III. MACROMOL�CULAS
SIN DUDA, �ste es otro campo en el que la ciencia central ha incidido profundamente en los �ltimos a�os.
El descubrimiento del hule y la s�ntesis de pl�sticos artificiales dieron un vuelco a la naturaleza de los materiales que rodean a la humanidad. En muchas de sus aplicaciones, los pl�sticos han sustituido con ventaja al vidrio, al cuero, al algod�n, a la cer�mica, a la madera y hasta a los metales. Hoy, los materiales pl�sticos son importantes satisfactores de necesidades en cualquier sociedad. En los pa�ses desarrollados, cada habitante cuenta en promedio con 100 kilogramos de pl�stico. En M�xico esta cifra ya supera los 15 kilogramos, y su influencia abarca sectores industriales de gran importancia, como el automotriz, el electr�nico, el de la construcci�n e incluso el de la salud.
Por otra parte, respecto a las macromol�culas de la vida, el hallazgo de la estructura de las prote�nas y los �cidos nucleicos dio un sustento b�sico a la biolog�a molecular.
Sobre estos asuntos versa el presente cap�tulo, en el que transitamos directamente la tercera parte de la ruta que nos lleva del tequesquite al ADN.
EL HULE: MACROMOL�CULA NATURAL
Por su naturaleza el�stica, el hule es una de las m�s interesantes e importantes sustancias que conocemos. Una liga de hule se puede estirar hasta 10 veces su tama�o original y regresa a su forma inicial casi sin deformarse. El hule se puede moldear de muchas formas y, adem�s, es impermeable al agua y al aire.
El hombre conoci� el hule hace muchos siglos, como una secreci�n lechosa de diversas plantas y �rboles. El l�tex (como se conoce a la suspensi�n coloidal de las part�culas de hule en agua) se encontraba principalmente en el guayule y la hevea brasiliensis, en M�xico, Per� y Brasil.
Los antiguos mexicanos lo utilizaron en la fabricaci�n de bolas para practicar el juego de pelota. Por cierto, el tiro para obtener el triunfo era tan raro y tan dif�cil que el jugador que lo lograba ten�a derecho a apoderarse de todas las mantas y joyas de los espectadores. Otros habitantes de Am�rica utilizaron el hule para proteger del agua sus prendas de vestir y para la fabricaci�n de botas rudimentarias.
Cada �rbol de hevea produce entre 15 y 30 gramos de l�tex por d�a. Otras sustancias lechosas con propiedades semejantes al hule se obtienen de la gutapercha en Malaya, Borneo y Sumatra, y del kok-sagis en la Rusia asi�tica.
Para obtener el l�tex se hacen incisiones en forma de V en el tronco del �rbol. El jugo lechoso que fluye se recoge en vasijas. En la misma plantaci�n, el l�tex se coagula (se rompe la estabilidad del coloide) mediante la adici�n de un �cido. Posteriormente, se lo lava y seca.
La primera f�brica que emple� hule natural crudo fue establecida en Par�s en 1803. En un principio produc�a ligas y tirantes, pero posteriormente incorpor� el hule en gabardinas, como repelente del agua. Sin embargo, este hule ten�a serios inconvenientes. Adem�s de ser pegajoso, en verano se reblandec�a y en invierno se volv�a r�gido y quebradizo.
En 1839 Charles Goodyear descubri� accidentalmente c�mo resolver estos problemas cuando se le derram� una mezcla de azufre y hule natural sobre una estufa caliente. El producto obtenido result� ser m�s el�stico y resistente al calor y a la tensi�n que el hule crudo. El proceso de mezclar y hacer reaccionar el azufre caliente con el hule crudo se llama vulcanizaci�n.
La explicaci�n molecular de este profundo cambio en las propiedades del hule se muestra en la f�rmula 31.
F�rmula 31. Las cadenas de pol�mero en el hule contienen puntos con dobles ligaduras carbono-carbono. El azufre, que consiste en mol�culas con ocho �tomos arreglados en forma de corona, reacciona con dos cadenas y las une entre s�. Este enlace que amarra unas cadenas con otras da al hule sus propiedades mec�nicas y t�rmicas. Si el hule de las llantas de un veh�culo no se vulcanizara, apenas rodar�a unos pocos kil�metros.
Hacia fines del siglo pasado, el hule vulcanizado ten�a tantos usos que la producci�n de la hevea en Brasil era insuficiente. Unos bot�nicos ingleses sacaron de contrabando semillas de �rbol del territorio brasile�o y produjeron una variedad m�s resistente a las enfermedades y con mayor rendimiento de l�tex.
El imperio brit�nico estableci� enormes plantaciones en sus colonias del Lejano Oriente. La cantidad y calidad de este hule les dio a sus poseedores el control pr�cticamente total del mercado mundial.
MACROMOL�CULAS, POL�MEROS Y MASA MOLECULAR
Desde el siglo pasado los qu�micos han establecido una escala especial de masas. Como lo que se trata de medir es la masa de un �tomo o una mol�cula, se escogi� una unidad sumamente peque�a: la unidad de masa at�mica (uma), que es la que corresponde aproximadamente al �tomo de hidr�geno m�s abundante en la naturaleza:
1 uma = masa de un �tomo de hidr�geno-1
En esta escala, las masas de los �tomos naturales corresponden a n�meros entre 1 (hidr�geno) y 238.1 (uranio). Aunque en este siglo se ha modificado la base de la escala, los efectos son poco notorios.
Las masas de las mol�culas se obtienen al sumar las correspondientes de los �tomos que las constituyen. Por ejemplo, la mol�cula de sulfuro de hidr�geno, H2S, tiene masa de 34.1 uma, que es la suma de las de dos hidr�genos (con 1 uma cada uno) y un azufre (con 32.1 uma).
A las mol�culas con masas superiores a 10 000 uma se las conoce como macromol�culas. Son esenciales en diversos procesos biol�gicos. La hemoglobina, el almid�n, las enzimas y el ADN son macromol�culas naturales de los organismos vivos.
Cuando una macromol�cula se obtiene al repetirse un patr�n regular de �tomos a lo largo de la misma, se tiene un pol�mero. Existen pol�meros cuya masa molecular supera el mill�n de uma. El compuesto con mol�culas m�s peque�as, a partir de las cuales se construye un pol�mero, es un mon�mero. Para obtener algunos pol�meros se utilizan dos o m�s mon�meros, y por eso se conocen como copol�meros.
El algod�n, la madera, el hule y la lana son ejemplos de pol�meros naturales. Algunos pol�meros sint�ticos son el polietileno, y el policloruro de vinilo (PVC).
Cuando un pol�mero fluye y acepta ser moldeado, extrudido o laminado, se lo denomina pl�stico. Dentro de �stos existen los termoestables, que no pueden ser suavizados o remoldeados mediante calentamiento, y los termopl�sticos, que si admiten su reprocesamiento. Las resinas epoxi, adhesivos familiares en el hogar; y las espumas de poliuretano de nuestras almohadas son termoestables. La facilidad para reprocesar los termopl�sticos se debe a que sus cadenas polim�ricas no est�n entrelazadas. El polietileno, de uso tan generalizado, y el poliacrilato de metilo, popular sustituto pl�stico del vidrio, son ejemplos de termopl�sticos.
EL HULE SINT�TICO. QU�MICA EN ACCI�N
El incremento del precio de la materia prima, as� como la irrupci�n de la primera Guerra Mundial, transformaron el panorama mundial del mercado del hule. Desde ese momento, particularmente en los pa�ses que carec�an de este recurso, se dio un gran impulso a la producci�n de hule sint�tico.
Desde 1826, Michael Faraday hab�a encontrado que el calentamiento del hule crudo o destilaci�n destructiva produc�a un hidrocarburo de bajo punto de ebullici�n y f�rmula C5H8, que recibe el nombre de isopreno (v�ase la f�rmula 32).
F�rmula 32. Mol�cula del isopreno. El hule se obtiene cuando una multitud de mol�culas como �sta se enlazan unas tras otras. Por ello se dice que el isopreno es el mon�mero del hule.
La clave molecular de la estructura del hule la hall� Hermann Standinger en
Alemania, a mediados de la d�cada de los a�os veinte. Ello le vali� el Premio
Nobel de qu�mica en 1953. Descubri� que el hule est� constituido por mol�culas
gigantes, formadas a partir de una �nica unidad estructural: el isopreno. En
el lenguaje actual se dice que el isopreno es el mon�mero del pol�mero
llamado hule (v�ase la f�rmula 33).
F�rmula 33. Un pol�mero es una macromol�cula en la que se repite n veces la misma estructura b�sica (mon�mero). En el caso del hule, las cadenas pueden tener desde n=20 000 hasta n=100 000.
Los primeros intentos de polimerizar isopreno para obtener hule sint�tico fueron
infructuosos. Por s� misma, la s�ntesis industrial del mon�mero presentaba serios
problemas. Por eso es que muchas de las experiencias iniciales se realizaron
con mol�culas semejantes al isopreno. En 1928 se prepar� en Alemania el primer
sustituto del hule natural: un copol�mero del butadieno y el estireno al que
se llama SBR (por sus siglas en ingl�s) y que result� excelente
para fabricar llantas (v�ase la f�rmula 34).
El color negro de las llantas proviene del llamado negro de humo, que es carb�n en polvo que se agrega para reducir su costo y para aumentar la resistencia a la fricci�n y la tensi�n.
Figura 15. La elasticidad del hule se debe a que las enormes cadenas polim�ricas se encuentran enrolladas como en el espagueti. Las cadenas se extienden al estirar ligeramente el material y vuelven a enrollarse al dejar de estirar; aunque, al aplicar una fuerza mayor, puede ocurrir que el hule no vuelva a su tama�o original. Sin embargo, si el hule ha sido vulcanizado, los puentes de azufre que se forman entre las cadenas dan al hule mayor solidez, sin perder su elasticidad. Si la cantidad de puentes de azufre es muy grande, se obtiene un material duro llamado ebonita, con el que se fabrican cajas para acumuladores y bolas de boliche.
Hacia 1940 la producci�n de hule sint�tico alcanz� 175 000 toneladas en Alemania,
90 000 en la URSS y 10 000 en Estados Unidos. Como durante la segunda Guerra
Mundial el ej�rcito japon�s control� la principal zona productora de hule natural,
los gobiernos aliados iniciaron programas de emergencia para la fabricaci�n
de hule sint�tico. As�, por ejemplo, al final de la contienda Estados Unidos
produc�a 700 000 toneladas de hule sint�tico por a�o.
F�rmula 34. El hule sint�tico que se elabora con butadieno y estireno es un copol�mero, pues se obtiene a partir de dos mon�meros diferentes.
Otro hule sint�tico preparado en esa �poca fue el neopreno, como se llama al
pol�mero del cloropreno. Aqu� un �tomo de cloro ocupa la posici�n del grupo
metilo (CH3) del isopreno (v�ase la f�rmula 35). El neopreno,
a diferencia del hule, no se hincha ante el contacto con disolventes org�nicos,
por lo que se emplea para fabricar las mangueras para verter gasolina.
F�rmula 35. El cloropreno es el mon�mero del neopreno.
En una mol�cula que presenta una doble ligadura carbono-carbono, este enlace es r�gido y no se presenta una rotaci�n libre sobre el mismo. Debido a ello pueden existir dos is�meros del compuesto, dependiendo del arreglo espacial de los sustituyentes alrededor de la doble ligadura. Ésta es la isomer�a geom�trica. Un ejemplo de ella, en la f�rmula 36, puede ayudar a comprender el fen�meno.
F�rmula 36. Como el enlace C=C es r�gido, existen dos formas geom�tricas de arreglar en el espacio dos grupos metilo, -CH3, enlazados a cada carbono del doble enlace. a) El is�mero cis tiene a los metilos hacia el mismo lado del doble enlace. b) El is�mero trans los tiene en direcciones opuestas.
Este arreglo especial les da a las mol�culas propiedades particulares y diferentes.
Adem�s de que los dos is�meros cis y trans tienen diferentes puntos
de ebullici�n y fusi�n, reaccionan qu�micamente en diferente forma. En un momento
veremos qu� tiene esto que ver con el hule natural.
QU�MICA: UNA CIENCIA SOBRE LAS TRES DIMENSIONES
Los intentos de polimerizar isopreno en el laboratorio para producir hule natural se coronaron con �xito en 1954. A pesar de que ya se conoc�a desde hacia m�s de 100 a�os la composici�n del hule, hasta ese momento se logr� arreglar esteroespec�ficamente a las mol�culas del isopreno. Es decir; resolver el problema de la isomer�a cis-trans en la macromol�cula.
As�, en el poliisopreno tenemos dos casos extremos, representados en la f�rmula 37.
Antes de 1954 los intentos por polimerizar al isopreno produc�an una mezcla heterog�nea de los is�meros cis y trans con propiedades distintas de las del hule natural (que es el cis). Es en esta fecha cuando, casi simult�neamente, los qu�micos de las compa��as Goodyear y Firestone descubrieron c�mo polimerizar esteroespec�ficamente el isopreno. Con ello se pudo obtener en el laboratorio hule sint�tico id�ntico al natural.
F�rmula 37. a) Poli-trans-isopreno. Los grupos -CH2-CH2- est�n alternados sobre lados opuestos de la doble ligadura. b) Poli-cis-isopreno. En este caso, todos los -CH2-CH2- est�n del mismo lado.
Los qu�micos K. Ziegler y G. Natta se hicieron acreedores al Premio Nobel de qu�mica en 1963 por su descubrimiento de catalizadores esteroespec�ficos.
El hule es, entonces, una macromol�cula que puede ser obtenida a partir del l�tex de diversas plantas o prepararse sint�ticamente en el laboratorio. Éste ser� tambi�n el orden que seguiremos en este cap�tulo. Trataremos inmediatamente los pol�meros sint�ticos, como el nailon, el polietileno, el tefl�n o los silicones, y al final las macromol�culas de origen biol�gico, como la celulosa, la seda y el ADN.
TIPOS DE REACCI�N PARA PREPARAR POL�MEROS SINT�TICOS
Seg�n los principales tipos de reacci�n por los cuales se tienen pol�meros, �stos se clasifican como pol�meros de adici�n o de condensaci�n. En los primeros se adicionan mon�meros que contienen una doble ligadura C=C, en un proceso facilitado por la presencia de un catalizador. En los segundos se forman largas cadenas como resultado de la combinaci�n de dos mol�culas diferentes (mon�meros), mediante la p�rdida de alguna mol�cula peque�a, generalmente agua.
POLIETILENO: UN POL�MERO POR ADICI�N
El compuesto m�s sencillo que puede tener una reacci�n de polimerizaci�n por adici�n es el etileno CH2=CH2. El pol�mero resultante, el polietileno, es el m�s barato y el que se produce en mayor cantidad en el mundo. Las llamadas bolsas de pl�stico est�n hechas de polietileno.
La materia prima, el etileno, se obtiene por la eliminaci�n de dos �tomos de hidr�geno del etano, el segundo componente m�s importante del gas natural (v�ase la f�rmula 27). En La Cangrejera, PEMEX fabrica tanto el mon�mero como el polietileno de baja densidad.
La doble ligadura es la raz�n de la reactividad de este compuesto. Con la presencia del catalizador adecuado tiene lugar la polimerizaci�n (v�ase la f�rmula 38).
F�rmula 38. La polimerizaci�n del etileno constituye un buen ejemplo del uso de catalizadores para unir peque�as mol�culas de una forma espec�fica, y as� producir un pol�mero.
Se puede obtener una tremenda variedad de mol�culas al sustituir los �tomos de hidr�geno en el etileno por otros �tomos o grupos de �tomos, as� como tambi�n una gran variedad de pol�meros de adici�n, como se muestra en el cuadro 10.
|
|
|
Una vez que los mon�meros se transforman en pol�meros se incrementa notablemente
el valor del producto. Veamos la figura 16. El valor (en 1984) de una tonelada
de etileno era de 425.9 d�lares. Si esa tonelada se emplea para fabricar cloruro
de vinilo (el mon�mero del PVC), su valor aumenta 51%. Si con ella se obtiene
polietileno, aumenta 55%. �sta es la magia de la petroqu�mica, sus efectos
dan a los productos valor agregado, el cual se maximiza si se llega hasta los
productos de consumo terminal.
Figura 16. Precio en d�lares por tonelada de etileno empleada para la fabricaci�n de algunos de los productos del cuadro 10. La cifra representa el valor del petroqu�mico al ser exportado (E), o al que se lo compra, en caso de que se importe (I). Fuente: An�lisis de la industria petroqu�mica por cadenas productivas, Comisi�n Petroqu�mica Mexicana, M�xico 1986.)
EL PETR�LEO TAMBI�N SIRVE PARA LAVAR
El detergente que empleamos com�nmente es resultado de la petroqu�mica.
Para su elaboraci�n es necesario preparar un tetr�mero del propileno, CH3-CH-CH2. En este caso, la polimerizaci�n se reduce a la uni�n de cuatro unidades monom�ricas. El resultado se muestra en la f�rmula 45. Se trata de un hidrocarburo con doce �tomos de carbono.
F�rmula 45. El tetr�mero del propileno. Lo fabrica Petr�leos Mexicanos.
El tetr�mero se hace reaccionar con �cido sulf�rico y con benceno, otro producto petroqu�mico b�sico que se mencion� en el cap�tulo anterior. La reacci�n, despu�s de una neutralizaci�n con sosa c�ustica, NaOH, produce un compuesto con un rimbombante nombre qu�mico: dodecilbencensulfonato de sodio. Éste es el detergente de todos los d�as en todas las casas (v�ase la f�rmula 46).
F�rmula 46. Mol�cula del detergente com�n y corriente. Las formas comerciales del producto le adicionan multitud de otros productos, con muy diversas finalidades.
Las mol�culas de detergente, como las de los jabones, constan de dos partes
bien diferenciadas. Por un lado se tiene una larga cadena de �tomos de carbono,
que por ser de naturaleza org�nica se disuelve en las grasas y no es af�n al
agua (porci�n hidrof�bica); por el otro, un grupo con carga el�ctrica,
con mucha afinidad al agua (porci�n hidrof�lica).
Esta estructura de jabones y detergentes es la responsable de que act�en como limpiadores. La porci�n hidrof�bica penetra en la grasa, mientras que el extremo hidrof�lico toma contacto con el agua. As�, una tallada logra que la gota de grasa se desprenda de la ropa sucia.
El problema con los detergentes, y no con los jabones, es que muchos no son biodegradables (no son destruidos por los microorganismos del medio ambiente), por lo que se acumulan en los recursos acu�ticos. Desgraciadamente, ya resulta familiar la presencia de espumas en las aguas de nuestros r�os y lagos. Las concentraciones moderadas de detergente afectan sensiblemente la vida acu�tica, por lo que �ste es un problema muy grave.
La soluci�n no es dif�cil. Si el tetr�mero de la f�rmula 45 fuese lineal, y no ramificado, el detergente podr�a ser biodegradado. Estos detergentes con cadena lineal son un poco m�s costosos, pero afortunadamente ya va generaliz�ndose su producci�n y consumo. Actualmente una buena proporci�n de los detergentes l�quidos que se encuentran en el mercado ya tienen dodecilbencensulfonato lineal, perfectamente biodegradable. Otra aportaci�n de la qu�mica contra la contaminaci�n.
EL UNO, DOS, TRES DE LOS PL�STICOS
Hay al menos tres factores que determinan las propiedades del polietileno y, en general, de los pol�meros:
1) El grado de polimerizaci�n. Un pol�mero con una cadena de 10 �tomos de carbono es, obviamente, diferente de uno en el que las cadenas sean de 10 000 �tomos. Los de cadenas largas son m�s fuertes, pues son m�s fibrosos que los de cadenas cortas.
2) El grado de cristalinidad. Ya comentamos que una cadena polim�rica puede imaginarse como una tira de espagueti que se dobla de muchas y variadas maneras: es amorfa. Sin embargo, es posible ordenar estas cadenas, al menos parcialmente, para obtener zonas cristalinas.
B�sicamente, hay dos tipos de polietileno: el de baja y el de alta densidad. Ambos son producidos mediante diferentes catalizadores y condiciones de reacci�n. El polietileno de alta densidad, parcialmente cristalino, se utiliza, entre otras cosas, en la fabricaci�n de juguetes, botellas y gabinetes de radio y televisi�n. El de baja densidad, amorfo, se emplea para hacer bolsas y como aislante el�ctrico. Sin embargo, las pel�culas para envolver los alimentos y mantenerlos frescos se hacen con polietileno de alta densidad, que es menos permeable, y por lo tanto conserva mejor la humedad natural de los alimentos.
3) El grado de reticulaci�n. Este se logra cuando unas cadenas est�n unidas a otras por fuertes enlaces. Con esto el pol�mero adquiere gran fuerza y rigidez. La vulcanizaci�n del hule es, precisamente, la forma de aumentarle el grado de reticulaci�n.
GRUPOS FUNCIONALES EN QU�MICA ORG�NICA
Un grupo funcional es la parte reactiva de una mol�cula. La presencia de un determinado conjunto de �tomos provoca que todas las mol�culas que contengan un grupo dado experimenten reacciones qu�micas similares. Algunos ejemplos de grupos funcionales son los siguientes:
Cada grupo funcional le confiere propiedades particulares a la cadena de carbono a la cual est� unido. Por ejemplo, centr�monos en el grupo hidroxilo. Los compuestos que lo incluyen se llaman alcoholes. Los m�s sencillos de estos compuestos son el metanol, CH3 -OH, el etanol, CH3 -CH2 -OH, y el propanol, CH3 -CH2 -C2H -OH. Los tres presentan las reacciones qu�micas t�picas del grupo hidroxilo. Sin embargo, el diferente tama�o de la cadena afecta otras de sus ropiedades. Por ejemplo, mientras que el metanol es venenoso (su ingesti�n provoca ceguera y hasta la muerte), el etanol est� presente en todas las bebidas alcoh�licas. Cabe aclarar que no por ello deja de ser t�xico.
POLIMERIZACI�N POR CONDENSACI�N
En este tipo de polimerizaci�n toman parte dos mol�culas con diferentes grupos funcionales. Al reaccionar se desprende una mol�cula m�s peque�a, que por lo general es de agua.
Un ejemplo sencillo de una reacci�n de condensaci�n es la del �cido ac�tico (el �cido del vinagre) con el etanol (v�ase la f�rmula 47).
F�rmula 47. En esta reacci�n de condensaci�n, el agua se forma a partir del -H del �cido y el OH- del alcohol. Los dos fragmentos restantes se re�nen para formar un �ster.
El producto de una reacci�n como �sta (�cido + alcohol) es llamado gen�ricamente �ster. El acetato de etilo es un �ster.
Esta reacci�n, llamada de esterificaci�n, es la base para la fabricaci�n de las fibras poli�ster. En este caso se toma una mol�cula con dos grupos carboxilo (un di�cido), como el �cido tereft�lico (v�ase la f�rmula 48), y otra mol�cula con dos grupos funcionales hidroxilo, como el etilenglicol (en los pa�ses fr�os tambi�n se lo utiliza como anticongelante en los motores de autom�viles).
Formula 48. Primer paso de la esterificaci�n de un di�cido con un dialcohol.
Inicialmente se produce un �ster con un grupo carboxilo libre, por un lado, y un grupo hidroxilo, por el otro (v�ase la f�rmula 48).
Posteriormente, ambos grupos libres pueden seguir reaccionando con otras mol�culas. El proceso contin�a hasta obtenerse largas cadenas de poli�ster; el polietilentereftalato (PET) (v�ase la f�rmula 49).
F�rmula 49. En la reacci�n de la f�rmula 48 qued� libre un grupo �cido, HOOC-, y un grupo alcohol, -HO, as� que es posible la condensaci�n de m�s unidades monom�ricas hasta producir el polietilentereftalato; la fibra poli�ster, un magnifico sustituto del algod�n.
El uso m�s com�n del polietilentereftalato es la fabricaci�n de fibras textiles y pel�culas transparentes, que se emplean para las cintas de grabadora y para empacar alimentos congelados.
Es altamente probable que usted, amable lector; vista ahora alguna ropa con multitud de macromol�culas de un poli�ster. Es m�s, algunos lectores quedar�an completamente desnudos si les pidi�ramos que se quitaran todas las prendas con estas fibras.
Recientemente se ha logrado que esta resina alcance un alto grado de cristalinidad, lo que la ha convertido en el termopl�stico m�s r�gido. Varias compa��as automotrices lo han incluido para reemplazar diversas piezas met�licas.
DE VUELTA A LAS CADENAS PRODUCTIVAS
Este ejemplo de las resinas poli�ster nos permite hacer un breve alto para analizar la complejidad del �rbol de la petroqu�mica. El siguiente diagrama muestra la cadena productiva que conduce al polietilentereftalato.
Basta que recordemos que, a su vez, el etileno provino del hidrocarburo de dos carbonos del gas natural (el etano), y el para-xileno fue un producto del tren de arom�ticos de la refiner�a.
Debe quedar claro para el lector que para realizar la producci�n de fibra poli�ster (para ropa, por ejemplo) no debe fallar ninguna de las etapas anteriores. Si por alg�n error o contingencia se frena un paso de la cadena de producci�n, la �nica salida es importar cierta cantidad de un petroqu�mico intermedio. Desafortunadamente, eso ocurre con cierta frecuencia. En ocasiones sucede por fallas imprevisibles de car�cter t�cnico o de materia prima; en otras, por errores humanos, y en otras m�s, por deficiente planeaci�n, cuando se retrasan los proyectos de inversi�n. Es por esto que en M�xico la demanda de algunos productos b�sicos ha superado la oferta, por lo que ha sido necesario importarlos, cada vez en mayores cantidades.
Otros dos grupos funcionales que suelen adicionarse, con la subsecuente eliminaci�n de agua, son los carboxilos (-COOH) y las aminas (-NH2). El resultado es un compuesto que se conoce con el nombre de amida, caracterizado por el enlace -CONH-. Esta reacci�n es precisamente la que lleva a cabo nuestro cuerpo para fabricar prote�nas, como veremos m�s adelante.
Si, como se plante� para el caso del poli�ster; se hacen reaccionar dos compuestos, uno con dos carboxilos y el otro con dos aminas, se obtiene una poliamida.
La reacci�n entre el di�cido de seis carbonos (�cido ad�pico) y la amina de seis carbonos (la hexametilediamina) produce una poliamida muy especial, llamada nylon 6,6 (v�ase la f�rmula 50).
El nailon es un s�lido opaco, blanco, que se utiliza principalmente para hacer fibras textiles. Fue preparado originalmente el 28 de febrero de 1935 por el qu�mico Carothers, en los laboratorios de la compa��a Dupont.
F�rmula 50. Nylon 6,6. La letra n indica que un gran n�mero de las unidades encerradas entre par�ntesis se repiten, una tras otra, formando la cadena polim�rica.
Durante la segunda Guerra Mundial, cuando Jap�n cerr� el acceso a la seda del Lejano Oriente, el nailon prob� ser una fibra superior por muchas de sus propiedades. En ese momento se lo utiliz� para elaborar art�culos militares, como cuerdas para barcos y paraca�das. Posteriormente, su uso en medias femeninas aument� enormemente su popularidad.
Aunque parezca cuento, se han producido pel�culas de nailon diez veces m�s delgadas que el pelo humano. Se usa tambi�n en cuerdas para llantas automotrices y en art�culos moldeados.
Las fibras de nailon son muy fuertes, mucho m�s que cualquiera de las fibras naturales. Otra propiedad de las telas de nailon es que se secan f�cilmente. Posteriormente, cuando discutamos la estructura de los carbohidratos, como el algod�n, veremos que estas mol�culas tienen muchos grupos hidroxilo, -OH, los cuales son muy afines al agua. Por ello el algod�n es m�s dif�cil de secar que el nailon.
Existen pol�meros de condensaci�n no formados por �tomos de carbono. As�, por ejemplo, dos mol�culas de dihidroxisilano reaccionan entre s� para producir una mol�cula con enlace Si-O-Si. Esta mol�cula puede reaccionar de nuevo hasta producir una macromol�cula de silic�n, como se la llama (v�ase la f�rmula 51).
F�rmula 51. El silic�n, formidable sellador, es el pol�mero por condensaci�n del dihidroxisilano.
La primera huella del hombre en la Luna fue hecha con una bota de silic�n.
Hay muchos tipos de silicones, que resultan de emplear diferentes mon�meros (puede cambiarse el CH3 por otros grupos). Los aceites, las grasas y los hules de silic�n son mucho m�s resistentes al calor y al ataque de los productos qu�micos que sus equivalentes derivados del carbono. Esto los ha hecho muy �tiles en medicina, para fabricar pr�tesis, y como selladores y aislantes en determinadas industrias. Son tambi�n ampliamente utilizados en electr�nica para la fabricaci�n de circuitos integrados. En 1940 apenas se produjeron algunas pocas toneladas en el mundo. No obstante, en 1969 fueron 100 000 y hoy se producen m�s de 400 000 toneladas.
�CIDO SULF�RICO: DIME CU�NTO PRODUCES Y TE DIR� CUANTO VALES
Alrededor de 90% de la producci�n mundial del azufre se utiliza para preparar �cido sulf�rico, H2 S04
Ya que �ste ha sido catalogado como el producto qu�mico industrial m�s importante de todos, no se puede dejar de mencionarlo en este viaje del tequesquite al ADN.
Como 60% del �cido sulf�rico producido se emplea para preparar fertilizantes y el resto en importantes empresas fabricantes de resinas sint�ticas, papel, detergente y biocidas, la producci�n de �cido sulf�rico de un pa�s es un buen indicador de su desarrollo industrial.
Como, se mencion�, la producci�n de H2 S04 parte del azufre. Este se obtiene tanto de yacimientos naturales como a partir del sulfuro de hidr�geno, H2S, que acompa�a al gas natural. El azufre se quema en presencia de ox�geno y un catalizador, con lo que se obtiene el �xido S03, que con la adici�n de agua se transforma en �cido sulf�rico.
Los �xidos del azufre tambi�n se producen al quemar combustibles que contienen azufre, y son peligrosos contaminantes atmosf�ricos. Esta es la raz�n para que se desulfurice la gasolina. La presencia de estos �xidos en el aire da lugar a la llamada lluvia �cida, ya que basta el contacto con el agua para que se formen �cidos, como el sulf�rico.
La lluvia �cida perjudica tanto a las construcciones como a los seres vivos. Se estima que anualmente se lanzan unos 200 millones de toneladas de �xidos de azufre al aire del planeta, lo cual amenaza y destruye cotidianamente diversas especies acu�ticas. La ciudad de M�xico se encontraba fuertemente amenazada por este problema. En 1986 se inform� que la acidez de la lluvia era diez veces mayor que la esperada para una atm�sfera limpia. Afortunadamente, como se indic� en el cap�tulo II, actualmente se han podido controlar las emisiones de �xidos de azufre a la atm�sfera.
Muy pocos de los pol�meros que hoy se producen alcanzan su uso final sin una modificaci�n. Para ello se cuenta con una gran variedad de aditivos que alteran de diversa manera sus propiedades. Los m�s comunes son los colorantes y los pigmentos, pero existen otros, como los agentes espumantes, los plastificantes, los materiales de relleno y los estabilizadores. Comentaremos brevemente algunas de sus caracter�sticas.
Los agentes espumantes son hidrocarburos de bajo punto de ebullici�n que se agregan al pl�stico. Con el calentamiento, o por una presi�n reducida, el hidrocarburo se evapora y produce burbujas en el pl�stico. El llamado hule espuma de poliuretano y la espuma de poliestireno son preparados de esta manera. Los pl�sticos espumados tienen menor densidad y son mejores aislantes t�rmicos.
Los plastificantes son sustancias que les imparten flexibilidad a los pol�meros. Act�an como lubricantes internos que separan las cadenas polim�ricas. El PVC es quebradizo y se rompe f�cilmente, pero con la adici�n de plastificantes se vuelve suave y flexible. Con PVC modificado se fabrican productos como mu�ecas, paraguas, accesorios de jard�n, tubos protectores de instalaciones el�ctricas y asientos de autom�viles.
En ocasiones se agregan al pl�stico materiales de relleno que reducen el costo del producto final y mejoran sus propiedades f�sicas y mec�nicas. Los m�s utilizados son materiales fibrosos, como el asbesto y la fibra de vidrio. Por ejemplo, los poli�steres reforzados con fibra de vidrio tienen amplio uso para fabricar lavabos, carrocer�as de veh�culos de mar y tierra, y otros objetos diversos.
Muchos de los pl�sticos empleados en art�culos que est�n expuestos a la luz solar terminan por perder su resistencia original y se vuelven quebradizos. La raz�n de ello es que la luz ultravioleta, presente en la radiaci�n solar, es capaz de romper algunos de los enlaces qu�micos de los pol�meros. Para evitarlo se agregan mol�culas estabilizadoras que absorben la luz ultravioleta y liberan la energ�a recibida como calor.
�CONTAMINACI�N MACROMOLECULAR?
Gran parte de la producci�n de pl�sticos es eliminada en forma de desechos... pero esto es un decir. Uno de los m�s graves problemas asociados con los pl�sticos es su indestructibilidad. Todos sabemos de la presencia de bolsas, botellas y otros objetos de pl�stico en playas, r�os, lagunas y predios. Conservadoramente se estima que en el mundo, cada a�o, alrededor de 250 000 toneladas de pl�stico tienen como destino final el medio ambiente, en donde se acumulan como basura. En algunas ciudades, parte de ese pl�stico se recicla y sirve posteriormente para la producci�n de bolsas.
Estos objetos pl�sticos, que est�n por todas partes, no son biodegradables, al igual que algunos detergentes. Debido al gran tama�o de las mol�culas de �stos, los microorganismos bacterianos, responsables de la degradaci�n de muchos de los desechos s�lidos, son incapaces de atacar a los pl�sticos. Por otro lado, su combusti�n puede desprender gases t�xicos, principalmente �cido cianh�drico (que es, nada menos, el de la c�mara de gases) y clorh�drico, de ah� que quemarlos no sea una soluci�n para eliminarlos.
La proliferaci�n de basura pl�stica puede resolverse, pero hace falta que todos participemos. La manera m�s sencilla de hacerlo es el reciclaje. Si todos clasific�ramos nuestra basura y separ�ramos los objetos pl�sticos de los de vidrio, metal y materia org�nica, la reutilizaci�n de pl�sticos, metales y vidrio ser�a m�s factible.
Otra salida posible es el uso de aditivos que realicen la funci�n inversa a la de los estabilizadores, es decir, que tiendan a destruir el material. Se ha demostrado que un tipo de aditivos sensibles a la luz induce la ruptura de las cadenas polim�ricas despu�s de cierto tiempo de exposici�n, lo cual facilita su posterior degradaci�n bacteriana. Los compuestos llamados tiocarbamatos (v�ase la f�rmula 52) empiezan a usarse con este prop�sito. Sus efectos pueden apreciarse claramente en la figura 17.
F�rmula 52. Algunos de los aditivos para fotodegradar los plásticos son tiocarbamatos de metales de transici�n. Aqu� se muestra el ion tiocarbamato.
Figura 17. Esta secuencia de fotos muestra la descomposici�n fotoqu�mica de un plato de pl�stico. a) Sin plato. b) El plato se incorpora al jard�n. c) En 30 a 90 d�as el plato se rompe. d) En 60 a 120 d�as el plato est� completamente roto. e) Entre 90 a 150 d�as s�lo quedan fragmentos. f) De seis a doce meses despu�s no hay restos del plato en el jard�n. (Tomada de J. W. Hill, Chemistry for Changing Times, Burguess, Minneapolis, 1980).
No obstante los �xitos iniciales de este tipo de aditivos, no han sido incorporados sistem�ticamente en las formulaciones de los pl�sticos, al menos en nuestro pa�s.
Adicionalmente, algunos de los plastificantes m�s usados, como los bifenilos policlorados, han sido encontrados en los tejidos de vacas, perros y conejos. Sus efectos t�xicos son considerables. Se ha demostrado que dichas sustancias producen mutaciones en animales de laboratorio. Por ello, actualmente algunos de estos plastificantes se han eliminado del mercado.
Al igual que en las dem�s �reas en las que la contaminaci�n es cr�tica, en el terreno de los pl�sticos habr� de desempe�ar un papel primordial la creaci�n de una conciencia colectiva. Sin duda, los materiales pl�sticos han revolucionado al mundo, pero en el futuro su producci�n deber� acompa�arse de soluciones globales, de tal forma que sean m�s los problemas que resuelvan que los que creen. Sin embargo, para lograr la producci�n de pl�sticos con m�nimo riesgo ecol�gico existe una limitante, que es el problema de siempre: el econ�mico. De todas formas, es necesario que tratemos de resolver este problema de la mejor manera posible, con los recursos a nuestro alcance.
De pl�stico hay hilos y pelotas, mangueras y gabinetes de radio, sillas y peines. Cada objeto merece un procedimiento especial que conduce a su producci�n. El dise�o de los aparatos para moldear los pl�sticos en esos objetos �tiles que est�n presentes a nuestro alrededor no corresponde al qu�mico, sino al ingeniero.
Por ejemplo, los hilos se producen por la t�cnica de extrusi�n, por medio de la cual se bombea el pl�stico a muy alta presi�n y se le hace atravesar una criba con delgad�simos agujeros. Por extrusi�n se fabrican tambi�n mangueras y l�minas para el recubrimiento de fachadas, paredes o muebles.
Los objetos abiertos se obtienen por inyecci�n del pl�stico en moldes fabricados ex profeso, mientras que para objetos cerrados (pelotas, por ejemplo) se utiliza la t�cnica de moldeo por rotaci�n.
Finalmente, se acostumbra producir las botellas pl�sticas por la t�cnica de soplado, en la que aire a presi�n fuerza al pl�stico a recubrir las paredes interiores de un molde.
Existe una infinidad de m�quinas para procesar objetos pl�sticos, y cada una sigue ciertas reglas para su adecuado funcionamiento y dise�o.
Nuestro pa�s cuenta con una importante industria de procesamiento de pol�meros, que ocupa a una notablemente alta proporci�n de mano de obra, en relaci�n con el capital de inversi�n que requiere. No obstante, durante muchos a�os se ha manejado con m�quinas de importaci�n y con el aprendizaje emp�rico que le ha dado la misma actividad productiva. Es por ello que las industrias sobre todo las peque�as, no siempre pueden resolver los problemas que se presentan, por lo que la producci�n deja de ser �ptima y acaba por afectar los costos del producto. Sin duda, es imperativo que los centros educativos ayuden a la industria y combatan esta deficiencia en la formaci�n de profesionales especializados en el campo de los pl�sticos, su s�ntesis y procesamiento.
Desde el punto de vista b�sico, el problema no es nada sencillo. Entender c�mo hacer fluir controladamente a un pl�stico a trav�s de la maquinaria de procesamiento es un muy serio problema de flujo de fluidos. Igualmente, lograr un proceso para obtener un nuevo pol�mero es otro serio problema de qu�mica sint�tica. No se pueden improvisar profesionales que aborden estos delicados temas.
A pesar de que en M�xico la investigaci�n sobre materiales polim�ricos se encuentra en una etapa temprana, ya existen varios grupos importantes, no s�lo en el Distrito Federal, sino tambi�n en los estados (en Monterrey, Saltillo y Hermosillo), comprometidos con la formaci�n de posgraduados en esta especialidad. En la Universidad de Sonora se hace hincapi� en aspectos tanto b�sicos como aplicados de la ciencia de los pol�meros. En el Centro de Investigaci�n en Qu�mica Aplicada (CIQA), en Saltillo, la investigaci�n tiene un car�cter m�s pr�ctico e industrial.
Figura 18. Arbusto del guayule. Una de las primeras investigaciones realizadas
en el CIQA consisti� en la extracci�n y el aprovechamiento del
hule del guayule, que es un arbusto que abunda en nuestras zonas �ridas.
ASPECTOS DE LA INDUSTRIA DE LOS POL�MEROS
Es tal la cantidad de objetos de pl�stico que se fabrican actualmente, que se puede decir que estamos en la era de los pl�sticos. En pa�ses como Alemania y Estados Unidos el consumo volum�trico de materiales pl�sticos es ya superior al del acero. El cuadro 11 muestra c�mo ha evolucionado la producci�n de pl�sticos en M�xico y en el resto del mundo. Aquellos con volumen m�s grande de producci�n mundial son: polietileno (35%), policloruro de vinilo (21%) y poliestireno (10%).
|
CUADRO 11. Evoluci�n de la producci�n de pl�sticos en M�xico y en el mundo. |
||
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
M�s de 70% de la producci�n mundial y mexicana de pl�sticos corresponde a los llamados pl�sticos de consumo, como el polietileno, el PVC el polipropileno y el poliestireno.
Otros tipos de pl�sticos, llamados de ingenier�a, tienen mayor resistencia al calor y al impacto que los de consumo. A pesar de que constituyen alrededor del 2.5% de la producci�n mundial, representan, por sus propiedades particulares, aproximadamente 8% del valor total de la producci�n.
La disponibilidad de estos materiales hizo que su aplicaci�n en mercados especiales, como el electr�nico, el aeron�utico y el automotriz, creciera pronunciadamente.
Adem�s de los de ingenier�a, existen los pl�sticos de especialidad, como ciertos polímidas y pl�sticos biom�dicos, que hasta hace poco eran considerados curiosidades de laboratorio. Estos representan cerca de 0.1% de la producci�n mundial.
Actualmente los pa�ses desarrollados est�n cerrando plantas productoras de pl�sticos de consumo debido, entre otras cosas, a que hay una gran competencia con los pa�ses productores de petr�leo. Por esta raz�n se est�n enfocando a la producci�n de pl�sticos de ingenier�a de especialidad, cuyos costos son, respectivamente, de 4 a 100 veces mayores que los de los pl�sticos de consumo (v�ase la figura 19).
Figura 19. Relaci�n precio/volumen de producci�n para las resinas de consumo
y de ingenier�a. (Fuente: Comisi�n Petroqu�mica Mexicana-SEMIP,
Pl�sticos de ingenier�a, M�xico, 1986.)
En el a�o de 1950, con la producci�n de poliestireno empez� a funcionar la primera planta polimerizadora del pa�s. Tres a�os despu�s, tanto en Monterrey como en la ciudad de M�xico iniciaron operaciones dos plantas productoras de PVC. Anteriormente, todo el pl�stico se importaba, bien como productos terminados o como maquinaria y materias primas.
En la d�cada de los sesenta se inicia la integraci�n vertical, con la producci�n nacional de moldes y equipo auxiliar, as� como de mon�meros (PEMEX en 1966 produce polietileno de baja densidad).
En los setenta, la industria de pol�meros se expande ampliamente debido al incremento de la demanda nacional, y se exportan algunos productos. Este crecimiento origin� fuertes importaciones, tanto de mon�meros como de bienes de capital, y as�, parad�jicamente, el auge del petr�leo acarre� un d�ficit de mon�meros.
En 1981, antes de la crisis econ�mica, ya se importaban 315 000 toneladas de petroqu�micos b�sicos, las dos terceras partes del consumo nacional. Hacia 1984, las importaciones de los dos principales b�sicos (etileno y propileno) sumaron 220 millones de d�lares. No obstante, contin�a la exportaci�n de PVC, fibra poli�ster y algunos productos manufacturados.
En el cuadro 12 se muestra el consumo aproximado de pl�stico per c�pita en algunos pa�ses en 1983.
|
CUADRO 12. Consumo per c�pita de pl�sticos (1983), en kg/habitante. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
En nuestro pa�s, alrededor de 32% de la producci�n est� destinada a objetos de embalaje y envase. Otros mercados importantes son la construcci�n, los electrodom�sticos y los juguetes. Menos de 1% est� representado por el sector agr�cola.
A pesar de su integraci�n desarticulada, la industria de los pol�meros le otorga al petr�leo, materia prima de pr�cticamente todos los mon�meros, un alto valor agregado. Por ello este sector tiene gran importancia en el desarrollo econ�mico y tecnol�gico de nuestro pa�s.
EL ENLACE POR PUENTE DE HIDR�GENO
Antes de ingresar en el mundo de las macromol�culas que forman parte de los organismos vivos, y dada su importancia en estos sistemas, conviene que el lector se familiarice con un tipo de enlace especial, llamado por puente de hidr�geno.
Cada mol�cula conserva su estructura debido a la fuerza de los enlaces qu�micos que mantienen unidos a sus �tomos. Ahora bien, una mol�cula de un compuesto puede interaccionar con el resto de las mol�culas de la misma sustancia. De la magnitud de esta interacci�n intermolecular, que es menor que la del enlace qu�mico, dependen muchas propiedades de las sustancias. Estas fuerzas son responsables, por ejemplo, de la existencia de los l�quidos y los s�lidos. Si no existieran atracciones intermoleculares, toda la materia ser�a gaseosa.
En ciertos compuestos que contienen hidr�geno, las fuerzas intermoleculares son especialmente fuertes. El agua es el primer caso notable (v�ase la f�rmula 53). Por ello es que el agua es un l�quido en las condiciones ambientales normales de la Tierra, lo cual ha hecho posible la aparici�n de vida en el planeta.
F�rmula 53. En el agua se establece un d�bil enlace intermolecular entre el ox�geno de una mol�cula y el hidr�geno de otra. Debido a ello el agua es líquida en condiciones ambientales, y es necesario emplear calor para romper los enlaces de hidr�geno y vaporizarla.
Es muy frecuente la presencia del enlace por puente de hidr�geno, el cual ocurre
entre un hidr�geno (que generalmente presenta una ligera carga positiva) y un
�tomo sobre el cual exista una carga negativa neta (generalmente es el ox�geno,
aunque el fl�or y el nitr�geno tambi�n son buenos ejemplos). M�s adelante tendremos
oportunidad de ver varios casos de este tipo de interacci�n, que es crucial
en multitud de eventos biol�gicos.
Nuestra piel, las plumas del pavo real, los cuernos de los toros, la seda, las garras de las �guilas, la lana, el algod�n, el ARN y el ADN, todos los aspectos de la vida misma est�n sustentados en las macromol�culas naturales. A continuaci�n comentaremos algunos ejemplos espec�ficos de ellas.
Tal vez el d�mero m�s com�n en nuestras vidas sea la sacarosa, nombre qu�mico del az�car de mesa. Empecemos con �l.
Los polisac�ridos son pol�meros de los az�cares, sustancias que llevan el nombre qu�mico de carbohidratos. Éstos son compuestos formados por carbono, hidr�geno y ox�geno, los dos �ltimos en la misma proporci�n que en el agua, es decir, dos �tomos de hidr�geno por cada �tomo de ox�geno. Tal vez el carbohidrato m�s conocido sea la sacarosa, con f�rmula C12 H22 O11, pues es el az�car que utilizamos com�nmente en las comidas.
La sacarosa es un disac�rido, o sea, est� formada por dos mol�culas de carbohidratos (monosac�ridos) que se unen por condensaci�n (v�ase la f�rmula 54), con la eliminaci�n de una mol�cula de agua. Uno de ellos, la glucosa C6 H12 O6, es el carbohidrato m�s utilizado por nuestro cuerpo como fuente de energ�a. El otro, la fructosa, un is�mero con la misma f�rmula, es el responsable del sabor dulce de algunas frutas. Precisamente de ah� toma su nombre.
F�rmula 54. La sacarosa, o az�car com�n, es disac�rido. Para simplificar, no se muestra que en cada v�rtice de los hex�gonos y pent�gonos hay un �tomo de carbono, excepto en los que aparece el símbolo del ox�geno.
Otros disac�ridos ampliamente conocidos son la lactosa, que se encuentra en
la leche, y la maltosa, producto de la cebada.
La celulosa y el almid�n son polisac�ridos de la glucosa, donde el prefijo poli s� representa una multitud de mol�culas de glucosa que se unen por condensaci�n. La celulosa es uno de los principales elementos estructurales de las plantas, y el almid�n constituye su reserva energ�tica.
La celulosa es la sustancia org�nica m�s abundante en la tierra y �nicamente algunas bacterias pueden digerirla, como las que se encuentran en el sistema digestivo de las termitas.
Por otra parte, una enorme cantidad de animales digiere el almid�n, que es abundante en cereales y tub�rculos, como el ma�z y las papas.
La mayor diferencia estructural entre la celulosa y el almid�n es la manera en que se unen las mol�culas de glucosa, a trav�s de uno de sus grupos OH (v�ase la f�rmula 55).
F�rmula 55. a) La glucosa, que corresponde a la primera f�rmula hexagonal de la f�rmula 54, se muestra aqu� en su acomodo espacial real. b) En ocasiones, la f�rmula de (a) se simplifica de esta manera. c) Almid�n. d) Celulosa. Los dos �ltimos son pol�meros de la glucosa.
Esta diferencia puede parecer m�nima, pero el resultado es espectacular.
a) En la celulosa, las mol�culas de glucosa est�n colocadas en l�nea recta. Los enlaces por puente de hidr�geno entre cadenas vecinas dan lugar a estructuras relativamente r�gidas, en las que hay pocas posibilidades de que penetren mol�culas de agua. Al ser un pol�mero lineal, resulta �ptima para construir microfibrillas, a partir de las cuales se constituyen todas las estructuras vegetales (del tallo, hojas y ra�z).
b) Por el contrario, en el almid�n las cadenas adquieren una configuraci�n espiral, que hace al polisac�rido menos r�gido. Existe un menor n�mero de enlaces por puentes de hidr�geno, as� que el agua puede penetrar m�s f�cilmente entre las cadenas. El almid�n animal se encuentra en el h�gado y los m�sculos. Se utiliza en las comidas como fuente de energ�a.
El algod�n es la forma m�s pura de la celulosa. Contiene las fibras m�s largas, por lo que se emplea para fabricar ropa. Su capacidad de absorber agua se debe a que no todos sus �tomos de ox�geno est�n contenidos en enlaces por puentes de hidr�geno, por lo que algunos de sus grupos -OH pueden interaccionar con mol�culas de agua. La celulosa de la madera es de fibra m�s corta y no se puede utilizar en la industria textil, pero s� para fabricar papel.
Tal como lo conocemos, el papel es un invento chino de hace aproximadamente 2 000 a�os. Hoy se puede fabricar con un grosor menor que el del cabello humano.
La pulpa de la madera puede emplearse tambi�n en la preparaci�n de otros productos, como los siguientes:
- Nitrato de celulosa. Se utiliza en la fabricaci�n de explosivos, lacas y pl�sticos.
- Acetato de celulosa. Se emplea para hacer las pel�culas de cine y, en forma de fibra, como la materia textil llamada ray�n.
- Xantato de celulosa. Es ampliamente conocido con el nombre comercial de celof�n. Se usa tambi�n para fabricar cuerdas de llantas.
Las prote�nas forman parte de todos los seres vivos y, como su nombre lo indica (proviene del griego proteios, que significa primero), son de primordial importancia para todos los organismos, desde un virus hasta una ballena. Participan en multitud de procesos biol�gicos esenciales, los cuales se resumen en el cuadro 13.
|
CUADRO 13. Funci�n biol�gica de las prote�nas. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Estructural | Constituyentes de pelo, lana, plumas (protección), músculos, seda, piel. |
| Respiratorio | Transporte y almacenaje de oxígeno. |
| Enzimático | Catálisis biológica. Reacciones de síntesis, oxidación, hidrólisis, etc. |
| Anticuerpos | Defensa del organismo contra el ataque de agentes extraños, como virus y bacterias. |
| Hormonal | Regulación del metabolismo. |
| Nucleoproteica | Transmición hereditaria, síntesis de proteínas para formar tejidos. |
|
|
|
Las prote�nas son macromol�culas con pesos moleculares que van de 5 000 a varios millones de uma. La unidad fundamental (mon�mero) son los amino�cidos. A diferencia de los polisac�ridos, en donde �nicamente una mol�cula (la glucosa) se repite gran cantidad de veces, en las prote�nas se tiene el agrupamiento de 20 amino�cidos diferentes. Por ello podemos decir que las prote�nas son copol�meros. A partir de veinte diferentes mon�meros, las posibilidades de construcci�n de pol�meros son enormes, de all� que haya tal variedad de prote�nas.
Los veinte amino�cidos naturales tienen en com�n la presencia de dos grupos funcionales, el grupo amino (-NH2) y el �cido carbox�lico (-COOH), colocado �ste sobre el mismo carbono que soporta al amino.
F�rmula 56. Estructura general de un amino�cido.
La f�rmula 56 presenta la estructura general de un amino�cido y en el cuadro 14 se encuentran algunos ejemplos de los radicales R.
|
CUADRO 14. Algunos de los veinte amino�cidos naturales. F�rmulas 57 a 66. |
|
El amino�cido m�s simple es la glicina, en la que el radical R es un �tomo de H. Al interactuar con otro amino�cido, como la alanina, con R=CH3, ambas mol�culas se condensan, formando un dip�ptido a trav�s de la eliminaci�n de una mol�cula de agua (v�ase la f�rmula 67). El resultado descrito se denomina glicil-alanina.
F�rmula 67. Formaci�n de un dip�ptido. A partir de los amino�cidos m�s simples (glicina y alanina) puede formarse un d�mero o dip�ptido. Como se observa, la glicil-alanina contiene a�n un grupo amino y un grupo �cido, por los cuales puede continuar reaccionando con otros amino�cidos para formar un polip�ptido mayor.
Sin embargo, pudiera ocurrir que la mol�cula de agua se eliminara a partir del
-OH de la alanina y el H de la glicina, con lo cual se forma la
alanil-glicina. As�, un par de amino�cidos pueden formar dos dip�ptidos.
F�rmula 68. El enlace pept�dico es el lazo de uni�n entre los residuos de los amino�cidos de un polip�ptido.
El enlace que se forma entre los dos amino�cidos se conoce como enlace pept�dico (v�ase la f�rmula 68). Es el mismo que se presenta en la polimerizaci�n del nailon.
La reacci�n entre dos dip�ptidos genera un tetrap�ptido. A partir de cuatro amino�cidos diferentes que reaccionen en todas las combinaciones posibles se puede producir un gran total de veinticuatro (4x3x2x1) tetrap�ptidos. Si se utilizan 20 amino�cidos diferentes pueden obtenerse 2.43 X 1018 diferentes polip�ptidos de veinte unidades, �nada menos que casi dos y medio trillones! Como vemos, hay una enorme cantidad de polip�ptidos, de los cuales s�lo una peque�a fracci�n constituye las prote�nas de los seres vivos.
Desde luego, si pens�ramos en combinar cualquier tipo de amino�cidos, y no s�lo los 20 naturales, el n�mero de polip�ptidos ser�a impensable. La figura 20 presenta la secuencia de amino�cidos de una de las prote�nas m�s simples.
La estructura de las prote�nas es muy complicada, por lo que acostumbra analizarse en tres diferentes niveles.
La estructura primaria corresponde a la diferente secuencia de amino�cidos en la cadena polipept�dica (v�ase la figura 20).
Figura 20. La insulina es una enzima producida por el p�ncreas que interviene en el metabolismo de los az�cares. Su ausencia causa la diabetes. Consiste de dos cadenas polipept�dicas con 21 y 30 residuos de amino�cidos. Ambas cadenas est�n enlazadas a trav�s de puentes disolfuro provenientes del azufre de la ciste�na. Cada terna de letras en la figura representa una abreviatura del nombre (en ingl�s) del amino�cido original (Gly=glicina, Val=valina, etc�tera).
La estructura secundaria es el resultado de las interacciones entre diferentes porciones de la cadena proteica. En muchos casos tienen lugar a trav�s de enlaces por puente de hidr�geno, lo cual origina que las cadenas adopten forma de h�lice (v�ase la figura 21).
Figura 21. a) Las cadenas de polip�ptidos pueden adquirir formas helicoidales. b) Su estructura de h�lice se mantiene gracias a la presencia de enlaces de hidr�geno entre dos enlaces pept�dicos que se encuentran a diferentes alturas.
El estadounidense Linus Pauling recibi� el Premio Nobel de qu�mica en 1954 por
sus estudios en la estructura de las prote�nas. A�os m�s tarde, su esp�ritu
pacifista lo llev� tambi�n a obtener el Premio Nobel de la paz.
La estructura terciaria de las prote�nas es consecuencia de la interacci�n entre las cadenas helicoidales a trav�s, por ejemplo, de enlaces por azufre o de puentes de hidr�geno. Como resultado de ella, las h�lices proteicas pueden adoptar diferentes formas (v�ase la figura 22).
Figura 22. Las h�lices de polip�ptidos pueden doblarse y enrollarse en formas complejas, lo que dota a las prote�nas de estructura terciaria.
Como resultado de esta complejidad estructural, la variedad de funciones que
adoptan las prote�nas es muy amplia, como ya mencionamos.
Por ejemplo, el pelo humano y las plumas de las aves est�n formados de queratina. Esta prote�na adopta la forma de una fibra, similar a los cables marinos de siete cabos, que constan de una h�lice central y otras seis arrolladas a su alrededor.
Como otro ejemplo estructural, tanto la seda como las telas que tejen las ara�as est�n hechas de fibroma, una prote�na con estructura secundaria laminar, en lugar de helicoidal.
Finalmente, la funci�n catal�tica que llevan a cabo las enzimas es un ejemplo casi m�gico de la importancia de la estructura proteica. Estas prote�nas globulares son las responsables de acelerar la multitud de reacciones qu�micas de un organismo. La manera como lo logran es adoptando un arrollamiento tal que s�lo da cabida a que se fije sobre su superficie (y en cierto sitio espec�fico) una determinada mol�cula, la que debe reaccionar, y no otra (v�ase la figura 23). Lo que parece como de cuento es que este tipo de mol�culas hayan aparecido, y sus medios de acci�n se hayan perfeccionado a lo largo de los 4 000 millones de a�os de existencia de condiciones propicias para el surgimiento y evoluci�n de los seres vivos sobre la Tierra.
Figura 23. Las enzimas son prote�nas que catalizan las reacciones biol�gicas. Para que sean activas requieren la presencia de una coenzima (como las vitaminas del complejo B). Estas parejas logran llevar a cabo reacciones espec�ficas en los organismos vivos. En la figura se muestra la ruptura de un sustrato cualquiera. Las enzimas se emplean tambi�n en multitud de procesos industriales, como la manufactura de alimentos, vino y cerveza, f�rmacos, detergentes, textiles, cuero y papel.
�CIDOS NUCLEICOS O POLINUCLE�TIDOS
La informaci�n gen�tica (color de piel amarillo, pelo negro, ojos caf�s, etc.) se encuentra guardada en los genes del n�cleo de las c�lulas, en una macromol�cula llamada ADN (�cido desoxirribonucleico). Esta informaci�n es transmitida a las c�lulas que fabrican las prote�nas a trav�s de otra macromol�cula, el ARN (�cido ribonucleico), que es muy semejante al ADN. Estas dos macromol�culas, conocidas como �cidos nucleicos, son las m�s largas que se han descubierto hasta el momento y tienen masas moleculares superiores a 20 000 millones de uma. Son la parte fundamental de los sistemas de reproducci�n de todos los seres vivos, desde los virus hasta el homo sapiens. Pero �c�mo est�n constituidas?
Tanto en el ADN como en el ARN se encuentran diferentes mol�culas c�clicas con varios �tomos de nitr�geno. Por sus propiedades b�sicas son conocidas como bases p�ricas (aquellas derivadas de la purina) y bases pirim�dicas (derivadas de la pirimidina). La f�rmula 69 presenta las cinco bases de los �cidos nucleicos.
F�rmula 69. F�rmulas de las dos bases p�ricas y de las tres bases pirim�dicas que forman parte de los �cidos nucleicos.
El ADN contiene cuatro de estas mol�culas, y difiere del ARN en que la timina
reemplaza al uracilo. As�, si damos la siguiente nomenclatura: A= ademina,
G= guanina, C= citosina, U= uracilo, y T= timina,
entonces los dos �cidos nucleicos contienen las siguientes bases:
Los nucle�sidos consisten en la uni�n de una base p�rica o pirim�dica a una mol�cula de az�car (sac�rido). Los az�cares que se presentan contienen s�lo cinco �tomos de carbono y no seis, como en el caso de la glucosa y la fructosa. La ribosa (en el ARN) o la desoxirribosa (en el ADN) son los dos az�cares presentes en los �cidos nucleicos (v�ase la f�rmula 70). La �nica diferencia entre estas dos mol�culas es la presencia de un grupo OH adicional en la ribosa. Este simple cambio tiene, sin embargo, un profundo efecto en las funciones biol�gicas de la macromol�cula.
F�rmula 70. La ribosa (a) y la desoxirribosa (b). Cuando estos az�cares se enlazan qu�micamente a las bases de la f�rmula 69, se forman agregados que reciben el nombre de nucle�sidos.
Se llama nucle�tido al resultado de la uni�n de un nucle�sido con un grupo fosfato (H2 PO-4). Es decir; est�n formados por una base (p�rica o pirim�dica), un az�car (ribosa o desoxirribosa) y fosfato (v�ase la f�rmula 71).
F�rmula 71. Estructura de un nucle�tido con guanina como base y ribosa como az�car.
�CIDOS NUCLEICOS O POLINUCLE�TIDOS
Un nucle�tido se une a otro por una reacci�n de condensaci�n, formando polinucle�tidos.
El ADN y el ARN son polinucle�tidos en donde los fosfatos act�an como puentes de uni�n de diferentes nucle�tidos. Con ello se forman largu�simas cadenas. La columna vertebral de la cadena est� constituida por el grupo fosfato y el az�car. Las bases pueden considerarse como ramificaciones. Como en el caso de las prote�nas, la estructura primaria de estas macromol�culas se encuentra definida por la secuencia de los nucle�tidos, la que, a su vez, depende de la base ligada al az�car (v�ase la f�rmula 72).
Figura 24. a) La doble h�lice del ADN consiste en dos polinucle�tidos enlazados a trav�s de puentes de hidr�geno entre bases de cada cadena. b) Una timina de un lado se une con una adenina del otro. c) Una citosina con una guanina.
La ya famosa doble h�lice corresponde a la estructura secundaria de los polinucle�tidos. La forma helicoidal se adquiere gracias a la existencia de enlaces por puente de hidr�geno entre las bases de dos diferentes cadenas. Aqu� se encuentra el secreto de la vida (v�ase la figura 24).
F�rmula 72. Segmento de polinucle�tido. El orden en que se arreglan las bases a lo largo de la cadena es la clave de la informaci�n hereditaria de un individuo. En estas cadenas radica la qu�mica de la herencia.
J. Watson, F. Crick y M. Wilkins ganaron el Premio Nobel en 1962 por la elucidaci�n de la estructura secundaria del ADN.
El orden en que est�n acomodadas las diferentes bases p�ricas y pirim�dicas a lo largo de la h�lice determina el mandato gen�tico para producir, por ejemplo, una hormona humana o una c�lula sexual de una mosca.
Fue en 1973 cuando, por primera vez, los bioqu�micos lograron separar pedazos de genes de ciertas especies animales e introducirlos en otra especie. Es decir; hoy es perfectamente factible tomar un pedazo de ADN humano (el responsable de producir la insulina, por ejemplo) y pegarlo a un pl�smido que se introduce a una bacteria. El resultado sorprendente es una colonia bacteriana que produce insulina humana. Con ello puede atenderse la necesidad de los enfermos de diabetes, que no pueden producir esta hormona pancre�tica.
Esta manipulaci�n bioqu�mica ha generado una nueva rama de la ciencia, que se conoce como tecnolog�a del ADN recombinante (rADN) o ingenier�a gen�tica. Y no es que el bioqu�mico pretenda tomar el lugar del ingeniero, sino que ahora �l est� en posibilidad de dise�ar un nuevo tipo de estructuras: �las de los seres vivos!
No queremos terminar este libro sin mencionar y dar reconocimiento a un destacado cient�fico mexicano: Francisco Bol�var Zapata. Fue el primero en describir; en 1977, un procedimiento para unir eficientemente mol�culas de ADN y luego estabilizarlas en c�lulas bacterianas. Su art�culo ha servido de base para m�s de 6 000 trabajos en la bibliograf�a mundial, lo cual constituye el r�cord para un cient�fico latinoamericano. Bol�var estudi� la carrera de qu�mica y luego la maestr�a en bioqu�mica en M�xico. Fund� el Centro de Investigaci�n en Ingenier�a Gen�tica y Biotecnolog�a (hoy Instituto de Biotecnolog�a de la Universidad Nacional Aut�noma de M�xico) en Cuernavaca, Morelos. Por sus contribuciones recibi� a fines de 1991 el Premio Pr�ncipe de Asturias y en 1992 el Premio Nacional de Ciencias y Artes.
Ha terminado el camino del tequesquite al ADN. La trayectoria tomada puede haber parecido ca�tica y desarticulada, pero su elecci�n ha pretendido mostrar algunos frutos de la ciencia central.
Esperamos que el lector haya podido apreciar la aportaci�n de la qu�mica a algunos aspectos de nuestra sociedad moderna. No le debe caber duda alguna de que la ciencia ha actuado en los �ltimos 300 a�os como un enorme elemento transformador de nuestro modo de vida. Si tomamos la debida precauci�n en los efectos ecol�gicos de estas transformaciones y las guiamos con un estricto sentido �tico, la ciencia nos proporcionar� muchos beneficios y muy pocos dolores de cabeza.
Chow, S., Petroqu�mica y sociedad, colecci�n La Ciencia desde M�xico, Fondo de Cultura Econ�mica, M�xico, 1987.
Comisi�n Petroqu�mica Mexicana, Pl�sticos de ingenier�a, SEMIP, M�xico, 1988.
Eguiluz, "Diagn�stico de la industria de los pol�meros en M�xico", en Memorias del Segundo simposio nacional de pol�meros, Urea, M�xico, 1986.
Jones, M. M., J. T. Netterville, D. O. Johnson, y J. L. Wood, The World of Chemistry, caps. 15 y 16, Saunders, Filadelfia, 1992.
Hughes, T., Chemistry: Ideas to Interpret Your Changing Environment, caps. 9 y 10, Dickenson, Encino, 1975.
Mark, H. F., M�leculas gigantes, Colecci�n Cient�fica, Time Life, M�xico, 1972.
Paladini, A. C. y M. Burachik, Macromol�culas. Monograf�as de qu�mica, n�m. 3, OEA, Washington, 1968.
Ureta Barr�n, E., Pol�meros, ANUIES, M�xico, 1975.
