QUIMICA FORESTAL

INTRODUCCION

LIC. QMCO. DEYSI GUZMAN LOAYZA

SEGÚN LA LEY FORESTAL N°27308

QUIMICA

• Es la ciencia o parte de ella que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia.

• Así también estudia los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas.

FOTOSINTESIS

Los árboles, plantas y algas sustentan su crecimiento a través de la fotosíntesis

(foto = luz síntesis = hacer) En el caso de los árboles y plantas verdes, se da

una reacción química que se produce en las hojas con la ayuda de la clorofila que absorbe la energía de la luz del sol, el dióxido de carbono del aire y el agua absorbida del suelo.

A través de este proceso el árbol obtiene alimento en la forma de azúcares, tales como la sacarosa y la maltosa.

Toda esta cadena concluye con la instalación de la glucosa en el cámbium (capa situada entre la corteza y la madera del árbol) para ser sintetizada, dando origen a la celulosa.

• Otra particularidad de convertir los minerales en compuestos orgánicos es exclusiva de los vegetales y de ciertas bacterias y algas microscópicas.

• La vida animal, los hongos y los protozoos dependen de los vegetales, principal fuente disponible de compuestos orgánicos elaborados.

CARBOHIDRATOS

CAPITULO 2

DEFINICION

• Se derivan de Cx(H2O)y.

• Son compuestos polihidroxilicos, comunes en la naturaleza.

• Se clasifican en:

• MONOSACARIDOS: azucares como la glucosa, manosa,galactosa,xilosa y arabinosa.

OH

O

OH H

H OH

H OH

D-Arabinose

OH

O

H OH

OH H

H OH

D-Xylose

OH

O

H OH

OH H

OH H

H OH

D-Galactose

OH

O

H OH

OH H

H OH

H OH

D-Glucose

OH

O

OH H

OH H

H OH

H OH

D-Mannose

• OLIGOSACARIDOS: constituidos por restos de monosacáridos, toman este nombre por tener menos de 10 unidades de monosacáridos.

• POLISACARIDOS: constituidos por largas cadenas de monosacáridos.

• sirve como material de reserva de la planta.

CELULOSA

DEFINICION:

• La celulosa, es un polisacárido constituido por moléculas de D-glucosa unidas por enlaces B(1-4) glucosídicos.

Compuesto orgánico más difundido en la naturaleza; componente principal de las paredes celulares vegetales

(p.Ej en las maderas, en las fibras de algodón) en las cuales se encuentra junto con hemicelulosa, pectina y lignina.

Varias moléculas de celulosa se van a juntar (≈ 36) para formar la fibrilla elemental.

La biosíntesis de la celulosa

• El lugar de formación y polimerización es la membrana plasmática.

• La síntesis ocurre siempre por el extremo no reductor, es decir que si es una molécula de celulosa que se está formando, entraría por el extremo no reductor:

• La polimerización es un proceso enzimático. El ensamblaje es un proceso espontáneo.

• La enzima que se encarga de la polimerización es un complejo enzimático que se denomina celulosa sintetasa o celulosa sintasa.

• La celulosa sintetasa es como una glucosil- transferasa que transfiere monómeros activados al extremo no reductor.

• ESTRUCTURA MOLECULAR

Desde el punto de vista bioquímico, la celulosa (C6H10O5)n con un valor mínimo de n = 200.

constituido por una larga cadena de carbohidratos polisacáridos.

•La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, •se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas muy resistentes e insolubles al agua.

• Así se originan fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales, dándoles así la necesaria rigidez.

…///…

• A pesar de que está formada por glucosas, el hombre no puede utilizar a la celulosa como fuente de energía, ya que no cuenta con la enzima necesaria para romper los enlaces β-1,4-glucosídicos, sin embargo, es importante incluirla en la dieta humana (fibra dietética) por sus efectos benéficos, favoreciendo el movimiento intestinal.

1. Peso molecular El PM varía ampliamente (50.000 – 2500.000), dependiendo del

origen de la muestra.

2. Grado de Polimerización(°P) Referido al tamaño de la cadena. Este va de 7.000 a 15.000 para la celulosa en las plantas (nativa)

GP= masa molecular de celulosa/masa molecular de una unidad glucosidica

Estos valores se ven fuertemente reducidos por los tratamientos químicos intensivos, tales como: el pulpaje, blanqueo y transformación.

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE LA CELULOSA

Por ejemplo:- El O2 atmosférico reduce el grado de

polimerización del algodón después que las cápsulas se han abierto.

- Existe evidencia que el grado de polimerización se reduce durante la vida del árbol, es decir, es mayor en células adyacentes al cambium y disminuye hacia la médula.

….///• La celulosa nativa, de la pared de las células

que componen la madera, se denomina celulosa I, para diferenciarla de otros tipos de celulosa.

• La reducción en el ºP no es uniforme, las cadenas moleculares varían en longitud y debería hablarse entonces de un ºP promedio.

3. Estructura Cristalina

En el estado sólido las uniones hidrógeno entre las moléculas de celulosa no están dispuestas irregularmente o aleatoriamente, sino que un sistema regular de puentes de hidrógeno resulta en un sistema ordenado con propiedades parecidas a un sistema cristalino.

Ella forma una red cuya unidad elemental es

monoclínica, o sea, posee tres ejes de distintas longitudes y uno en ángulo de 90°

• La celulosa nativa es parcialmente cristalina, varia de 50 a 70%(medido por D.Rayos X).

• Mediante este análisis se ha demostrado que por cada 600 Ansgtrom de celulosa cristalina la estructura presenta regiones amorfas:

3.1 Enlaces intermoleculares: Estos son puentes de hidrógeno entre grupos OH de moléculas de celulosa adyacentes y son responsables por la formación de estructuras supramoleculares.

3.2 Enlaces intramoleculares: Son puentes de

hidrógeno entre grupos OH de unidades de glucosa adyacentes en la misma molécula. Estos enlaces dan cierta rigidez a las cadenas individuales.

3.3 El enlace -glucosídico, ya que solamente la posición del grupo hidroxilo en el C1 permite un alargamiento de cadena.

Un OH y un enlace -glucosídico respectivamente llevan a una cadena molecular helicoidal como ocurre con la amilosa (20 %) en el almidón.

3.4 La conformación del anillo piranoso. A temperaturas normales éste adopta la forma de silla que es más estable, es decir, la de más baja energía .

3.5 Posición de los grupos OH. La que puede ser sobre y bajo el anillo

(conformación axial ) ,o en el mismo plano del anillo (conformación ecuatorial).

Esta última tiene el contenido más bajo de energía, lo que ha sido confirmado por estudios IR en derivados de metil-glucosa.

4. Solubilidad.La celulosa es insoluble en casi todos los

solventes usuales. Es preciso disolverla para poder estudiar sus propiedades moleculares;

Esta disolución es posible mediante una conversión heterogénea en ésteres como en nitrato de celulosa y el acetato de celulosa, o éteres como la metil celulosa (MC) y la carboximetilcelulosa (CMC).

..//..Los primeros son solubles en solventes comunes,

tales como: propanona (acetona) y acetato de etilo, mientras que la mayoría de los éteres de celulosa son solubles en agua .

El empleo de ácidos concentrados, como el fosfórico y el trifluoracético (TFA), llevan a un rompimiento hidrolítico de las cadenas, obteniéndose finalmente productos de degradación.

5. Histeresis

La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado.

La madera cuando esta seca – absorbe agua del medio hasta alcanzar su equilibrio-

Cuando la absorción es elevada hasta un punto de saturación y la humedad relativa del aire es progresivamente disminuida, la cantidad de agua absorbida también decrece progresivamente

Este fenómeno se basa en la formación de los enlaces puente hidrogeno entre:

Celulosa- agua celulosa - celulosa

El grafico muestra las isotermas de desorcion y absorción tipo sigmoide las cuales son típicas de madera y celulosa

Fuentes de Celulosa

• Algas marinas: como las del genero valonia que posee largas microfibrilas

• Pelos de los frutos: pericarpo, algodón, cascara de coco.

• Fibras como el yute, lino, cañamo, etc.• Gramineas monocotiledoneas: bagazo de

caña, bambu, espigas de cereales, etc.• Fibras del leño: maderas (coniferas y

latifoliadas).

Reacciones de la celulosa

• Estas reacciones van a depender de su constitución molecular y estructura física.

• Los grupos alcohólicos pueden sufrir principalmente reacciones de adición, sustitución y oxidación.

• Los grupos reductores reaccionan a través de reducción y oxidación

• Básicamente la reactividad de la celulosa esta en función de la accesibilidad de los grupos OH, para poder penetrar el reactivo a las microfibrillas.

• Si solo el reactivo penetra en las zonas amorfas de la estructura de la celulosa se obtendrá un producto final des-uniforme porque no ocurrirían reacciones en las zonas cristalinas.

Principales reacciones de la celulosa

• Reacciones de los enlaces glucosidicosLo que se da es el rompimiento de los enlaces:

degradación hidrolitica

• Degradación por compuestos oxidantes

• Degradación por microorganismos

Lo que se sucede es una hidrólisis enzimática catalizada por la celulasa.

Este ataque es localizado porque las moléculas de la enzima son grandes y por tal no se pueden difundir tan rápido en la celulosa.

• Reacciones de adición

Usualmente los reactivos son los llamados compuestos de hinchamiento

Esta se inicia con la ruptura de los enlaces puentes hidrogeno de la cadenas de celulosa.

Para lograr esto es necesaria: una concentración minima del agente de

hinchamiento De la temperatura De la estructura física de la celulosa

Reacciones: obtención de derivados

• Cada molécula β-D-glucopiranosa de la cadena de celulosa tiene tres grupos hidroxilos:

• Uno de los requisitos para lograr la esterificacion de la celulosa es la ionizacion de los grupos OH.

La ionizacion y la reactividad de estos grupos se incrementa de acuerdo a:

OH-6 > OH-3 > OH-2

2. Esteres de ácidos orgánicos

a. Acetato de celulosa

CH3

OOCELULOSA

H+

+ CEL-OH

CH3 O

O

O

CH3

1. Esteres de ácidos inorgánicos

B. SULFATO DE CELULOSA

A. NITRATO DE CELULOSA

NO2+

+ OH-CELULOSA NO2-O-CELULOSAH2SO4

HNO3

+ OH-CELULOSA SO3-O-CELULOSAH2SO4

SO3 + H+

3. Eteres

a. Alquil derivados: los mas comunes son el metil y etil celulosa

+CEL-OH + R-CL CEL-OR CL-

R = CH3 O C2H5

b. Hidroxialquil eter: son obtenidos de la reacción de la celulosa con óxidos de alqueno, ejemplo:

CELL-OH +O

CELL-(O-CH 2-CH2)n + H2O

C. Xantato de celulosaPor tratamiento del álcali celulosa con disulfuro de carbono, el tratamiento se realiza a 25 a 30 °C por tres horas.

CELL-OH + S=C=S

CELL-

S

-O

-S