Macromoléculas Sintéticas y Naturales

Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada, formadas por un gran número de átomos. Generalmente se pueden describir como la repetición de una o unas pocas unidades mínimas o monomeros, formando los polímeros.

A menudo el término macromolécula se refiere a las moléculas que pesan más de 10.000 dalton de masa atómica. Pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas, y se encuentran algunas de gran relevancia en el campo de la bioquímica, al estudiar las biomoléculas. 

Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas se encuentran los plásticos. Son moléculas muy grandes, con una masa molecular que puede alcanzar millones de UMAs que se obtienen por las repeticiones de una o más unidades simples llamado “monómeros” unidos entre sí mediante enlaces covalentes.

Forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas y por puentes covalentes.

Por lo general, se analizan moléculas en el que el número de átomos es muy pequeño, el cual consta de una masa molecular relativamente pequeña, por ejemplo la molécula de la sal común (Na Cl) consta de solo dos átomos y la masa molecular relativa es de 58. En cambio, existen muchas clases de moléculas que poseen una composición mucho más complicada, es decir, una gran cantidad de átomos y un valor grande en su masa molecular; a esta clase de composiciones se le denomina macromoléculas. Específicamente una macromolécula tiene una cantidad mínima de 1000 y una masa no menos de 10.000. Además los eslabones que unen la molécula no conducen a variación en las propiedades físicas, si estos son adicionados de manera complementaria. Por ejemplo la molécula del polietileno, cuya masa molecular relativa es de 280.000 y consta de 20.000 eslabones de grupos CH2. Otro ejemplo es la molécula del ácido ribonucleico; consta de 124 eslabones que se repiten, conformados por 17 aminoácidos diferentes. Su fórmula química es C 575 H 901 O 193 N 171 S 12, su masa molecular relativa es de 13.682. Los polímeros son sustancias conformadas por macromoléculas.

Desde hacia un tiempo se denominaron a cierto grupo de moléculas los coloides, en una época que no se conocía la existencia de la macromolécula, los coloides tenían una apariencia gelatinosa adhesiva, con una velocidad de difusión pequeña sin atravesar las membranas, lo cual sucede lo contrario por ejemplo con la sal común que se difunden muy bien y pasa a través de las membranas, estas sustancias fueron llamadas cristaloides por su buena conformación estructural. En lo sucesivo fue descubierto que en condiciones determinadas los cristaloides podían adquirir un “estado coloidal”, si se lograba unir sus moléculas en grupos y con una masa relativa baja. La agregación de las moléculas de los cristaloides que conducen a la aparición de las propiedades coloidales de sus moléculas, es por lo general una manifestación de las fuerzas de la valencia secundaria y el enlace de los átomos en las macromoléculas es covalente.

MACROMOLÉCULAS NATURALES

Las macromoléculas naturales son las proteínas, los ácidos nucleicos, y los polisacáridos.

Estructura de macromoléculas

Como se ha mencionado antes, las macromoléculas están constituidas por la repetición de algún tipo de subunidad estructural. Tradicionalmente se habla de cuatro niveles de estructura en una macromolécula:

La estructura primaria: es la secuencia de subunidades ( ó monómeros ) que la forman.

La estructura secundaria: hace referencia a la configuración que adquiere la cadena principal de la macromolécula. Los ejemplos más característicos se encuentran en proteínas y ácidos nucleicos, por ejemplo la estructura de a-hélice que adoptan muchas cadenas polipeptídicas, las láminas b, ó el plegamiento practicamente aleatorio al que se hace referencia con el término ovillo al azar, “random-coil”, ó polímero flexible.

La estructura terciaria es el plegamiento general que adquiere la macromolécula en el espacio.

La estructura cuaternaria hace referencia a la posible asociación de más de una molécula del polímero para formar agregados oligoméricos (dímeros, octámeros, etc.).

Los métodos experimentales utilizados en la determinación estructural de macromoléculas no son diferentes de los que se usan en la determinación estructural de moléculas “pequeñas”, y su descripción queda fuera del alcance de esta asignatura: Todos los métodos espectroscópicos, incluyendo el Infrarrojo, UV-visible, dicroismo circular, fluorescencia, resonancia de spín electrónico, y la resonancia magnética nuclear se vienen utilizando desde hace décadas en la elucidación de la estructura de macromoléculas. Especialmente importante ha sido, y lo es actualmente la difracción de Rayos X, y en los últimos años ha adquirido especial relevancia la resonancia magnética nuclear, y los métodos derivados de la microscopía electrónica, de efecto túnel, y de fuerzas.

MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS

Importancia de las macromoléculas sinteticas 

EL POLÍMERO.

Es una molécula grande de peso molecular alto, compuesta de pequeños componentes llamados monómeros. En la naturaleza se encuentran muchas macromoléculas, como las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos...etc.

LOS MONÓMEROS.

Son moléculas o compuestos que suelen contener carbono, y de relativamente bajo a su peso molecular y estructura sencilla susceptible de convertirse en polímeros plásticos o resinas sintéticas o elastómeros mediante combinación consigo misma o con otros compuestos o moléculas similares. 

Los polímeros que contienen la misma unidad repetitiva, como el polietileno, se llaman homopolímeros. Se obtiene un copolímero al formar el polímero con dos monómeros diferentes.

Si se mezclan dos monómeros sin ninguna precaución especial la reacción de polimerización proporciona un copolímero al azar, sin secuencias definidas de ordenación de las dos unidades de monómeros. Sin embargo, con reacciones especiales, se pueden situar bloques de unidades del mismo monómero para obtener una secuencia repetitiva. A este tipo de copolímeros se les llama polímeros de bloque y tienen propiedades físicas distintas de los ordenados al azar.

Las reacciones de polimerización: 

Se pueden dividir en dos tipos: de condensación y de adición. 

Polímeros de condensación:

En los polímeros de condensación se unen dos moléculas perdiéndose o eliminándose una molécula pequeña, como agua o alcohol. Por ello en la polimeración por condensación los monómeros empleados poseen dos o más grupos funcionales responsables de la formación de la cadena. Contienen la misma relación de elementos en la unidad repetitiva del mismo que en el monómero del cual procede. Las polimerizaciones por condensación se efectúan por dos pasos, primero se consume preferentemente el monómero y el peso molecular aumenta lentamente o se logra un segundo paso.

El nylon es el tipo más conocido de poliamidas y se obtuvieron para sustituir a la seda. Los distintos tipos de nylon se distinguen usando números. Estos números se refieren al de átomos de carbono de la diamina y del ácido ibásico. 

Polímeros por adición: 

Presentan un mecanismo de cadena, dependiendo del tipo de monómero empleado siguen mecanismos aniónicos, catiónicos o radicalarios. Pero todas estas clases de mecanismos siguen tres etapas comunes: iniciación, propagación y terminación.

Iniciación: El radical actúa como indicador adicionándose al monómero insaturado y engendrando el radical libre del monómero.

Propagación: Se construye la cadena de polímero por adición consecutiva del monómero.

Terminación: Se interrumpe el crecimiento de la cadena de polímero, se puede efectuar por acoplamiento de dos radicales libres; se adicionan agentes de transferencia, para regular el peso molecular del polímero.

Transferencia de cadena: El polipropileno es un polímero de adición obtenido por polimeración del propileno con tetracloruro de titanio y trialquilaluminio como catalizador. Este polímero esta muy ordenado, tiene un punto de fusión alto, gran tenacidad y se moldea con facilidad; sirve para la manufactura de objetos y fibras. Otro importante polímero de adición muy conocido es el politetrafluoroetileno (Teflón), tiene una buena estabilidad térmica sobre un amplio margen de temperaturas es químicamente inerte y tiene excelentes propiedades de antifricción.

Polímeros reticulares: 

El poliéster y poliamidas más sencillos son moléculas lineales muy largas, sin uniones que los conecten entre sí. El poliéster reticular se llaman resinas alquídicas, son materiales insolubles, rígidos y que al calentarlos no fluyen, ni se reblandecen. Estos polímeros, si se calientan por encima de su punto de fusión, sufren un cambio permanente y se transforman de modo irreversible en un sólido que no se puede volver a fundir. Se les llaman polímeros termoestables, en contraste con los polímeros termoplásticos, que se ablandan, fluyen con el calor y pueden calentarse por encima de su temperatura de fusión muchas veces sin sufrir cambios.

TIPOS DE POLÍMEROS MÁS IMPORTANTES:

LOS PLÁTICOS.

Es un alto polímero, generalmente sintético, combinado con otros ingredientes como agentes curantes, carga, reforzantes, colorantes, plastificantes, etc.; la mezcla puede tomar forma o moldearse por calor y presión en estado bruto, y en su estado endurecido puede ser trabajada con gran precisión dimensional, cortada y acabada.

Los plásticos pueden hacerse en forma de espumas rígidas y flexibles por medio de un agente de soplado; estas espumas son ligeras y resistentes, y el tipo rígido es trabajable a máquina. Estas formas reciben el nombre colectivo de plásticos celulares o alveolares. Los plásticos también pueden reforzarse, generalmente con fibras de vidrio o metálicas. Son laminados en forma de papel, tela, madera, etc.; para muchos usos en la industria de embalaje, de electricidad y mobiliario; también pueden sé galvanizados. La tubería de plástico es muy utilizada para el transporte subterráneo de gases y líquidos a grandes distancias o entre edificios de una misma factoría. 

Varios materiales naturales tienen propiedades reológicas similares a las de los productos sintéticos, pero al no ser poliméricos, no se consideran verdaderos plásticos. Ciertas proteínas son altas polímeros naturales de los que se hacen plásticos, pero su importancia va disminuyendo.

Las principales áreas de aplicación de los plásticos son como componentes de automóviles, en el ramo de la construcción, como materiales de embalaje...etc.

Componentes principales de los plásticos:

Materia Básica: Cada uno de los plásticos se obtiene haciendo reaccionar uno o dos de estos componentes: Celulosa, caseína, resina.

Cargas: Estas se añaden a la materia básica con objeto de abaratar el producto químico o bien mejorar las propiedades físicas, químicas o mecánicas.

Colorantes: Estos se añaden para obtener el color que deseamos.

Catalizadores: Se añaden para aumentar la velocidad de la reacción.

La característica común de todos los plásticos es la de estar formado por moléculas gigantescas o macromoléculas. Estas macromoléculas tienen un pH comprendido entre 10.000 y varios millones. Estas macromoléculas o polímeros se forman por otras moléculas más pequeñas denominadas monómeros.

La unión puede realizarse en secuencia, es decir, un monómero tras otro formando una cadena en el que el monómero en que se repite forma un eslabón siendo el número de eslabones o número de unidades monoméricas el grado de polimeración (es el proceso de unir moléculas).

Clasificación de polímeros:

Se pueden hacer atendiendo a dos criterios:

1º) Según la materia prima.

2º) Por la posibilidad de que sean o no reciclado.

Plásticos Naturales: Que han tenido y tienen gran importancia en el mundo industrial, (caucho, lana...).

Plásticos Sintéticos: Que a su vez se clasifican según la estructura molecular del material en termoplásticos, termoestables y elastómeros.

Los termoplásticos: 

Son aquellos que al ser calentados a determinadas temperaturas 200 - 250º C vuelven a su estado de plasticidad lo que les permite volver a ser moldeados. Teóricamente se pueden moldear un número ilimitado de veces, esto permite recuperar todos los plásticos de deshecho para ser remodelados y formar nuevos objetos. Sus características es que son quebradizos a bajas temperaturas y al ir aumentando la temperatura se ablandan y permitan darles forma que al ser enfriado se conserva. Están constituidos por macromoléculas lineales unidas por enlaces débiles generalmente estos plásticos son flexibles y resistentes a los golpes.

Polietileno: 

Existen dos tipos: El de alta densidad y el de baja densidad es el material plástico más utilizado por su bajo coste de producción y sus grandes aplicaciones industriales. Entre sus propiedades destacaremos: gran tenacidad a temperatura ambiente, buena flexibilidad, excelente resistencia a la corrosión, buenas propiedades aislantes. Se emplean en la fabricación de contenedores para aislantes eléctricos, material químico, botellas...etc.

Cloruro de polivinilo (PVC):

Tiene alta resistencia química, facilidad para ser mezclado con aditivos como estabilizantes, lubricantes, pigmentos... etc. Asi tenemos dos tipos de PVC:

PVC con aditivos: La adición de plastificantes aumenta las propiedades de plasticidad, flexibilidad y extensibilidad, se usa para revestimiento de tapicerías, paredes, zapatos, chubasqueros, bolsas de viaje, cables eléctricos...ect

PVC sin aditivos: Tienen resitencia al impacto y se utilizan en la construcción de tuberías, ventanas, molduras, cableado eléctrico...etc.

Polipropileno: 

Es muy barato ya que se puede sintetizar a partir de productos petrolíferos, presenta una buena resistencia química, a la húmedad y al calor, tienen buena dureza y una flexibilidad notable, se emplea en: electrodomésticos, embalajes, botellas, sacos...etc.

Polimetilmetacrilato (PMMA): 

Resistente al impacto y a las inclemencias del tiempo comercialmente se le denomina plexiglás, se utiliza para acristalar aviones, a embarcaciones, claraboyas, gafas...ect.

Poliamidos (Nylon): 

Tienen buena tenacidad y resistencia química y se utilizan en soportes y piezas eléctricas.

Policarbonato:

Son transparentes y buenos aislantes térmicos, son resistentes a los productos químicos excepto a algunos disolventes se usan en pantallas de seguridad, lentes, vidrios de ventana, engranajes...etc.

Poliesteres: 

Resistente a muchos productos químicos con aplicaciones en electricidad y electrónica como enchufes, conectores...ect.


CONCLUSIONES

A modo de resumen muy general, podemos decir que desde un punto de vista estructural existen dos tipos de macromoléculas: Aquellas que en disolución no adoptan una conformación definida, y que en estado sólido forman sólidos amorfos, ó sólo parcialmente cristalinos; y aquellas que adoptan configuraciones concretas (a-hélices, láminas b, etc.,), perfectamente definidas, y consecuencia de fuerzas intramoleculares específicas. Al primer tipo pertenecen la mayor parte de los polímeros sintéticos, mientras que las macromoléculas naturales en estado nativa suelen pertenecer al segundo. Una característica de estas últimas es que son susceptibles de desnaturalización en el laboratorio, convirtiéndose generalmente en macromoléculas del primer tipo, carentes de estructura definida.