicos pueden clasificarse a su vez en catiónicos o aniónicos

dependiendo de la carga que permanezca en su grupo polar como resultado de la

disociación efectuada al encontrarse en solución acuosa. [9]

Por su parte, los tensoactivos no iónicos, también llamados neutros, poseen una cabeza

polar que no se disocia para generar carga eléctrica dentro de una solución acuosa. Aunque

este tipo de moléculas permanecen sin carga, aunque esto no significa que pierda su

carácter polar [9].

Por último, los tensoactivos zwiteriónicos son aquellos que pueden cargarse tanto positiva

como negativamente. Esto se debe a que su cabeza polar posee estructuras que al

disociarse pueden presentar tanto carga negativa como positiva. El signo de esta carga

dependerá de las condiciones del medio en el que se encuentre la molécula.

1.1.2 Cotensoactivos

Los cotensoactivos son moléculas pequeñas que poseen una estructura similar a la de los

tensoactivos. Presentan en su estructura una parte polar y otra no polar al igual que estos

últimos, con la diferencia de que no son capaces de auto ensamblarse al encontrarse en

solución acuosa. Sin embargo, los cotensoactivos afectan de manera notoria las estructuras

supramoleculares formadas por los tensoactivos. Es bien sabido que una molécula tan

pequeña como el etanol, puede causar cambios drásticos en bicapas de fosfolípido, comofue estudiado por Hung et al [10].

Los cotensoactivos utilizados en sistemas de tensoactivos son generalmente alcoholes de

cadena corta (entre 5 y 10 carbonos). Estos se acomodan entre las moléculas de tensoactivo

ocasionando cambios en la curvatura de los agregados formados por éste último y por lo

tanto, también en la morfología de los mismos (fig. 1.4) [9].


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Figura 1.4. Formación de bicapas flexibles a partir de unTensoactivo formador de micelas esféricas con la ayuda de un cotensoactivo [11].

1.2 Polimorfismo de Sistemas Autoasociativos

Es bien sabido que las moléculas de tensoactivo se autoasocian para dar lugar a la

formación de una gran variedad de agregados ya sea dentro de soluciones acuosas o en

mezclas de agua y aceite [12].

Las moléculas anfifílicas tienen la capacidad de formar estructuras que combinan una

periodicidad a largo rango (de largo alcance) en una, dos o tres dimensiones, con el

desorden de corto rango. Esta característica es poco común, ya que el orden a largo rango

normalmente se propaga a través de un orden de corto rango [13].

Los sistemas anfifílicos presentan una amplia gama de fases con gran diversidad

estructural en donde el tamaño de las unidades estructurales generalmente cae en un rango

entre 1 nm y 10 μm [14]. Las moléculas anfifílicas pueden asociarse para formar una gran

variedad de estructuras en solución acuosa, las cuales pueden transformarse la una en la

otra cuando las condiciones de la solución, tales como pH, temperatura o fuerza iónica, son

alteradas [15].


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Se sabe que para varios sistemas binarios de tensoactivo-agua en el régimen diluido, al

llegar a cierta concentración de tensoactivo llamada concentración micelar crítica (CMC)

se origina la formación de micelas. Las micelas son esferas que generalmente constan de

un número pequeño de moléculas anfifílicas [6, 16]. En un régimen más concentrado, a

concentraciones mayores a su CMC [13], algunos de estos sistemas presentan estructuras

en las cuales una bicapa continua de tensoactivo divide regiones acuosas (o del solvente en

cuestión) [16].

Las estructuras anfifílicas pueden presentar un comportamiento tipo sólido, y ser duras,

pero de manera general se comportan como fluidos y son suaves. Las moléculas dentro de

los agregados se encuentran en constante movimiento térmico, por lo que las estructurasanfifílicas no presentan un tamaño o una forma definitivas, sino más bien una distribución

alrededor de un valor medio de los mismos [15].

Las características geométricas del tensoactivo en cuestión, la rigidez de su parte

hidrofóbica y el balance hidrofóbico-hidrofílico que presente, determinará qué tipo de

agregado será formado. [12]. La geometría o parámetro crítico de empaquetamiento ( ) pce

de una molécula depende del área óptima de cabeza polar 0a , el volumen ocupado por la o

las colas hidrocarbonadas v (suponiendo que las cadenas hidrofóbicas son fluidas e

incompresibles) y la longitud máxima efectiva de las mismas, llamada longitud críticac

l

[15].

Figura 1.5. Diagrama de un tensoactivo en el cual se muestra el área óptima de cabeza polar 0( ),a

el volumen ocupado por su cadena hidrofóbica ( )v y la longitud crítica de la misma ( )c

l [15].


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En 1976, Israelachvili et al [15] demostraron que para tensoactivos de área óptima 0a ,

volumen de cola hidrocarbonada v y longitud crítica de cadenac

l , el parámetro de

empaquetamineto, 0/ c pce v a l = , determinará la estructura supramolecular que se formaráal tenerse a dicho tensoactivo en solución (fig. 1.5). En la tabla 1 se muestran las

estructuras esperadas para distintos tipos de moléculas anfifílicas según su parámetro

crítico de empaquetamiento.

Aunque por medio del pce se puede tener una idea muy acertada acerca del tipo de

estructura que se puede esperar observar en un sistema de un tensoactivo de dimensiones

0a , v y cl conocidas, la estructura final formada puede verse afectada por diversosfactores.

1.3 Cristales líquidos liotrópicos

Cuando se tienen soluciones altamente concentradas de jabones y detergentes, es decir,

moléculas de tensoactivo, se da lugar a la formación de cristales líquidos liotrópicos. Delmismo modo, este tipo de estructuras también pueden formarse a partir de soluciones de

sustancias de importancia biológica como son las proteínas, los lípidos, los ácidos

nucleicos, entre otras [17].

Hasta ahora no existe una nomenclatura universalmente aceptada para las diferentes

mesofaese litrópicas. El sistema de nomenclatura de mayor facilidad de comprensión y por

lo tanto el que ha sido más ampliamente utilizado es aquel propuesto por Luzzati en 1968.

Este sistema de nomenclatura será utilizado a lo largo de este trabajo [13].

En el sistema de Luzzati, el cual se resume en la tabla 2, el tipo de red se denota por medio

de una letra mayúscula L para fases lamelares, H para fases hexagonales y Q para fases

cúbicas. Los números romanos I y II utilizados como subíndices, son indicadores de la

topología de la fase. I para fases normales (aceite en agua) y II para fases inversas (agua en

aceite) [13].


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Tabla 1.1 Estructuras formadas por moléculas anfifílicas según su parámetro crítico de empaquetamiento [15].

Un sufijo griego es utilizado para denotar la conformación de las cadenas hidrofóbicas: β para conformación ordenada tipo gel, α para tipo líquido, αβ para coexistencia de líquido y


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gel y δ para conformaciones de cadena en forma de hélices. Aunado a esto, el sufijo c es

utilizado con frecuencia para denotar empaquetamiento cristalino [13].

El estudio de las propiedades físicas de fases liotrópicas de tensoactivo ha sido de gran

interés en los últimos años [16].

Tabla 1.2. Principales mesofases liotrópicas [13]


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Figura 1.6. Representación esquemática de una fase lamelar.

1.3.1 Fases lamelares

Un cristal líquido liotrópico en fase lamelar puede ser descrito como varias membranas

fluidas apiladas una sobre otra dentro de un solvente común. En algunos sistemas ladistancia promedio entre ellas ( d ) puede tener un valor de varios miles de Å, mientras que

en otros, d es de apenas varias decenas de Å [18].

A bajas temperaturas los tensoactivos suelen formar fases tipo gel, en las cuales las

cadenas hidrocarbonadas de los mismos se encuentran en un estado conformacional bien

ordenado. Bajo dichas condiciones, la extensión de estas cadenas se acerca mucho al

máximo, debido a que si las moléculas son insaturadas, como en el caso de losfosfolípidos, éstas se encuentran en configuración trans (fig. 1.6) [13].

A temperaturas más altas, el orden conformacional de la fase gel se pierde debido a la

excitación de las cadenas hidrocarbonadas originada por el incremento en temperatura. La

temperatura a la cual se da este cambio es denominada temperatura de transición (Tm) (fig.

1.7) [13]. Como también es posible apreciar en la figura 1.7, la fase conformacional de las

cadenas de moléculas anfifílicas también puede verse afectada por la presencia de otrasmoléculas, tales como los alcoholes. Este fenómeno se estudiará con mayor detalle más

adelante.

El considerar una fase lamelar como un conjunto de membranas planas es meramente una

idealización de la realidad [20]. Las interacciones atractivas dentro de sistemas de bicapas

altamente diluidos (con valores altos de d son despreciables. Por otro lado, sistemas más

concentrados presentan interacciones de tipo van der Waals, las cuales tienden a

disminuirse conforme aumenta d en una proporción de 1/ 4d [18].


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Figura 1.7. Representación esquemática del diagrama de fases de una mezcla de

fosfatidil colina y alcohol en función de la concentración de alcohol y la temperatura [19].

Si el sistema a estudiar está formado por tensoactivos cargados éstos pueden dar lugar a

interacciones electrostáticas repulsivas entre membranas. Sin embargo, todas las

membranas, cargadas o no, están sujetas a un tipo de repulsión derivada de la restricción

entrópica. Ésta es una repulsión de largo alcance y se conoce comúnmente como la

interacción de Helfrich [18].

1.4 Fases no Lamelares

La formación de fases fluidas no lamelares se cree que se deriva de una curvatura

espontánea de la superficie. Este tipo de estructuras deben comenzar a aparecer en el punto

en el que la presión lateral de las colas hidrocarbonadas excede a la presión que se origina

de la región interfacial, incluyendo las capas de solvatación, y de este modo da lugar a una

curvatura de membrana positiva que se da espontáneamente [13].

Cualquier modificación en el sistema que incremente la repulsión entre los grupos de

cabeza polar de las moléculas anfifílicas disminuye la tendencia a formar fases no


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lamelares. Por el contrario, los cambios al sistema que incrementen la repulsión entre

cadenas, favorecen la generación de fases no lamelares [13].

1.4.1 Vesículas

Las vesículas son utilizadas ampliamente en la industria para llevar a cabo procesos de

catálisis y limpieza, así como de microencapsulación de medicamentos. Aunque las

vesículas se forman in vivo de manera espontánea, rara vez son la estructura de equilibrio

preferida en un sistema de tensoactivo-agua [18].

Las vesículas se forman a partir de una bicapa de tensoactivo que separa una región de

solvente (generalmente agua) de un espacio continuo del mismo solvente, al cerrarse sobre

sí misma. En el caso de que dos o más bicapas se cierran para formar una sola vesícula, se

dará lugar a una vesícula multilamelar, como la que se puede observar en la figura

siguiente.

Figura 1.8. Ejemplos de algunos tipos de vesículas.

Debido a su resemblanza estructural las vesículas, principalmente aquellas fabricadas a

partir de fosfolípidos (también llamadas liposomas), han sido ampliamente utilizadas como

modelos de membranas biológicas. Haciendo uso de las mismas se han estudiado los

mecanismos de acción de diversos antibióticos


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1.4.2 Fase esponja

La fase esponja o L3 puede considerarse como una fase cúbica desordenada. Se constituye

por una bicapa de tensoactivo entre dos regiones de solvente, las cuales pueden contener

volúmenes idénticos (fase simétrica) o diferentes (fase asimétrica). A diferencia de la fase

cúbica, la fase esponja carece de periodicidad y orden espacial, pero aunque carece de este

orden a largo rango, posee una distancia característica d (figura 1.9), la cual se relaciona

con la distancia promedio de los pasadizos formados por la misma[16].

Debido a la cercanía que presentan las fases esponja a las fases lamelares dentro de los

diagramas de fases, el estudio de las primeras se basa en el estudio de sistemas con

curvatura espontánea ( 0c ) igual a cero. Que una fase lamelar de tensoactivo se conserve al

disminuirse la fracción volumétrica del mismo ( ) sφ en el sistema, implica una

disminución en la distancia d , ya que d ~ 1/ φ s [18].

Al incrementarse esta distancia hasta llegar a la longitud de persistencia natural de la

monocapa, la estructura lamelar se “derrite” para dar lugar a la formación de una estructura

desordenada, bicontinua, tipo esponja. Aunque la energía de curvatura de una fase esponja

es mayor a la de una fase lamelar, la renormalización de la energía de curvatura por medio

de fluctuaciones térmicas da como resultado un módulo de curvatura efectivo más suave, a

fracciones volumétricas de tensoactivo bajas. Es en el régimen de bajas concentraciones de

tensoactivo en donde las estructuras tipo esponja son más estables que las fases lamelares

[18].

Figura 1.9. Representación esquemática de una fase esponja [18].


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1.5 Modelos de Membranas Biológicas

Tanto las fases lamelares y esponja como las vesículas han sido utilizadas como modelos

de membranas biológicas. Como se mencionó anteriormente, esto se debe a la similitud

estructural que presentan las bicapas de tensoactivo o lípido encontradas en estas fases con

la doble capa de fosfolípido que forma parte de las membranas de las células de todo ser

vivo.

1.5.1 Membranas Biológicas

Las membranas celulares son necesarias por diversas razones. La principal y más obvia es

la necesidad de separar a la célula del medio que la rodea. Además de cumplir con la

función de barreras de separación las membranas celulares presentan una gran variedad de

funciones de acuerdo a las necesidades de la célula u organelo del cual formen parte.

El modelo de la estructura de las membranas biológicas más acertado hasta la fecha ha sidoel del mosaico fluido, propuesto por S. J. Singer y G. L. Nicolson en 1972. En este modelo

se propone que los fosfolípidos de las membranas se arreglan en una bicapa para formar

una matriz fluida de cristal líquido (fig. 1.10). En esta bicapa las moléculas individuales de

lípido pueden moverse de manera lateral otorgándole fluidez, flexibilidad y alta resistencia

eléctrica a la membrana, al mismo tiempo que impermeabilidad relativa hacia moléculas

altamente polares.

Figura 1.10. Modelo del mosaico fluido de Singer y Nicolson para la estructura de una membrana celular [21].


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1.6 Efecto de Cosolventes sobre Fases de Lípidos y Tensoactivos

El estudio del impacto en la estructura de membranas y otras fases de lípidos y/o

tensoactivos causado por solventes no acuosos es interesante por dos razones principales.

Una es el estudio de las peculiaridades y los límites de existencia de las fases en sí,

mientras que otro es el uso de la información obtenida a través del estudio de estos

componentes para explicar más a detalle el papel del agua en la estabilización de estas

fases, así como en las interacciones intermembranales [22].

Un cosolvente es un compuesto químico que se adiciona al agua a una concentración

aproximada entre 0.2 y 10 molar [23]. Al agregarse este compuesto a una solución acuosa,éste puede interactuar tanto con el agua como con la sustancia que esté disuelta dentro de

la misma. En el caso de soluciones de tensoactivos, la interacción del cosolvente con estos

mismos o con su agua de hidratación puede dar lugar a modificaciones en las estructuras

supramoleculares formadas por los mismos.

Gradzieliski y col. observaron, en un estudio realizado en el 2004, que al agregar grandes

cantidades de un solvente monomérico (por ejemplo DMSO, etanol, propilenglicol) laconcentración micelar crítica de un tensoactivo en solución se desplazaría hasta volverse

tan alta que ocurriría una desintegración total de las micelas presentes en la solución. Por

otro lado, al agregar cantidades menores del mismo solvente, el tamaño de las micelas se

ve disminuido [14].

En mezclas 1:1 de tensoactivos aniónicos y catiónicos se ha observado que ciertos

cosolventes tales como etanol, propanol, DMSO, formamida y butanol proveen a lostensoactivos una capacidad asombrosa para formar vesículas [11].

1.6.1 Dimetil Sulfóxido

El DMSO es una molécula polifuncional ya que contiene en su estructura un grupo

sulfóxido ( )S O= altamente polar, así como dos grupos metilo3

(CH ) de carácter

hidrofóbico (fig. 1.11) [24].


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Al igual que los alcoholes, el DMSO puede mezclarse con agua en cualquier proporción

[25]. Este solvente es comúnmente utilizado como agente crioprotector, debido a que

disminuye el punto de fusión de los fluidos biológicos. El DMSO ha sido el objeto de

estudio de numerosos grupos de investigación ya que presenta aplicaciones tanto en

medicina como en farmacología y en la industria [25].

Figura 1.11. Representación esquemática de unamolécula de dimetil sulfóxido (DMSO)

Es bien sabido que el DMSO forma puentes de hidrógeno con el agua. En este caso, la

estructura de la misma no se ve afectada de manera significativa por la formación de estos

puentes, sin embargo, el porcentaje de moléculas de agua unidas entre sí por medio de

puentes de hidrógeno se ve reducido de manera sustancial [25].

Del mismo modo que los alcoholes, el DMSO es capaz de interactuar con el grupo de

cabeza polar de los tensoactivos, por medio de puentes de hidrógeno, y con la cola

hidrocarbonada de los mismos por medio de interacciones hidrofóbicas o fuerzas de Van

der Waals, a través de sus grupos metilo.

Estudios anteriores revelan que al agregar DMSO a una solución del fosfolípido DPPC,

éste reduce la distancia entre las membranas formadas por el mismo, habiendo una mayorreducción de ésta al aumentarse la concentración de DMSO agregado[22, 25].

Al igual que el etanol, la presencia de DMSO ocasiona un incremento en la temperatura de

transición entre las fases gel y lamelar de fosfolípidos. A mayor concentración de DMSO

agregada, mayor es el valor de la temperatura de transición [22].


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1.6.2 Alcoholes de cadena corta

La interacción de alcoholes de cadena corta con membranas de fosfolípido es de gran

interés debido a que los alcoholes tienen un papel importante en el metabolismo celular, así

como en la fusión intermembranal, el transporte de alimentos, y la intoxicación alcohólica

que se presenta al exponer una célula animal a excesos de estas sustancias químicas [10].

Los alcoholes de cadena corta, a pesar de su naturaleza anfifílica, tienden a confinarse en la

región de la cabeza polar y no entre las cadenas hidrofóbicas de una fase de tensoactivo o

lípido, según se ha demostrado a partir de estudios de resonancia magnética nuclear

(RMN) entre otras técnicas experimentales [10].

Su localización dentro de la región polar disturba la microestructura de las fases formadas

por tensoactivo. De acuerdo con Hund et al [10], estos disturbios pueden ser responsable

por un incremento en la fluidez de la membrana, en el desorden intermembranal y un

aumento en la movilidad lateral de las moléculas lipídicas.

Contrario a lo estipulado por Wen-Yueh, et al [11], Zana y Michales [26], los alcoholes decadena corta tales como metanol, etanol y propanol pueden ser utilizados para prevenir la

auto-asociación de moléculas anfifílicas.

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