Guía de Materia

Química

Polímeros orgánicos e inorgánicos, sintéticos y naturales

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Los polímeros se definen como macromoléculas constituidas por unidades estructurales menores, denominadas monómeros, que se repiten sucesivamente. Los monómeros, que están formando un polímero, pueden ser iguales o diferentes y se unen entre si por enlaces covalentes, el proceso de formación corresponde a la polimerización. Dependiendo el número de monómeros que forme el polímero, éste recibe el nombre de dímero, trímero o tetrámero, si contiene 2, 3 ó 4 monómeros, respectivamente.

1. Clasificación de Polímeros

Los polímeros se pueden clasificar según distintos criterios, algunas de las clasificaciones que podemos encontrar son:

1.1 Formación

Polímeros de adición: se forman en una reacción de adición, a partir de un único monómero. Ejemplo:

Polímeros de condensación: se forman en una reacción de condensación, en la que se elimina una molécula, que generalmente es agua. También se constituyen por un solo monómero.

Ejemplo:

OnH )n OH(C OHnC 251066126

(monómero)

glucosa -

ón)condensaci de (polímero

Almidón

Copolímeros: se forman en reacciones de adición o condensación, pero a partir de más de un monómero.

Ejemplo: Baquelita

1.2 Composición química

Polímeros orgánicos: constituidos por cadenas hidrocarbonadas o derivados de ella. Ejemplo: Silicona.

Polímeros inorgánicos: constituidos por monómeros poseen elementos distintos de carbono. Ejemplo: PVC, polietileno.

1.3 Origen

Polímeros naturales: son parte de los seres vivos. Ejemplo: Caucho, seda, proteínas, ADN.

Polímeros de transformación o semi sintéticos: son aquellos formados a partir de polímeros naturales.

Ejemplo: Caucho vulcanizado, rayón.

Polímeros artificiales o sintéticos: son aquellos sintetizados en un laboratorio o industria química, a partir de la polimerización de unidades monoméricas específicas.

Ejemplo: Polietileno obtenido de la polimerización del etileno.

1.4 Estructura de la cadena

Polímeros lineales: la polimerización es en una sola dirección.

Polímeros ramificados: los monómeros no sólo reaccionan en los extremos de la cadena, sino también en posiciones intermedias.

Polímeros entrecruzados: dos o más cadenas lineales se unen en distintas partes, formando una especie de enrejado.

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2. Algunos Polímeros Naturales de uso común

2.1 Caucho

El caucho natural se obtiene a partir de la savia o látex de muchas especies vegetales tropicales, aunque la mayor parte de la producción mundial proviene de la Hevea brasilensi. En cuanto a su

composición química es un polímero de adición del isopreno (ver Figura 1), el que se genera por el calentamiento de la savia en ausencia de oxígeno.

La alta resistencia mecánica hace del caucho natural un polímero de importancia comercial, en la producción de distintos objetos que requieren esta propiedad; sin embargo, tiene una desventaja asociada a su viscosidad que hace que se ablande con el aumento de temperatura y al enfriarse se endurezca.

Figura 1. Formación y estructura del caucho natural.

2.2 Almidón

El almidón es un polisacárido sintetizado en los vegetales como elemento de reserva

energética, a partir del CO2, el aire y el agua absorbida del suelo. En cuanto a su estructura química, es

un polímero de condensación, en la cual se unen moléculas de -glucosa con eliminación de agua.

El almidón está presente en diversos alimentos como las pastas y el pan, cuya materia prima, la harina, proviene de vegetales ricos en almidón como el trigo, maíz, arroz, etc.

2.3 Celulosa

La celulosa es una macromolécula presente en todos los vegetales, de ahí que sea la más

abundante en la biomasa terrestre. En cuanto a su constitución química, es un polímero de -glucosa,

originado por condensación, con la eliminación de agua.

Algunos de sus usos más comunes son la producción de madera y papel.

3. Proteínas

Las proteínas son polímeros de gran importancia en la química de los seres vivos, dadas sus diversas funciones en los procesos biológicos, constituyendo más del 50% del peso seco de la célula. En relación a su constitución química, la unidad básica de las proteínas son los aminoácidos, los cuales están formados por un grupo amino y otro carboxilo. Dentro de las funciones que realizan las proteínas están:

Estructural: en la fibroína de la seda y la queratina. Regulación del pH de la sangre: como electrolitos anfóteros. Coagulación de la sangre Anticuerpos Transporte de oxígeno. Catálisis de reacciones biológicas: Enzimas.

3.1 Aminoácidos Como se mencionó anteriormente los aminoácidos, son las unidades estructurales de las proteínas, formados por un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH); su estructura se observa en la Figura 2. Los aminoácidos se unen entre sí por un enlace de tipo covalente denominado enlace peptídico (Figura 3), que al formarse libera una molécula de agua y un péptido, cuya unión de varias

unidades forma la cadena polipeptídica.

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Figura 2. Estructura general de los Figura 3. Esquema enlace peptídico. Aminoácidos. En la naturaleza existen 20 tipos de aminoácidos diferentes, de los cuales ocho se denominan esenciales, debido a que sólo bacterias y vegetales son capaces de sintetizarlos; por lo tanto los animales y seres humanos deben incorporarlos a través de los alimentos; mientras que el resto pueden ser sintetizados en todos los organismos vivos; en la Tabla 1 se indica esta clasificación. Tabla 1. Aminoácidos y sus derivaciones.

Aminoácidos Esenciales Aminoácidos Comunes

Fenilalanina (Phe) Ácido aspártico (Asp)

Isoleucina (Ile) Ácido glutámico (Glu)

Leucina (Leu) Alanina (Ala)

Lisina (Lys) Arginina (Arg)

Metionina (Met) Asparagina (Asn)

Treonina (Thr) Cisteína (Cys)

Triptófano (Trp) Glicina (Gly)

Valina (Val) Glutamina (Gln)

Histidina (His)

Prolina (Pro)

Serina (Ser)

Tirosina (Tyr)

3.2 Estructura de las Proteínas

Primaria: estructura en que los aminoácidos se organizan en la secuencia lineal de la cadena polipeptídica. (Figura 4)

Figura 4. Estructura primaria de una proteína.

Secundaria: corresponde al ordenamiento espacial, estable, de aminoácidos cercanos de la

cadena polipeptídica. Se conocen dos tipos de estructura secundara, la hélice y la lámina

plegada . (Figura 5)

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Figura 5. Estructuras secundarias de las proteínas. En la

Figura 5a está el tipo -hélice y en la 5b el -laminar.

Terciaria: corresponde a la disposición espacial en que la proteína se enrolla sobre sí misma, producto de interacciones entre los aminoácidos que la forman, adoptando una configuración tridimensional globular (Figura 6), la que facilita la solubilidad en agua, así como algunas funciones importantes de las proteínas como las de transporte, hormonales y enzimáticas.

Figura 6. Estructura Terciaria.

Cuaternaria: corresponde a la estructura que se origina cuando varias cadenas polipeptídicas se unen por interacciones débiles, formando un complejo proteico (Figura 7). Un ejemplo de esta estructura se da en la hemoglobina.

Figura 7. Estructura Cuaternaria.

3.3 Clasificación de las Proteínas

Proteínas fibrosas: son aquellas formadas por cadenas polipeptídicas orientadas en paralelo a lo largo de un eje lineal, constituyendo fibras o láminas muy resistentes e insolubles en agua.

Ejemplo: -queratina: proteína que forma el pelo.

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Fibroína: proteína de la seda.

Proteínas globulares: los polipéptidos que las forman están orientados en una estructura esférica compacta.

Ejemplo: Enzimas Hormonas

3.4 Desnaturalización de las Proteínas Las estructuras secundarias y terciarias de las proteínas se forman por enlaces de hidrógeno, puentes salinos y puentes disulfuro, los dos primeros son débiles, lo que puede ocasionar, bajo determinadas condiciones, la desnaturalización o denaturación de las proteínas, proceso que involucra cambios en la disposición espacial de la cadena polipeptídica, dentro de la molécula, desordenando su estructura. La desnaturalización de las proteínas puede ocurrir por efectos físicos o químicos como la temperatura, pH, tratamientos mecánicos, disolventes orgánicos, irradiación, iones metálicos de calcio y magnesio o soluciones acuosas de compuestos orgánicos como la urea. Otro antecedente de éste fenómeno es que puede ser reversible o irreversible, lo cual tiene gran importancia, dado que la desnaturalización cambia las propiedades y funciones de las proteínas. Es así como algunos de los efectos de este proceso son:

- Disminución de la solubilidad. - Pérdida de la actividad biológica. - Aumento de la viscosidad. - Aumento de la sensibilidad frente a agentes de riesgo para los enlaces peptídicos.

4. Ácidos Nucleicos

Los ácidos nucleicos son moléculas que permiten el almacenamiento de la información genética, de hecho los que se conocen son el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN), el primero contiene la información genética requerida para la síntesis de proteínas y el ARN la de cada organismo. La unidad estructural de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, los que están compuestos de:

Bases Nitrogenadas: se clasifican en dos grupos: púricas y pirimidínicas, como se observa en la Figura 8. Las bases adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G) están presentes en el ADN, mientras que en el ARN, se mantienen exceptuando la timina que se sustituye por uracilo (U).

Pentosas: son mosacáridos de cinco átomos de carbono, con grupos hidroxilos y un grupo carbonilo. La pentosa del ADN es la desoxirribosa y la del ARN es la ribosa, la diferencia entre ambas es que la primera tiene un oxígeno de más, lo cual impide que el ARN sea una molécula doble hebra, factor importante desde el punto de vista funcional.

Figura 8. Bases Nitrogenadas, en la figura 7a están las púricas y en la 7b

las pirimídinicas.

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Grupo Fosfato: grupo por medio del cual se establece el enlace fosfodiester (Figura 9) entre el carbono 3`de la pentosa y el carbono 5`de la pentosa siguiente, de este modo, el enlace fosfodiester permite la unión entre nucleótidos.

Figura 9. Esquema enlace fosfodiester.

4.1 ADN (Ácido Desoxirribonucleico) Bases nitrogenadas: A, G, C y T Pentosa: desoxirribosa. El ADN es una larga cadena no ramificada, su estructura fue descubierta por Watson y Crick en 1953, quienes establecieron que:

La molécula de ADN está formada por dos hebras de desoxirribo nucleótidos, las que se enrollan

hacia la derecha formando una hélice. Las hebras son antiparalelas, una va en sentido 5` 3` y

la otra 3` 5`. Las bases nitrogenadas se ubican hacia el interior de la hélice. Las dos hebras se mantienen unidas por puentes de hidrógeno, que unen la adenina con timina y

la guanina con la citosina (púrica con pirimídica), las dos primeras se unen a través de dos puentes de hidrógeno y las otras por tres puentes de hidrógeno.

4.2 ARN (Ácido Ribonucleico) Bases Nitrogenadas: A, G, C y U Pentosa: ribosa El ARN es una molécula de una sola hebra, la cual puede plegarse sobre si misma, formando asas de doble hebra, como es el caso del ARN de transferencia. Existen tres tipos de ARN, los que participan en el proceso de síntesis de proteínas:

ARN mensajero (ARNm): transporta la información genética copiada desde el ADN hasta el sitio de síntesis proteica.

ARN de transferencia (ARNt): encargado de leer el mensaje del ARNm para ubicar el

aminoácido que corresponde.

ARN ribosomal (ARNr): junto a algunas proteínas forma el ribosoma, sitio del citoplasma donde ocurre la síntesis de proteínas.

4.3 Síntesis de Proteínas La síntesis de proteínas es un proceso que se realiza en etapas descritas por el dogma central de la biología:

1) Transcripción: se inicia en el interior del núcleo donde una de las hebras del ADN se transforma en ARN, reemplazando desoxirribosa por ribosa y timina por uracilo; este proceso se denomina transcripción, ya que la información almacenada en el ADN (gen) es transcrita a ARNm.

2) Unión ARNm-ribosomas: después de sintetizado el ARNm sale del núcleo al citoplasma donde se une a los ribosomas.

3) Síntesis o Traducción: el ARNm es traducido por los ARNt, generando la síntesis de la cadena polipeptídica, esto ocurre cuando los aminoácidos son transportados por el ARNt, específico para cada uno, y los traslada hasta el ARNm, donde se aparean el codón de este último y el anticodón del ARNt, como se muestra en la Figura 10.

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Figura 10. Proceso de traducción de proteínas. La proteína sintetizada depende de las secuencia específica de tres bases denominada codón, cada uno de éstos, corresponde a un aminoácido. De este modo, y sabiendo que hay cuatro bases nitrogenadas, se tienen 64 codones posibles (ver Tabla 2), eso si hay que considerar que sólo 20 aminoácidos están presentes en las proteínas. Tabla 2. 64 codones posibles por la combinación de 3 bases nitrogenadas.

5. Polímeros Artificiales o Sintéticos

Como se mencionó anteriormente los polímeros artificiales son aquellos sintetizados en un laboratorio o industria química, a partir de la polimerización de unidades monoméricas específicas.

5.1 Clasificación Según sus propiedades físicas, que determina su función, se pueden clasificar en:

Termorrígidos: aquellos que conservan su forma después de ser moldeados a cierta temperatura.

Ejemplo: Baquelita

Termoplásticos: polímeros que pueden alterar su forma con cambios de temperatura. Ésta clasificación incluye a los plásticos, que se definen como polímeros orgánicos que pueden ser moldeados.

Ejemplo: Polietileno

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Elastómeros: pueden recuperar su forma, en caso que ésta sea alterada. Ejemplo: Caucho vulcanizado Neopreno

Fibras: poseen la forma de hilos y se producen al fundir un polímero y hacerlo pasar por un orificio muy pequeño de una matriz, mientras, simultáneamente, se aplica estiramiento.

5.2 Algunos Polímeros Artificiales de uso común Dentro de los Elastómeros se tiene:

Caucho Vulcanizado: a través de la vulcanización se logra dar mayor estabilidad, ante los cambios de temperatura, al caucho natural, dando origen al caucho sintético. Este proceso implica la adición de azufre al caucho natural, permitiendo que éste recupere su forma inicial si se somete a un cambio drástico producto del estiramiento, es decir se obtiene un producto resistente y elástico. La vulcanización es un procedimiento muy utilizado en la fabricación de neumáticos y otros objetos.

Dentro de los plásticos se tienen:

Polietileno: polímero del etileno. Tiene múltiples usos, algunos son:

Aislante eléctrico.

Fabricación de vasos.

Envases de aceite, bebidas, lácteos, etc.

Bolsas.

Polipropileno: polímero del propeno. Algunos de sus usos son:

Fabricación de asientos y sillas.

Tapas de botellas.

Bolsas.

Vasos desechables.

PVC (polivinyl cloruro): polímero del cloruro de vinilo. Pueden ser usado en:

Construcción de tuberías, ductos y canales.

Botellas.

Revestimiento de cables.

Envases y calugas de shampoo.

Nylon: copolímero de condensación de diaminas con ácidos dicarboxílicos. Algunos de sus usos más comunes son:

Válvulas de aerosoles.

Fabricación de cuerdas y paracaídas.

Fibras textiles.

Secador de pelo.

Poliestireno: polímero de adición del estireno. Puede ser usado en:

Importante aislante térmico.

Ampliamente usado en materiales de embalaje.

Equipos eléctricos.

Fabricación de platos y vasos térmicos.

Poliéster: copolímero de condensación de diácidos carboxílicos con dialcoholes.

Fabricación de tejidos.

Construcción de carrocerías.

Envases para alimentos.

Teflón: polímero de adición del tetrafluoreteno o tetrafluoretileno, resistente a la corrosión y con propiedades antiadherentes. Algunos de sus usos son:

Revestimiento de sartenes y otros utensilios de cocina.