Los surfactantes son compuestos químicos que disminuyen la tensión superficial o tensión interfacial entre dos líquidos , un líquido y un gas , o un líquido y un sólido . La palabra "surfactante" es una mezcla de agente tensioactivo , [ 1 ] acuñado c . 1950 . [2] Como constan de una parte repelente al agua y una parte que atrae el agua, permiten que el agua y el aceite se mezclen; pueden formar espuma y facilitar el desprendimiento de la suciedad.
Los tensioactivos se encuentran entre los productos químicos más difundidos y comercialmente importantes. Los hogares privados y muchas industrias diferentes los utilizan en grandes cantidades como detergentes y productos de limpieza , pero también, por ejemplo, como emulsionantes , humectantes , espumantes , aditivos antiestáticos o dispersantes .
Los tensioactivos se encuentran naturalmente en los detergentes tradicionales a base de plantas, por ejemplo, castañas de indias o nueces de jabón ; también se pueden encontrar en las secreciones de algunas orugas. Hoy en día, los tensioactivos más utilizados, sobre todo los sulfatos de alquilbenceno lineales aniónicos (LAS), se producen a partir de productos derivados del petróleo . Sin embargo, los tensioactivos se producen (nuevamente) cada vez más, total o parcialmente, a partir de biomasa renovable , como azúcar, alcohol graso de aceites vegetales, subproductos de la producción de biocombustibles u otro material biogénico. [3]
La mayoría de los tensioactivos son compuestos orgánicos con "cabezas" hidrófilas y "colas" hidrófobas . Las "cabezas" de los tensioactivos son polares y pueden llevar o no carga eléctrica. Las "colas" de la mayoría de los tensioactivos son bastante similares y consisten en una cadena de hidrocarburos , que puede ser ramificada, lineal o aromática. Los fluorosurfactantes tienen cadenas de fluorocarbonos . Los tensioactivos de siloxano tienen cadenas de siloxano .
Muchos tensioactivos importantes incluyen una cadena de poliéter que termina en un grupo aniónico altamente polar . Los grupos poliéter a menudo comprenden secuencias etoxiladas ( similares a óxido de polietileno ) insertadas para aumentar el carácter hidrófilo de un tensioactivo. Por el contrario, se pueden insertar óxidos de polipropileno para aumentar el carácter lipófilo de un tensioactivo.
Las moléculas de surfactante tienen una o dos colas; los que tienen dos colas se dice que tienen doble cadena . [4]
Lo más común es que los tensioactivos se clasifiquen según el grupo de cabeza polar. Un tensioactivo no iónico no tiene grupos cargados en su cabeza. La cabeza de un tensioactivo iónico lleva una carga neta positiva o negativa. Si la carga es negativa, el tensioactivo se denomina más concretamente aniónico ; si la carga es positiva se llama catiónica . Si un tensioactivo contiene una cabeza con dos grupos con cargas opuestas, se denomina zwitteriónico o anfótero . Los tensioactivos que se encuentran comúnmente de cada tipo incluyen:
Los tensioactivos aniónicos contienen grupos funcionales aniónicos en su cabeza, como sulfato , sulfonato , fosfato y carboxilatos . Los alquilsulfatos destacados incluyen laurilsulfato de amonio , laurilsulfato de sodio (dodecilsulfato de sodio, SLS o SDS) y los sulfatos de alquiléter relacionados , laurethsulfato de sodio (laurilétersulfato de sodio o SLES) y miretsulfato de sodio .
Otros incluyen:
Los carboxilatos son los tensioactivos más comunes y comprenden las sales de carboxilato (jabones), como el estearato de sodio . Las especies más especializadas incluyen el lauroil sarcosinato de sodio y los fluorosurfactantes a base de carboxilato, como el perfluorononanoato y el perfluorooctanoato (PFOA o PFO).
aminas primarias, secundarias o terciarias dependientes del pH ; las aminas primarias y secundarias quedan cargadas positivamente a pH < 10: [5] diclorhidrato de octenidina .
Sales de amonio cuaternario cargadas permanentemente : bromuro de cetrimonio (CTAB), cloruro de cetilpiridinio (CPC), cloruro de benzalconio (BAC), cloruro de bencetonio (BZT), cloruro de dimetildioctadecilamonio y bromuro de dioctadecildimetilamonio (DODAB).
Los tensioactivos zwitteriónicos ( anfolíticos ) tienen centros catiónicos y aniónicos unidos a la misma molécula. La parte catiónica se basa en aminas primarias, secundarias o terciarias o cationes de amonio cuaternario . La parte aniónica puede ser más variable e incluir sulfonatos, como en las sultaínas CHAPS (3-[(3-colamidopropil)dimetilamonio]-1-propanosulfonato) y cocamidopropil hidroxisultaína . Las betaínas como la cocamidopropil betaína tienen un carboxilato con el amonio. Los tensioactivos zwitteriónicos biológicos más comunes tienen un anión fosfato con una amina o amonio, como los fosfolípidos fosfatidilserina , fosfatidiletanolamina , fosfatidilcolina y esfingomielinas .
El óxido de laurildimetilamina y el óxido de miristamina son dos tensioactivos zwitteriónicos comúnmente utilizados del tipo estructural de óxidos de amina terciaria .
Los tensioactivos no iónicos tienen grupos hidrófilos que contienen oxígeno unidos covalentemente, que están unidos a estructuras originales hidrófobas. La solubilidad en agua de los grupos oxígeno es el resultado de los enlaces de hidrógeno . Los enlaces de hidrógeno disminuyen al aumentar la temperatura y, por lo tanto, la solubilidad en agua de los tensioactivos no iónicos disminuye al aumentar la temperatura.
Los tensioactivos no iónicos son menos sensibles a la dureza del agua que los tensioactivos aniónicos y forman menos espuma. Las diferencias entre los distintos tipos de tensioactivos no iónicos son escasas y la elección se rige principalmente teniendo en cuenta los costes de las propiedades especiales (p. ej., eficacia y eficiencia, toxicidad, compatibilidad dermatológica, biodegradabilidad ) o la autorización para su uso en alimentos. [6]
Los etoxilatos de ácidos grasos son una clase de tensioactivos muy versátiles, que combinan en una sola molécula la característica de un grupo principal débilmente aniónico y sensible al pH con la presencia de unidades de óxido de etileno estabilizantes y sensibles a la temperatura. [7]
Los tensioactivos suelen ser compuestos orgánicos similares a los anfifílicos , lo que significa que esta molécula, al ser un agente doble, contiene cada uno de ellos un grupo hidrófilo que "busca agua" (la cabeza ) y un grupo hidrófobo que "evita el agua" (la cola ). ). [9] Como resultado, un tensioactivo contiene tanto un componente soluble en agua como un componente insoluble en agua. Los tensioactivos se difunden en el agua y se adsorben en las interfaces entre el aire y el agua, o en la interfaz entre el petróleo y el agua en el caso de que el agua se mezcle con el petróleo. El grupo hidrófobo insoluble en agua puede extenderse fuera de la fase acuosa en masa hacia una fase no acuosa tal como aire o fase oleosa, mientras que el grupo principal soluble en agua permanece unido en la fase acuosa.
La cola hidrófoba puede ser lipófila ("que busca petróleo") o lipofóbica ("que evita el petróleo") dependiendo de su química. Los grupos de hidrocarburos suelen ser lipófilos, para su uso en jabones y detergentes, mientras que los grupos de fluorocarbono son lipofóbicos, para repeler manchas o reducir la tensión superficial.
La producción mundial de tensioactivos se estima en 15 millones de toneladas al año, de las cuales aproximadamente la mitad son jabones . Otros tensioactivos producidos a escala particularmente grande son los sulfonatos de alquilbenceno lineales (1,7 millones de toneladas/año), los sulfonatos de lignina (600.000 toneladas/año), los etoxilatos de alcoholes grasos (700.000 toneladas/año) y los etoxilatos de alquilfenol (500.000 toneladas/año). [6]
En la fase acuosa en masa, los tensioactivos forman agregados, como micelas , donde las colas hidrófobas forman el núcleo del agregado y las cabezas hidrófilas están en contacto con el líquido circundante. También se pueden formar otro tipo de agregados, como micelas esféricas o cilíndricas o bicapas lipídicas . La forma de los agregados depende de la estructura química de los tensioactivos, es decir, del equilibrio de tamaño entre la cabeza hidrófila y la cola hidrófoba. Una medida de esto es el equilibrio hidrofílico-lipofílico (HLB). Los surfactantes reducen la tensión superficial del agua al adsorberse en la interfaz líquido-aire. La relación que une la tensión superficial y el exceso superficial se conoce como isoterma de Gibbs .
La dinámica de la adsorción de tensioactivos es de gran importancia para aplicaciones prácticas como en procesos de formación de espuma, emulsión o recubrimiento, donde se generan rápidamente burbujas o gotas que necesitan estabilizarse. La dinámica de absorción depende del coeficiente de difusión del tensioactivo. A medida que se crea la interfaz, la adsorción está limitada por la difusión del tensioactivo a la interfaz. En algunos casos, puede existir una barrera energética para la adsorción o desorción del tensioactivo. Si dicha barrera limita la tasa de adsorción, se dice que la dinámica está "cinéticamente limitada". Estas barreras energéticas pueden deberse a repulsiones estéricas o electrostáticas . La reología superficial de las capas de tensioactivos, incluida la elasticidad y viscosidad de la capa, juega un papel importante en la estabilidad de las espumas y emulsiones.
La tensión interfacial y superficial se puede caracterizar mediante métodos clásicos como el método de gota colgante o giratorio . Las tensiones superficiales dinámicas, es decir, la tensión superficial en función del tiempo, se pueden obtener mediante el aparato de presión máxima de burbuja.
La estructura de las capas de tensioactivos se puede estudiar mediante elipsometría o reflectividad de rayos X.
La reología de la superficie se puede caracterizar mediante el método de la gota oscilante o reómetros de superficie de corte, como los reómetros de superficie de corte de doble cono, doble anillo o varilla magnética.
Los tensioactivos desempeñan un papel importante como agentes limpiadores, humectantes , dispersantes , emulsionantes , espumantes y antiespumantes en muchas aplicaciones y productos prácticos, incluidos detergentes , suavizantes de telas , aceites de motor , emulsiones , jabones , pinturas , adhesivos , tintas , antivaho , ceras para esquí , cera para snowboard, destintado de papeles reciclados , en flotación, lavado y procesos enzimáticos, y laxantes . También formulaciones agroquímicas como herbicidas (algunos), insecticidas , biocidas (sanitizantes) y espermicidas ( nonoxinol-9 ). [10] Productos de cuidado personal como cosméticos , champús , gel de ducha , acondicionadores para el cabello y pastas de dientes . Los tensioactivos se utilizan en la extinción de incendios (para producir "agua húmeda" que penetra más rápidamente en materiales inflamables [11] [12] ) y en tuberías (agentes reductores de arrastre de líquidos). Los polímeros tensioactivos alcalinos se utilizan para movilizar petróleo en pozos petroleros .
Los tensioactivos actúan provocando el desplazamiento del aire de la matriz de las almohadillas de algodón y los vendajes, de modo que las soluciones medicinales puedan absorberse para su aplicación en diversas zonas del cuerpo. También actúan para desplazar la suciedad y los desechos mediante el uso de detergentes en el lavado de heridas [13] y mediante la aplicación de lociones y aerosoles medicinales a la superficie de la piel y las membranas mucosas. [14] Los tensioactivos mejoran la remediación mediante el lavado del suelo, la biorremediación y la fitorremediación. [15]
En solución, los detergentes ayudan a solubilizar una variedad de especies químicas disociando agregados y desplegando proteínas. Los tensioactivos populares en el laboratorio de bioquímica son el lauril sulfato de sodio (SDS) y el bromuro de cetil trimetilamonio (CTAB). Los detergentes son reactivos clave para extraer proteínas mediante lisis de células y tejidos: desorganizan la bicapa lipídica de la membrana (SDS, Triton X-100 , X-114, CHAPS , DOC y NP-40 ) y solubilizan las proteínas. Se utilizan detergentes más suaves como el octiltioglucósido , el octilglucósido o el dodecilmaltósido para solubilizar proteínas de membrana como enzimas y receptores sin desnaturalizarlos . El material no solubilizado se recoge mediante centrifugación u otros medios. Para la electroforesis , por ejemplo, las proteínas se tratan clásicamente con SDS para desnaturalizar las estructuras terciarias y cuaternarias nativas , permitiendo la separación de proteínas según su peso molecular .
También se han utilizado detergentes para descelularizar órganos. Este proceso mantiene una matriz de proteínas que preserva la estructura del órgano y, a menudo, la red microvascular. El proceso se ha utilizado con éxito para preparar órganos como el hígado y el corazón para trasplantes en ratas. [16] Los surfactantes pulmonares también son secretados naturalmente por las células tipo II de los alvéolos pulmonares en los mamíferos .
Los surfactantes se utilizan con puntos cuánticos para manipular su crecimiento, [17] ensamblaje y propiedades eléctricas, además de mediar reacciones en sus superficies. Se están realizando investigaciones sobre cómo se organizan los tensioactivos en la superficie de los puntos cuánticos. [18]
Los tensioactivos desempeñan un papel importante en los microfluidos basados en gotas en la estabilización de las gotas y en la prevención de la fusión de las gotas durante la incubación. [19]
El material tipo Janus se utiliza como catalizador heterogéneo similar a un tensioactivo para la síntesis de ácido adípico. [20]
Los agentes que aumentan la tensión superficial son "tensioactivos" en el sentido literal, pero no se denominan tensioactivos ya que su efecto es opuesto al significado común. Un ejemplo común de aumento de la tensión superficial es la salinización : agregar una sal inorgánica a una solución acuosa de una sustancia débilmente polar hará que la sustancia precipite. La sustancia puede ser en sí misma un tensioactivo, lo cual es una de las razones por las que muchos tensioactivos son ineficaces en el agua de mar.
El cuerpo humano produce diversos tensioactivos. El surfactante pulmonar se produce en los pulmones para facilitar la respiración aumentando la capacidad pulmonar total y la distensibilidad pulmonar . En el síndrome de dificultad respiratoria o SDR, la terapia de reemplazo de surfactante ayuda a los pacientes a tener una respiración normal mediante el uso de formas farmacéuticas de surfactantes. Un ejemplo de surfactante pulmonar farmacéutico es Survanta ( beractant ) o su forma genérica Beraksurf, producido por Abbvie y Tekzima respectivamente. Las sales biliares , un tensioactivo producido en el hígado, desempeñan un papel importante en la digestión. [21]
La mayoría de los tensioactivos aniónicos y no iónicos no son tóxicos y tienen una LD50 comparable a la sal de mesa . La toxicidad de los compuestos de amonio cuaternario , que son antibacterianos y antifúngicos , varía. Los cloruros de dialquildimetilamonio ( DDAC , DSDMAC ) utilizados como suavizantes de telas tienen una LD50 alta (5 g/kg) y son esencialmente no tóxicos, mientras que el cloruro de alquilbencildimetilamonio desinfectante tiene una LD50 de 0,35 g/kg. La exposición prolongada a los tensioactivos puede irritar y dañar la piel porque los tensioactivos alteran la membrana lipídica que protege la piel y otras células. La irritación de la piel generalmente aumenta con la serie de tensioactivos no iónicos, anfóteros, aniónicos y catiónicos. [6]
Los surfactantes se depositan habitualmente de numerosas maneras en la tierra y en los sistemas de agua, ya sea como parte de un proceso previsto o como desechos industriales y domésticos. [22] [23] [24]
Los tensioactivos aniónicos se pueden encontrar en los suelos como resultado de la aplicación de lodos de depuradora , el riego con aguas residuales y los procesos de remediación. Concentraciones relativamente altas de tensioactivos junto con multimetales pueden representar un riesgo medioambiental. En concentraciones bajas, es poco probable que la aplicación de surfactante tenga un efecto significativo sobre la movilidad de los metales traza. [25] [26]
En el caso del derrame de petróleo de Deepwater Horizon , se rociaron cantidades sin precedentes de Corexit directamente en el océano en el lugar del derrame y en la superficie del agua del mar. La teoría aparente era que los tensioactivos aislan las gotas de petróleo, lo que facilita que los microbios que consumen petróleo digieran el petróleo. El ingrediente activo de Corexit es el sulfosuccinato de dioctilo sódico (DOSS), el monooleato de sorbitán (Span 80) y el monooleato de sorbitán polioxietilenado ( Tween-80 ). [27] [28]
Debido al volumen de tensioactivos liberados al medio ambiente, por ejemplo los detergentes para ropa en el agua, su biodegradación es de gran interés. Llama mucho la atención la no biodegradabilidad y la extrema persistencia de los fluorosurfactantes , por ejemplo el ácido perfluorooctanoico (PFOA). [29] Las estrategias para mejorar la degradación incluyen el tratamiento con ozono y la biodegradación. [30] [31] Dos tensioactivos principales, los sulfonatos de alquilbenceno lineales (LAS) y los etoxilatos de alquilfenol (APE), se descomponen en condiciones aeróbicas que se encuentran en las plantas de tratamiento de aguas residuales y en el suelo para formar nonilfenol , que se cree que es un disruptor endocrino . [32] [33] El interés en los tensioactivos biodegradables ha generado mucho interés en los "biotensioactivos", como los derivados de aminoácidos. [34] Los tensioactivos de base biológica pueden ofrecer una biodegradación mejorada. Sin embargo, que los tensioactivos dañen las células de los peces o provoquen montañas de espuma en los cuerpos de agua depende principalmente de su estructura química y no de si el carbono utilizado originalmente proviene de fuentes fósiles, dióxido de carbono o biomasa. [35]
Un tensioactivo (una contracción de un agente tensioactivo ) es una sustancia que , cuando está presente en baja concentración en un sistema, tiene la propiedad de adsorberse en las superficies o interfaces del sistema y de alterar en un grado marcado las energías libres superficiales o interfaciales de esas superficies (o interfaces).
Medios relacionados con los tensioactivos en Wikimedia Commons
