Explorando el Mundo de los Polímeros: Tipos, Estructura y Aplicaciones

Los Polímeros: Estructura, Clasificación y Funciones

Los polímeros son macromoléculas como proteínas, carbohidratos o ácidos nucleicos, con propiedades específicas y vitales para su subsistencia y reproducción. Estas estructuras poliméricas están formadas por una infinidad de pequeñas moléculas llamadas monómeros. El pelo, la lana y la seda están constituidos por moléculas poliméricas naturales.

Polímeros Naturales

Los monómeros pueden ser moléculas iguales o distintas, y son moléculas muy pequeñas que se unen entre sí por enlaces covalentes para formar un polímero.

Si el polímero está constituido por 2, 3 o 4 monómeros se denomina dímero, trímero o tetrámero, respectivamente.

La diferencia entre un material polimérico y uno formado por moléculas más pequeñas radica en sus propiedades mecánicas como flexibilidad, elasticidad, dureza y resistencia.

Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de variadas clases, entre ellas, algunas uniones intermoleculares como fuerzas de Van der Waals (Fuerzas de London, Dipolo-Dipolo Inducido, Dipolo-Dipolo) y puente de hidrógeno o uniones iónicas.

Clasificación de los Polímeros

Composición Química

• Polímeros inorgánicos: formados por la polimerización de unidades monoméricas que poseen elementos diferentes al carbono, especialmente fósforo y silicio.
• Polímeros orgánicos: formados por cadenas hidrocarbonadas o derivadas de ellas. En este grupo se encuentran los polímeros llamados plásticos, como PVC y el polietileno. No todos los polímeros se clasifican como plásticos, un ejemplo de ello es la celulosa.

Origen

• Polímeros naturales: Forman parte de los seres vivos, plantas y animales. Dentro de este grupo se conocen el caucho, la seda, las proteínas, el ADN, entre otros.
• Polímeros de transformación o semisintéticos: Son aquellos formados a partir de polímeros naturales, como el caucho vulcanizado y el rayón.
• Polímeros artificiales o sintéticos: Sintetizados en un laboratorio o en una industria química a partir de la reacción de polimerización de las unidades monoméricas específicas. Por ejemplo, el polietileno obtenido por la polimerización del etileno.

Estructura de la Cadena

• Polímero lineal: se forma cuando el monómero que lo origina tiene dos puntos de ataques, de modo que la polimerización ocurre unidireccionalmente y en ambos sentidos.
• Polímero ramificado: se forma porque el monómero que lo origina posee tres o más puntos de ataque, de modo que la polimerización ocurre tridimensionalmente, en las tres direcciones del espacio. De ella se pueden derivar tres clasificaciones conocidas: Estrellas, Dendritas y Redes.

Muchas propiedades de los polímeros dependen de su estructura. Por ejemplo, un material blando y moldeable tiene una estructura lineal con las cadenas unidas mediante fuerzas débiles; un material rígido y frágil tiene una estructura ramificada; un polímero duro y resistente posee cadenas lineales fuertes interacciones entre cadenas.

Polímeros en Plantas y Animales

Entre los polímeros naturales de mayor importancia están:

1. Polisacáridos: cuyo monómero son los monosacáridos, entre ellos están la celulosa, almidón y glicógeno.
2. Las proteínas: cuyo monómero son los aminoácidos, entre ellos están la queratina, colágeno y la insulina.
3. Los ácidos nucleicos: ADN y ARN, mensajeros químicos de la información genética en la célula.

Celulosa

Es la macromolécula más abundante en la biomasa terrestre y está presente en todos los vegetales.

¿Cómo se forma el polisacárido de la glucosa?

La celulosa es una larga cadena, con un mínimo de 200 moléculas de β-D-glucosa unidas entre sí por enlaces glucosídico β-1,4 y se presenta por la fórmula simplificada (C₆H₁₀O₅)_n. Su estructura es lineal o fibrosa y presenta múltiples uniones por puentes de hidrógeno entre sus moléculas. Esto hace que la celulosa presente gran rigidez y sea insoluble en agua.

Almidón

Polisacárido producido por vegetales a partir de CO₂ del aire y el agua absorbida desde el suelo. Está constituido por dos polímeros:

Caucho Natural

Líquido lechoso que fluye de la corteza del árbol. Este material se utiliza principalmente para la fabricación de llantas, neumáticos, artículos aislantes e impermeables.

Proteínas

Polímeros que forman parte fundamental de todos los tejidos de los seres vivos. Son los sistemas biológicos más importantes que presentan diferentes funciones específicas. Por ejemplo, forman parte de los tejidos estructurales como la queratina de la piel y del pelo.

Clasificación de los Aminoácidos

Existen 20 aminoácidos esenciales para la síntesis de diferentes proteínas.

• Ocho son aminoácidos esenciales: porque no son sintetizados por seres humanos, y por lo tanto deben ser incorporados a través de los alimentos.
• Doce son aminoácidos comunes: que son sintetizados por los organismos de los seres humanos.

De acuerdo a la proporción que existan de los grupos amino o carboxilos, los aminoácidos se pueden clasificar en:

• Carácter neutro: Entre ellos se encuentra Glicina, fenilalanina, Cisteína.
• Carácter ácido: Entre ellos se encuentra ácido aspártico, Ácido glutámico.
• Carácter básico: Entre ellos se encuentra Arginina, Lisina.

¿Cómo se unen los aminoácidos para formar las proteínas?

Esta unión se establece entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxílico de otro, a través de enlaces covalentes. En la formación de un enlace peptídico, se libera una molécula de agua. La molécula formada recibe el nombre de péptido.

Estructura de las Proteínas

• Estructura Primaria: Corresponde a la cadena lineal de aminoácidos de la cadena polipeptídica, y es responsable de las cadenas secundaria y terciaria.
• Estructura Secundaria: Es el ordenamiento espacial estable de los aminoácidos en la cadena polipeptídica, que resulta de la interacción por enlaces de hidrógenos entre los grupos C=O y N-H de los enlaces peptídicos.
• Estructura Terciaria: Estructura espacial que adopta la proteína que se enrolla sobre sí misma, debido a interacciones entre los mismos aminoácidos, adoptando una forma tridimensional globular. Las uniones de los aminoácidos se pueden dar por puentes de disulfuro, puentes de hidrógeno, puentes eléctricos o interacciones hidrófobas.
• Estructura Cuaternaria: Existe una unión interna de una cadena polipeptídica. La estructura cuaternaria es el ordenamiento espacial entre proteínas, que se mantienen unidas por interacciones débiles, formando un complejo proteico.

A raíz de lo anterior, las proteínas se pueden clasificar en:

• Proteínas fibrosas: Las cadenas polipeptídicas que las forman se encuentran ordenadas en paralelo a lo largo de un eje lineal, formando fibras o láminas. Entre estas proteínas se encuentran la α-queratina, que forma el pelo, y la fibroína, que forma la seda. Se caracterizan por ser insolubles al agua.
• Proteínas globulares: Los polipéptidos se ordenan en una estructura esférica compacta. Entre ellas se encuentran las enzimas y hormonas.

Proceso de Desnaturalización o Denaturación

Bajo ciertas condiciones se genera un reordenamiento espacial de la cadena polipeptídica dentro de la molécula, desordenando su estructura. La desnaturalización se puede producir por medios físicos y químicos, como la temperatura, pH, tratamientos mecánicos, irradiación, disolventes orgánicos, e iones metálicos de calcio y magnesio. La desnaturalización puede ser reversible o irreversible.

Los efectos de la denaturación pueden ser:

1. Disminución de la solubilidad.
2. Pérdida de la actividad biológica.
3. Aumento de la viscosidad.
4. Aumento de la sensibilidad frente a agentes que puedan atacar los enlaces peptídicos.

Polímeros Naturales y Sintéticos

Los polímeros naturales son aquellos que proceden de los seres vivos.

Las macromoléculas creadas artificialmente son denominadas polímeros sintéticos, como por ejemplo el polietileno de los envases plásticos, el poliuretano de las zapatillas y de las prendas de vestir.

Los polímeros sintéticos son aquellos que se obtienen por síntesis ya sea en una industria o en un laboratorio.

Entre los polímeros naturales o sintéticos no hay grandes diferencias estructurales, ambos están formados por monómeros que se repiten a lo largo de toda la cadena.

Homopolímeros y Copolímeros

De acuerdo con el tipo de monómero que forma la cadena, los polímeros se clasifican en:

• Homopolímeros: macromoléculas formadas por la repetición de unidades monoméricas idénticas, como por ejemplo celulosa, caucho (homopolímeros naturales) y el PVC (homopolímeros sintéticos).
• Copolímeros: macromoléculas formadas por dos monómeros diferentes, como por ejemplo seda (natural) y baquelita (sintética).

Polimerización

Síntesis de polímeros. El proceso de unión de los monómeros para formar polímeros se denomina polimerización.

La polimerización puede llevarse a cabo por:

• Polímeros de adición: Se forman por la unión sucesiva de monómeros, que tienen uno o más enlaces dobles y triples. En el proceso de polimerización de este tipo se distinguen tres etapas:

1. Iniciación: en la que participa como reactivo una molécula llamada iniciador.
2. Propagación: en la que la cadena comienza a alargarse por repetición del monómero.
3. Terminación: en la que se interrumpe el proceso de propagación y la cadena deja de crecer ya que se han agotado los monómeros.

Polímeros de condensación: Se forman por un mecanismo de reacción en etapa, es decir, a diferencia de la polimerización por adición, no depende de la reacción que le precede: el polímero se forma porque los monómeros que intervienen tienen más de un grupo funcional capaz de reaccionar con el grupo de otro monómero.

Ejemplos de Polimerización por Adición

El polipropileno (PP) es el polímero termoplástico, parcialmente cristalino, que se obtiene de la polimerización del propileno. Es utilizado en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen empaques para alimentos, tejidos, equipo de laboratorio, componentes automotrices y películas.

• Polipropileno: puede obtenerse por un proceso de polimerización catiónica, aniónica o radicalaria, según sea el reactivo indicador que se emplee para ello.
• Polimerización catiónica: de un alqueno es el proceso en el que el extremo por el que crece la cadena es un catión (electrolito).
  • Iniciación: Se adiciona un ácido al propileno. El protón H⁺ ataca a los electrones del enlace doble y termina uniéndose a uno de los átomos de carbono. En esta reacción se genera un ión carbonio.
  • Propagación: En esta reacción, el ión carbonio ataca el doble enlace de otra molécula de propileno, formando un nuevo ión carbonio y así sucesivamente se va alargando.
  • Terminación: La cadena deja de crecer y ahora es posible la reacción entre el ión carbonio y el anión.
• Polietileno: La polimerización radicalaria transcurre para las adiciones en cadenas libres, es decir, los intermediarios que se forman en una reacción por ruptura homolítica y que no tiene carga.