REPARTO PREFERENCIAL DE ÁCIDOS … · Barridos de formulación con ácidos carboxílicos y sus...

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DEL ZULIA

FACULTAD EXPERIEMNTAL DE CIENCIAS DIVISIÓN DE ESTUDIOS PARA GRADUADOS

POSTGRADO EN QUÍMICA: NIVEL DOCTORADO

REPARTO PREFERENCIAL DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS EN SISTEMAS

SURFACTANTE/AGUA/ACEITE POR HPLC

Tesis Doctoral presentada para optar al título de Doctora en Química

Autor: Bélgica Balbina Bravo Tovar

Maracaibo, Diciembre 2004

A G R A D E C I M I E N T O S … … … . .

Especialmente a los Profesores Nelson Márquez y Jean Louis

Salager, quienes dirigieron este trabajo.

Al honorable jurado evaluador del trabajo, Profesores: Dr.

Nelson Márquez (LPS-LUZ-Venezuela), Dr. Jean Louis Salager (FIRP-

ULA-Venezuela), Dr. Jean Lachaise (LFC-GSD-UPPA-Francia), Dr.

Fredy Ysambertt (LPS-LUZ-Venezuela), Dr. Alexander Moronta

(CESUC-LUZ-Venezuela), Dra. Dinorah Ávila (LPN-LUZ-Venezuela),

Dra. Marinela Colina (LA-LUZ-Venezuela).

Esta tesis se realizó dentro del cuadro de los siguientes

programas y proyectos:

1. Programa de Cooperación Postgraduados (PCP) Francia-

Venezuela

2. Proyecto Agenda Petróleo FONACIT Nº 97003719

3. Proyecto Apoyo directo a grupos ADG-FONACIT G-97000828

4. Proyecto CONDES-LUZ Nº CC-0340-04



A todas las personas de los laboratorios LPS, FIRP, LFC, que de

una u otra forma contribuyeron a este trabajo.

A LUZ, FONACIT, FUNDADESARROLLO-LUZ y CONDES por el

apoyo financiero brindado para el desarrollo de esta tesis.

ii

C O N T E N I D O

iii

C o n t e n i d o ...................................................................................................... ii L i s t a d e a b r e v i a t u r a s .................................................. vi L i s t a d e f i g u r a s ........................................................................viii R e s u m e n ............................................................................................................ xi A b s t r a c t ......................................................................................................... xiv

I n t r o d u c c i ó n .......................................................................................... 1

Referencias bibliográficas ..........................................................................................................................5

C a p i t u l o I .................................................................................................... 8

Generalidades de los ácidos carboxílicos...............................................................................................9 Referencias bibliográficas ........................................................................................................................18

C a p i t u l o I I .............................................................................................. 19

Generalidades de la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).......................................20 Aspectos fundamentales ............................................................................................. 24 Termodinámica del proceso cromatográfico.............................................................. 27

Referencias bibliográficas ........................................................................................................................32

C a p i t u l o I I I ......................................................................................... 33

Sistemas automatizados de analisis. ......................................................................................................34 Instrumentación .......................................................................................................... 36

Derivatización de ácidos carboxílicos...................................................................................................41 Referencias bibliográficas ........................................................................................................................44

C a p i t u l o I V ............................................................................................ 46

Comportamiento de fase y fraccionamiento........................................................................................47 Surfactantes y sus propiedades................................................................................................................47 Sistemas surfactante-agua-aceite (SOW) .............................................................................................53 B a l a n c e H i d r o f í l i c o - L i p o f í l i c o ( H L B ) . ...................................................................56 C o m p o r t a m i e n t o d e f a s e d e s i s t e m a s s u r f a c t a n t e - a g u a - a c e i t e .........58 R e l a c i ó n R d e W i n s o r ................................................................................................................60 F o r m u l a c i ó n y v a r i a b l e s d e f o r m u l a c i ó n ................................................................66 T e o r í a d e c o r r e l a c i o n e s n u m é r i c a s p a r a l a f o r m u l a c i ó n ó p t i m a ....70 T e o r í a d e r e p a r t o d e s u r f a c t a n t e s e n s i s t e m a s a g u a / a c e i t e .................76 Referencias bibliográficas ........................................................................................................................82

C a p i t u l o V ................................................................................................ 84

Antecedentes. ...............................................................................................................................................85 Referencias bibliográficas ........................................................................................................................93

C a p i t u l o V I ............................................................................................ 96 Desarrollo de métodos de análisis de ácidos carboxílicos grasos (FAs) por HPLC................97 Sección experimental .................................................................................................................................97 Materiales ......................................................................................................................................................97 Reactivos. ......................................................................................................................................................98

iv

Procedimiento Experimental....................................................................................................................98 Análisis de ácidos carboxílicos por HPLC-fase reversa. .................................................................98 Efecto de la temperatura en la retención de los ácidos carboxílicos y surfactantes no-iónicos en la separación por HPLC-fase reversa. ..............................................................................98 Efecto de la polaridad de la fase móvil en la retención de los ácidos carboxílicos por HPLC-fase reversa......................................................................................................................................99 Resultados y discusión.............................................................................................................................100

Desarrollo de métodos de análisis de ácidos carboxílicos grasos por HPLC........... 100 Efecto de la temperatura en la retención de compuestos por HPLC. ....................... 104 Efecto de un solvente polar en la fase móvil en la retención de los ácidos grasos. . 112

Conclusiones...............................................................................................................................................116 Referencias bibliográficas ......................................................................................................................117

C a p i t u l o V I I ...................................................................................... 119

Desarrollo de un sistema en linea para la derivatización y análisis de ácidos carboxílicos grasos (FAs) por HPLC...........................................................................................................................120 Sección experimental ...............................................................................................................................120 Materiales ....................................................................................................................................................121 Reactivos. ....................................................................................................................................................121 Procedimiento Experimental..................................................................................................................122 Desarrollo de un sistema de análisis continuo de ácidos carboxílicos. .....................................122 Resultados y discusión.............................................................................................................................123

Condiciones de reacción ....................................................................................... 125 Desarrollo del sistema en línea ............................................................................. 126 Condiciones de análisis por HPLC ....................................................................... 127 Reactivo derivatizante........................................................................................... 127

Conclusiones...............................................................................................................................................131 Referencias bibliográficas ......................................................................................................................132

C a p i t u l o V I I I .................................................................................. 133

Comportamiento de fase en la formulación con ácidos carboxílicos grasos (FAS) ..............134 Sección experimental ...............................................................................................................................135 Materiales ....................................................................................................................................................135 Reactivos. ....................................................................................................................................................135 Procedimiento Experimental..................................................................................................................135 Barridos de formulación con ácidos carboxílicos y sus mezclas. ...............................................135 Evaluación del tipo de aceite en el sistema surfactante-agua-aceite. .........................................137 Evaluación del tipo y concentración del co-surfactante en el sistema óptimo. .......................137 Resultados y discusión.............................................................................................................................138

Efecto del tipo y concentración de ácido carboxílico en el comportamiento de fase.................................................................................................................................. 141 Efecto del tipo y concentración del co-surfactante (alcohol) en el comportamiento de fase ........................................................................................................................... 154 Longitud de cadena del alcano de la fase aceite (ACN)........................................... 160

Conclusiones...............................................................................................................................................163 Referencias bibliográficas ......................................................................................................................164 C a p i t u l o I X ...............................................................................................................165

v

Influencia de la formulación en el reparto de los ácidos carboxílicos en sistemas ácido/agua/aceite .......................................................................................................................................166 Sección experimental ...............................................................................................................................166 Equipos.........................................................................................................................................................166 Materiales ....................................................................................................................................................167 Reactivos. ....................................................................................................................................................167 Procedimiento Experimental..................................................................................................................167 Evaluación del reparto de los surfactantes ácidos carboxílicos en sistemas de Winsor a formulación óptima. .................................................................................................................................167 Resultados y discusión.............................................................................................................................169

Proceso termodinámico en el reparto de FAs en sistemas microemulsión/agua/aceite.................................................................................................................................. 179

Conclusiones...............................................................................................................................................181 Referencias bibliográficas ......................................................................................................................182 Conclusiones generales ...........................................................................................................................183 Recomendaciones generales ..................................................................................................................184 D i s e m i n a c i ó n d e l c o n o c i m i e n t o ................185

vi

L I S T A D E A B R E V I A T U R A S

vii

FAS: Ácidos carboxilicos grasos

HPLC: Cromatografía líquida de alta resolución

FR: Fase reversa

UV-Vis: Ultravioleta visible

FIA: Anáisis de inyección en flujo

RP: Reverse Phase

min.: minutos

s.: Segundos

SCFA: Análisis en flujo continuo segmentado

viii

L I S T A D E F I G U R A S

ix

Figura I.1. Disociación de alcoholes y ácidos carboxílicos y su comportamiento energético. .................................................................................................... 10

Figura I.2. Reacción de saponificación......................................................................... 11 Figura I.3. Fraccionamiento de ácidos grasos por el proceso de destilación al

vacío. ......................................................................................................... 15 Figura I.4. Fabricación de jabón por el proceso continuo (Procter & Gamble) ...... 16 Figura II.1. Representación esquemática del proceso de adsorción en

cromatografía ........................................................................................... 21 Figura II.2. Representación esquemática del proceso de partición en

cromatografía ........................................................................................... 22 Figura II.3. Representación esquemática del proceso de intercambio iónico en

cromatografía ........................................................................................... 22 Figura II.4. Representación esquemática del proceso de exclusión por tamaño en cromatografía .......................................................................................... 23 Figura II.5. Proceso de separación en cromatografía líquida. ................................. 26 Figura III.1. Principio del análisis de inyección en flujo............................................ 38 Figura IV.1. Representación clásica de una molécula de surfactante ...................... 48 Figura IV.2. Las propiedades fundamentales de los surfactantes Adsorción y

Asociación (A), dan origen a las micelas (B). ........................................ 50 Figura IV.3. Variación de la tensión superficial versus la concentración de

surfactante para determinar la Concentración Micelar Crítica. ........ 51 Figura IV.4. Representación de un diagrama ternario .............................................. 59 Figura IV.5. Energías de interacción que intervienen en el concepto R de Winsor 61 Figura IV.6. Representación de un Diagrama Ternario Winsor I............................ 62 Figura IV.7. Representación de un Diagrama Ternario Winsor II. ......................... 63 Figura IV.8. Representación de un Diagrama Ternario Winsor III......................... 65 Figura IV.9. Procedimientos experimentales para la determinación de la

formulación óptima ................................................................................. 72 Figura IV.10. Diagrama hipotético del efecto de la interacción ion-dipolo de los

grupos carboxílicos en la distancia intermolecular en una interfase aire/agua. ................................................................................................. 75

Figura IV.11. Modelo equilibrio / disociación. ............................................................ 78 Figura VI.1. Espectros de absorción UV-Vis de los ácidos carboxílicos grasos

estudiados. .............................................................................................. 100 Figura VI.2. Separación por HPLC de la mezcla de ácidos C12, C14, C16 y C18.102 Figura VI.3. Separación de la mezcla de ácidos C8, C10, C12, C14, C16 y C18. .. 103 Figura VI.4. Diagrama de van’t Hoff para los ácidos carboxílicos grasos estudiados.

................................................................................................................. 106 Figura VI.5. Dependencia del factor de retención con la temperatura. ................. 107 Figura VI.6: Cromatograma HPLC del surfactante NP20 a diferentes temperaturas

................................................................................................................. 108 Figura VI.7. Diagrama de van't Hoff para los primeros doce etoxímeros del

surfactante nonilfenol etoxilado (NP20). ............................................. 109 Figura VI.8. Parámetros termodinámicos, en el proceso cromatográfico de los FAs

y el surfactante NP20............................................................................. 111 Figura VI.9. Dependencia del Ln k' con el N° de átomos de carbono de los ácidos

carboxílicos............................................................................................. 113

x

Figura VI.10. Variación del ln k' en función del contenido de acetonitrilo en la fase móvil para los diferentes ácidos estudiados. ...................................... 115

Figura VII.1. Diagrama esquemático del sistema HPLC-derivatización en línea de ácidos grasos.......................................................................................... 124

Figura VII.2. Reacciones químicas generales de los ácidos grasos de cadena larga con el reactivo derivatizante.. .............................................................. 125

Figura VII.3. Variación de la intensidad del pico con la longitud de la cadena del ácido graso. ............................................................................................ 128

Figura VII.4. Cromatogramas de los derivados de ácidos grasos. ........................... 130 Figura VIII.1. Barrido de hidróxido de sodio para el ácido láurico........................ 142 Figura VIII.2. Mapa del sistema Winsor obtenido para el ácido láurico. .............. 145 Figura VIII.3. Mapa del sistema Winsor obtenido para el ácido mirístico ........... 146 Figura VIII.4. Mapa del sistema Winsor obtenido para el ácido palmitito ........... 147 Figura VIII.5. Variación del volumen de fase media con la concentración de ácido

graso en el sistema ácido/agua/aceite................................................. 149 Figura VIII.6. Variación del volumen de fase de una mezcla mirístico/palmítico a

diferentes proporciones ...................................................................... 150 Figura VIII.7. Variación del volumen de fase de una mezcla láurico/mirístico a

diferentes proporciones ...................................................................... 151 Figura VIII.8. Variación del volumen de fase media con la concentración de ácido

en una mezcla mirístico/láurico en el sistema ácido/agua/aceite .... 152 Figura VIII.9. Variación del pH de la fase acuosa con la longitud de la cadena

alquílica del ácido graso...................................................................... 153 Figura VIII.10. Concentración de n-butanol necesaria para obtener sistemas

trifásicos en sistemas ácido/agua/aceite........................................... 155 Figura VIII.11. Efecto del 2-butanol en la formulación del sistema

mirístico/palmítico (25/75)................................................................ 155 Figura VIII.12. Efecto del 2-butanol en la formulación del sistema

mirístico/palmítico (50/50)................................................................ 156 Figura VIII.13. Efecto del n-butanol sobre la concentración del ácido en la fase

oleica en los sistemas a formulación óptima. .................................. 159 Figura VIII.14. Variación del volumen de fase media con la concentración de ácido

en el sistema ácido/agua/aceite ......................................................... 161 Figura VIII.15 Variación del volumen de fase del sistema con la concentración del

ácido mirístico, empleando tolueno como fase oleica....................... 162 Figure IX.1. Curva de calibración para los ácidos obtenida por HPLC. ............... 170 Figura IX.2 Cromatograma del ácido láurico a diferente concentración. ............ 171 Figura IX.3 Coeficiente de reparto del ácido láurico .............................................. 172 Figura IX.4. Coeficiente de reparto del ácido mirístico. .......................................... 173 Figura IX.5. Concentración de los diferentes ácidos en la fase oleica (n-heptano) 174 Figura IX.6. Coeficiente de reparto del C14 en diferentes fases oleicas. ................ 176 Figura IX.7. Coeficiente de reparto de los diferentes ácidos estudiados ................ 176 Figura IX.8. Efecto de alcoholes en el coeficiente de reparto. ................................. 178 Figura IX.9 Variación de la energía libre de transferencia del ácido.................... 180

xi

R E S U M E N

xii

Bélgica Balbina Bravo Tovar. Estudio del reparto preferencial de ácidos carboxílicos en sistemas surfactante/agua/aceite. Laboratorio de Petroquímica y Surfactantes, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, La Universidad del Zulia, Maracaibo, Zulia-Venezuela, E-mail: [email protected]

En los últimos años se ha generado una intensa actividad de investigación, para desarrollar

procesos de recuperación de petróleo. El empleo de soluciones alcalinas produce bajas

tensiones interfaciales en ciertos sistemas crudo-agua, debido a las interacciones de los

agentes alcalinos con los componentes ácidos del crudo (ácidos carboxílicos,

carboxifenoles, porfirinas entre otras), las cuales generan sustancias con alta actividad

interfacial. El equilibrio de disociación de los ácidos carboxílicos grasos (FAs) producido

por una variación del pH del medio produce dos especies que se comportan como

surfactantes noiónico (ácido) y aniónico (carboxilato), respectivamente. Estas especies en

un sistema agua/aceite sufren un reparto preferencial entre las fases del sistema originando

una disminución de la tensión interfacial y la formación de una tercera fase denominada

trifásico o microemulsion donde se encuentra la mayor concentración del anfifilo. El

desarrollo de un método analítico para la identificación y cuantificación simultánea de una

variedad de FAs es deseable tanto en sistemas agua-microemulsión-aceite, como en otros

campos (cosmético, farmacéutico, productos alimenticios). La determinación de estos FAs

se ha desarrollado principalmente por cromatografía gaseosa (GC) de sus derivados ésteres

de metilo. Sin embargo, como una alternativa a la GC, la cromatografía líquida de alta

precisión (HPLC) proporciona una buena sensibilidad y selectividad. En este trabajo se

reportan varios métodos de análisis por HPLC para el estudio de los FAs sin ningún

tratamiento previo y haciendo uso de su débil absorción a 214 nm. Además, se evalúa el

efecto de la temperatura en la retención de los FAs así como de surfactantes noiónicos

polietoxilados en el proceso cromatográfico a partir del cual se pudo determinar el

comportamiento termodinámico en dicho proceso. En ambos casos se observó un

comportamiento lineal entre los parámetros termodinámicos de retención y el grado de

etoxilación (surfactante noiónico) o cadena alquílica (FAs) de estos compuestos. No

obstante, debido a que la mayoría de las muestras de FAs no presentan ninguna absorción

útil en las regiones del visible o ultravioleta (UV) para su detección en HPLC, con

frecuencia se emplean técnicas de derivatización pre-columna para aumentar la sensibilidad

xiii

y selectividad de la detección. Por consiguiente, es necesario establecer un método en línea

simple, rápido y con una completa separación de estos compuestos para su análisis

sistemático. Se emplearon varios reactivos (fenilhidrazina, PH; 2,4-dinitrofenilhidrazina,

2,4-DNPH; Cloruro de bencilo, CB) para la derivatización de FAs por irradiación con

microondas (MW), y su separación y cuantificación por HPLC. Se optimizó el flujo del

solvente, la cantidad de reactivos, el tiempo de irradiación, y las condiciones

cromatográficas. El análisis continuo por el sistema MW-HPLC-UV proporcionó alta

sensibilidad, mínimo gasto de reactivos y tiempos cortos de análisis. En los sistemas

aceite/agua, los FAs se comportan como compuestos anfifílicos, es decir, que al encontrarse

en contacto con una fase acuosa y otra orgánica sufren un reparto preferencial a través de

las transiciones de Winsor por modificación del pH del medio, obteniendo un sistema de

mucha importancia en el ámbito industrial como lo es el sistema trifásico o WIII, el cual

contiene la mayor cantidad de las especies no-iónicas y aniónicas del ácido de partida y es

el estado de mayor solubilización y de mínima tensión interfacial. Para el estudio del

reparto preferencial de los ácidos carboxílicos por el método analítico desarrollado, se

prepararon diferentes sistemas ácido/agua/aceite a través de los barridos de formulación,

para evaluar el efecto de algunas variables de formulación en el reparto de estos

compuestos. Se obtuvieron amplios rangos de sistemas trifásicos a diferentes

concentraciones de FAs. El empleo de alcoholes lipofílicos como co-surfactantes, facilita la

solubilización de las sales formadas en los sistemas y contribuye a la formulación optima.

Los resultados mostraron una tendencia lineal del volumen de microemulsión con la

concentración del ácido. La cantidad de FAs en la microemulsión es mayor mientras que su

concentración en las fases acuosa y oleica en exceso disminuye. El coeficiente de reparto

permite obtener información termodinámica del proceso de transferencia del ácido en las

fases. Se obtuvo un valor positivo de energía, que representa la resistencia de transferencia

de un grupo metileno de la fase aceite al agua.

Palabras claves: Ácidos carboxílicos grasos (FAs), HPLC, análisis en línea, formulación.

xiv

A B S T R A C T

xv

Bélgica Balbina Bravo Tovar. Estudio del reparto preferencial de ácidos carboxílicos en sistemas surfactante/agua/aceite. Laboratorio de Petroquímica y Surfactantes, Departamento de Química, Facultad de Ciencias, La Universidad del Zulia, Maracaibo, Zulia-Venezuela, E-mail: [email protected] In the last years an intense investigation activity has been generated, to develop petroleum

recovery processes. The employment of alkaline solutions produces tension interfacial

decreases in certain crude-water systems, due to the interactions of the alkaline agents with

the acids components of crude oil (carboxylic acids, carboxyphenols, porphyrins etc),

which generate substances with high interfacial activity. Dissociation equilibrium of the

fatty carboxylic acids (FAs) by pH variation produces two species that behave as nonionic

(acid) and anionic (carboxylate) surfactant, respectively. These species in a water/oil

system suffer a preferential partition in the phases to produce a decrease of the interfacial

tension and the formation of a third phase so-called three-phase or microemulsión, where

they have the highest concentration of anphiphile compound. The development of an

analytical method for the simultaneous identification and quantification of a variety of FAs

is desirable in formulations of water/microemulsión/oil systems and in other fields

(pharmaceutical cosmetic, food products). The determination of FAs has been developed

mainly by gas chromatography (GC) of methyl esters. As an alternative to GC, high

performance liquid chromatography (HPLC) has better sensitivity and selectivity. In this

work, several analytical methods are reported by HPLC to study FAs without any previous

treatment and using their weak absorption band at 214 nm. Furthermore, the temperature

effect in the retention of the FAs and nonionic ethoxylated surfactantes in the

chromatographic process was evaluated. Thermodynamic behavior in this process was

determined. In both cases a lineal behavior between the thermodynamic parameters of

retention and the ethoxylation grade (surfactante nonionic) or alkyl group length (FAs) of

these compounds was observed. Nevertheless, because most FAs show no useful absorption

in the visible and ultraviolet (UV) regions for detection in HPLC, frequently pre-column

derivatization techniques are used to increase the sensitivity and selectivity of detection.

Therefore, the establishment of a simpler and more rapid on-line method with complete

separation capability is needed for the screening of large numbers of samples. It intends the

utility of various reagents (2-nitrophenyhydrazine hydrochloride, 2-NPH.HCl; Benzyl

xvi

chloride, BC) for the derivatization of different FAs by microwaves radiation (MW), and

their separation and quantification by HPLC. The flow of the solvent, the quantity of

reagents, the time of irradiation, and the chromatographic conditions were optimized. The

continuous analysis using the MW-HPLC-UV system provided high sensitivity, minimum

expense of reagents and short analysis times. In the water/oil systems the acids behave as

anphiphylic compounds. That means, when it is in contact with a water phase and other

organic phase for pH modification, they suffer a preferential partition through the Winsor

transitions, obtaining a very important system at industrial level well-known as WIII

system, the one which contains the biggest quantity of the nonionic and anionic species of

the departure acid. For the preferential partition study of the carboxylic acids for the

developed analytical method, various acid/water/oil systems with different FAs by the

formulation scan technique was performed, to evaluate the effect of some formulation

variables in the partition of these compounds. Wide ranges of three-phase systems to

different FAs concentrations were obtained. The employment of lipophilic alcohols like co-

surfactants, it facilitates the solubilization of the salts formed in the systems and it

contributes to the optimal formulation. The results showed a lineal tendency of the

microemulsion volume with the acid concentration. The quantity of FAs in the

microemulsión is bigger while its concentration in the excess, of water and oil phases

diminishes. The partition coefficient allows obtaining thermodynamic information of the

process of transfer of the acid in the phases. A positive energy value that represents the

transfer resistance of a methylene group of the oil to water phases was obtained.

Key word: fatty acid (FAs), Reverse Phase-HPLC analysis, on-line-HPLC, scan formulation.

I N T R O D U C C I Ó N

2

En los últimos años se ha generado una intensa actividad de investigación, para

desarrollar procesos de recuperación de petróleo, comúnmente denominados procesos de

recuperación mejorada o terciaria. Uno de estos procesos es la inyección de soluciones micelares

de surfactantes a los pozos de producción, con la finalidad de reducir la tensión interfacial entre

el crudo y el fluido de drenaje.1 Al lograr disminuir la tensión interfacial crudo-agua hasta

aproximadamente 10-3 mN/m se consiguen las condiciones que permiten la movilización del

crudo mediante un derrame difásico.

Se ha demostrado que es posible obtener bajas tensiones interfaciales, en ciertos sistemas

crudo-agua usando únicamente soluciones alcalinas.2-6 En estos casos, el valor de la tensión

interfacial depende en forma determinante del pH de la solución acuosa. La literatura reporta que

éste fenómeno es debido a las interacciones de los agentes alcalinos con los componentes ácidos

del crudo las cuales generan sustancias con alta actividad interfacial.2,7 Estos componentes han

sido identificados principalmente como ácidos carboxílicos y en menor extensión como

carboxifenoles, porfirinas o fracciones de asfaltenos. 8-9

La conducta de fase de los sistemas surfactante/aceite/agua es usualmente referida con un

modelo matemático, denominado “modelo de Winsor”.10 Estos sistemas se pueden clasificar en

cuatro tipos, conocidos como Winsor tipo I, tipo II, tipo III y las microemulsiones tipo IV. En los

sistemas Winsor tipo I, o aceite en agua, la microemulsión contiene un exceso de fase oleica y

micelas de surfactante en la fase microemulsión. En la fase microemulsión, la solubilidad del

aceite está dada por la partición del surfactante en micelas dispersadas en la fase continua acuosa.

Para el sistema Winsor II o agua en la microemulsión aceite, un exceso de la fase acuosa está en

equilibrio con la fase microemulsión. En este caso, el agua está solubilizada en las micelas

inversas, dispersadas en la fase continua oleica. Ajustando las variables de formulación

(salinidad, temperatura, entre otras), se obtiene un sistema Winsor III o fase media. Este sistema

contiene una nueva fase media, termodinámicamente estable que contiene todo el surfactante y

una mezcla de agua y aceite; esta fase media coexiste con las fases en exceso de agua y aceite.

Finalmente, al adicionar una cantidad suficiente de surfactante, el sistema Winsor tipo III cambia

a un sistema Winsor tipo IV, donde todo el surfactante, aceite y agua coexisten en una sola fase.11

3

Estudios realizados12-16 han demostrado que las propiedades de los sistemas aceite-

salmuera-ácido dependen del pH. Otras variables que pueden influir, en el equilibrio, o en la

actividad interfacial de estas especies son el tipo de ácido, presencia de alcoholes, electrolito,

entre otros. Cuando se emplean surfactantes de tipo jabón, preparados a partir de la neutralización

de un ácido carboxílico con un álcali (como el hidróxido de sodio), el equilibrio que se establece

indica que en el producto final se obtendrá tanto el carboxilato correspondiente como una parte

del ácido carboxílico utilizado originalmente, el cual no reacciona.17-21 Este caso resulta

interesante desde el punto de vista fisicoquímico; debido a que el carboxilato se comporta como

un surfactante aniónico hidrofílico, mientras que el ácido carboxílico no disociado se comporta

como un surfactante no iónico lipofílico. Evidentemente, el comportamiento de fases que se

obtenga dependerá de las cantidades relativas de las especies presentes en el sistema.

En un sistema agua-aceite puede ocurrir un reparto del ácido entre ambas fases y para

fines prácticos es importante la determinación de la composición de la mezcla de ácido

carboxílico presente en cada fase ya que, estas especies son las responsables de la disminución de

la tensión interfacial y, en consecuencia de la recuperación mejorada de los crudos pesados.

Hasta ahora se han empleado las titulaciones ácido-base para la determinación de la

concentración de las especies en juego en las tres fases del sistema Winsor III.22 Sin embargo,

técnicas analíticas como la cromatografía de gas (CG)23-28 y la cromatografía líquida de alta

resolución (HPLC)29-34 proporcionan la ventaja de emplear poca cantidad de muestra, así como

de una determinación más precisa de la concentración de dichas especies.

Algunos análisis por HPLC están limitados por la técnica de detección. El límite de

resolución por absorbancia óptica en la región ultravioleta puede aproximarse a 10-9g.34 Por lo

tanto, la elección de la longitud de onda representa un compromiso entre las propiedades ópticas

de la muestra y la absorción de fondo del solvente. En el caso de los ácidos carboxílicos, el

cromóforo carboxilo presenta una banda débil de absorción cerca de 200 nm debido a la

transición n-π* por los electrones de valencia.35 Por otro lado, el aumento en la longitud de la

cadena alquílica ocasiona un pequeño desplazamiento batocrómico en la posición de la banda.

Este hecho resulta adecuado para la detección de estos ácidos a 214 nm. Sin embargo, se han

reportado una amplia variedad de métodos de esterificación para ácidos carboxílicos, entre los

4

más comunes36-38 la condensación con alcohol en condiciones ácidas o la reacción con haluros de

alquilo en condiciones básicas.

Se puede emplear para la detección de estos productos una variedad de detectores, pero

para las separaciones de los ácidos grasos derivados se emplea detección espectrofotometría UV

o fluorimétrica.36-43 En la actualidad, la síntesis orgánica asistida con microondas ha evidenciado

un alto repunte, en parte debido a su velocidad de reacción, selectividad y fácil manipulación.44-52

No obstante, el diseño de nuevas técnicas y tratamientos de muestras para el análisis rápido de

compuestos de este tipo resulta imperioso desde el punto de vista experimental. Las técnicas de

inyección en flujo o análisis en línea han permitido mejorar la sensibilidad y selectividad de los

procesos analíticos.

Por lo antes expuesto, este trabajo persigue separar mezclas de ácidos carboxílicos de

cadena larga por HPLC para evaluar el efecto de algunas variables de formulación en el reparto

de estos ácidos en sistemas ácido/agua/aceite. Para ello, se discuten y explican los métodos de

separación adecuados para el análisis de una mezcla de ácidos carboxílicos grasos por HPLC en

fase reversa, empleando dos fases estacionarias y varias mezclas de solventes polares como fase

móvil. Además, se evalúa el efecto de la temperatura en la retención de estos compuestos en el

proceso cromatográfico, para lo cual se estudian también los surfactantes nonilfenol

polietoxilados a objeto de establecer las comparaciones respectivas (capítulo IV). Por otro lado,

debido a la baja absorción que poseen estos compuestos en la región UV, se propone un método

para la preparación de sus derivados con radiación microonda diseñando un sistema en línea

acoplado al cromatógrafo líquido para su análisis secuencial (capítulo V). En los capítulos VII y

VIII, se estudia el comportamiento de fase de estos compuestos en sistemas aceite-agua

aprovechando su carácter anfifílico, con la finalidad de encontrar el sistema a formulación óptima

(máxima solubilización), cuyas fases son analizadas empleando el método desarrollado por

HPLC para determinar su reparto en los sistemas microemulsión-aceite-agua.

5

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Salager, J., Rev. Inst. Mex. Pet. 1979, 11, 59-61.

[2] Bourrel, M.; Graciaa, A.; Schechter, R.; Wade, W.; J. Colloid Interf. Sci., 1979, 72, 161-

169.

[3] Salager, J.; Morgan, J.; Schechter, R.; Wade, W.; Vasquez, E.; J. Soc. Petrol. Eng. 1979,

19, 107-114.

[4] Bourrel, M.; Salager, J.; Schechter, R.; Wade, W.; J. colloid Interf. Sci., 1980, 75, 451-459.

[5] Trujillo, E. J. Soc. Petrol. Eng. 1983, 645, 08-15.

[6] Mc Cafferty, F. J. Canadian Pet. Technol., 1976, 15, 71-78.

[7] Jan, L.; Sharma, M.; Chang, Y.; Chang, M.; Yen, T. AICHE Symposium series, 1982, 78,

97-103.

[8] Layrise, I.; Rivas, H.; Acevedo, S. J. Dispers. sci. Technol. 1984, 5, 1-9.

[9] Ovalles, C.; García, M.; Lujano, E.; Aular, W.; Bermúdez, R.; Cotte, E.; Fuel 1998, 77, 3-

11.

[10] Winsor, P. Solvent Properties of Amphiphilic Compounds. Butterworth London, 1954.

[11] Lohateeraparp, P.; Wilairuengsuwan, P.; Saiwan, C.; Sabatini, D.; Harwell, J. J.

Surfactants and detergents. 2003, 6, 15-24.

[12] Seifert, W.; Howells, W. Anal. Chem., 1969, 41, 554-562.

[13] Seifert, W. Anal. Chem., 1969, 41, 562-568.

[14] Strassner, J. J. Petrol. Technol. 1968, 03, 45-52.

[15] Chiwetelu, C.; Hornof, V.; Neale, G.; Chem. Eng. Sci. 1990, 45, 627-634.

[16] Ramakrishnan, T.; Wasan, D.; Soc. Petrol. Eng. J. 1983, 08, 602-609.

[17] Schick M. Nonionic surfactants. Marcel Dekker, INC., New York. 1967.

[18] Hummel D., Handbook of surfactants analysis. John Willey & Sons, LTD, England, 2000.

[19] Kemp D., Vellaccio F., Organic Chemistry. Worth Publishers, INC. 1980.

[20] Rappoport Z., Handbook of table for organic compounds identification, 3ed., CRC Press.

Florida 1967.

[21] Weast R., Astle M., Handbook of chemistry and physicals, CRC Press. Florida 1983.

[22] Antón, R.; Graciaa, A.; Lachaise, J.; Salager, J. L. Proceedings 4th World Surfactants

Congress, R. de Llúria, Ed., A.E.P.S.A.T. Barcelona, España. 1996, 2, 244-249.

[23] Bevilacqua, A.; Califano, A. Food Chemistry, 1992, 43, 354-361.

6

[24] Chocrane, G. J. Chromatogr. 1975, 3, 440-447.

[25] Hsiau-hsu, W.; Santoro, N.; Miller, R.; Tuovinen, O. J. gen. Microbiol. 1984, 130, 1051-

1058.

[26] Seppänen-Laakso, T.; Laakso, I.; Hiltunen R. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 39-62.

[27] Meier-Augenstein, W. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 63-79.

[28] Ackman, R. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 175-192.

[29] Kaliszan, R.; Haber, P.; Baczek, T.; Siluk, D.; Valko, K. J. Chromatogr. A. 2002, 965,

117-127.

[30] Helaleh, M.; Tanaka, K.; Taoda, H.; Hu, W.; Hasebe, K.; Haddad, P. J. Chromatogr. A.

2002, 956, 201-208.

[31] Tanaka, K.; Ding, M.; Helaleh, M.; Taoda, H.; Takahashi, H.; Hu, W.; Hasebe, K.;

Haddad, P.; Fritz, J.; Sarzanini, C. J. Chromatogr. A. 2002, 956, 209-214.

[32] Nimura, N.; Fujiwara, T.; Watanabe, A.; Sekine, M.; Furuchi, T.; Yohda, M.; Yamagishi,

A.; Oshima, T.; Homma, H. Anal. Biochem. 2003, 315, 262-269.

[33] Hanko, V; Rohrer, J. Anal. Biochem. 2004, 324, 29-38.

[34] Snyder, L.; Kirkland, J. Introduction to Modern Liquid Chromatography. 2ed. John Wiley

& Sons, INC. 1979.

[35] Silverstein, R.; Bassler, G.; Morril, T. Spectrometric identification of Organic Compounds,

3rd (ed.) New York:Wiley. 1974.

[36] Mototeru, Y. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 227-236.

[37] Amet, Y.; Adas, F.; Berthou, F. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 193-198.

[38] Brondz, I. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 1-37.

[39] Ohba, Y.; Kuroda, N.; Nakashima, K. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 101-109.

[40] Toyo’oka, T. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 111-130.

[41] Rozhkov, V.; Vorob’ov, S.; Lobatch, A.; Kuvshinov, A.; Shevelev, S. Synthetic Comm.,

2002, 32, 467-474.

[42] Greence, T.; Wuts, P. Protective Groups in Organic Synthesis, John Wiley & Sons. New

York 1999, Chapter 5.

[43] Mulzer, J. In Comprehensive Organic Synthesis; Trost, B.; Fleming, I.; Heathcock, C.

Eds., Pergamon Press. New York, 1991, 6, 324-337.

[44] Ganzler, K.; Salgo, A.; Valko, K.; J. Chromatogr. 1986, 371, 299-304.

7

[45] Yoshida, H.; Hiroka, N.; Kajimoto, G. J. Food Sci. 1990, 55, 1412-1418.

[46] Taketomi, T.; Hara, A.; Uemura, K.; Kurahashi, H.; Sugiyama, E. Biochem. Biophys. Res.

Común. 1996, 224, 462-469.

[47] Dayal, B.; ENTEL, N. Lipids. 1998, 33, 333-341.

[48] Dasgupta, A.; Banerjee, P.; Malik, S. Chem. Phys. Lipids. 1992, 62, 281-287.

[49] Khan, M.; Williams, J. Lipids. 1993, 28, 953-961.

[50] Carrapiso, A.; Garcia, C. Lipids. 2000, 35, 1167-1173.

[51] Deshayes, S.; Liagre, M.; Loupy, A.; Luche, J-L. A. Petit. Tetrahedron. 1999, 55, 10851-

10858.

[52] Kabza, K.; Chapados, B.; Gestwicki, J.; McGrath, J. J. Org. Chem. 2000, 65, 1210-1213.

8

C A P I T U L O I

9

GENERALIDADES DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

A los compuestos que contienen el grupo carboxilo (abreviado -COOH o CO2H) se les

denomina ácidos carboxílicos. El grupo carboxilo es el origen de una serie de compuestos

orgánicos entre los que se encuentran los haluros de ácido (RCOCl), los anhídridos de ácido

(RCOOCOR), los ésteres (RCOOR´), y las amidas (RCONH2). El grupo carboxilo, -COOH, es

formalmente una combinación de un grupo carbonilo y de un hidroxilo. Algunos ácidos alifáticos

se conocen desde hace cientos de años y sus nombres comunes reflejan sus orígenes históricos. El

ácido carboxílico más simple, el ácido fórmico, es el causante de la irritación causada por la

picadura de las hormigas (del latín formica, hormiga). El ácido acético se aisló del vinagre, cuyo

nombre en latín es acetum (agrio). El ácido propiónico se consideró como el primer ácido graso,

y su nombre deriva del griego protos pion (primera grasa). El ácido butírico se obtiene por

oxidación del butiraldehído, que se encuentra en la mantequilla (en latín butyrum). Los ácidos

caproico, caprílico y cáprico se encuentran en las secreciones cutáneas de las cabras (capri en

latín)1-2. Los ácidos de cadena lineal se pueden obtener por hidrólisis de las grasas o aceites

triglicéridos. Los ácidos lineales hasta C5, son líquidos incoloros de olor picante y sabor ácido,

solubles en agua, etanol y éter, y destilan a presión ordinaria sin descomponerse. Los ácidos

lineales siguientes, hasta C9 siguen siendo líquidos a 20 °C, pero perdiendo mucho su fluidez;

esto es, van siendo cada vez más viscosos, de olor repugnante a mantequilla rancia, poco solubles

en agua, pero solubles en éter y etanol. 1-4

Los ácidos grasos con más de diez átomos de carbonos se llaman ácidos grasos superiores

y son sólidos sin color y sin sabor, prácticamente insolubles en agua pero solubles en alcohol y

éter; además, el calor los descompone. La solubilidad en los alcoholes, es debido a la formación

de enlaces de hidrógeno con ellos. Los ácidos carboxílicos son relativamente débiles y su

constante de disociación varía entre 10-3 y 10-5. A partir de C8 la constante de disociación se

mantiene esencialmente constante a 10-5. 1-4 En el petróleo crudo y en el aceite de madera se

encuentran ácidos carboxílicos, policíclicos con alto grado de insaturación (nafténicos, abiéticos,

entre otros).

10

La disociación de un ácido o un alcohol implica, en ambos casos, la ruptura heterolítica de

un enlace O-H, pero cuando la disociación se produce sobre el ácido carboxílico se genera un ión

carboxilato con la carga negativa repartida por igual sobre dos átomos de oxígeno, mientras que

la ionización de un alcohol genera un ión alcóxido, en el que la carga negativa se encuentra casi

en su totalidad sobre un solo átomo de oxígeno. La deslocalización de la carga en el ión

carboxilato hace que éste sea mucho más estable que un ión alcóxido y por tanto, la disociación

de un ácido carboxílico es menos endotérmica que la de un alcohol (Figura I.1).1-3,5

Figura I.1. Disociación de alcoholes y ácidos carboxílicos y su comportamiento

energético.

11

Cuando se hidroliza la grasa con NaOH, se obtiene glicerina (propanotriol) y las

correspondientes sales sódicas de los ácidos carboxílicos de cadena larga (Figura I.2). Estas sales

son lo que se conoce como jabón (saponificación, del latín saponis que significa jabón).

Figura I.2. Reacción de saponificación.

En la reacción de saponificación, el enlace con el grupo saliente se rompe en un segundo

paso del mecanismo (pérdida de ion metóxido). Este segundo paso es muy exotérmico y por tanto

el estado de transición de este segundo paso se asemejará al reactivo y no al producto de la

reacción. En este estado de transición, el enlace con el grupo saliente apenas se ha comenzado a

romper. En general una base fuerte puede funcionar como grupo saliente si se elimina en un paso

muy exotérmico, convirtiendo un intermedio inestable y con carga negativa, en una molécula

estable.5

La Tabla I.1 indica la composición porcentual en ácidos grasos de varios aceites y grasas

vegetales (coco, palma, olivo, entre otros) y animales (tocino, manteca). Estos ácidos tienen una

cadena lineal con un número par de átomos de carbono generalmente de 12 a 18, los cuales

12

pueden ser saturados o contener uno o varios doble enlaces. En la primera columna, se indica el

nombre común del ácido y en la segunda el número de átomos de carbono y después de los dos

puntos el número de dobles enlaces. Los datos de la tabla son indicativos, ya que pueden variar

según las condiciones ambientales y climáticas, o la alimentación del ganado. Sin embargo

algunas diferencias aparecen claramente, en particular acerca del contenido relativo de ácidos

saturados o insaturados.6

De la insaturación depende la estabilidad, ya que los insaturados pueden enranciarse o

polimerizarse, y también la posibilidad de reacción sobre el o los dobles enlaces. Por ejemplo

puede notarse que el aceite de coco y el aceite de almendra de palma contienen un alto porcentaje

de ácido láurico (C12), el cual es la base de sustancias espumantes. Sin embargo, también

contienen ácidos cortos (C6-C8) que pueden producir irritaciones de la piel. Los ácidos grasos

naturales, así como los sintéticos, particularmente en el rango C12-C18, son una fuente

importante de materias surfactantes de todo tipo. Los ácidos grasos permiten introducir en los

surfactantes un grupo lipofílico (con extremidad levemente hidrofílica) que no es tóxico y que

por lo tanto puede usarse en productos farmacéuticos o alimenticios

En la Tabla I.1 puede verse también la correspondencia entre los triglicéridos naturales

(aceites y grasas) y el contenido en ácidos grasos. De manera general se puede decir que los

carboxilatos de cadena corta (C10-C12)6-7 son rápidamente solubles en agua, producen espuma y

toleran el agua dura. Sin embargo son también irritantes para las pieles sensibles. Por otra parte

los carboxilatos en C18 saturados o insaturados no son irritantes y pueden usarse en jabones y

cremas fáciles, pero se solubilizan en agua muy lentamente.

Un buen balance anfifilo lo tiene el palmitato de sodio. Los jabones de aceite de palma

son la base de los jabones de tocador. Se mezclan con jabones de aceite de oliva ("Palmolive",

"Jabón de Marseille") para mayor suavidad y menor irritabilidad, y con un poco de jabón de

aceite de coco o de almendra de palma para aumentar el poder espumante y disolver eventuales

jabones de calcio que pueden formase con agua dura. El aceite de ricino (80% de ácido

ricinoléico) se usa para jabón en barra transparente. El aceite de coco (50% de ácido láurico) se

usa para jabones de marina que deben espumar en el agua salada. Para los jabones en escamas

13

(para lavar la ropa), se usan grasas animales y aceites de madera (tall-oil y rosin-oil). Sin

embargo tres cuartos de la materia prima (para jabones ordinarios o de lavado de ropa) son las

grasas animales, en general grasa de res (tallow). 6-7

Tabla I.1. Composición porcentual en ácidos grasos de varios triglicéridos naturales

Áci

do

N°C

:N°=

Coc

o

Alm

endr

a

Man

í

Soya

Oliv

a

Maí

z

Palm

a

Man

teca

Sabo

res

Man

tequ

illa

Caprílico C08:0 07 04 - - - - - - - 01

Cáprico C10:0 08 04 - - - - - - - 03

Láurico C12:0 48 50 - - - - - - - 04

Mirístico C14:0 17 16 - - - - 01 01 02 12

Palmítico C16:0 09 08 11 11 14 12 46 26 35 29

Esteárico C18:0 02 02 03 04 03 02 04 11 16 11

Oleico C18:1 06 12 46 25 68 27 38 49 44 25

Linoleico C18:2 03 03 31 59 13 57 10 12 02 02

Linolenico C18:3 - - 02 08 - 01 - 01 - -

Para obtener un buen balance anfifilo se usa un catión alcalino, sodio o potasio, o un

catión orgánico monovalente, amina o etanol-amina. Por ejemplo el oleato de trietanol-amina se

usa en cosméticos o como jabón de lavaseco. Los jabones de metales pesados polivalentes tienen

interés desde dos puntos de vista. Primero, son liposolubles y se utilizan en medio oleico como

detergentes, inhibidores de corrosión, agentes de gelificación de grasas de lubricación, etc. Por

otra parte se forman naturalmente cuando se usan jabones de sodio con agua dura, produciéndose

sales de calcio insolubles, que forman grumos característicos que se pegan en el "anillo de la

bañera". Los jabones de aluminio tienen una fórmula intermedia entre Al(OH)(OOCR)2 y

Al(OOCR)3. Se obtienen por reacción del ácido graso con un alcoholato de aluminio. En

solventes orgánicos forman micelas fibrosas y otras estructuras gelificantes de interés para la

14

fabricación de grasas lubricantes. Los jabones de plomo, manganeso, cobalto y cinc se usan como

agentes secantes en pinturas, mientras que los jabones de cobre tienen propiedades fungicidas.

Los estearatos de cinc y de magnesio se usan en polvos faciales. Se preparan por precipitación a

partir de una solución de jabón de sodio, mediante introducción de una sal soluble del metal

pesado.7

La fabricación del jabón ordinario o para lavar se realiza mediante una operación continua

con un tiempo de residencia del orden de 2 h. El proceso no está basado sobre la saponificación

directa sino sobre una hidrólisis del triglicérido, seguido de la neutralización de los ácidos grasos.

Esto permite separar el glicerol, y fraccionar los ácidos grasos por destilación al vacío (Figura

I.3). En el mezclador se introduce también el catalizador alcalino (insoluble en agua) que es

óxido de cinc o de magnesio en el proceso Procter y Gamble (Figura I.4). Otros procesos usan

ácidos sulfónicos en medio ácido. La carga se introduce a través de un distribuidor para dispersar

las gotas de aceite. En ciertos procesos (Monsanto) se fabrica una fina emulsión de aceite en agua

al pasar los dos fluidos a través de un molino coloidal). 6-7

En la Tabla I.2 se muestran los ácidos más corrientes con su estructura y su nombre

común. La casi totalidad (en peso) de los ácidos grasos naturales tienen un número par de átomos

de carbono. Se encuentran ácidos con número impar de átomos de carbono en muchos lípidos,

pero siempre en cantidad mínima. Los ácidos insaturados naturales ocurren en general en

configuración cis, a pesar de que la conformación trans sea termodinámicamente más estable.2

En general, los ácidos carboxílicos están ampliamente distribuidos en la naturaleza y se

encuentran con frecuencia en bacterias. Los ácidos mirístico y palmítico, por ejemplo, se

encuentran en microorganismos.8-11 Los FAs son también fuentes de energía y aquellos que

contienen 20 átomos de carbono así como tres a cinco dobles enlaces son precursores

biosintéticos.12 Por otro lado, el exceso de ácidos grasos libres en el plasma es el responsable de

la resistencia a la insulina encontrada en los músculos de individuos obesos.13 Así como estas

existen muchas otras aplicaciones de estos compuestos citadas en la literatura,14-21 dejando claro

su importante función biológica.

15

Figura I.3. Fraccionamiento de ácidos grasos por el proceso de destilación al vacío.

16

Figura I.4. Fabricación de jabón por el proceso continuo (Procter & Gamble)

17

Tabla I.2. Algunos ácidos grasos importantes

N°C Nombre IUPAC Nombre Común Tf (°C) Fuente (aceites, grasas)

4 Butanoico Butírico -5 Grasa de leche

6 Hexanoico Capróico -3 Grasa de leche

8 Octanoico Caprílico 16 Leche, almendra palma

10 Decanoico Cáprico 32 Leche cabra, almendra palma

12 Dodecanoico Láurico 45 Coco, almendra palma

14 Tetradecanoico Mirístico 54 Coco, palma

16 Hexadecanoico Palmítico 63 Grasas animales, maní

18 Octadecanoico Esteárico 70 Grasa animales

20 Eicosanoico Araquídico 76 Grasa animales, maní

22 Docosanoico Behénico 80 Maní, varias semillas

28 Octacosanoico Montanico 91 Cera de abeja

MONOSATURADOS

16 9-Hexadecanoico Palmitoleico 0 Grasas, pescado, ballenas

18 6-Octadecanoico Petroselinico 31 Semilla perejil

18 9-Octadecanoico Oleico 16 Casi todos aceites grasas

22 13-Docosenoico Erucico 33 Semilla colza

DI-INSATURADOS

18 9,12-Octadecadienico Linoleico -5 Aceites vegetales, tocino

TRI-INSATURADOS

16 6,10,14-Hexadecatrenico Hiragonico Aceite sardina

18 9,12,13-Octadecatrenico Eleoestearico Aceite para teca

18

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS



Florida 1967.

[3] Weast R., Astle M., Handbook of chemistry and physicals, CRC Press. Florida 1983.

[4] Hummel, D. Handbook of surfactants analysis. John Willey & Sons, LTD, England, 2000.

[5] Bruwster, R. Química Orgánica. Compañía editorial continental, S.A. México. D.F.1970.

[6] Salager, J. L., Surfactantes: I. Generalidades y materia prima (cuaderno FIRP), 2004,

S301-PP, 10-12.

[7] Salager, J. L.; Fernández, A. Surfactantes: III. Surfactantes aniónicos (cuaderno FIRP),

2004, S302-PP, 2-6.

[8] Brondz, I. J. Chromatogr. 1985, 342, 13-18.

[9] Paic, M.; Lee, K.; Shin, H. J. Chromatogr. B, 1999, 721, 3-10.

[10] Nimz, E.; Morgan, S. J. Chromatogr. Sci. 1993, 31, 145-153.

[11] Martin, M.; Alonso, L.; Juarez, M.; Fontecha, J. Chromatographia. 1988, 25, 87-93.

[12] Ferrannimi, E.; Barreto, E.; Bevilacqua, S.; DeFronzo, R. J. Clin. Invest. 1983, 73, 1737-

1743.

[13] Thompson, A.; Lim-Fraser, M.; Kraegen, E.; Cooney, G. Am. J. Physiol. Endocrinol.

Metab. 2000, 279, E577-E587.

[14] Schmitz, C.; Craig, D.; Biden, T. J. Biol. Chem. 1999, 274, 24202-24210.

[15] Adlof, R.; Copes, L.; Walter, E. Lipids. 2001, 36, 315-322.

[16] Sassaki, G.; Cruz, L.; Gorin, P.; Lacomini, M. Lipids. 2001, 36, 167-173.

[17] Lin, J.; McKeon, T.; Stafford, A. J. Chromatogr. A. 1995, 699, 85-93.

[18] Marcato, B.; Cechin, G. J. Chromatogr. A. 1996, 730, 83-89.

[19] Mehta, A.; Oeser, A.; Carlson, M. J. Chromatogr. B. 1998, 719, 9-17.

[20] Chen, S.; Chen, K.; Lien, H. J. Chromatogr. A. 1999, 849, 357-364.

[21] Momchilova, S.; Nikolova, B. J. Liquid Chromatogr. Rel. Technol. 2000, 23, 1319-1326.

19

C A P I T U L O I I

20

GENERALIDADES DE LA CROMATOGRAFÍA LÍQUIDA DE ALTA RESOLUCIÓN (HPLC).

Resulta difícil definir rigurosamente el término “Cromatografía” debido a la variedad de

sistemas y técnicas a los que se ha aplicado. De hecho, esta denominación se ha mantenido por

razones históricas ya que fue a principios de siglo, cuando el botánico Mikhail Tswett,1 hizo

pasar soluciones que contenían pigmentos vegetales (clorofilas y xantofilas) a través de columnas

de vidrio empacadas con carbonato de calcio, finamente dividido, logrando separar especies que

se observaban como bandas coloreadas sobre la columna, por lo que llamo al método

“Cromatografía” (del griego chroma que significa color y graphein que significa describir).

Sin embargo, la evidencia escrita más antigua para el uso de un proceso cromatográfico se

encuentra en el viejo testamento.2 En Éxodo 15:25 está escrito: “Y llegaron a Mara, y no

pudieron beber las aguas de Mara, porque eran amargas.......... Entonces Moisés clamó a Jehová y

Jehová le mostró un árbol; y lo echo en las aguas, y las aguas se endulzaron”. Se sabe bien que

las aguas de primavera de la Península de Sinai y del Desierto de Negev en Israel contienen

CaCl2 disuelto que hace el agua amarga y picante. En la región también hay muchas plantas cuya

madera y corteza son ricas en oxalato de potasio, por lo que el hecho descrito en Éxodo puede

atribuirse a un posible proceso de intercambio iónico, en la que la solución acuosa es deionizada

con una pieza de madera impregnada con oxalato.

No obstante, los avances desde entonces permiten describir ahora esta técnica como un

proceso de separación en la cual los componentes de una mezcla se reparten selectivamente entre

una fase móvil (gas, líquido o fluido supercrítico) y otra fija o estacionaria (soporte sólido,

soporte recubierto de una película líquida delgada o soporte con una superficie enlazada

químicamente). Cuando estas fases se escogen de forma adecuada, los componentes de una

mezcla se separan gradualmente en bandas en la fase móvil.

Tradicionalmente, se ha clasificado las diferentes modalidades de la cromatografía de

acuerdo a la naturaleza de la fase móvil. Así, se tiene la Cromatografía Gaseosa (GC) si la fase

móvil es un gas y si es un líquido, Cromatografía Líquida (LC); en este último grupo se anexan la

21

Cromatografía en Capa Fina (TLC), la Cromatografía Líquida en Columna abierta (CC) y la

Cromatografía Líquida de Alta Precisión (HPLC). En todos estos casos, los principios que

gobiernan la separación son fundamentalmente los mismos.3-4

Debido a las limitaciones de la GC para analizar la mayoría de los compuestos orgánicos

conocidos (compuestos de bajo peso molecular), la popularidad de la LC, en su modo HPLC, ha

ido aumentando gradualmente en la medida en que las nuevas tecnologías han permitido el uso de

una mejor instrumentación (detectores, bombas, etc.) y empaques de columnas de mayor

eficiencia. Las razones de esta popularidad son su sensibilidad, fácil adaptación a las

determinaciones cuantitativas exactas, posibilidad de separación de especies no volátiles o

termolábiles y sobretodo, su gran potencial de aplicación para el análisis de compuestos de

interés industrial: aminoácidos, proteínas, hidrocarburos, drogas, plaguicidas, agentes

tensoactivos, especies organometálicas y una cierta variedad de sustancias inorgánicas. La

cromatografía en fase líquida sobre columna puede ser subdividida en cuatro tipos de

cromatografía de acuerdo al material usado como fase estacionaria y al proceso de separación.4-7

a) Cromatografía de adsorción. En este tipo de cromatografía líquida la fase

estacionaria es un adsorbente y la separación se basa en etapas de adsorción y

desorción sucesivas. Como ejemplo de este tipo de cromatografía tenemos las

columnas empacadas con sílica gel y alúmina neutra (Figura II.1).

Figura II.1. Representación esquemática del proceso de adsorción en cromatografía

22

b) Cromatografía de partición o cromatografía líquida-líquida. La separación se basa

en la partición de los componentes de la muestra entre las dos fases líquidas, la una la

fase móvil y la otra la fase estacionaria. Ejemplo: columnas de octilsilano, columnas

de amino, ciano, etc. (Figura II.2).

Figura II.2. Representación esquemática del proceso de partición en cromatografía

c) Cromatografía de intercambio iónico. La fase estacionaria presenta una superficie

compuesta de iones de carga opuesta a los constituyentes de la muestra. Su utilización

se limita a la separación de muestras que contienen compuestos iónicos o ionizables.

La fase móvil esta constituida por una solución tampón acuosa, de manera que el pH

y la polaridad puedan ser reguladas para modificar los tiempos de elusión de los

componentes que atraviesan la columna (Figura II.3).

Figura II.3. Representación esquemática del proceso de intercambio iónico en

cromatografía

23

d) Cromatografía de exclusión o filtración de geles. La fase estacionaria esta

constituida por un material poroso de dimensiones bien definidas los cuales actúan

como filtros de acuerdo a las dimensiones de las moléculas de la muestra, de modo

que las moléculas muy pequeñas viajen a través de los poros del empaque lo cual

retarda mas su permanencia en la columna, mientras que las de mayor tamaño viajan

más rápido por las cavidades entre las partículas. Este tipo de cromatografía se emplea

para la determinación de la masa molecular promedio de los componentes de una

muestra (Figura II.4).

Figura II.4. Representación esquemática del proceso de exclusión por tamaño en cromatografía

24

Aspectos fundamentales

La separación cromatográfica clásica se produce por la diferencia en el reparto de un

compuesto soluble entre la fase móvil y la fase estacionaria, es decir, este proceso es el resultado

de diferencias localizadas en la distribución de los compuestos de la mezcla en la fase móvil. Así,

cuando la muestra y la fase móvil son forzadas a atravesar la fase estacionaria se producen

distintos tipos de interacción entre cada uno de los componentes: interacciones hidrofóbicas,

puentes de hidrógeno, interacciones dipolares, electrostáticas, etc.

Estas interacciones son responsables de la mayor o menor afinidad de cada uno de los

componentes de la muestra por la fase móvil o la fase estacionaria, de manera que el componente

más afín por la fase estacionaria se retiene más y tarda más en eluir, y el más afín por la fase

móvil se retiene menos y eluye antes; de esta forma, en la columna se establecerá un equilibrio

que involucra la fracción de cada especie “disuelta” por cada fase en equilibrio.4

En la Figura II.5, se observa el proceso de separación para un caso hipotético de dos

componentes A y B, que se reparten de manera diferente entre un soporte (FE) y una fase móvil

(s). En cada caso, en la columna se establecerá un equilibrio (gobernado por su respectiva

constante de equilibrio K: KA, KB) que involucra la fracción de cada especie “disuelta” por cada

fase en equilibrio. Sin embargo, dependiendo del empaque de la columna, puede no solo haber

fuerzas de partición entre solutos y la fase estacionaria. Por ejemplo, si esta fase esta compuesta

de partículas adsorbentes como sílice, las fuerzas serán de adsorción (Cromatografía de

Adsorción); si es un relleno con grupos terminales contrarios al signo de la carga eventual de los

solutos, las fuerzas serán iónicas (Cromatografía de Intercambio Iónico). 4-7

El notable aumento de calidad del material de relleno y el avance en la instrumentación,

llevaron al nacimiento y rápido crecimiento de la Cromatografía Líquida de Alta Precisión con la

cual es posible obtener reproducibilidad y rapidez en el análisis. Actualmente, el método

dominante es la cromatografía de fase enlazada, en la cual la separación obedece a la diferencia

en números y naturaleza de los grupos funcionales que parten de la muestra problema.4 Esta

25

puede clasificarse en Fase Normal y Fase Reversa de acuerdo a la polaridad relativa de la fase

móvil y de los grupos funcionales químicamente ligados a la matriz.

Específicamente, si la fase móvil la integran líquidos orgánicos (n-heptano, n-hexano,

entre otras), de baja polaridad, la fase estacionaria debe ser relativamente polar (Sílice, amino por

ejemplo) y a esta técnica se denomina fase normal. Si la fase móvil la constituyen líquidos

acuosos o polares en general (agua, metanol, etc.), y la fase estacionaria es apolar (hidrocarburos

por ejemplo), se denominará fase reversa, técnica que será empleada en este trabajo para el

análisis de ácidos grasos.

La HPLC como primer intento de separación y análisis de los componentes en mezclas

complejas presenta ventajas primordiales debido a su amplio rango de aplicabilidad, y a la

facilidad con la que puede modificarse el factor capacidad (k'), variando las fases móviles.4,8-9

Este k', es un parámetro que expresa la relación entre el tiempo de retención por la fijación del

componente en la fase estacionaria (Tr) y el tiempo de transito de ese mismo componente en la

fase móvil (Tm), el cual es característico para cada componente de la muestra.

Por otro lado, existen dos aproximaciones básicas para la descripción del fenómeno de

retención en HPLC desde el punto de vista termodinámico: uno se basa en la teoría de partición y

el otro se basa en la adsorción. La partición es un cambio en concentración en el sistema debido a

la distribución de los componentes entre dos (o mas) fases, y la absorción es el cambio en

concentración en el sistema en presencia de una interfase con otra fase y es debida a las fuerzas

de superficie; dicha fase es una forma de materia que es por todo uniforme en composición

química y estado físico.

26

Figura II.5. Proceso de separación en cromatografía líquida.

Las partículas adsorbentes son consideradas no permeables y no solubles por las

moléculas del eluyente y del analito. Estas solo introducen fuerzas de superficie en el sistema. La

consideración de los procesos HPLC basados en la teoría de partición fue transferida de la teoría

de cromatografía de gas (CG), donde ocurre una verdadera partición entre una fase móvil gas y la

fase liquida estacionaria.

C18 18 C12

B + A

B

A

B

A

Cromatograma

Distribución: K = Cs/Cm

F E

Fase móvil

Solv

ente

27

Termodinámica del proceso cromatográfico

La descripción usual de la cromatografía liquida en base a la partición; considera la

suposición de la existencia de la fase liquida separada la cual se encuentra cerca de la superficie

del adsorbente. Las fases químicamente enlazadas son las consideradas usualmente, siendo una

de las más populares la octadecilsilica (RP-C18), donde cadenas alquílicas relativamente largas

(21 Ǻ) están químicamente enlazadas a la superficie de la sílice. El principio del concepto de

partición es que las moléculas del analito pueden penetrar entre estas cadenas alquílicas. Este

proceso es termodinámicamente considerado como la disolución de las moléculas del analito en

la fase alquílica superficial.

Sin embargo, existen dos restricciones para la aplicación de esta aproximación en la

descripción termodinámica:

1. Las cadenas enlazadas tienen un cierto espesor (ca. 3.8 Ǻ de diámetro) y

dependiendo de la densidad del enlace la capa puede no comportarse como un

liquido.

2. Las capas mono-moleculares no deberían considerarse como una fase en

termodinámica clásica.9

En la actualidad, existe cierta controversia en la aplicación de la teoría de partición para

describir los datos obtenidos por HPLC. Por ello es necesario también, considerar la teoría

termodinámica de adsorción de la retención en HPLC.8-9 Una descripción clásica de los procesos

de adsorción se basa en la teoría de exceso de adsorción de Gibbs, la cual considera básicamente

dos sistemas de adsorción hipotéticos con el mismo volumen, temperatura, presión y área

superficial del adsorbente. La única diferencia radica en que el primer sistema no muestra

adsorción alguna en la superficie (no hay fuerzas superficiales).

Después de alcanzar un equilibrio en ambos sistemas, se mide la concentración de los

componentes en la mayor parte de la solución sobre el adsorbente. El primer sistema obviamente,

28

tendrá una concentración original (Co) del componente A (considerando una solución binaria,

Vo), y en el segundo sistema se observara una concentración diferente, (Ce) del mismo

componente. El exceso de adsorción (Γ) se define como una cantidad en exceso del componente

concentrado en el adsorbente por unidad del área superficial (mS), es decir:

( )mS

VoCoCe !=" (1)

La dependencia del exceso de adsorción de Gibbs en la concentración del analito en el

equilibrio es lo que se conoce usualmente como isoterma de adsorción. Para las mezclas binarias

simples una isoterma de adsorción puede ser considerada por la siguiente ecuación:

( ) ( )( )xK

xxK

S

Vo

11

11

!+

!!=" (2)

donde x es la concentración en equilibrio del analito en fracción molar, K es la constante de

equilibrio termodinámica. K es una medida de la diferencia de energía de interacción de las

moléculas de eluente y analito con la superficie adsorbente, y puede ser expresada de la siguiente

forma:

RT

GK

!= exp (3)

donde ∆G es la diferencia de la energía libre de Gibbs del analito y el eluyente, R es la constante

de los gases, y T es la temperatura absoluta.

29

Si se asume que la columna está en equilibrio, esto significa que en cualquier momento y

en cualquier parte de la columna, las condiciones son infinitamente cercanas al equilibrio

termodinámico. Ahora bien, considerando la masa dinámica del analito en las pequeñas secciones

de la columna es posible obtener la ecuación de balance de masa para la parte dx de la columna a

una distancia x del inyector. Esta ecuación de balance de masa tiene una forma diferencial, y

tiene una solución exacta solo para un sistema binario (ecuación 4).

dc

dSVV

R

!+=

0 (4)

Esta solución establece una conexión entre el volumen de retención del analito (VR) y su

exceso de isoterma de adsorción. Esta expresión es la ecuación básica de retención en

cromatografía de adsorción y es la que generalmente se emplea para la explicación

termodinámica de la mayoría de los efectos cromatográficos.9

En general, se dice que el volumen de retención del componente es la suma del volumen

muerto (volumen total de la fase liquida en la columna cromatográfica), el producto del área

superficial del adsorbente y la derivada de su exceso de isoterma de adsorción. Por lo general, la

teoría de retención de HPLC basada en la adsorción de soluciones puede ayudar a establecer las

relaciones de los valores de retención medibles (Vr, tr, y k’) con los parámetros termodinámicos,

tales como la constante de equilibrio de adsorción (K), o la energía libre de Gibbs. El factor

capacidad (definido anteriormente) viene expresado como:

0

0'

V

VVk

r!

= (5)

Tomando como referencia la ecuación básica de retención, tenemos:

30

dC

d

V

Sk

!=

0

' (6)

Para concentraciones bajas de analito (dC), en ausencia de interacciones analito-analito en

solución y en la superficie, la ecuación anterior podría ser aplicada para la descripción de la

isoterma de adsorción. A muy bajas concentraciones el límite de la derivada del exceso de

adsorción por concentración es igual a:

( )1lim0

0

!="

#k

S

V

dc

d

c

(7)

De estas dos últimas ecuaciones se puede concluir que el factor capacidad puede

expresarse de la siguiente forma:

1' != Kk (8)

Por otro lado, la constante de equilibrio termodinámica es un parámetro energético. Su

logaritmo es igual a la diferencia de la energía libre de Gibbs del analito y el solvente en el

sistema de adsorción:

( ) ( )1'lnln +=!

"!

=!

= kR

S

RT

H

RT

GK (9)

donde ∆H es la diferencia de la entalpía de adsorción del analito y el solvente y ∆S es la

diferencia correspondiente a su entropía. Si el solvente interacciona con la superficie del

31

adsorbente más fuerte que el analito, este será de preferencia adsorbido. El valor de la energía

libre de Gibbs será negativo y la constante de equilibrio será menor a 1. La ecuación (8) deduce

que el factor capacidad de ese analito será negativo. Esto significa que el analito se moverá a

través de la columna más rápido que el eluente. Por tanto, el analito el cual tiene una adsorción

negativa no penetrará en la parte del volumen adyacente a la superficie adsorbente y en

consecuencia, este analito ocupara menor volumen mientras se mueve a través de la columna y se

moverá más rápido que el eluente.8-10

32


[1] Tswett, M. Ver. Dtsch. Bot. Ges. 1906, 24, 316-384.

[2] La Biblia, Viejo Testamento. Éxodos 15:25.

[3] Yost, R.; Ettre, L.; Conlon, R. Practique de la Chromatographie Liquide, Technique et

Documentation. Paris, 1981.

[4] Kyrkland & Snyder. "Introduction to HPLC", M. Dekker, Inc., New York, N.Y., 1983.

[5] Rouessac, F.; Rouessac, A. Chemical Analysis: Modern Instrumental Methods and

Techniques. 4ª Edición. Editorial John Wiley & Sons, 2001.

[6] Skoog, D.; Holler, F.; Nieman, T. Principios de Análisis Instrumental. 5ª Edición.

Editorial McGraw-Hill, 2001.

[7] Rubinson, K.; Rubinson, J. Análisis Instrumental. 1ª Edición. Editorial Prentice-Hall,

2001.

[8] Levin, S. http://www.forumsci.co.il/HPLC/program.html; 1997.

Kazakevich, Y.; McNair, H. http://hplc.chem.shu.edu/NEW/HPLC_Book/index.html.

2000.

[9] Snyder L. R. Principle of Adsorption Chromatography. M. Dekker, Inc., New York, 1968.

[10] Jandera, P.; Colin, H.; Gulochon, G. Anal. Chem. 1982, 54, 435-440.

33

C A P I T U L O I I I

34

SISTEMAS AUTOMATIZADOS DE ANALISIS.

En la actualidad la química analítica está enfocada hacia tres grandes objetivos: la

automatización, sistematización y miniaturización de los análisis, para ello es fundamental

emplear técnicas o métodos de bajo costo, que permitan el análisis de un gran número de

muestras en tiempos cortos y en los cuales la intervención del operador sea mínima. Por esta

razón, hasta los momentos se han estudiado diversos sistemas automáticos y automatizados, estas

terminologías han sido establecidas por la IUPAC, los primeros son dispositivos que no

modifican su funcionamiento como resultado de una señal de retroalimentación procedente de un

transductor analítico, y los segundos son aquellos que controlan el curso del análisis debido a que

se incorporan uno o varios sistemas de retroalimentación. Entre los sistemas automáticos se

encuentran: los discontinuos, en los cuales las muestras se mantienen como entidades separadas,

y los de flujo continuo, en estos sistemas las muestras llegan a formar parte de un efluente, donde

se llevan a cabo diversas operaciones unitarias (preparación de muestra, disolución, separación,

medición, entre otras). El método de flujo continuo más empleado en la actualidad es el de

inyección en flujo ó método de flujo continuo no segmentado, FIA del anglosajón flow injection

analysis.

El trabajo manual de las soluciones sigue siendo el talón de Aquiles de la instrumentación

analítica moderna. Sin embargo, está siendo sustituido actualmente por el FIA, que permite el

manejo automatizado de soluciones de muestra y reactivo con un control determinante de las

condiciones de reacción. FIA fue en principio descrito en Dinamarca por Ruzicka y Hansen en

1975.1 La técnica ha crecido desde entonces en una disciplina cubierta por seis monografías y

más de 11.000 artículos de investigación.

El alcance del método creció desde el análisis en serie de muestras a una herramienta para

el realce del funcionamiento de instrumentos espectroscópicos y electroquímicos. La técnica de

inyección en flujo llegó a ser lo más recientemente aplicado en la biología para el estudio de

células vivas por microscopia de fluorescencia. Otros campos incluyen la supervisión de procesos

químicos en tiempo real, biotecnología, inmuno-ensayos incluyendo reacciones de anticuerpos,

35

transformación de los analitos en compuestos que generen una respuesta adecuada para su

cuantificación, entre otros.2-13

FIA es una técnica de flujo continuo empleada para el análisis rápido automatizado de

muestras líquidas. Sin embargo, debido a la gran flexibilidad y diversidad de FIA, es difícil de

capturar su amplio alcance y muchas facetas en una sola definición. Hay, en general, dos tipos de

definiciones, las cuales se clasifican como "académico" y las de "valor industrial".

1. Desde el punto de vista académico, es una forma de reunir información de la

disminución de la concentración en una zona inyectada y bien definida de un

líquido, dispersado en una corriente continua de un portador no segmentado.

2. Desde el punto de vista industrial es una tecnología analítica sencilla y versátil

para automatizar el análisis químico, basado en la manipulación física y química

de una zona dispersada de la muestra formada de la inyección de la muestra en un

portador de corriente para su detección. No obstante, FIA ha avanzado más allá del

análisis químico húmedo automatizado de una sustancia ya analizada. Las

innovaciones iniciales utilizando FIA incluyó:

• Eliminar las burbujas del flujo analítico

• Disminuir el diámetro interno de la tubería del reactor

• La inyección precisa de las muestras en el flujo analítico

El resultado fue picos analíticos con tiempos muy rápidos de subida y recuperación y

completo desastre entre muestras. Cuando se desarrollo la tecnología, muchos otros aspectos de

FIA se descubrieron y esto ha resultado ser extraordinariamente beneficioso para los laboratorios

analíticos rutinarios. En FIA, los tiempos de inicio y de cierre son tan cortos que es muy práctico

cambiar entre métodos analíticos mejor que con los canales requeridos con SFA.

Los cortos tiempos de análisis, debidos a la alta reproducibilidad de los volúmenes de muestra

y tiempos de residencia, permite que las muestras sean analizadas cerca del tiempo real. Además,

36

debido al análisis de las muestras cerca del tiempo real, la calidad de los datos se puede controlar

y tomar así las acciones correctivas durante el análisis, y no al final del ensayo cuando es

demasiado tarde. FIA es realmente más análogo a la HPLC moderna que a SFA. De hecho, FIA

ha sido llamada "HPLC sin la columna y altas presiones". En la Tabla III.1 se muestra esta

analogía y en la Tabla III.2 sus características de productividad.

Por otro lado, debido a la ausencia de burbujas de aire en el sistema, la contribución del

ruido por el flujo analítico es mínimo; de esta forma la relación señal / ruido en FIA es mejor que

en SFA. La discusión anterior muestra como la tecnología de análisis de inyección en flujo brinda

una poderosa y flexible capacidad de análisis automatizados de iones. Como una analogía a la

HPLC, FIA usa modernos principios de dinámica de fluidos para efectuar la introducción de la

muestra, mezclado, reacciones, calentamiento, diálisis, digestión y extracción, entre otros.

Instrumentación

En un analizador de inyección de flujo, un volumen pequeño y fijo de una muestra líquida

se inyecta como una zona distinta que utiliza un dispositivo de inyección en un líquido portador

que fluye por un estrecho tubo o conducto. La zona de la muestra se dispersa progresivamente en

el portador, inicialmente por convección, y posterior por la difusión axial y radial, cuando se

transporta por el conducto en condiciones laminares de flujo. En la Figura III.1 se muestra el

principio del análisis de inyección en flujo, cuyo punto de confluencia se representa con la letra

D.

Se puede agregar reactivo en varios puntos de la confluencia y éstos se mezclan con la

zona de la muestra bajo la influencia de dispersión radial, para producir la especie reactiva o

perceptible que puede ser percibida por cualquier variedad de dispositivos de detección. La altura

o el área de la señal formada del pico así obtenido se pueden utilizar para cuantificar el analito

después de la comparación con los picos obtenidos para soluciones de concentraciones conocidas

que contienen el analito.

37

Tabla III.1. Comparación de las Características de FIA, HPLC y SFA

Parámetro FIA µHPLC SFA

introducción de Muestra Inyección Inyección Aspiración

volumen de Muestra µL µL mL

Flujo analítico No segmentado No segmentado Segmentado

Conductos múltiples <1 mm d.i. <1 mm d.i. 1-2 mm d.i.

Retraso de la fase Ninguno Ninguno Significativo

Data de reducción normal Integración Integración Altura

Condiciones de mezclado Laminar Laminar Turbulento

Tabla III.2. Características de productividad de FIA

Inicio rápido ~5 minutos

Análisis rápido Es típico de 20 a 60 s

Rendimiento por muestras Es típico 60 a 120 muestras por hora

Rangos amplios de trabajo Partes por trillón a porcentajes

Completa resolución de línea base No aditivo entre muestras

Amplio rango dinámico 2 a 3 décadas es típico

Rápido cierre ~5 min.

Método de cambio rápido ~10 min.

Auto dilución inteligente Las muestras fuera de escalas son diluidas automáticamente

utilizando la relación correcta sin la intervención del operador

Control de calidad de los datos Tiempo real cercano al control de la calidad de los datos

38

Figura III.1. Principio del análisis de inyección en flujo.

El proceso entero de la muestra / inyección uniforme, el transporte, la adición de reactivo,

la reacción y detección se pueden alcanzar muy rápidamente (segundos), utilizando cantidades

mínimas de muestra y reactivos, y con excelente reproducibilidad (Ej. el coeficiente de variación,

CV, generalmente <2%). Aunque no se puede lograr durante este proceso el equilibrio completo,

la cuantificación es posible porque tanto los estándares como las muestras son dispersados a la

misma extensión y procesados en una manera idéntica.

FIA difiere notablemente del otro método continuo muy común de análisis de flujo, el

análisis en flujo continuo segmentado (SCFA), una técnica que implica la separación de la

muestra y una solución del lavado por burbujas aéreas para evitar la contaminación entre

muestras. En SCFA, aplican las condiciones turbulentas de flujo, ocurre una completa dispersión

de la muestra, y se alcanza una condición de estado constante antes de la detección del analito.

Por tanto, el análisis de muestras en SCFA es generalmente más lento que en FIA.

39

El proceso de FIA se puede agrupar en tres etapas:

1. La muestra se mide fuera y se inyecta en el portador de corriente (FIA). Este paso se

realiza generalmente con una válvula de inyección de muestra.

2. Procesamiento de la muestra: el propósito de este paso es transformar el analito en una

especie que pueda ser medida por el detector y manipular su concentración en una

gama que sea compatible con el detector.

3. Descubrimiento: es donde el analito, o un derivado de el, produce un pico de la señal

que se utiliza para la cuantificación.

En resumen, FIA puede:

• Diluir por factores hasta decenas de miles, y puede concentrar por varios cien.

• Realizar la química en un analito para producir una especie perceptible.

• Transferir un analito de un medio a otro, por ejemplo de una muestra de gas a un portador

de FIA, y viceversa.

• Hacer extracción de solvente, y modificación de matriz o eliminación de matriz.

• Además, ser utilizado también para enriquecer (concentrar) un analito. En este caso, el

mismo dispositivo (MSD) utilizado para la dilución se puede utilizar también para el

enriquecimiento del analito configurándolo a una válvula de inyección y haciendo uso de

una membrana.

Los requisitos mayores para controlar un proceso con sistemas FIA son la sencillez,

robustez, y la certeza instrumental y química. En los sistemas FIA, la muestra que implica

acondicionamiento o modificación, o la determinación de multi-parámetros puede implicar

muchas líneas de bombeo y una configuración múltiple moderadamente compleja. La certeza de

40

los sistemas FIA desplegados para aplicaciones a largo plazo, puede ser también sumamente

dependiente de la estabilidad de los reactivos utilizados.

El desempeño a largo plazo de estos sistemas quizás sea aumentado por el uso de

reactivos de fase sólida o de producción de reactantes in situ, ambos son posibles en un régimen

de análisis de inyección en flujo. Muchas investigaciones en esta técnica están dirigidas a la

medida de una sola especie, pero existe la necesidad de desarrollar multi-sistemas. Además, la

especificidad y la sensibilidad de muchos procedimientos enzimáticos y de inmuno-ensayo

utilizados en análisis clínicos y bioquímicos se podrían adaptar muy ventajosamente a las

aplicaciones continuas de control o selección en el sistema FIA que se utilice.9,11,14

En conclusión, FIA ha invadido el mundo científico para hacer más ventajosa la

investigación. Es decir, se ha incursionado en el mercado con tales ventajas que permite

disminuir en muchos casos casi al máximo la manipulación o tratamiento de una muestra antes de

ser analizada, hasta su total detección y cuantificación. Por tanto FIA, acoplado a las técnicas

analíticas existentes, proporciona la mejor solución hasta el momento a la mayor parte de los

problemas instrumentales y metodológicos que enfrenta día a día el investigador.

41

Derivatización de ácidos carboxílicos

Las técnicas de separación cromatográficas en combinación con sistemas de detecciones

selectivas y sensibles han ganado una enorme popularidad en todos los campos de la química

analítica. Sin embargo, incluso con esta variedad de sistemas de detección-separación disponibles

no siempre es posible alcanzar el límite de detección deseado con la precisión necesaria sin

alguna manipulación analítica o derivatización.

Los dos objetivos generales de una técnica de derivatización son:

1. Para incrementar la sensibilidad de detección, normalmente introduciendo cromóforos o

fluoróforos o al obtener un compuesto diferente con alta respuesta; y

2. Para incrementar la selectividad, al aplicar una reacción de derivatización específica y

selectiva para derivar solo el compuesto o compuestos de interés y poder detectarlos

entonces selectivamente en una matriz compleja.

Cuando la adición de reactivo es luz, el procedimiento es llamado reacción fotoquímica o

fotoderivatización. Así como alguna reacción de derivatización, esta puede realizarse fuera de

línea o en línea, siendo este último modo el más preferido. Cualquier detector común en

cromatografía puede ser usado para mostrar los productos de derivatización. Tanto los

fotorreactores de bombilla como los comerciales son usados con frecuencia, permitiendo una

gran variedad de esquemas de derivatización, cada uno apropiado para cada tipo de muestra en

particular.

Existen varios tipos de reacciones que pueden ser iniciadas por activación fotoquímica,

aunque la aplicabilidad de alguno de estos es limitada a aquellos compuestos que tienen la

estructura molecular apropiada para absorber suficiente energía de luz. Estas reacciones pueden

ser: oxidación y reducción, fotólisis y foto-hidrólisis, fotoionización, rearreglos moleculares,

adición y eliminación, ciclización, dimerización y polimerización, entre otros.15-19

42

La elección del agente derivatizante está influenciada por parámetros tales como:

absorción y/ o actividad de fluorescencia, conducta cromatográfica del compuesto resultante,

condiciones de reacción requeridas para la conversión cuantitativa del compuesto, así como,

estabilidad química, disponibilidad comercial y manejo seguro del agente derivatizante.

Las técnicas de derivatización para análisis por HPLC han recibido especial atención

debido a que ellas proporcionan alta sensibilidad de detección de los compuestos al enlazar un

grupo cromóforo que resulta en un producto con fuerte absorción en el UV. Existen dos

alternativas para la derivatización de ácidos carboxílicos grasos, por reacción pre o post

columna,20-22 usando un sistema FIA en línea o por pasos. La derivatización pre-columna es la

alternativa que se emplea con más frecuencia, con el objeto de incrementar la sensibilidad de

detección.

No obstante, la derivatización de FAs requiere algunas condiciones mínimas de reacción

para obtener el producto deseado. La mayoría de las reacciones de derivatización reportan el uso

de solvente y calentamiento en un baño de agua.23-24 Por otro lado, la irradiación con microondas

puede reemplazar el calentamiento convencional, debido a que permite la irradiación de la

mezcla de reacción en sistemas continuos o no continuos, al mismo tiempo que permite el control

eficiente del poder energético aplicado. Además, la irradiación con microondas puede ser

empleada para acelerar la reacción química hasta en unas mil veces sobre los métodos

convencionales. Las condiciones experimentales, tales como cantidad de reactivo, temperatura de

reacción y tiempo de reacción, son algunas veces críticos para aumentar la eficiencia de la

reacción y la formación del producto, por lo que, los procedimientos de purificación y

derivatización son algunas veces complicados y de gran consumo de tiempo.

El calentamiento por microondas involucra la absorción directa de energía por la muestra

digiriéndose. Las microondas son energía electromagnética, la cual es una radiación no ionizante

que causa movimiento molecular por la migración de los iones y la rotación de dipolos, pero no

produce cambios en la estructura molecular. La energía microondas tiene un rango de frecuencia

43

entre 300 a 300.000 MHz. El sistema microondas puede ser capaz de dar salida a los vapores sin

avisar o dañar el sistema electronico.6

En años recientes, se han reportado un gran numero de métodos para la preparación de

esteres de ácidos carboxílicos utilizando irradiación con microondas.25-35 Ganzler y col.,36 fueron

los primeros en reportar un método de extracción con microondas. Este método resulto efectivo y

económico en solvente y tiempo. Sin embargo, la irradiación con microondas puede provocar la

oxidación y modificación de los FAs.

Por otro lado, la oxidación de los FAs insaturados disminuye durante la derivatización con

irradiación microonda, comparado a las técnicas de calentamiento usuales.30 Tomando como

referencia los trabajos que reportan la irradiación microondas como una ventaja en las reacciones

de obtención de derivados, se desarrollo un sistema en línea para la obtención de derivados de

FAs con irradiación microondas y su análisis por HPLC en fase reversa. Para esto se

establecieron las condiciones necesarias de reacción empleando los siguientes agentes

derivatizantes: Fenilhidrazina, 2,4-dinitrofenilhidrazina, y cloruro de bencilo.

44


[1] Ruzicka, J.; Hansen, E. Anal. Chim. Acta 1975, 78, 145-147.

[2] Frenzel, W.; Fresenius, J. Anal. Chem. 1992, 342, 817-21.

[3] Luque, M.; Valcárcel, M. Analyst 1984, 109, 413-419.

[4] Schmid, R.; Künnecke, W. J. Biotechnol 1990, 14, 3-31.

[5] Song, Z.; Hou, S. Anal. Chim. Acta 2003, 488, 71–79.

[6] Asan, A.; Isildak, I.; Andac, M.; Yilmaz, F. Talanta 2003, 60, 861-866.

[7] Mizutani, F.; Hirata, Y.; Yabuki, S.; Iijima, S. Sensors and Actuators B 2003, 91, 195–

198.

[8] Pobo’zya, E.; Halkob, R.; Krasowskia, M.; Wierzbickia, T.; Trojanowicza, M. Water

Research 2003, 37, 2019–2026.

[9] Ruzicka, J.; Hansen, E. Anal Chem. 2000, 72, 212A-217A.

[10] Nielsen, S.; Hansen, E. Anal. Chim Acta., 2000, 422, 47-62.

[11] Hansen, H. Talanta, 2000, 51, 607-608.

[12] Wang, J.; Hansen, E. Anal. Lett. 2000, 33, 2747-2766.

[13] Wang, J.; Hansen, E. Anal. Chim. Acta, 2000, 424, 223-232.

[14] Ruzicka, J.; Hansen, E. Flow Injection Analysis, J. Wiley and Sons, 1981.

[15] Lores, M.; Cabaleiro, R. Trends in analytical chemistry, 1999, 18, 6-14.

[16] Li, L.; Liu, M.; Da, S.; Feng, Y. Talanta 2004, 62, 643–648.

[17] Porschmann, J.; Plugge, J.; Toth, R. J. Chromatogr. A, 2001, 909, 95–109.

[18] Fan, L.; Chen, H.; Zhang, J.; Chen, X.; Hu, Z. Anal. Chim. Acta 2004, 501, 129–135.

[19] Sobolevsky, T.; Revelsky, A.; Revelsky, I.; Miller, B.; Oviedo, V. J. Chromatogr. B,

2004, 800, 101–107.

[20] Toyo’oka, T. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 111-.118.

[21] Miwa, H. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 237-255.

[22] Rosenfeld, J. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 93-101.

[23] Gedye, R.; Smith, F.; Westaway, K.; Ali, H.; Baldisera, L.; Laberge, L.; Rousell, J.

Tetrahedron 1986, 27, 279-282.

[24] Raner, K.; Strauss, Ch. J. Org. Chem. 1992, 57, 6231-6234.

45

[25] Montaser, A.; Malean, A.; Huiying, L.; Mermet, J. Inductively coupled plasma mass

spectrometry. (Ed); Wiley-VCH; Chapter 2. 1998, 33-79.

[26] Yoshida, H.; Hiroka, N.; Kajimoto, G. J. Food Sci. 1990, 55, 1412-1418.

[27] Taketomi, T.; Hara, A.; Uemura, K.; Kurahashi, H.; Sugiyama, E. Biochem. Biophys. Res.

Común. 1996, 224, 462-469.

[28] Dayal, B.; Entel, N. Lipids. 1998, 33, 333-341.

[29] Dasgupta, A.; Banerjee, P.; Malik, S. Chem. Phys. Lipids. 1992, 62, 281-287.

[30] Khan, M.; Williams, J. Lipids. 1993, 28, 953-961.

[31] Carrapiso, A.; García, C. Lipids. 2000, 35, 1167-1173.

[32] Deshayes, S.; Liagre, M.; Loupy, A.; Luche, J-L. A. Petit. Tetrahedron 1999, 55, 10851-

10859.

[33] Kabza, K.; Chapados, B.; Gestwicki, J.; McGrath, J. J. Org. Chem. 2000, 65, 1210-1213.

[34] Sterbová, D.; Matejícek, D.; Vlcek, J.; Kubán, V. Anal. Chim. Acta 2004, 513, 435–444.

[35] Priego, F.; Ruiz, J.; García, J.; Luque, M. Anal. Chim. Acta 2004, 517, 13–20.

[36] Ganzler, K.; Salgo, A.; Valko, K. J. Chromatogr. 1986, 371, 299-304.

46

C A P I T U L O I V

47

COMPORTAMIENTO DE FASE Y FRACCIONAMIENTO

En los últimos años se ha generado una intensa actividad de investigación, para

desarrollar procesos de recuperación de petróleo, comúnmente denominados procesos de

recuperación mejorada o terciaria. Uno de estos procesos es la inyección de soluciones micelares

de surfactantes a los pozos de producción, con la finalidad de reducir la tensión interfacial entre

el crudo y el fluido de drenaje. Al lograr disminuir la tensión interfacial crudo-agua hasta

aproximadamente 10-3 mN/m se consiguen las condiciones que permiten la movilización del

crudo mediante un derrame difásico.

En este capitulo, se explican las teorías necesarias para comprender el comportamiento de

fase de los ácidos carboxílicos grasos en sistemas aceite-agua producido por su carácter

anfifílico. Luego, se presentan las condiciones óptimas para la preparación de sistemas

ácido/agua/aceite con comportamiento trifásico, cambiando las variables de formulación hasta

encontrar el sistema a formulación óptima (máxima solubilización), cuyas fases son analizadas

empleando el método desarrollado por HPLC que se discutió en el primer capitulo. El análisis de

las fases se realizó con el fin de determinar el reparto de estos compuestos en los sistemas

microemulsión-aceite-agua. Finalmente, se discute la utilidad del coeficiente de reparto para

obtener información termodinámica del proceso de transferencia de la molécula del ácido del

aceite al agua.

Surfactantes y sus propiedades

Un surfactante es una sustancia anfifílica (doble afinidad), es decir, que posee una

dualidad polar-apolar, por lo cual tiene una actividad superficial o interfacial cuando está

presente una cierta concentración en un sistema agua-aceite, teniendo la propiedad de adsorberse

en la superficie o interfase del sistema en el cual se solubiliza, alterando la energía libre de estas

superficies o interfases.

48

La molécula típica de un anfifilo tiene dos partes (Figura IV.1): 1) Un grupo polar que

contiene heteroátomos como O, S, P o N, que se encuentran en grupos de tipo alcohol, ácido,

sulfato, sulfonato, fosfato, amina, amida, etc. 2) Un grupo apolar o poco polar que es

generalmente un hidrocarburo de tipo alquil o alquil-arilo (puede contener eventualmente átomos

de halógeno u oxígeno).1

Figura IV.1. Representación clásica de una molécula de surfactante

Generalmente los surfactantes se clasifican de acuerdo a su ionización en medio acuoso

en:1-3

a) Surfactantes aniónicos: Se disocian en un anión anfifilo y un catión, en general un metal

alcalino o un amonio cuaternario. Son buenos espumantes, humectantes, emulsionantes y

dispersantes. Su producción representa alrededor del 55 % de los surfactantes producidos

en el mundo. Los jabones (sales de sodio de ácidos grasos) pertenecen a este rubro.

Sales de ácidos carboxílicos: R–COO–Na+

Alquilbenceno sulfonatos: R–C6H4SO3–Na+

Alquil sulfatos: R–OSO3–Na+

b) Surfactantes catiónicos: Son aquellos que se disocian en un catión anfifilo y un anión,

generalmente del tipo halogenuro. Se caracterizan por ser poco eficientes en las

49

aplicaciones más populares, sin embargo poseen otras propiedades interesantes como su

poder bactericida.

Sales de aminas grasa: R–NH3+Cl–

Sales de amonios cuaternarios: R–N(CH3) 3+ Cl–

c) Surfactantes noiónicos: En solución acuosa no se disocian, puesto que poseen grupos

hidrofílicos del tipo alcohol, fenol, éter o amida. Representan aproximadamente el 40% de

la producción anual mundial.2 Los ácidos grasos pertenecen a este rubro.

Monoglicéridos: R–COOCH2CHOHCH2OH

Alcoholes etoxilados: R–(OC2H4)nOH

Alquilfenoles polietoxilados: R– (C6H4)–(OC2H4)nOH

d) Surfactantes anfotéricos: La porción que posee actividad interfacial tiene carga positiva,

negativa o ambas dependiendo del pH del medio. Su empleo es muy reducido.

Aminoácidos de cadena larga: RNH2+CH2COO–

Sulfobetainas: R–N+(CH3)2CH2CH2SO3–

En los surfactantes se distinguen dos propiedades fundamentales:1 la adsorción, donde los

surfactantes al encontrarse en solución tienden a migrar hacia las interfases de carácter

polar/apolar, para satisfacer su doble afinidad, alcanzando así un estado de mínima energía y, la

asociación de los surfactantes, en forma de micelas a partir de cierta concentración conocida

como la Concentración Micelar Crítica (CMC), en este punto el surfactante alcanza una posición

favorable desde el punto de vista termodinámico (Figura IV.2).

Por ejemplo, en la Figura IV.3 se muestra la variación de la tensión superficial en función

de la concentración del surfactante.2,4 A partir del valor que corresponde al agua pura (72 mN/m

50

o dina/cm), se observa una disminución de la tensión superficial con el aumento de concentración

de surfactante; en esta primera zona (I), la mayoría de las moléculas de surfactante se adsorben en

la superficie agua-aire, y la concentración superficial crece rápidamente.

A partir de un cierto valor, la superficie está ocupada por una capa monomolecular de

surfactante, y la tensión interfacial decrece linealmente con el logaritmo de la concentración;

según la isoterma de Gibbs, esto indica que la concentración superficial permanece constante. En

esta segunda zona (II) la superficie es por lo tanto saturada y las moléculas de surfactante que se

añaden deben solubilizarse en la fase acuosa, lo que es poco favorable desde el punto de vista

energético, por la presencia del grupo no-polar L.

Figura IV.2. Las propiedades fundamentales de los surfactantes Adsorción y Asociación (A), dan origen a las micelas (B).

La CMC de un surfactante depende a la vez de su grupo hidrofílico (tipo, tamaño,

contraión) y de su grupo lipofílico (longitud, ramificación). En medio acuoso, la CMC disminuye

cuando el número de átomos de carbono del lipófilo del surfactante aumenta. La tendencia

general para grupos lipofílicos lineales puede representarse mediante una expresión del tipo:

Log CMC = A – BN (1)

Monómeros

Adsorci ón

(A)

(B)

Micelas

Asociaci ón

ACEITE O AIRE

AGUA

Monómeros

Adsorci ón

(A)

(B)

Micelas

Asociaci ón

ACEITE O AIRE

AGUA

51

donde N representa el numero de grupos -CH2- de la cadena lipofílica; A es una constante que

depende del hidrófilo (para carboxilatos de sodio es 1,85 a 20 ºC), y B un factor de

proporcionalidad cuyo valor es del orden de 0,3 para los surfactantes iónicos.4 La ramificación

del grupo lipofílico es un factor de primera importancia ya que la CMC aumenta notablemente

con la ramificación. En lo que se refiere al grupo hidrofílico, se debe destacar primero que la

CMC de los surfactantes noiónicos es en general mucho más baja que aquella de los iónicos

conteniendo un grupo lipofílico equivalente. Esto se debe probablemente al hecho de que cada

grupo óxido de etileno contiene dos metilenos, lo que reduce las repulsiones electrostáticas.

Figura IV.3. Variación de la tensión superficial versus la concentración de surfactante para determinar la Concentración Micelar Crítica.

Por otro lado, A y B son constantes que reflejan los cambios de la energía libre

involucrada en la transferencia del grupo hidrófilo (ΔGmic(–W)) y una unidad metileno del grupo

hidrófobo (ΔGmic(–CH2)), respectivamente, de un ambiente acuoso a la micela, y están

representadas por las siguientes expresiones:

, ,, ,

52

( )5.55log

3.2+

+!"!=

RT

kWGA

mic (2)

( )RT

CHGB

mic

3.2

2!!"!

= (3)

Con los valores reportados de B y de estas ecuaciones se puede inferir que el cambio en la

energía libre ΔG(-CH2-) involucrado en la transferencia de una unidad metileno del grupo

hidrófobo de un ambiente acuoso al interior de la micela es negativo, favoreciendo así la

micelización, lo cual se considera por el hecho que la CMC disminuye con el incremento en la

longitud del grupo hidrófobo.

El campo de aplicación de los surfactantes es quizás el más interdisciplinario de la ciencia

y la tecnología moderna; pues aunque haya sólo un número reducido de fenómenos

fundamentales (adsorción y asociación por ejemplo), el número de aplicaciones es muy elevado y

de considerable variedad. Es debido a esto que se pueden encontrar sustancias surfactantes en

aplicaciones industriales y domésticas como: detergentes, productos farmacéuticos, cosméticos y

de limpieza, productos de la industria papelera, pinturas, polímeros, procesos químicos, entre

otros.

53

Sistemas surfactante-agua-aceite (SOW)

Los sistemas surfactante-agua-aceite pueden presentarse bajo diferentes formas; pueden

ser monofásicos como las soluciones micelares o las microemulsiones o polifásicas con la

presencia de varias fases liquidas (macroemulsiones difásicas o polifásicas), y de mesofases

como los cristales líquidos. En las microemulsiones es frecuente que una de las fases sea una

solución micelar o una microemulsión. La naturaleza del sistema depende de factores físicos,

especialmente aquellos que han actuado durante su formación, así como de factores

fisicoquímicos; la influencia de estos últimos corresponde al efecto de las variables de

formulación, es decir de la naturaleza de las sustancias que conforman el sistema, y de sus

respectivas concentraciones o proporciones; adicionalmente se considera la influencia de la

temperatura, la que puede afectar notablemente las interacciones fisicoquímicas.

El problema de la formulación es extremadamente complejo por diversas razones:

1. La formulación de un sistema surfactante-agua-aceite no garantiza, de manera única, la

obtención de un cierto tipo de emulsión. Es decir, que las operaciones sucesivas para

preparar la emulsión pueden igualmente influir en el tipo y las propiedades de la emulsión

obtenida.

2. Se puede obtener resultados idénticos con sistemas diferentes y se sabe que ciertos tipos

de efectos pueden compensarse con otros.

3. Las formulaciones que han sido un éxito desde el punto de vista comercial son en general

extremadamente complejas y han sido obtenidas por tanteo.

4. La comprensión teórica se limita a algunos modelos que son muy simplificados para

reflejar en general la realidad. Sin embargo, ellos pueden servir como guía cualitativa o

aproximativa.

54

5. Las industrias que utilizan surfactantes lograron sus formulaciones a expensas de un

trabajo laborioso de tanteos y, por consiguiente, la mayor parte del “saber hacer” no se ha

publicado; un ejemplo son las patentes sobre los agentes emulsificantes.

No obstante, aunque se crea que la formulación no es importante, se sabe que ella puede

ser determinante en ciertas condiciones:

1. La formulación determina de manera única el comportamiento de fase del

sistema, al igual que todas las propiedades al equilibrio, particularmente la

adsorción a la interfase, la composición de las fases presentes, la tensión

interfacial y/o superficial, entre otras.

2. Si bien es cierto que los procesos utilizados en la producción de sistemas fuera

de equilibrio, como las macroemulsiones, pueden influir en el resultado final,

para una formulación dada, el problema consiste en determinar cuando y como.

El propósito de los procesos de recuperación, es obtener tensiones interfaciales muy bajas,

que permitan una recuperación eficiente, según el criterio del número capilar. Varios autores5-7

han establecido que a altos valores del número capilar es posible la disminución de la tensión

interfacial. Cuando se realiza un barrido de formulación, la tensión interfacial puede pasar por un

mínimo, para un cierto valor del parámetro de barrido.8 Este mínimo se puede encontrar dentro

del rango de ocurrencia de la zona trifásica.

La formulación está relacionada con la naturaleza de los componentes en sistemas

surfactante-agua-aceite (SOW), mientras que la proporción o cantidades respectivas de estos son

consideradas como variables de composición. Su problema es muy complejo por diversas

razones:9-10

1. Una formulación para un sistema SOW no garantiza de manera única la obtención de

un cierto tipo de emulsión.

55

2. Con sistemas diferentes se pueden obtener resultados idénticos ya que algunos efectos

pueden compensarse con otros.

3. Las formulaciones exitosas son el producto, generalmente, de infinidad de pruebas de

ensayo y error y las industrias que lo logran generalmente no lo publican.

4. Los modelos que han tratado de explicar algún comportamiento son muy simples para

reflejar lo real y su uso es sólo de forma aproximada o cualitativa.

En el caso más simple, es decir un sistema ternario SOW, las variables de formulación son

al menos 5 en un diagrama real: 3 variables químicas estándar, temperatura y presión. Pero la

realidad es que en tal sistema hay muchas más variables de formulación puesto que con

frecuencia sus componentes son mezclas muy complejas, con el fin de producir un sinergismo o

para ajustar alguna propiedad. Así por ejemplo, la fase acuosa normalmente puede contener

electrolitos diferentes en naturaleza y concentración y la fase aceite puede ser desde un simple

alcano puro hasta una compleja mezcla de un crudo.

Además de esto, se debe considerar la presencia de aditivos: co-surfactantes, co-solventes,

hidrótopos o coloides protectores que se introducen en el sistema para obtener algún efecto

deseado. Estas variables contribuyen a un completo balance de afinidad en la interfase, un hecho

reconocido y tratado de explicar por diferentes teorías que a continuación se discuten.

A continuación se discutirán los diferentes modelos utilizados para dar cuenta de la

influencia del surfactante a la interfase de un sistema disperso.

56

B a l a n c e H i d r o f í l i c o - L i p o f í l i c o ( H L B ) .

La primera de estas teorías fue una aproximación que implícitamente lo que trata es de

reducir el número de variables que se toman en cuenta hasta solo una o dos; esto funciona solo si

las variables seleccionadas son las más importantes y/o si las otras variables de formulación son

constantes o tienen un efecto despreciable sobre el problema particular.

El concepto HLB11 se basa en un método experimental que consiste en atribuir un cierto

número HLB a los agentes emulsionantes a partir de datos relativos a la estabilidad de una

emulsión. Depende esencialmente del surfactante, aunque en la determinación experimental

original se tomó en cuenta también la naturaleza de la fase aceite, así que este número HLB

representa implícitamente varios parámetros y da cuenta del balance hidrofílico-lipofílico del

sistema.

La determinación experimental del número HLB es muy tediosa e inexacta, y no es de

gran uso. Sin embargo, hoy día el HLB es un parámetro característico del surfactante que se

calcula directamente del peso relativo de la parte hidrofílica y lipofílica de este. Así por ejemplo,

para surfactantes no-iónicos polietoxilados, el HLB se estima usando la ecuación empírica.

totalmolecular peso x 5

OE de cadena la de molecular peso x 100HLB = (4)

Por lo tanto, el valor del HLB no puede tomar en cuenta el efecto de variables que afectan

la físico-química en sistemas SOW como de hecho se conoce, lo cual indica la inexactitud de su

valor. Otra desventaja del número HLB es que surfactantes con el mismo HLB pueden exhibir un

comportamiento bastante diferente, particularmente si estos contienen (o son) productos

mezclados que muestran un fenómeno de fraccionamiento. Las numerosas relaciones que se han

propuesto para relacionar el HLB de un surfactante con sus propiedades12 indican que este

número parece tener una significación fundamental escondida. Estas relaciones funcionan

57

perfectamente para una familia de surfactantes pero ellas presentan incoherencias cuando se

realizan comparaciones entre familias.

A pesar de estas y otras limitaciones, y de su carácter empírico, la escala HLB es aun

ampliamente usada, probablemente debido a su extrema simplicidad y porque su valor es un

"cálculo estimado" que para muchos es suficientemente bueno. Por ejemplo el HLB para los

ácidos carboxílicos y sus respectivos carboxilatos de sodio son las siguientes, donde n

corresponde al número de átomos de carbono en la molécula.

HLB ácido carboxílico = 9,1 – 0,475 (n = 1) (5)

HLB carboxilato de sodio = 26,1 – 0,475 (n = 1), (6)

Por otro lado, el HLB de la mezcla viene dado por la siguiente relación, donde α, es un

valor que depende del tipo de ácido

HLBmezcla = (1-α)HLBHA + αHLBA- (7)

Los ácidos carboxílicos tienen muy bajo HLB, por lo que su mezcla puede ser hidrofílica

o lipofílica (o diferente a la formulación óptima) dependiendo de las cantidades relativas de cada

uno. Sin embargo en la actualidad, es más correcto hablar de balance de afinidad del surfactante

hacia el aceite y el agua, debido a que la naturaleza de estas fases así como la temperatura juegan

un papel muy importante.

58

C o m p o r t a m i e n t o d e f a s e d e s i s t e m a s s u r f a c t a n t e - a g u a - a c e i t e

Se define como la descripción cualitativa y/o cuantitativa del número de fases que

presenta un sistema al equilibrio cuando se mezclan varias sustancias. Para una composición

dada, la naturaleza de los compuestos presentes determina el comportamiento de fase del sistema

al equilibrio y las propiedades asociadas, como la composición de las fases, la tensión interfacial,

las cantidades de agua y de aceite solubilizados en una posible microemulsión, entre otros. 5,13-14

Los casos más importantes de comportamiento son: (1) una situación monofásica donde

se obtiene la solubilidad total de todos los componentes, a menudo en forma de microemulsión;

(2) una situación o comportamiento difásico donde existe un equilibrio entre una fase acuosa y

una fase orgánica (aceite) y que puede producir una emulsión cuando se agita el sistema; (3)

finalmente, un caso de extrema importancia ya que corresponde a la formulación óptima, es el

comportamiento trifásico.15

El comportamiento de fase se representa en general sobre un diagrama donde se considera

la composición del sistema, el cual posee diferentes zonas separadas por las fronteras que limitan

los diferentes casos; se incluye frecuentemente una indicación suplementaria que precisa la

composición de las fases en equilibrio llamada líneas o triángulos de reparto.

Como los sistemas reales suelen ser extremadamente complicados, sólo se estudia el caso

de sistemas ternarios SOW, donde existe únicamente dos variables de composición

independientes y se puede representar el comportamiento de fase sobre un gráfico bidimensional.

Para evitar resaltar alguno de los tres componentes en particular, se utiliza en general un

diagrama triangular equilátero que se representa a temperatura y presión constante, similar al que

se utiliza para describir los procesos de destilación y de extracción líquido-líquido14 (Figura

IV.4). En este diagrama un punto interior "s" representa la composición del sistema, y la altura

desde este punto al lado opuesto es proporcional a la cantidad del compuesto cuya representación

está sobre la punta opuesta a este lado.

59

Específicamente en el caso de la Figura IV.4 se tiene un sistema ternario ideal que

representa el comportamiento de fase cuando dos de los componentes, agua (W) y aceite (O) son

inmiscibles, y un tercero (S) es miscible en ambos por su carácter anfifílico. Para tal sistema se

tienen tres tipos de diagramas, conocidos como diagramas de Winsor, los cuales se describirán

mas adelante.

Figura IV.4. Representación de un diagrama ternario

A

C

B

Concentración

en C

S

Graduación de la

concentración en C

100%

(S)

(W)(O)

A

C

B

Concentración

en C

S

Graduación de la

concentración en C

100%

(S)

(W)(O)

60

R e l a c i ó n R d e W i n s o r

Winsor12 estableció, en sus trabajos pioneros a finales de los años 50, que el

comportamiento de fase de sistemas surfactante-agua-aceite dependía no sólo de valores

específicos de las variables de formulación, sino también de la situación físico-química en la

interfase, introduciendo la relación de la energía de interacción entre el surfactante y la fase

aceite por un lado, y la energía de interacción entre el surfactante y la fase acuosa por el otro,

como un modelo para medir el efecto de la formulación. Esta relación entre los diferentes

componentes no fue medida a través de algún procedimiento experimental, sino estimada por un

balance de energías de interacción entre las moléculas de surfactante localizadas en la interfase y

las localizadas en el seno de las fases oleica y acuosa.

La relación original de energías de interacción de Winsor se establece como:

CW

CO

A

AR = (8)

donde los símbolos utilizados por Winsor representan:

ACO: energía de interacción por unidad de área interfacial entre el anfifilo y la fase oleica.

ACW: energía de interacción por unidad de área superficial entre el anfifilo y la fase acuosa.

Posteriormente, se definió una expresión más completa:

HHWWCW

LLOOCO

AAA

AAAR

!!

!!= (9)

donde:

AOO: energía de interacción entre las moléculas del aceite.

61

ALL: energía de interacción entre las cadenas lipofílicas del surfactante.

AWW: energía de interacción entre las moléculas de agua.

AHH: energía de interacción entre los grupos hidrofílicos del surfactante.

Una relación modificada aún más amplia puede escribirse como el cociente de todas las

interacciones netas entre el surfactante y el aceite de un lado, y del otro las interacciones netas

entre el surfactante y el agua,8 como se aprecia en la Figura IV.5.

AL

O

AL

L AH

O

AO

O

AH

L

AH

H

AW

W

AW

H

AH

L

Figura IV.5. Energías de interacción que intervienen en el concepto R de Winsor

Un cambio en la relación R se asocia esencialmente a toda transición del comportamiento

de fase y a la aparición de los fenómenos correspondientes,16 así:

1. Si R < 1, las interacciones hidrofílicas son las más fuertes, lo que implica más

penetración del solvente del lado de la "cabeza polar" del surfactante a la interfase, lo que

produce una curvatura y una micela de tipo S1 (Figura IV.6). En la zona difásica del diagrama de

Winsor I, la pendiente de las líneas de reparto indica que el anfifilo se encuentra principalmente

62

en la fase acuosa. El punto crítico de la curva binodal se encuentra a la derecha, cerca de la fase

oleica. Es decir, un sistema en el cual la composición global se separa en 2 fases cuyas

composiciones corresponden a los puntos de intersección entre la línea de reparto y la curva

binodal: de un lado la fase acuosa (W) que contiene la mayor parte del anfifilo y una cierta

cantidad de aceite solubilizado, y del otro la fase oleica (O) que contiene básicamente el aceite.

Para indicar que se trata de un sistema bifásico donde el surfactante se encuentra en la fase

inferior acuosa, se utiliza el símbolo nemotécnico 2.

Figura IV.6. Representación de un diagrama ternario Winsor I.

2. Si R > 1, las interacciones lipofílicas son las más fuertes y la interfase se curva en

sentido contrario al anterior por lo que se forma una micela inversa de tipo S2. Como este es un

caso contrario al anterior, si hay una gran cantidad de agua se forma un sistema bifásico

compuesto por una solución micelar o una microemulsión inversa de tipo S2, y una fase en

exceso de agua cuya situación corresponde a un comportamiento bifásico 2 en un diagrama

ternario de Winsor de tipo II (Figura IV.7).

63

Micela S2

Tipo II

W

S

O

1!

2!

Figura IV.7. Representación de un diagrama ternario Winsor II.

3. Si R = 1, indica que las tendencias hidrofílicas y lipofílicas se equilibran y se obtiene el

caso Winsor III con dos tipos de estructuras posibles: (a) una laminar plana, o de micelas

cilíndricas, que incorpora alternativamente agua y aceite; (b) otra fluctuante que contiene con

igual probabilidad estructuras locales que se asemejan a las micelas S1 y S2. A esta situación le

corresponde un diagrama ternario de Winsor tipo III (Figura IV.8), que es el más complejo y

comprende 3 zonas distintivas: una zona trifásica (3Φ) rodeada de 3 zonas difásicas (2Φ) y de

una zona monofásica (1Φ).

Los sistemas cuya composición global está representada por un punto en la zona trifásica

se separan en 3 fases: una fase "W" que es esencialmente agua, una fase "O" que es

esencialmente aceite y una microemulsión media "M", de densidad intermedia que contiene

prácticamente todo el anfifilo, situación muy importante para medir un reparto porque existe la

seguridad de que en las fases en exceso no hay micelas, ya que estas se concentran en la fase

media (microemulsión).

La formulación óptima (3 ó III) corresponde a un equilibrio de afinidad del surfactante

por las fases agua y aceite.15 Desafortunadamente, en el tiempo de Winsor la situación de

64

modelar interacciones moleculares no era plenamente accesible como para realizar un cálculo

exacto de las energías de interacción. Como consecuencia, la relación R no permite cálculos

numéricos y sólo se usa para estimar tendencias. Sin embargo, esta relación introdujo un alcance

muy importante, el concepto de un único, global y completo parámetro de formulación que

proporciona el efecto de todas las distintas variables de formulación actualmente manipuladas por

el formulador.

Esto fue extremadamente importante para el avance de posteriores investigaciones puesto

que se evidenció que el fenómeno observado no está relacionado con los valores numéricos

específicos de las variables de formulación, sino con alguna condición físico-química completa a

ser satisfecha por y dependiendo de estas variables. Los sistemas ternarios de Winsor aunque

representan una primera aproximación de la descripción de los sistemas reales, toleran con

frecuencia un gran número de compuestos, específicamente cuando se tiene una mezcla de

aceites, una mezcla de electrolitos y una mezcla de surfactantes.

Estos compuestos se pueden agrupar en general en seudo-compuestos, o especies

químicas mezcladas que pueden comportarse como substancias puras en lo que respecta a los

fenómenos estudiados, aproximación que normalmente no es válida pero permite reducir el

número de variables que se manejan.

La existencia de un diagrama de tipo WI, WII, o WIII depende de la naturaleza físico-

química de los compuestos, definida esta por las variables de formulación.17 Generalmente, se

consideran 3 grupos de variables para describir el estado de un sistema SOW, las cuales se

definirán en la próxima sección.

65

Tipo III

W

S

O

1!

3! 2! 2!

Figura IV.8. Representación de un diagrama ternario Winsor III.

66

F o r m u l a c i ó n y v a r i a b l e s d e f o r m u l a c i ó n

Los sistemas reales surfactante-salmuera-crudo son muy complejos, y en ellos se pueden

considerar las siguientes variables: tipo de crudo, tipo y concentración de electrolito presente en

la salmuera, tipo y concentración de surfactante y co-surfactantes, los cuales son en general

mezclas complejas que contienen un gran numero de sustancias químicas. A fin de establecer una

relación cuantitativa entre los diferentes factores capaces de influir en el comportamiento de fase

de éstos sistemas, se han simplificado al caso sistemas surfactante-salmuera-alcano. Por otro

lado, La existencia de un diagrama de tipo WI, WII, o WIII depende de la naturaleza físico-

química de los compuestos, definida esta por las variables de formulación.14,15 Así pues, se

consideran 3 grupos de variables para describir el estado de un sistema SOW:

Variables físicas.- El estudio de la influencia de las variables físico-químicas, sobre el

comportamiento de fase de los sistemas anfifilo-agua-aceite, es de gran importancia en cuanto a

la recuperación mejorada de crudo y otras aplicaciones de esos sistemas. Puesto que los sistemas

líquidos son relativamente incompresibles, la presión no produce un efecto notable; por el

contrario, la temperatura puede producir un efecto importante ya que puede afectar prácticamente

todas las interacciones moleculares involucradas. Así por ejemplo, la temperatura modifica la

miscibilidad relativa entre el agua y el aceite, y puede además tener un efecto considerable sobre

la afinidad del surfactante para estas fases, sobre todo en el caso de surfactantes no iónicos.

Variables de naturaleza.- Se refieren a la naturaleza química de los componentes básicos

de los sistemas estudiados, entre los cuales se distinguen tres: agua, aceite y surfactante. La fase

acuosa se caracteriza por la salinidad (electrolitos), que se define como los gramos de NaCl por

100 mL de fase acuosa (esencialmente el porcentaje en peso de NaCl) y eventualmente otras

substancias hidrosolubles, mientras que para describir la naturaleza de la fase oleica se utilizan

los términos ACN (“Alkane Carbon Number”) si es un hidrocarburo del tipo alcano lineal, o el

EACN (“Equivalent Alkane Carbon Number”) para otros tipos de aceites o mezclas de estos, las

cuales parecen comportarse más o menos como los seudo-compuestos; en ocasiones, sin

embargo, para aceites polares parece necesario ajustar un parámetro adicional que corresponde a

su aromaticidad. En cuanto al surfactante, por lo general se caracteriza por su tipo, su estructura

67

molecular y su peso molecular. Este consiste de una mezcla de especies químicas complejas con

un comportamiento más o menos ideal, cuya caracterización se realiza a través de parámetros

empíricos como el HLB, los cuales se relacionan con sus estructuras químicas.

Variables de composición.- Sirven para ubicar, sobre el diagrama ternario, la posición de

un punto representativo del sistema. Se puede considerar como tales: la relación agua-aceite

(WOR) y la concentración del surfactante.

Mediante un barrido de naturaleza se puede estudiar la influencia de estas variables de

formulación sobre la fisicoquímica de los sistemas. Este tipo de estudio se realiza por el método

del barrido unidimensional. Este consiste en la realización de una serie de sistemas, en los cuales

se va cambiando solo una variable capaz de modificar la afinidad del surfactante por las distintas

fases, manteniendo constante todas las demás variables involucradas. Este método permite

analizar el comportamiento de fase (transición del sistema) y la variación en las propiedades del

sistema.

Una formulación óptima ha sido definida como un estado en el cual, el conjunto de valores de

variables externas y de naturaleza es tal que se produce un mínimo en el valor de la tensión

interfacial, así como una serie de otros fenómenos. Entre los fenómenos característicos de la

formulación óptima se destacan:

- Comportamiento trifásico

- Máxima solubilización: A medida que la formulación tiende a la correspondiente del

sistema trifásico de un barrido, las microemulsiones de los sistemas 2 y 2 solubilizan

cada vez mayor cantidad de aceite y de agua respectivamente.

- El coeficiente de reparto del surfactante entre las fases acuosa y aceite sufre un cambio

considerable en la transición: 2 ↔ 3 ↔ 2 , este coeficiente es aproximadamente unitario

en los sistemas trifásicos.

Para el estudio del fraccionamiento se requiere, como ya se ha explicado, la presencia de un

sistema óptimo (W III) y este se obtiene mediante un procedimiento experimental conocido como

68

barrido de formulación, que no es mas que una exploración para determinar el comportamiento

de fase de una sola composición (fija) para así conocer el tipo de diagrama con una precisión

aceptable. Para ello, se va modificando la variable en estudio hasta conseguir el sistema deseado

(generalmente el de mayor importancia, W III o lo que es lo mismo, la formulación óptima).

Las modificaciones más importantes (barridos) que pueden realizarse son:

1. Barrido de composición, el cual permite determinar de manera sistemática el

comportamiento de fase de un sistema SOW de constituyentes dados y de composición variable.

El método normalmente es demasiado largo ya que involucra preparar una serie de sistemas

ternarios en donde las composiciones comprenden los nudos de una malla que recubre el

diagrama. Para efectos prácticos, se prefiere utilizar el método de dilución del sistema

monofásico para la alícuota agua-aceite apropiada.

2. Barrido de formulación, en este caso se busca producir un cambio de naturaleza, de forma

continua, de uno de los constituyentes. La transición de diagramas WI—WIII—WII (o viceversa)

se puede producir modificando, de manera sistemática en una serie de tubos, una de las siguientes

variables:

La salinidad de la fase acuosa (tipo y concentración del electrolito).

La naturaleza de la fase oleica, ACN o EACN.

La naturaleza del surfactante: su afinidad relativa por el agua y por el aceite (HLB,

número de óxidos de etileno, etc.).

La naturaleza de un co-surfactante, alcohol por ejemplo, sus tipos y concentración.

Si la variación es sólo en uno de estos componentes, se le llama Barrido Unidimensional.

3. Barrido de temperatura, aunque se puede considerar como una variable de formulación

y agrupar dentro del grupo precedente, se prefiere considerar como un barrido aparte por su

complejidad para expresarlo, ya que no es ni una variable de composición ni una variable que

describe la naturaleza de algún compuesto del sistema ternario. Esta variable puede a la vez

69

modificar el diagrama de fase (por co-solubilización debido a la agitación térmica), o bien

producir un efecto físico-químico que afecte las propiedades de uno de los compuestos.

Particularmente, la temperatura posee un efecto importante sobre los surfactante no iónicos ya

que puede afectar la solvatación y por ende la interacción con la fase oleica.

Para realizar un barrido normalmente se toma como composición de prueba un punto a las

condiciones que dé una alta probabilidad para ubicarse en las zonas 2Φ y 3Φ (Figura IV.8). Esto

se consigue normalmente entre 1-3% de surfactante y un WOR (relación agua-aceite) entre 0,5-

5,0 siendo el caso más general un WOR =1. A las condiciones de concentración de surfactante y

WOR escogida, se preparan una serie de tubos en los que se cambia sistemáticamente la variable

objeto de estudio (ACN, salinidad de la fase acuosa, alcohol, temperatura, etc.). A cada tubo le

corresponderá un tipo de diagrama determinando simplemente la fase rica en surfactante, lo cual

se deduce rápidamente por simple observación visual ya que esta fase contiene micelas (micelas

hinchadas) y presenta una turbidez azulada (efecto Tyndal).

Cuando esto no ocurre, la difusión del haz de luz de un láser de baja intensidad detecta la

presencia de micelas y ayuda a definir la fase rica en surfactante. Como tubo óptimo de estos

barridos se toma aquel donde la microemulsión de la fase media solubiliza igual cantidad de agua

y aceite, un criterio que es equivalente a la presencia de un mínimo de tensión interfacial. Este

procedimiento se seguirá para el estudio del comportamiento de fase de los ácidos carboxílicos

grasos en sistemas surfactante/agua/aceite, como se detallara más adelante.

70

T e o r í a d e c o r r e l a c i o n e s n u m é r i c a s p a r a l a f o r m u l a c i ó n ó p t i m a

La formulación óptima tiene mucho interés práctico no solo para la baja tensión y la alta

solubilización (en el caso de las investigaciones para la recuperación mejorada de crudos con

soluciones de surfactantes), sino también para emulsiones y espumas. En teoría, una formulación

es óptima cuando R =1 (caso Winsor III); esto es una situación físico-química precisa en la que la

afinidad del surfactante por la fase aceite equilibra exactamente su afinidad por la fase acuosa.

Puesto que las afinidades podrían cambiar con alguna de las variables de formulación, fue

necesario conocer como esto podría pasar desde el punto de vista práctico, es decir, relacionar los

datos numéricos al conjunto de variables tales como la salinidad del agua, temperatura o

naturaleza de la fase aceite.

En la práctica este estado óptimo particular se puede localizar por diferentes técnicas:10

1. Midiendo la tensión interfacial entre la microemulsión y las fases acuosa o aceite en

exceso (Figura IV.9A); el estado óptimo se define como aquel donde las dos tensiones son

lo más pequeñas e iguales:

*ee

ãleicao fase

ã

acuosa fase

ã==

µµ (10)

El comportamiento de fase ya mencionada muestra como las tensiones interfaciales de la zona

trifásica pasan por un mínimo el cual es un valor extremadamente bajo (del orden de 10–3 a 10–4

mN/m). Como esta condición es favorable para producir la movilización del petróleo residual en

un proceso de recuperación mejorada, a esta formulación se le llama óptima18-19 y se indica como

γ*.

2. Midiendo los volúmenes de fase en exceso y microemulsión, el estado óptimo

corresponde a volúmenes iguales de agua y de aceite solubilizado en la solución micelar;

estos volúmenes solubilizados dependen de la cantidad y tipo de surfactante presente en el

71

sistema. Para poder comparar estos volúmenes en diversos sistemas se define un

parámetro de solubilización, SP, con respecto al agua y al aceite:

S

O

O

V

VSP = y

S

W

W

V

VSP = (11)

donde Vo y Vw son los volúmenes de aceite y agua solubilizados, y Vs es el volumen o masa de

surfactante en la fase micelar sin tomar en cuenta la posible presencia de alcohol u otros co-

surfactantes.

De acuerdo al gráfico de la Figura IV.9B la formulación óptima corresponde esencialmente al

punto donde las dos curvas que indican la variación de los parámetros de solubilización en

función de la variable de barrido se cruzan5 esto es:

*

WOSPSPSP == (12)

3. Cuando las afinidades del surfactante con las fases acuosa y aceite se igualan, la relación

R se hace igual a 1; este equilibrio impone un HLB cercano de 10 según la definición de

Griffin.11

4. Cuando se observa un cambio brusco del coeficiente de reparto del surfactante entre las

fases en exceso acuosa y aceite se está en presencia de un estado óptimo.

Como se observa de los diferentes procedimientos para medir el estado óptimo, la situación

de equilibrio de afinidades puede cambiar con alguna de las variables de formulación; así, fue

necesario conocer este cambio desde el punto de vista práctico, es decir relacionando la data

numérica al conjunto de variables (salinidad del agua, temperatura o naturaleza de la fase aceite).

Extensos estudios experimentales realizados en este sentido para ambos grupos de

surfactantes, aniónicos y no-iónicos, mostraron que la formulación óptima se obtiene cuando se

satisface una cierta condición entre las variables de formulación; a esta condición se le denominó

72

"correlación para la formulación óptima" y simplemente se trata de relaciones numéricas que

permiten cuantificar el efecto de las diferentes variables sobre el comportamiento de fase, las

posibles compensaciones entre ellas y la caracterización de estos sistemas. Sin embargo, estas

expresiones no incluyen el efecto de la relación de volumen de las fases acuosa y aceite (WOR) y

de la concentración de surfactante en el sistema y se cree que estos pueden ser tomados en cuenta

por los términos correctivos.

Figura IV.9. Procedimientos experimentales para la determinación de la formulación óptima

I IIIII

2 22 2 3 33

SP

(m

L/g

)

Variable de Formulación

Vw / mt VO / mt

(S , SP )* *(B)

!mo !wm

(S , ! )* *

(A)

Variable de formulación

! (d

in/c

m)

Comportamiento de fase

73

Estudios realizados20-24 han demostrado que las propiedades de los sistemas aceite-salmuera-

ácido dependen del pH. Otras variables que pueden influir, bien sobre el equilibrio, o bien sobre

la actividad interfacial de estas especies son el tipo de ácido, presencia de alcoholes, electrolito,

entre otros. Los surfactantes generalmente se emplean como mezclas. Esto se debe bien sea a la

presencia de impurezas en el producto final (por ejemplo, parte de los reactivos empleados para

preparar el surfactante) o a que el surfactante se obtiene como una mezcla de productos, como en

el caso de los surfactantes polietoxilados. En cualquiera de estos casos, es importante conocer a

priori cuál será el comportamiento del sistema; es decir, si la mezcla de productos se comportará

en forma colectiva o si es necesario considerar el efecto de cada uno de los compuestos por

separado.

Cuando se emplean surfactantes de tipo jabón, preparados a partir de la neutralización de un

ácido carboxílico con un álcali (como el hidróxido de sodio), el equilibrio que se establece indica

que en el producto final se obtendrá tanto el carboxilato correspondiente como una parte del

ácido carboxílico utilizado originalmente, el cual no reacciona. Este caso resulta interesante

desde el punto de vista fisicoquímico; el carboxilato es un surfactante aniónico hidrofílico,

mientras que el ácido carboxílico no disociado se comporta como un surfactante no iónico

lipofílico.

Evidentemente, el comportamiento de fases que se obtenga dependerá de las cantidades

relativas de las especies presentes en el sistema. La formulación está directamente relacionada

con la naturaleza de los componentes en los sistemas surfactante-agua-aceite (SOW), mientras

que la proporción o cantidades respectivas de estos son consideradas como variables de

composición.9

Todos los estudios que involucran una fase aceite y una acuosa coinciden en son

esencialmente inmiscibles, y que la presencia de un tercer componente con propiedades

anfifilicas puede reducir esta inmiscibilidad. Eventualmente los tres componentes pueden ser co-

subilizados en una microemulsión la cual es un sistema de una sola fase. En este trabajo, la data

experimental y conceptos asociados son producidos con sistemas modelos que pueden ser

analizados fácilmente. La fase oleica es una fase hidrocarbonada limpia (heptano), el surfactante

74

es un ácido graso bien definido en el rango de C8-C16, y la fase acuosa contiene NaOH y

eventualmente NaCl para hacer la fuerza iónica coincidir en una salinidad dada, que es expresada

en % p/v de NaCl o NaOH equivalente en la fase acuosa.

Por otro lado, las mezclas de surfactantes aniónicos y noiónicos permiten producir sistemas

surfactante-agua-aceite, en el cual el comportamiento de fase es insensible a la temperatura, lo

cual es de gran interés desde el punto de vista de ciertas aplicaciones. Además, es posible

disponer con estas mezclas de un grado de libertad para formular un sistema con una doble

insensibilidad, a la vez con respecto a la temperatura y a la composición.

La forma en la cual las moléculas de surfactantes se alinean a una interfase es un factor

importante en sistemas que involucran películas interfaciales solubles e insolubles. Por otro lado,

la presencia de una carga neta en un grupo polar de un surfactante afecta también su rearreglo en

una interfase. En el caso de los ácidos carboxílicos grasos, estos se ionizan por un incremento en

el pH del sistema. Si todas las moléculas del ácido graso en estudio se ionizan, entonces, la

repulsión entre las moléculas de carga similar en la monocapa puede resultar en una expansión de

la monocapa a altos valores de pH, lo cual en algunos casos puede producir una película débil e

inestable y producir así un sistema WI (Figura IV.10). 25-27

El comportamiento de fases en un barrido de este tipo exhibe una transición del tipo

!

!

"" 232 . Esto se debe a que inicialmente (es decir, cuando el volumen de hidróxido de sodio

agregado es cero) el surfactante presente es esencialmente lipofílico (ácido carboxílico). Por lo

tanto todo el surfactante se encuentra en la fase aceite y el sistema es del tipo !

2 . Al ir agregando

hidróxido de sodio, comienza a formarse la sal (carboxilato de sodio), la cual se comporta como

un surfactante hidrofílico. En cierto punto, la combinación de los dos surfactantes presentes en la

interfase produce la solubilización de las fases agua y aceite y se observa la aparición de una fase

media (microemulsión). Al continuar la adición de hidróxido de sodio, predomina la especie

hidrofílica y el sistema se comporta como un sistema !2 .

75

Figura IV.10. Diagrama hipotético del efecto de la interacción ion-dipolo de los grupos carboxílicos en la distancia intermolecular en una interfase aire/agua.

Bajo pH

Pelicula no ionizada

Aire

Agua

pH = pKa

Interaccion ion-dipolo(maxima al pKa)

Aire

Agua

Alto pH

Repulsion ionica entregrupos polares

Aire

Agua

76

T e o r í a d e r e p a r t o d e s u r f a c t a n t e s e n s i s t e m a s a g u a / a c e i t e

Existe una herramienta muy útil en el estudio de sistemas surfactante-agua-aceite llamada el

modelo de seudo-fases. Este modelo supone que la microemulsión esta constituida por una

seudo-fase acuosa, más una seudo-fase aceite, mas la interfase. Dado que la microemulsión es un

sistema bicontinuo, las seudo-fases acuosa y aceite se suponen con las mismas características que

las fases acuosa y aceite del sistema global y por consiguiente se incorporarán a éstas.19, 28-29, 30-32

Así, el sistema se representa como una fase aceite (constituida por la fase aceite original más

la seudo-fase aceite), una fase acuosa (constituida por la fase acuosa original más la seudo-fase

acuosa) y la interfase. En trabajos anteriores27,33-34 se ha encontrado que esta suposición

simplifica la aplicación del modelo de equilibrio-disociación sin introducir errores conceptuales

en el estudio.

Existen diversos sistemas que presentan sensibilidad al pH del medio; en particular, aquellos

que contienen sustancias que pueden ser transformados en otras especies a través de una

variación del pH, tales como las combinaciones ácido carboxílico/carboxilato o aminas grasas y

sus sales. En estos sistemas, el surfactante estará constituido por la mezcla de ambas especies, los

cuales en general presentan afinidades distintas.

En el caso de sistemas ácido (HA)-carboxilato (A-), el equilibrio en fase acuosa está

controlado por la constante de disociación, Ka, y así se puede escribir:

[ ] [ ][ ]

W

WW

a

HA

A HK

!+

= (13)

El índice “w” indica que las especies consideradas están en la fase acuosa. Rearreglando la

expresión anterior, se obtiene que:

77

[ ][ ][ ]

[ ] [ ][ ]HA

A log H log

HA

A HloglogKa

!+

!+

+== (14)

[ ] [ ][ ]W

Wa

HA

A logKlogH log

!

+ +!=! (15)

Empleando un valor típico de Ka para los ácidos carboxílicos tal como ≈10-6, se obtiene:

[ ][ ]W

W

HA

A log6pH

!

=! (16)

De aquí se observa que al aumentar el pH, la concentración de la especie hidrofílica aumenta,

lo cual eventualmente podría llevar a una transición del tipo WII-WIII-WI; esto se debe a que al

aumentar la concentración de la especie más hidrofílica, aumenta la interacción de la mezcla de

surfactantes con la fase acuosa.

Un sistema trifásico óptimo (Figura IV.11) en el caso de los compuestos ionizables, posee

cuatro componentes: salmuera, aceite y dos surfactantes (HA) y (A-).27 Por otro lado, el

equilibrio: HA → A- + H+, se produce exclusivamente en la fase acuosa y en la fase media. En la

microemulsión, se encuentra la mayor concentración de la especie disociada, mientras que la

especie no disociada se encuentra en equilibrio en las fases oleica y acuosa de acuerdo a su

reparto preferencial (Kr). No obstante, las cantidades de HA y A- en la fase acuosa, son

despreciables desde el punto de vista del balance de masa, y corresponden a la CMC de la mezcla

de surfactantes.

Para un sistema como el de la figura IV.11, se tiene que: por ser la neutralización de un

ácido relativamente débil con una base fuerte, se debe considerar la disociación del agua:

pH pKa

78

KW = [H+ ]W * [OH- ]W (en fase acuosa) (17)

KW = [H+ ]M * [OH- ]M (en fase media) (18)

Figura IV.11. Modelo equilibrio / disociación.

A un mismo pH:

[H+ ]M = [H+ ]W (19)

Parte o todo el ácido contenido en el sistema va a ser neutralizado por el álcali contenido

en la fase acuosa. Como el álcali añadido es NaOH, la neutralización se puede representar:

HA + NaOH A-Na+ + H2O (20)

Esta ecuación se puede escribir como ecuaciones parciales para tener en cuenta el reparto

del ácido entre las fases y su disociación:

[HA]O

[HA]M [H+]M [A-]M

Ka+

[HA]W [H+]WKa

+

Fase oleica

Fase media

Fase acuosa [A-]W

HAO

HAM

A-M

HAW

A-W

[HA]O

[HA]M [H+]M [A-]M

Ka+

[HA]W [H+]WKa

+

Fase oleica

Fase media

Fase acuosa [A-]W

HAO

HAM

A-M

HAW

A-W

79

HAW HW+ + AW

- (21)

HAO HAW (22)

La constante de disociación del ácido (Ka), en el agua se define:

[ ] [ ][ ]

W

WW

a

HA

HAK

+!

= (23)

y para la emulsión en forma análoga, donde KMa es la constante de disociación del ácido en la

interfase:

[ ] [ ][ ]

M

MM

Ma

HA

H AK

+!

= (24)

Combinando las ecuaciones 19, 23 y 24, se tiene:

[ ][ ]

[ ][ ]

aW

W

-

M

M

-

MaK

1

HA

A

HA

A

K

1= (25)

La composición de la interfase puede suponerse, en primera aproximación, semejante a la

de las primeras micelas. Se sabe que las primeras micelas de una mezcla de surfactante no

contienen la misma composición que la solución acuosa con la cual están en equilibrio. Por lo

tanto KMa es diferente de Ka.

En realidad se sabe que las primeras micelas colectan más de la especie lipofílica que lo

que existe en solución acuosa. Por lo tanto, para un mismo pH se espera que la interfase contenga

una fracción no disociada mayor que la solución. En consecuencia, la constante de disociación

aparente, KMa, es probablemente menor que Ka. Esto se justifica con el modelo de seudo-fase

utilizado para interpretar los fenómenos de comportamiento de fase. En este modelo se supone

80

que se extraen de la microemulsión todas las fases en exceso presentes, quedando solo el

surfactante a la interfase.

Así, de las ecuaciones (17 a la 23), y por la identidad de las fases agua en exceso y dentro

de la microemulsión, entonces resulta la relación 25 de identidad de disociación. El uso del

modelo seudo-fase, asume que no hay agua ni aceite en la fase media lo que significa un volumen

de fase media cercano a cero (Vφm = 0).

En cuanto a la fase aceite en exceso, ésta contiene una cierta cantidad de ácido en

equilibrio de reparto con el agua:

[ ][ ]

W

O

r

HA

HAK = (26)

Constante de fraccionamiento en el sistema:

[ ][ ]

W

O

f

A

HAK

!= (27)

y además en la fase media:

[ ][ ]

M

M

M

A

HAK

!= (28)

Nótese que si se quiere regresar a la microemulsión basta incorporar a la seudo-fase los

valores apropiados de fases en exceso con su surfactante (lo que importa sólo para el balance).35

El balance molar de carga en el agua y la microemulsión está dado por:

[Na+]NaOHW + [Na+]NaCl + [H+]W = [A-]W + [A-]m + [OH-]W + [Cl-]NaCl (29)

81

El balance de masa (en moles), para el ácido presente inicialmente en el sistema se puede

escribir como:

[HA]TOTAL = [HA]O + [HA]m + [HA]W + [A-]m + [A-]W (30)

En estos sistemas, siempre ocurre un reparto de las especies en las distintas fases como

resultado de las distintas afinidades que muestran las especies presentes en el sistema (el ácido es

lipofílico, mientras que el carboxilato es hidrofílico). Este reparto preferencial se expresa a través

del coeficiente de reparto del ácido (Kr) entre el aceite y el agua mediante la siguiente ecuación:

[ ][ ]HAw

HAoKr= (31)

donde [Haw], es la concentración del ácido en la fase acuosa y [HAo], es la concentración del

ácido en la fase oleica.27-29

El Kr, es un parámetro de primaria importancia que depende de las variables de

formulación. Sin embargo, no se han reportado aplicaciones del análisis de FAs en sistemas de

Winsor por HPLC, ni su uso en el cálculo del coeficiente de reparto (Kr). Esta información es de

gran importancia en el área de fenómenos interfaciales, ya que se ha demostrado en estudios

previos28-32 que el Kr esta relacionado con la influencia de las variables de formulación (tipo y

concentración de anfifilo, tipo de aceite, etc.) en los sistemas surfactante/aceite/agua.

82


[1] Schick, M. Nonionic surfactants. Marcel Dekker, INC., New York, 1967,

[2] Salager, J. L., Surfactantes en solución acuosa (cuaderno FIRP), 1993, S201-A, 1-3

[3] Hummel D., Handbook of surfactants analysis. John Willey & Sons, LTD, England, 2000.

[4] Rosen, M. Surfactants and interfacial phenomena. New York, John Wiley & Sons, 1978,

5-76

[5] Wade, W.; Morgan, J.; Schechter, R.; Jacobson, J.; Salager, J-L. SPE 9824. J. Soc. Pet.

Eng., 1978, 18, 242-

[6] Taba, J. J. Soc. Pet. Eng., 1969, 9, 3-8

[7] Mekose, J.; Brandner, C. J. Can Petrol. Technol. 1974, 4, 54-59

[8] Chan, K.; Shan, D. Symposium on oil fuel and geothermal chemistry, Houston, Texas,

Paper SPE 7969, 1979

[9] Davies, J. Proceeding 2nd International Congress Surface Activity. Butterworths, London,

1957, 1, 426-437.

[10] Ysambertt, F. Thèse Docteur. Université de Pau et des Pays de l'Adour. Octubre, 1997.

[11] Griffin, W. J. Soc. Cosm. Chem. 1949, 1, 311-319.

[12] Winsor, P. Solvent Properties of Amphiphilic Compounds. Butterworth London, 1954

[13] Salager, J. Rev. Inst. Mex. Pet. 1979, 11, 59-65.

[14] Salager, J. Formulación, composición y fabricación de emulsiones para obtener las

propiedades deseadas. Estado del arte (cuaderno FIRP). 1999, S747-A, 2-6.

[15] Salager, J. Encyclopedia of Emulsions Technology. Marcel Dekker, Inc., New Cork. 1988,

3, 247-280.

[16] Shinoda, K.; Kunieda, H. in: Becher, P. (ed.), Encyclopedia of Emulsions Technology.

Marcel Dekker, Inc., New York. 1985, Vol. 1.

[17] Salager, J. L. Micro y Macroemulsiones. Informe Técnico FIRP 8401. 1984

[18] Reed, R.; Healy, R. Some Physicochemical Aspects of Microemulsion Floo ding.

Academies Press. New York. 1977.

[19] Bourrel, M.; Schechter, R. Microemulsions and Related Systems; Marcel Dekker, New

York. 1988.

[20] Seifert, W.; Howells, W. Anal. Chem. 1969, 41, 554-561.

83

[21] Seifert, W. Anal. Chem. 1969, 41, 562-569.

[22] Strassner, J. J. Petrol. Technol. 1968, 03, 45-52.

[23] Chiwetelu, C.; Hornof, V.; Neale, G. Chem. Eng. Sci. 1990, 45, 627-634.

[24] Ramakrishnan, T.; Wasan, D. J. Soc. Petrol. Eng. 1983, 08, 602-609.

[25] Kanicky, J.; Shah, D. J. Colloid and Interf. Sci. 2002, 256, 201-208.

[26] Whiddon, Ch.; Bunton, C.; Söderman, O. J. phys. Chem. B. 2003, 107, 1001-1009.

[27] Antón, R.; Salager, J. J. Colloid Int. Sci. 1990, 140, 75-81.

[28] Márquez, N.; Antón, R.; Graciaa, A.; Lachaise, J.; Salager, J. Coll. Surf. A, 1995, 100,

225-231.

[29] Márquez, N.; Antón, R.; Graciaa, A.; Lachaise, J.; Salager, J. Coll. Surf. A, 1998, 131, 45-

49.

[30] Graciaa, A.; Lachaise, J.; Sayous, J.; Grenier, P.; Yiv, S.; Schechter, R.; Wade, W. J.

Colloid Interf. Sci., 1983, 93, 474-481.

[31] Márquez, N.; Antón, R.; Usubillaga, A.; Salager, J-L. Sep. Sci. Technol, 1993, 28, 1769-

1775.


2394.

[33] Chan, M.; Yen, T. J. Chem. Eng. 1982, 60, 305-312.

[34] Trujillo, E. J. Soc. Petrol. Eng. 1983, 645, 08-14.

[35] Antón, R. Thèse de Doctorat: Contribution a l’étude du comportement de phase des

systèmes: mélanges de surfactifs-eau-huile. 1992.

84

C A P I T U L O V

85

ANTECEDENTES.

En la separación por HPLC-FR de analitos ionizables como es el caso de los ácidos

carboxílicos grasos de cadena larga, es necesario controlar adecuadamente el pH de las fases

móviles convencionales usadas. Para un ácido débil, HA, su disociación en la fase móvil es

gobernada por el equilibrio de disociación. Si el equilibrio de disociación es mas rápido que el

equilibrio de adsorción-desorción de los analitos entre la fase móvil y la fase estacionaria, el

factor de retención (K) del ácido débil es el peso promedio de las especies neutras (KHA) y las

especies ionizadas (KA-). Por otro lado, es posible determinar el tiempo de retención de un ácido

débil al relacionar su constante de disociación con el factor de retención de la siguiente forma:1

pH

a

RR

pH

a

R10K1

HAtAt10Kt

+

+=

!

(1)

La bibliografía muestra diversos métodos de análisis por cromatografía de ácidos

carboxílicos con diferentes grados de complejidad2-4 entre los que se puede mencionar la

determinación de ácidos benzoicos sustituidos adicionando CO2 a la fase móvil MeOH/H2O, con

lo cual se obtuvo una relación inversa del pH de la fase móvil con la retención de estos

compuestos; resultando más afectados aquellos ácidos con menor pKa (Wen y col.5).

Otra forma de analizar ácidos grasos es mediante la formación de sus derivados

fluorogénicos para su determinación por cromatografía líquida (Chi-Yu y col.6); y de sus

epóxidos en presencia de sus correspondientes dioles para su determinación por cromatografía de

gas-masa (Newman y col.7). Por otro lado, también se ha reportado el uso combinado de la

cromatografía liquida y de gas para el análisis de esteres de ácidos grasos con el propósito de

evitar la presencia de picos interferentes (Meulenaer y col.8).

Un procedimiento de análisis muy particular fue el desarrollado por Van Beek y col.,9

quienes combinaron las modalidades de la cromatografía liquida: fase reversa, fase normal y

86

argentométrica, para el aislamiento preparativo de ácidos tipo 6-alquilsalicilicos. Para lo cual

emplearon dos columnas en serie con una misma fase móvil, con la que se obtuvo una separación

casi lineal y simultanea de seis ácidos de este tipo. Sin embargo, este procedimiento representa un

incrementado costo de análisis.

Por otro lado, Tosió y col.,10 utilizaron los factores de retención en HPLC-FR para el

análisis de la reacción de formación de complejos de esteres con iones potasio en medio metanol-

agua. Estos ésteres se inyectaron como analitos y los iones potasio se adicionaron al eluyente. Por

lo general, para controlar los factores de retención con frecuencia se usan en el eluyente reactivos

de interacción; además, los cambios en los factores de retención se atribuyen a un equilibrio de

reacción entre los analitos de interés y el reactivo de interacción en el eluyente.

Este estudio demostró que el factor retención de estos ésteres disminuyó con el

incremento de la concentración de los iones potasio en el eluyente, efecto que se atribuye al

cambio en las especies de los ésteres de un ligando neutro a un complejo cargado positivamente.

Además, sus resultados indican que las reacciones de equilibrio en la fase móvil no son afectadas

por el tipo de columna empleada (cadena hidrocarbonada del empaque). Para este estudio, los

autores utilizaron una serie de ecuaciones y un método matemático para obtener los valores de las

constantes de los ésteres en su forma libre y acomplejada como se muestra a continuación.

Cuando se supone una reacción 1:1, la reacción con su equilibrio se describen en las

ecuaciones (11) y (12):

K+ + L KL+ (2)

[ ][ ] [ ]L K

KLK

ML +

+

= (3)

87

donde L denota el éster y KML es una constante de formación de complejos. El factor de

retención para un cierto éster, K, es afectado por la KL del éster libre, y la del éster acomplejado

KML, como se describe en la ecuación (13):

[ ][ ] [ ]

[ ][ ] [ ] MLL

KKLL

KLK

KLL

LK

+

+

+ ++

+= (4)

La siguiente ecuación (5) se deriva de la combinación de la constante de equilibrio (3) y el

balance de masa para L con la ecuación (4):

[ ][ ][ ] ML

ML

ML

L

ML

KKK1

KKK

KK1

1K

+

+

+ ++

+= (5)

En otro estudio, Melchior y Gäb,11 evaluaron la alta selectividad y eficiencia de la

cromatografía electrocinética micelar (MEKC) con una solución de bórax-dodecilsulfato de sodio

(SDS) en la separación de ácidos grasos hidroxi y hidroxiperóxido y sus ácidos grasos

insaturados no oxidados de los cuales se derivan. La utilización de eluyentes altamente acuosos

en HPLC-FR hace posible una derivatización enzimática post-columna, la cual en combinación

con detección de fluorescencia o quimioluminicencia mejora tanto la selectividad como la

sensibilidad.

La MEKC, con sistemas reguladores complejos es efectiva en la separación de isómeros

con estructura similar. Este estudio muestra que con el uso de bórax y un flujo normal es posible

la reducción del tiempo de análisis, además mejora simultáneamente la eficiencia y selectividad

para los hidroperóxidos lípidos de una variedad de ácidos grasos.

88

Koning y col.,12 idearon un equipo automático para la determinación de la composición de

ácidos grasos (como metilesteres, FAMEs) en grasas y aceites y su distribución cis/trans (CTME)

frecuentemente encontrados en la industria alimenticia. Con este equipo el único procedimiento

manual es la pesada de la muestra y adición de heptano, el resto del trabajo, que incluye adición

de reactivo, agitación, instalación de la muestra y la inyección final en el cromatógrafo de gas la

realiza dicho robot en un tiempo no mayor de 10 min. Este sistema automatizado, el cual es

rustico y fácil de emplear, evita en gran parte el contacto manual con la muestra y es actualmente

usado para el análisis de un gran número de muestras.

Bruzzoniti y col.,13 evaluaron la conducta cromatográfica de ácidos carboxílicos en tres

columnas diferentes de intercambio aniónico. Las columnas analíticas producidas se

caracterizaron por contener alquilaminas con cero, uno o dos grupos hidroxilo en el sitio

funcional de intercambio aniónico. Se usaron los ácidos carboxílicos fumárico, maléico, oxálico,

malónico, succínico, glutárico, adípico, málico, tartárico, entre otros. Se estudió la función de las

tres fases estacionarias empleando NaOH como eluyente así como acetonitrilo, metanol y n-

propanol.

El estudio demostró que la conducta cromatográfica fue similar para las tres columnas

empleadas, pero los diferentes solventes orgánicos produjeron variaciones en la selectividad. Para

caracterizar estas diferencias los autores realizaron medidas de tamaño de partícula tanto en agua

pura como en presencia de cada solvente orgánico. Los estudios demostraron que en presencia de

metanol, el látex es más pequeño que en un sistema de agua pura, es decir, el metanol reduce el

número de moléculas de agua requeridas para solvatar el látex. Contrariamente, en presencia de

acetonitrilo las dimensiones del látex fueron tan altas que produjeron hinchazón de las partículas

del látex.

En este caso, la densidad de carga es más baja que en agua pura y en consecuencia los

tiempos de retención son más cortos. Por otro lado, en presencia de n-propanol el tamaño del

látex permaneció constante, indicando que no hubo cambios en las propiedades electrostáticas de

la resina. En consecuencia, los efectos de n-propanol en la retención de los analitos podrían

89

relacionarse principalmente a las interacciones hidrofóbicas. Finalmente, existe otra variedad de

alternativas para el análisis por cromatografía de estos compuestos citados en la literatura.14-34

Los ácidos grasos enlazados (BFAs) y los FAs, quedan por lo general, contaminados con

sustancias no lípidos después de la extracción de la fuente natural. Wuthier,35 recomienda el uso

de la cromatografía de partición entre un líquido inmovilizado en la fase estacionaria (Sephadex

G-25) y una fase móvil inmiscible, para remover estos contaminantes de la mezcla. El uso de la

cromatografía en fase reversa es descrito por Hirsch,36 Ellingboe,37 y Nystrøm.38 En

cromatografía de adsorción,39-43 las mezclas de lípidos se separan de acuerdo a las polaridades de

los compuestos, cuyo orden de separación es: hidrocarburos saturados, hidrocarburos insaturados,

ceras, aldehídos de cadena larga, triglicéridos, alcoholes de cadena larga, ácidos grasos libres,

diglicéridos, monoglicéridos, y otros.

En conclusión, el fraccionamiento puede ser realizado por los diferentes modos de HPLC

(adsorción, partición, intercambio iónico) o por cromatografía de fluidos supercríticos (SFC),44-47

la cual ha sido utilizada solo para una magnitud limitada de análisis de FAs y sus derivados. Por

otro lado, la extracción en fase sólida,48-53 es una técnica que permite disminuir los tiempos,

tratamientos y solventes, especialmente si está conectada a la derivatización simultánea en el

análisis de FAs.

Sin embargo, hasta ahora no se han estudiado los efectos de retención de los ácidos grasos

de cadena larga del tipo cáprico, caprílico, láurico, mirístico, esteárico, palmítico, por HPLC-FR.

No obstante, de la revisión bibliográfica se deduce que es conveniente utilizar soluciones de

acetato o de fosfato para controlar el pH de las fases móviles a emplear, que influye directamente

en los equilibrios de disociación y de adsorción-desorción de estos ácidos, afectando así los

tiempos de retención en el análisis. Es importante resaltar que el desarrollo de un método de

análisis para estos compuestos que no implique procedimientos tediosos es necesario para

análisis de rutina. Además, el desarrollo de este método será aplicado a la determinación de la

concentración de las especies de ácidos repartidas en las fases acuosa, oleica y microemulsión de

un sistema ácido-agua-aceite a formulación óptima.

90

Como se mencionó anteriormente, los sistemas ternarios consisten de un compuesto

anfifílico, agua y aceite, el cual puede formar una microemulsión en equilibrio con un exceso de

aceite, exceso de agua o ambos. Red y col.54 definen la microemulsión como una solución

micelar estable y traslúcida de aceite y agua que puede contener electrolitos, y uno o más

compuestos anfifílicos.

Salager55 estudió la influencia de la variación de la concentración de sal (NaCl) y surfactante

en sistemas surfactante–agua–aceite. Concluyó que estos sistemas presentan la característica de

exhibir una tensión interfacial ultra–baja para ciertas formulaciones óptimas. Este mínimo de

tensión interfacial se acompaña en general de la aparición de un sistema trifásico en el cual la

mayoría del surfactante está en la fase media (microemulsión); las fases agua y aceite contienen

concentraciones de surfactante del orden de la CMC.

Otros investigadores56,57, han estudiado la influencia de los parámetros de formulación para

promover la transición I–III–II con surfactantes nonilfenol etoxilados. El comportamiento de fase

de sistemas surfactantes noiónico/salmuera/aceite no es cualitativamente diferente a los

surfactantes aniónicos. Los factores tienden a incrementar la afinidad del surfactante mas por la

fase oleica que por la acuosa, originando transiciones I–III–II.

Así mismo, se han realizado estudios (Graciaa y col.58) de la influencia del alcano en la fase

oleica para sistemas con surfactantes no-iónicos, encontrándose para alcanos debajo del límite

superior de fase, el surfactante se reparte en el aceite mientras que para alcanos encima del límite

inferior de fase, el surfactante se reparte en la fase acuosa. De esta manera la ramificación del

alcano incrementa la CMC en la fase acuosa, y decrece también el HLB.

Andérez J. M. y col.59 estudiaron el comportamiento de fase de sistemas

surfactante/aceite/salmuera/alcohol conteniendo surfactantes aniónicos o noiónicos comerciales,

acorde a las técnicas de barridos de formulación clásicos. La concentración del surfactante fue

cambiada desde menos del 3% hasta la desaparición de las tres fases. La formulación óptima con

surfactantes aniónicos no cambió significativamente con la concentración del surfactante; por el

contrario, el incremento en la concentración del surfactante noiónico (nonilfenol etoxilado)

91

decrece la hidrofilicidad aparente del surfactante; y también tiende a depender de la naturaleza de

la fase oleica.

Saito Y. y col.60 estudiaron los efectos de la distribución de cadenas de óxido de etileno y

cadena alquílica en la estabilidad de emulsiones O/W. Concluyeron que la mezcla de

emulsificadores teniendo anchas distribuciones de cadenas de OE y cadenas alquílicas son más

efectivas para mejorar la estabilidad de emulsiones O/W, y que las temperaturas por encima de la

PIT forman emulsiones más estables que aquellas por debajo de la PIT.

Márquez N. y col.61 estudiaron la partición de surfactantes alquilfenol etoxilados en

sistemas microemulsión-aceite-agua conteniendo especies octil, nonil, decil, dodecil y dinonil

fenol. Encontró que el coeficiente de partición entre las fases acuosa y aceite obedece una ley que

puede ser expresada numéricamente por la variación en el logaritmo del coeficiente de partición

como una función lineal del EON y el ACN en la cadena alquílica. Los resultados permitieron la

estimación de la energía de transferencia de un grupo EO y de un grupo CH2 desde el aceite al

agua.

En otro trabajo62 estudió la influencia de la cadena hidrófoba del surfactante en la

partición de surfactantes alquilfenol etoxilado en sistemas microemulsión-aceite-agua. Se

encontró que el reparto del surfactante es ligeramente afectado por la estructura hidrófoba del

surfactante; mientras más ramificada sea la cadena alquílica de éste, tiende a repartirse menos en

la fase oleica. Los resultados corroboran las tendencias de la variación de la CMC y parámetros

del surfactante. Esto corresponde un argumento adicional a considerar en el coeficiente de

partición y al momento de la formulación físico-química.

Salager J. L. y col.63 estudiaron la influencia de n-pentanol en el comportamiento de fase

en sistemas surfactantes polietoxilados-agua-aceite. Encontraron que el aumento del contenido de

alcohol origina una transición retrógrada W I - W III - W I debido a que se incrementa el reparto

del surfactante en la fase oleica por efecto de la lipofilicidad interfacial del alcohol, el cual resulta

en una disminución de estas sustancias en la interfase el cual vuelve hidrofílico debido al balance

de masas.

92

Ysambertt F. y col.64 estudiaron la influencia del ACN en el comportamiento de fase en

sistemas surfactante polietoxilado-agua-aceite. Encontraron que el aumento del ACN contribuye

en el aumento en la interacción interfacial entre el surfactante y el aceite, el cual resulta en una

transición W I - W III - W II. Sin embargo, el aumento del contenido de benceno en la fase oleica

origina una transición retrógrada W I - W III - W I debido a la partición de oligómeros lipofílicos

en la fase oleica, el cual afecta el comportamiento interfacial hidrofílico de los surfactantes

restantes.

Por su parte, Chan K.65 reportó que el mecanismo molecular para que ocurra un mínimo en

la curva de tensión interfacial, es una función de la concentración del surfactante, salinidad y el

ACN de la fase oleica para soluciones diluidas de sulfonatos de petróleo. Con los tres efectos

estudiados, la tensión interfacial mínima ocurre a la concentración que es la CMC del surfactante

en la fase acuosa después de equilibrarse con la fase oleica. La tensión interfacial mínima

también coincide con el coeficiente de partición unitario. Esto implica que la interacción de

moléculas de surfactante es igual con la sal y aceite; en la interfase experimentan igual afinidad

para el aceite y sal y consecuentemente producen una alta concentración en la interfase.

93


[1] Mussini, P.; Mussini, T.; Rondinini, S. Pure Appl. Chem. 1997, 69, 1007-1012.

[2] Balcan, M.; Anghel, D.; Voicu, A.; Balcan, D. Colloids Surf. A: Physicochem. Engng

Aspects, 2002, 204, 141-151.

[3] Donghyun, C.; Jeongmin, H.; Soojin, P.; Taihhyun, C. J. Chromatogr. A, 2003, 986, 199-

206.


[5] Wen, D.; Olesik, S. J. Chromatogr. A. 2001, 931, 41-48.

[6] Chi-Yu, L.; Hsin-Lung, W.; Su-Hwei, C.; Hwang-Shang, K. Chromatographia. 2000, 51,

315-322.

[7] Newman, J.; Hammock, B.; J. Chromatogr., A. 2000, 925, 223-229.

[8] Meulenaer, B.; Van, G.; Vanhoutte, B.; Huyghebaert, A. J. Chromatogr. A, 2000, 896,

239-246.

[9] Van, B.; Wintermans, M. J. Chromatogr. A, 2001, 930, 109-116.

[10] Toshio, T.; Ikuhiro, I.; Shoji, M. J. Chromatogr., A, 2001, 932, 165-171.

[11] Melchior, D.; Gäb, S. J. Chromatogr. A, 2000, 894, 145-149.

[12] Koning, S; Van der Meer, B.; Alkema, G.; Jansen, H.; Brinkman, U. J. Chromatogr., A,

2001, 922, 391-399.

[13] Bruzzoniti, M.; Mentasti, E.; Pohi, C.; Riviello, J.; Sarzanini, C. J. Chromatogr., A, 2001,

925, 99-106.

[14] Nimura, N.; Fujiwara, T.; Watanabe, A.; Sekine, M.; Furuchi, T.; Yohda, M.; Yamagishi,

A.; Oshima, T.; Homma, H. Anal. Biochem. 2003, 315, 262-269.

[15] Hanko, V; Rohrer, J. Anal. Biochem. 2004, 324, 29-38.

[16] Waddington, E.; Sienuarine, K.; Puddey, I.; Croft, K. Anal. Biochem. 2001, 292, 234-244.

[17] Grechishkina, O. J. Chromatogr. A. 2002, 948, 65-67.

[18] Sanli, N.; Fonrodona, G.; Barrón, D.; Özkan, G.; Barbosa, J. J. Chromatogr. A. 2002, 975,

299-309.

[19] Shinoda, K.; Saito, H.; J. Colloid Interface Sci. 1968, 26, 70-75.

[20] Merdas, A.; Gindre, M.; Ober, R.; Nicot, C.; Urbach, W.; waks, M. J. Phys. Chem. 1996,

100, 15180-15186.

94

[21] Penfold, J.; Staples, E.; Tucker, I.; Cummins, P. J. Phys. Chem. 1996, 100, 18133-18137.

[22] Menge, U.; Lang, P.; Findenegg, G. Colloids Surf. A: Physicochem. Engng Aspects. 2000,

163, 81-90.

[23] Zhu, P.; Snyder, L.; Dolan, J.; Djordjevic, N.; Hill, D.; Sander, L.; Waeghe, T. J.

Chromatogr. A. 1996, 756, 21-39.

[24] Zhu, P.; Dolan, J.; Snyder, L. J. Chromatogr. A. 1996, 756, 41-50.

[25] Lee, W.; Cho, D.; Chun, B.; Chang, T.; Ree, M. J. Chromatogr. A. 2001, 910, 51-60.

[26] Cassia R.; Zanon V.; Trombetta, F.; Martinelli, M.; Bastos, E. Anal. Chim. Acta 2004,

505, 223–226.

[27] Mitakos, A.; Panderi, I. Anal. Chim. Acta 2004, 505, 107–114.

[28] Sánchez, A.; Rodríguez A.; López, J.; Paseiro, P. J. Chromatogr. A, 2004, 1032, 7–15.

[29] Chen, S.; Chuang, Y. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 145-152.

[30] Tran, T.; Christophersen, B. Biochim. Biophy. Acta 2002, 1583, 195-203.

[31] Mototeru, Y. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 227-.234.

[32] Amet, Y.; Adas, F.; Berthou, F. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 193-199.

[33] Brondz, I. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 1-7.

[34] Ohba, Y.; Kuroda, N.; Nakashima, K. Anal. Chim. Acta 2002, 465, 101-108.

[35] Wuthier, R. J. Lipids Res. 1966, 7, 558-563.

[36] Hirsch, J. J. Lipids Res. 1963, 4, 1-9.

[37] Ellingboe J.; Nystrøm, E.; Sjøvall, J. J. Lipids Res. 1970, 11, 266-274.

[38] Nystrøm, E.; Sjøvall, J. Meth. Enzymol. 1975, 35B, 378-384.

[39] Rouser, G.; Kritchevsky, G.; Yamamoto, A. Lipid Chromatographic Analyses, 2nd Edition,

Vol. 3, Marcel Dekker, New York, 1976, 713-776.

[40] Carroll, K. Lipid Chromatographic Analysis, 2nd Edition, Vol. 1, Marcel Dekker, New

York, 1976, 173-214.

[41] Singleton, W.; Gray, M.; Brown, M.; White, J. J. Am. Oil. Chem. Soc. 1965, 42, 53-60.

[42] Comfurius, P.; Zwaal, R. Biochim. Biophys. Acta. 1977, 488, 36-41.

[43] Kaluzny, M.; Duncan, L.; Merritt, M.; Epps, D. J. Lipid Res. 1985, 26, 135-142.

[44] Alkio, M.; González, C.; Jantti, M.; Aaltonen, O. J. Am. Oil Chem. Soc. 2000, 77, 315-

321.

[45] Hawthorne, S.; Millar, D.; Nivens, D.; White, D. Anal. Chem. 1992, 64, 405-411.

95

[46] Cummins, M.; Wells, R. J. Chromatogr. B. 1997, 694, 11-18.

[47] Laakso, P. en: Christie, W. (Ed.), Advances in Lipid Methodology, Vol. 1, Oily Press, Ayr.

1992, 81-92.

[48] Battistutta, F.; Buiatti, S.; Zenarola, C.; Zironi, R. J. High Resolut. Chromatogr. 1994, 17,

662-667.

[49] Pan, L.; Pawliszyn, J. Anal. Chem. 1997, 69, 196-201.

[50] Hirschlag, H.; Koster, R. Anal. Chem. 1998, 362, 274-279.

[51] Abalos, M; Bayona, J.; Pawliszyn, J. J. Chromatogr. 2000, 873, 107-112.

[52] Wilson, R.; Smith, P.; Wilson, P.; Shepherd, M.; Riemersma, R. Anal. Biochem. 1997,

248, 76-81.

[53] Pan, L.; Adams, M.; Pawliszyn, J. Anal. Chem. 1995, 67, 4396-4404.

[54] Reed, R.; Healy, R. Some Physicochemical Aspects of Microemulsion Floo ding.

Academies Press. New York. 1977.

[55] Salager, J. Encyclopedia of Emulsions Technology. Marcel Dekker, Inc., New Cork. 1988,

3, 247-280.

[56] Bourrel, M.; Salager, J.; Schechter, R.; Wade W. J. colloid Interf. Sci., 1980, 75, 451-457.

[57] Bourrel, M.; Koukounis, Ch.; Schechter, R.; Wade, W. J. Dispers. Sci. Technol. 1980, 1,

13-19.

[58] Graciaa, A.; Barakat, Y.; Emary, M.; Fortney, L.; Schechter, R.; Yiv, S.; Wade, W. J.

colloid Interf. Sci. 1982, 89, 209-216.

[59] Andérez, M.; Salager, J.; Graciaa, A.; Lachaise, J. 8th International Symposium on

Surfactants in Solution. 1990, 6, 10–15.

[60] Saito, Y.; Sato, T.; Anazawa, I. J. Amer. Oil Chem. Soc. 1990, 67, 145–148.


225-231.


49.

[63] Salager, J.; Márquez, N.; Antón, R.; Graciaa, A.; Lachaise, J. Langmuir. 1995, 11, 37-41.

[64] Ysambertt, F.; Antón, R.; Salager, J. Coll. Surf. A. 1997, 125, 131-136.

[65] Chan, K.; Shah, D. J. Disp. Sci. Technol. 1980, 1, 55–95.

96

C A P I T U L O V I

97

DESARROLLO DE MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS GRASOS (FAs) POR HPLC.

El análisis de FAs se realizó empleando la modalidad fase reversa, en la cual se emplea

una columna no polar debido al carácter lipofilico de estos compuestos. Por otro lado, el uso de

fases móviles acuosas para el análisis hace necesario controlar adecuadamente el pH, debido a la

disociación que tiene lugar durante el proceso de separación. En el siguiente capitulo se proponen

varias metodologías de análisis y separación de una mezcla de FAs; así como el estudio de la

influencia de la temperatura y polaridad de la fase móvil en la retención de dichos compuestos en

el proceso cromatográfico.

SECCIÓN EXPERIMENTAL

Equipos

El análisis de los ácidos carboxílicos de cadena larga se realizó en un cromatógrafo

líquido modular de la Waters, constituido por los siguientes módulos (marca Waters):

Inyector universal U6K

Computador PC 5500 con el software Millenium; para el procesamiento de los

resultados.

Detector de arreglo de fotodiodos (PDA), 996

Controlador de solventes 600

Bomba cuaternaria distribuidora de solventes, M6000A

Columnas cromatográficas analíticas de fase reversa: (250 x 4.6 mm; de Merk) y

Lichropher C8 de 5-µm ( 250 x 4.6 mm; de Merk)

Materiales

Sistemas de purificación de solventes y muestras de la Waters Millipore, con filtros de

0,22 y 0,45 µm acuosos y orgánicos.

98

Sistema de desgasificación de solventes con Helio.

Baño ultrasónico, marca Bransonic modelo 1200.

Jeringas de desgasificación de 10 mL y de inyección de 25 µL, marca Hamilton

Balanza analítica, marca ACCULAB, sensibilidad ± 0,0001 g

Material de vidrio en general.

Reactivos.

Todos los solventes utilizados para la preparación de las fases móvil y de las muestras fueron

de grado HPLC, metanol (MeOH), acetonitrilo (ACN), isopropanol, n-Heptano (Baker

Chemicals). Todos desgasificados con helio y sonicados.

Se estudiaron las siguientes muestras: ácido caprílico (C8), ácido cáprico (C10), ácido láurico

(C12), ácido mirístico (C14), ácido palmítico (C16) y ácido esteárico (C18), todos marca Merck.

Etoxyl (Venezuela) suministró los surfactantes nonilfenol etoxilados, empleados en el estudio

de retención, para comparación con los ácidos carboxílicos

Procedimiento Experimental

Análisis de ácidos carboxílicos por HPLC-fase reversa.

El estudio se inició evaluando diferentes proporciones de mezclas de solventes

constituidas por metanol, agua y acetonitrilo con polaridades diferentes como fases móvil en

forma isocrática. Se evaluaron dos fases estacionarias: octilsilano (RP-8) y octadecilsilano (RP-

18), hasta establecer el método óptimo para el estudio de mezclas de los ácidos carboxílicos.

Todos los ácidos se prepararon en metanol a una concentración de 0,1 M y se inyectaron

alícuotas de 10 µL en el cromatógrafo líquido. Se empleó un flujo 1 mL/min.

Efecto de la temperatura en la retención de los ácidos carboxílicos y surfactantes no-iónicos

en la separación por HPLC-fase reversa.

99

Para el estudio de la influencia de la temperatura en la retención de los ácidos carboxílicos

se empleó un horno para columna modelo Eppendorf-CH-30. Se cambió la temperatura de la

columna de 288 a 323 K y se empleó acetonitrilo como fase móvil. Se inyectaron al sistema

cromatográfico alícuotas de 10 µL de la mezcla de ácidos grasos (preparada en metanol al 0,2 %

p/v). En el caso de los surfactantes noiónicos polietoxilados se empleó una columna Lichrospher

NH2 (5µm, 250 x 4 mm), y se preparó a la misma concentración.

Efecto de la polaridad de la fase móvil en la retención de los ácidos carboxílicos por HPLC-

fase reversa.

Debido al carácter lipofílico de los ácidos carboxílicos, su afinidad por la fase estacionaria

no polar (RP-18) incrementa con la longitud de la cadena alquílica del ácido. El aumento en la

polaridad de la fase móvil influye en dicho comportamiento. Por tanto, se evaluó el efecto de

adicionar progresivamente acetonitrilo a la fase móvil en la retención de los ácidos carboxílicos

en la fase estacionaria no polar. El tiempo de retención (tr) de los ácidos se obtuvo de cinco

determinaciones individuales (n = 5).

100

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Desarrollo de métodos de análisis de ácidos carboxílicos grasos por HPLC.

Debido a que los ácidos carboxílicos son compuestos monodispersos todos los estudios

cromatográficos se realizaron en forma isocrática. Preliminarmente, a los estudios

cromatográficos se realizó un barrido de longitud de onda de estos ácidos para determinar la

máxima absorción debida a las transiciones n-π*1-2, la cual ocurre a 214 nm. Se observo además,

que a medida que aumenta la cadena alquílica del ácido, la absorbancia disminuye (Figura VI.1).

Figura VI.1. Espectros de absorción UV-Vis de los ácidos grasos estudiados.

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Longitud de onda, λ (nm)

Abs

orba

ncia

(U.A

.)

C8 C10

C12

C14

C18

C16

350

101

Es importante destacar que debido a las propiedades surfactante de estos ácidos y por la

variedad en el número de átomos de carbono de la cadena lipofílica, es difícil encontrar una fase

móvil donde toda la mezcla sea soluble. Por otro lado, los ácidos de mayor cadena alquílica C16

y C18, son poco solubles en acetonitrilo. Por tanto, se evaluó con metanol y se observó que todos

los ácidos son solubles (debido a la formación de puentes de hidrogeno). Se comenzó el estudio

fraccionando mezclas de ácidos carboxílicos desde C8 hasta C18, en una columna octilsilano. Se

evaluaron varias fases móviles y se logro la separación de los ácidos C14, C16, C18 con una fase

móvil ACN/H2O (80/20). Este análisis se realizó acidificando la fase móvil (pH = 4) con una

solución de ácido acético para mantener los ácidos en su forma ionizada (Supresión iónica). Sin

embargo, no se obtuvo buena resolución para los ácidos C8 y C10, en consecuencia, esta fase

estacionaria no sería adecuada para la separación efectiva de estos ácidos cuando se analicen en

un sistema surfactante-agua-aceite que contenga una mezcla de estos.

En vista de lo observado se continuó el estudio pero empleando la fase estacionaria

octadecilsilano (C18), con la finalidad de aumentar el factor de retención y la eficiencia en la

separación de los ácidos C8 y C10, sin afectar la resolución de los otros ácidos (C12, C14, C16 y

C18). Las condiciones óptimas de separación de la mezcla de ácidos C8, C10, C12, y C14 se

alcanzó con una fase móvil 70/30 ACN/H2O (pH 4)., por lo cual se eligió el metanol en la fase

móvil. Empleando una mezcla acetonitrilo/metanol 95:5 como fase móvil, se observó la

separación de C8, C10, C12 y C14 pero con muy poca resolución. Debido a la solubilidad de toda

la mezcla de ácidos en metanol, se incorporó a la fase móvil. Sin embargo, no se obtuvo buena

resolución. Por tanto, se incorporó nuevamente el agua (modificador polar) para reducir la

solubilidad de los ácidos en la fase móvil y aumentar su interacción con la fase estacionaria.

Después de varias mezclas de acetonitrilo/metanol/agua acidulada con ácido acético, se

encontró que la mezcla ACN/MeOH/H2O, 80:10:10 resulto óptima para fraccionar la mezcla

C12, C14, C16 y C18 (todas las muestras se inyectaron disueltas en metanol), como se observa en

la Figura VI.2. Sin embargo, para optimizar un método de análisis se debe evitar el uso de pasos

engorrosos que encarezcan el análisis. Tomando en cuenta esta idea, se ensayaron diferentes

mezclas de metanol/acetonitrilo sin el uso de la supresión iónica, es decir empleando la fase

102

reversa tradicional. Después de varios ensayos, la mezcla ACN/MeOH 80/20 permitió alcanzar el

mejor compromiso entre resolución y tiempo de análisis para dichos compuestos (Figura VI.3).

Figura VI.2. Separación por HPLC de la mezcla de ácidos C12, C14, C16 y C18.

Cabe destacar que con esta fase móvil no existe el problema de la disociación de los

ácidos carboxílicos en la fase móvil, además se mantiene el comportamiento observado desde el

principio, que la absorción disminuye con el aumento de la cadena hidrocarbonada del ácido

carboxílico. En la Tabla VI.1 se resumen las condiciones de los métodos desarrollados para el

análisis de los ácidos carboxílicos grasos.

Tiempo (min.)

Res

pues

ta (m

V)

Condiciones cromatográficas: Columna: RP-18, 5-µm (250 x 4.6 mm) Fase móvil: ACN/MeOH/H2O 80/10/10 % v/v Flujo: 1 mL/min. FAs: 0,2 % p/v en MeOH C18

18 C12 C14

C16

C18

103

Figura VI.3. Separación de la mezcla de ácidos C8, C10, C12, C14, C16 y C18.

Tabla VI.1. Parámetros cromatográficos variantes en el análisis de FAs por HPLC según

el tipo de ácido graso.

Ácidos grasos Fase móvil Fase estacionaria

C14, C16, C18 ACN/H2O (80/20), pH = 4.0 Octal-silano (RP-8)

C8, C10, C12, C14 ACN/H2O (70/30), pH = 4.0 Octadecil-silano (RP-18)

C12, C14, C16, C18 ACN/MeOH/H2O (80/10/10) Octadecil-silano (RP-18)

C8, C10, C12, C14,

C16, C18

MeOH/ACN 80/20 Octadecil-silano (RP-18)

Flujo: 1 mL/min.

C8

C10

C12

C14

C16

C18

T im e ( m in .)

Abs

orba

nce

Condiciones cromatográficas: Columna: RP-18, 5-µm (250 x 4.6 mm) Fase móvil: ACN/MeOH 80/20 % v/v Flujo: 1 mL/min. FAs: 0,2 % p/v en MeOH

Tiempo, min.

Abs

orba

ncia

(U

.A.)

104

Efecto de la temperatura en la retención de compuestos por HPLC.

Tomando como referencia la teoría de la termodinámica en el proceso cromatográfico,3-

4,se realizaron estudios del comportamiento de retención de diferentes compuestos en

cromatografía líquida, evaluando el efecto de la temperatura y del solvente sobre dicho

comportamiento. Como se mencionó anteriormente, el proceso cromatográfico es un proceso de

distribución consecutivo de solutos entre las fases móvil y estacionaria cuando se mueven a

través de la columna.

La constante de equilibrio (K) de moléculas de soluto entre la fase estacionaria y la fase

móvil se puede relacionar a los cambios de energía libre (ΔGº), entalpía (ΔHº) y entropía (ΔSº)

asociado al traslado de un mol de analito de la fase móvil a la fase estacionaria. Este cambio de

energía viene expresado por la siguiente expresión (la cual se asocia a los procesos

cromatográficos mediante el uso del factor de retención):

KlnRTºSTºHºG !="!"=" (1)

De esta forma, la conducta de retención de un soluto en un sistema cromatográfico puede

expresarse a través del factor capacidad como sigue:

!+"

+"

=!+"

#= lnR

ºSln

RT

ºG'ln

RT

Hº- k (2)

donde, R es la constante de los gases, T es la temperatura absoluta y φ es la relación de fase de la

columna (es decir, la relación del volumen de fase estacionaria a la fase móvil). Las variables

termodinámicas pueden entonces obtenerse de los datos de la curva de retención vs. el inverso de

105

la temperatura (1/T), conocida como curva de Van Hoff. Si el diagrama de Van Hoff es lineal,

entonces se puede asumir que la entalpía y la entropía son constantes y, que el mecanismo del

proceso de retención no cambia por encima del rango de temperatura en estudio. Así, ΔHº puede

obtenerse de la pendiente y ΔSº del intercepto de la línea de regresión, siempre que se conozca φ.

El factor capacidad es adimensional e independiente de algunos parámetros geométricos

de la columna o el sistema HPLC. Esto puede considerarse como una característica

termodinámica del sistema eluente-compuesto-adsorbente. Por otro lado, la ecuación (2), indica

que un incremento en la temperatura disminuirá el valor de k', de tal forma que el tiempo de

retención actual también disminuirá. Para la mayoría de los sistemas esta disminución no excede

el 50% de la reducción del tiempo de retención del componente a temperatura ambiente.

En este estudio se empleo la siguiente definición de relación de fase:5,6-14

φ = (VG – VM) / VM (3)

donde VG y VM son el volumen geométrico (columna vacía) y muerto de la columna (esto se

determinó empleando la velocidad de flujo y el tiempo de elusión de compuestos no retenidos,

metanol o acetonitrilo), respectivamente. La relación de fase definida en la ecuación (3) es una

cantidad adimensional y se puede determinar rápidamente, debido a que VG se calcula

simplemente de la longitud y el diámetro interno de la columna.5,6-14 Empleando este

procedimiento, se obtuvo para la columna en estudio un valor de φ= 0,54.

Para este estudio se inyectaron al sistema cromatografito alícuotas de 10 µL de la mezcla

de ácidos grasos (preparada en metanol al 0,2 % p/v) y se empleo acetonitrilo como fase móvil.

Todas las medidas se hicieron bajo condiciones isocráticas. El tiempo de retención (tr) de los

ácidos se obtuvo de cinco determinaciones individuales (n = 5). Se cambió la temperatura de la

columna de 288 a 323 K. En la Figura VI.4 se muestra, para todos los ácidos, la variación del ln

k’ en función del inverso de la temperatura absoluta (1/T). La pendiente positiva indica una

106

disminución de la retención con el aumento de la temperatura. En la Figura VI.5 se muestra como

varía la retención de los ácidos carboxílicos grasos estudiados con la cadena alquílica al aumentar

la temperatura.

Figura VI.4. Diagrama de van’t Hoff para los ácidos carboxílicos grasos estudiados.

Este efecto se estudio también con surfactantes noiónicos de tipo polietoxilados. En este

caso, al aumentar la temperatura de la columna (Lichrospher NH2, fase móvil, n-

heptano/isopropanol/agua 70:20:10; detección a 276 nm.), se observa un cambio en la afinidad

del surfactante de hidrofílico a lipofílico debido probablemente a la desolvatación de la cadena

etoxilada con el incremento de la temperatura,15-18 afectando así las interacciones de las

moléculas del surfactante con la fase estacionaria polar en el proceso cromatográfico17,19-21 y por

tanto su retención, como se observa en el caso del nonilfenol etoxilado con veinte grupos oxido

de etileno, NP20 (Figura VI.6).

C12C14C16C18 = 2.9742x - 8.7047 (r = 0.999)

= 2.7934x - 8.624 (r = 0.9989)= 2.5922x - 8.5429 (r = 0.999)= 2.384x - 8,5363 (r= 0.9989)

-1,500

-1,000

-0,500

0,000

0,500

1,000

1,500

3,050 3,150 3,250 3,350

1000 x 1/T (K)

Ln

K'

107

Figura VI.5. Dependencia del factor de retención con la temperatura.

-1,400

-0,400

0,600

1,600

11 13 15 17 19

Cadena alquílica del ácido, N

LN

k'

298 ºK = 0,3085N - 4,2185 (0.9949) 313 ºK = 0,2849N - 4,2934 (0.9963)

108

Figura VI.6: Cromatograma HPLC del surfactante NP20 a diferentes temperaturas

Time (min.)0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90

T = 15 ºC

AU

T = 25 ºC

T = 35 ºC

Time (min.)0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 900 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 900 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90

T = 15 ºC

AU

T = 25 ºC

T = 35 ºC

Tiempo, min.

109

En la Figura VI.7 se muestra el diagrama de van’t Hoff para los primeros doce etoxímeros

de este surfactante, en la que se observa un comportamiento similar al de los ácidos carboxílicos

(Figura VI.4), una disminución del factor de retención con el incremento de la temperatura.

Figura VI.7. Diagrama de van't Hoff para los primeros doce etoxímeros del surfactante

nonilfenol etoxilado (NP20).

1000 x 1/T (K - 1 )

ln k

’

- 0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.18 3.23 3.28 3.33 3.38 3.43 3.48

EO1 EO2

EO11 EO10 EO9

EO12

EO5 EO6 EO7 EO8

EO4 EO3

1000 x 1/T (K - 1 )

- 0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,18 3,23 3,28 3,33 3,38 3,43 3,48

EO1 EO2

EO11 EO10 EO9

EO12

EO5 EO6 EO7 EO8

EO4 EO3

110

Por otro lado, se calculó la entalpía y entropía de transferencia del soluto de la fase móvil

a la fase estacionaria para ambos tipos de compuestos anfifilicos: ácidos carboxílicos (Figura

VI.8A) y nonilfenol etoxilado (Figura VI.8B). Como se observa en la Figura, en ambos casos el

ΔHº es negativo, lo que corrobora que la adsorción del soluto (cadena alquilita en la fase no polar

y etoxímeros en la fase polar) es favorable desde el punto de vista energético.

No obstante, para los ácidos carboxílicos el ΔSº se mostró esencialmente independiente

del ácido, mientras que para el nonilfenol, los valores negativos variantes del ΔSº, indican un

incremento en el orden molecular resultante de la asociación del analito con los ligandos

hidrofílicos de la fase estacionaria. En todos los casos, se observó un comportamiento lineal entre

los parámetros termodinámicos de retención y el grado de etoxilación o cadena alquílica para los

nonilfenol etoxilados y ácidos carboxílicos, respectivamente.

La disminución promedio en ΔHº y ΔGº por grupo metileno adicional en los ácidos

carboxílicos es 0,60 y 0,74 kJ/mol (estos valores se obtuvieron a partir de los datos de la Figura

IV.8A), respectivamente. La conducta observada es consistente con la selectividad de los grupos

alquílicos de la fase estacionaria (fase reversa) para separar mezclas de ácidos de acuerdo a su

cadena hidrófoba. Es importante resaltar que esta información termodinámica se obtuvo a partir

de la ecuación (2), ampliamente reportada en la literatura22-27.

111

Figura VI.8. Parámetros termodinámicos, en el proceso cromatográfico de los FAs y el

surfactante NP20.

N (cadena lipofilica )

-

-

-

-

-

-

-30,0

-20,0

-10,0

10,0

20,0

30,0

11 13 15 17 19

N (cadena alquílica del ácido)

-70,0

-35,0

0,0

35,0

70.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

nEO (oligómeros del NP20)

En

erg

ía (

kJ

/mol)

-30,0

-20,0

-10,0

0,0

10,0

30,0

11 13 15 17 19

!Hº

!Gº

T!Sº

!Hº

!Gº

T!Sº

En

erg

ía (

kJ

/mol)


-

-


-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-30,0

-20,0

-10,0

10,0

20,0

30,0

11 13 15 17 19

N (cadena alquílica del ácido)

-70,0

-35,0

0,0

35,0

70.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

nEO (oligómeros del NP20)

En

erg

ía (

kJ

/mol)

-30,0

-20,0

-10,0

0,0

10,0

30,0

11 13 15 17 19

!Hº

!Gº

T!Sº

!Hº

!Gº

T!Sº

En

erg

ía (

kJ

/mol)

112

Efecto de un solvente polar en la fase móvil en la retención de los ácidos grasos.

Como se mencionó anteriormente, a mayor longitud de la cadena alquílica del ácido más

hidrófobo es este, y por tanto menos soluble en la fase móvil polar, la cual tiene que escogerse en

función del tipo de ácido. En el siguiente estudio se evaluó la influencia en la retención de estos

compuestos con la variación de la polaridad de la fase móvil. Con metanol puro como fase móvil,

los ácidos grasos de cadena menor a 10 átomos de carbono emergen en un solo pico. No obstante,

con la adición de acetonitrilo, la polaridad de la fase móvil se puede ajustar para producir la

separación adecuada como se mostró en la Figura VI.3.

Todos los estudios cromatográficos se realizaron en forma isocrática para garantizar

reproducibilidad. Para el estudio de la selectividad se inicio el análisis con 100% de metanol

como fase móvil, observándose que los ácidos de cadena mas corta (C8, C10) eluyen junto al

frente del solvente. Esto es debido a que la polaridad del metanol no es lo suficientemente alta

como para permitir una mayor interacción de los ácidos estudiados con la cadena alquílica de la

fase estacionaria.

En la Figura VI.9, se muestra la variación del logaritmo del factor de retención con el

número de átomos de carbono de la cadena alquílica (N) de los ácidos estudiados. De los datos de

la Figura VI.9 se obtiene la siguiente expresión:

ln k’ = a N + b (4)

En este caso a = 0.18 y b = -2.5. Esto indica que la retención o factor capacidad (como ln

k’) incrementa de forma lineal con la longitud de la cadena del ácido la cual interactúa con la fase

estacionaria. Además, el valor del intercepto b depende de la proporción acetonitrilo/metanol en

la fase móvil e indica la retención característica del grupo carboxílico.

113

Figura VI.9. Dependencia del Ln k' con el N° de átomos de carbono de los ácidos carboxílicos.

- 1,15

- 0,95

- 0,75

- 0,55

- 0,35

- 0,15

0,05

0,25

0,45

0,65

0,85

8 10

12

14

16

18

LN

k’

Cadena alquílica del ácido, N

LN k’ = 0,1762N - 2,4963 (r= 0,999)

- 1,15

- 0,95

- 0,75

- 0,55

- 0,35

- 0,15

0,05

0,25

0,45

0,65

0,85

8 10

12

14

16

C18 18 C12

114

En la Figura VI.10 se muestra la variación del ln k’ en función del contenido de

acetonitrilo en la fase móvil para los diferentes ácidos. Como se observa en esta figura, la

retención de todas las especies incrementa con el contenido de acetonitrilo en la fase móvil, es

decir cuando esta se hace más polar. Estos datos pueden ser representados por una función lineal

de la siguiente forma:

ln k’ = c X + d (5)

donde X es la fracción volumen de acetonitrilo en la fase móvil y, c y d son parámetros

determinados por la regresión lineal y dependen de las otras condiciones de análisis. Se encontró

que estos parámetros varían linealmente con N. Por tanto las ecuaciones previas (4) y (5) se

pueden relacionar en una expresión bilineal del ln k’ como una función de X y N, con α = -2.45,

β= -0.115, γ= 0.174 y δ= 0.0555, a 298 K:

ln k = α + βX + γN + δXN (6)

En el caso de los surfactantes no-iónicos polietoxilados, el acetonitrilo disminuye su

tiempo de retención en fase reversa.6 Con los ácidos estudiados se produce el efecto contrario,

debido probablemente a su comportamiento hidrófobo. Para una determinación individual de

estos compuestos se puede escoger entre usar solo metanol o mezclas de metanol/acetonitrilo

como fase móvil. Sin embargo, es importante tomar en cuenta que el acetonitrilo produce un

ensanchamiento en los picos así como el efecto tailling (“cola de novia”), lo cual no es favorable.

No obstante, es un método alternativo a las mezclas acuosas que normalmente se emplean en fase

reversa pero que implicaría el empleo de una solución buffer para regular el pH de la fase móvil y

evitar así la disociación de estos compuestos durante el análisis.

115

Figura VI.10. Variación del ln k' en función del contenido de acetonitrilo en la fase móvil para los diferentes ácidos estudiados.

- 1,5

- 1

-

0 0,2

0,4 0,6 0,8 1

X (fracción de volumen de acetonitrilo en la fase móvil)

C8

C10

C12

C14

C16

C18

0,5

0

0,5

1

1,5

2

-

-

-

0 0,2

0,4 0,6 0,8 1

X (fracción de volumen de acetonitrilo en la fase móvil)

LN

k’

C8

C10

C12

C14

C16

C18 18 C12

116

CONCLUSIONES

La afinidad de los ácidos carboxílicos grasos por la fase estacionaria octadecilsilano

aumenta linealmente con la longitud de la cadena alquílica del ácido y con la polaridad de la fase

móvil, aumentando sus tiempos de retención Los métodos de análisis desarrollados pueden ser

aplicados en diferentes campos de interés.

Al aumentar la temperatura de la columna, la retención de estos compuestos tiende a

disminuir. No obstante, ΔSº es esencialmente independiente del ácido, mientras que el ΔHº de

transferencia de una molécula de ácido de la fase móvil a la fase estacionaria es negativa y

disminuye cuando la longitud de la cadena alquílica o la cadena etoxilada (en el caso de los

surfactantes no-iónicos en una fase estacionaria polar) es mas grande.

117




Florida 1967.

[3] Levin, S. http://www.forumsci.co.il/HPLC/program.html; 1997.

Kazakevich, Y.; McNair, H. http://hplc.chem.shu.edu/NEW/HPLC_Book/index.html. 2000

[4] Snyder L. R. Principle of Adsorption Chromatography. M. Dekker, Inc., New York, 1968


[6] Jandera, P.; Holcapek, M.; Theodondis, G. J. Chromatog. A. 1998, 813, 299-309.

[7] Krastulovic, A.; Colin, H.; Guiochon, G. Anal. Chem. 1982, 54, 2438-2447.

[8] Kazakevich, Y.; Mcnair, H. J. Chromatogr. Sci. 1993, 31, 317-328.

[9] Mockel, H. J. Chromatogr. A. 1994, 675, 13-19.

[10] Oumada, F.; Roses, M.; Bosch, E. Talanta. 2000, 53, 667-673.

[11] Kazakevich, Y.; Mcnair, H. J. Chromatogr. A. 2000, 872, 49-53.

[12] Rustamov, I.; Farcas, T.; Ahmed, F.; Chan, F.; LoBrutto, R.; McNair, H.; Kazakevich, Y.

J. chromatogr. A. 2001, 913, 49-54.

[13] Dominguez, J.; Diez-Masa, J.; Davankov, V. Pure Appl. Chem. 2001, 73, 969-976.

[14] Rimmer, C.; Simmons, C.; Dorsey, J. J. Chromatogr. A. 2002, 965, 219-226.

[15] Shinoda, K.; Saito, H. J. Colloid Interface Sci. 1968, 26, 70-75.

[16] Merdas, A.; Gindre, M.; Ober, R.; Nicot, C.; Urbach, W.; Waks, M. J. Phys. Chem. 1996,

100, 15180-15186.

[17] Penfold, J.; Staples, E.; Tucker, I.; Cummins, P. J. Phys. Chem. 1996, 100, 18133-18137.

[18] Menge, U.; Lang, P.; Findenegg, G. Colloids Surf. A: Physicochem. Engng Aspects. 2000,

163, 81-90.

[19] Zhu, P.; Snyder, L.; Dolan, J.; Djordjevic, N.; Hill, D.; Sander, L.; Waeghe, T. J.

Chromatogr. A. 1996, 756, 21-39.

[20] Zhu, P.; Dolan, J.; Snyder, L. J. Chromatogr. A. 1996, 756, 41-50.

118

[21] Lee, W.; Cho, D.; Chun, B.; Chang, T.; Ree, M. J. Chromatogr. A. 2001, 910, 1-60.

[22] Vigh, G.; Varga, Z. J. Chromatogr. 1980, 196, 1-10.

[23] Petrovic, S.; Lomic, S. Chromatographia. 1989, 27, 378-384.

[24] Silveston, R.; Kronberg, B. J. Chromatogr. A. 1994, 659, 43-49.

[25] Ludolph, B.; jeng, C.; Chu, A.; Langer, S. J. Chromatogr. A. 1994, 660, 3-12.

[26] Philipsen, H.; Claessens, H.; Lind, H.; Klumperman, B.; German, A. J. Chromatogr. A.

1997, 790, 101-108.

[27] Ranatunga, R.; Carr, P. Anal. Chem. 2000, 72, 5679-5686.

119

C A P I T U L O V I I

120

DESARROLLO DE UN SISTEMA EN LINEA PARA LA DERIVATIZACIÓN Y ANÁLISIS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS GRASOS (FAs) POR HPLC.

Los requisitos mayores para controlar un proceso con sistemas FIA son la sencillez,

robustez, y la certeza instrumental y química. En los sistemas FIA, la muestra que implica

acondicionamiento o modificación, o la determinación de multi-parámetros puede implicar

muchas líneas de bombeo y una configuración múltiple moderadamente compleja. La certeza de

los sistemas FIA desplegados para aplicaciones a largo plazo, puede ser también sumamente

dependiente de la estabilidad de los reactivos utilizados.

Las técnicas de separación cromatográficas en combinación con sistemas de detecciones

selectivas y sensibles han ganado una enorme popularidad en todos los campos de la química

analítica. Sin embargo, incluso con esta variedad de sistemas de detección-separación disponibles

no siempre es posible alcanzar el límite de detección deseado con la precisión necesaria sin

alguna manipulación analítica o derivatización.


Equipos

La reacción de derivatización y análisis por HPLC de los ácidos carboxílicos de cadena

larga se realizó empleando los siguientes equipos:

Inyector universal U6K

Computador PC 5500 con el software Millenium; para el procesamiento de los

resultados.

Detector de arreglo de fotodiodos (PDA), 996

Controlador de solventes 600

Bomba cuaternaria distribuidora de solventes, M6000A

Bomba de alta presión isocrática 510

121

válvula de inyección (Rheodyne modelo 5020)

válvula de paso (Supelco modelo 5011)

Horno microondas doméstico (Kenmore) equipado con un magnetrón de 2450 MHz con

un poder máximo nominal de 400 watts

Columna cromatográfica analítica de fase reversa:C18 de 5-µm (250 x 4.6 mm; de Merk)

Materiales

Sistemas de purificación de solventes y muestras de la Waters Millipore, con filtros de

0,22 y 0,45 µm acuosos y orgánicos.

Sistema de desgasificación de solventes con Helio.

Baño ultrasónico, marca Bransonic modelo 1200.

Jeringas de desgasificación de 10 mL y de inyección de 25 µL, marca Hamilton


Reactor (coil) hecho de mangueras de teflón.


Reactivos.

• Todos los solventes utilizados para la reacción y el análisis por HPLC son de grado

HPLC, metanol (MeOH), acetonitrilo (ACN). Todos desgasificados con gas helio y

sonicados.

• Se estudiaron las siguientes muestras: ácido caprílico (C8), ácido cáprico (C10), ácido

láurico (C12), ácido mirístico (C14), ácido palmítico (C16) y ácido esteárico (C18), todos

marca Merck

122

• Se emplearon los siguientes agentes derivatizantes: fenilhidrazina (PH), 2,4-

dinitrofenilhidrazina (2,4-DNPH) y cloruro de bencilo (BC), (pureza sobre el 99%); de la

Merck Company.


Desarrollo de un sistema de análisis continuo de ácidos carboxílicos.

Actualmente es importante el desarrollo de técnicas que minimicen la manipulación

directa de las muestras en cualquier análisis cotidiano. Los ácidos carboxílicos presentan una

pobre absorción en la región del ultravioleta, lo cual conlleva a la preparación de derivados para

mejorar la sensibilidad de los métodos de análisis. No obstante, los métodos clásicos de

preparación de derivados implican pre-tratamientos de las muestras que alargan el procedimiento

de análisis. Para solventar este inconveniente, se desarrollo un sistema en línea que permite

obtener compuestos derivados de los ácidos carboxílicos, empleando irradiación microondas y su

análisis por HPLC.

Para la reacción de derivatización de los ácidos carboxílicos se empleó un horno

microondas doméstico (Kenmore) equipado con un magnetrón de 2450 MHz con un poder

máximo nominal de 400 watts. El reactor (coil) se introdujo al microondas través de los orificios

de las ventanas del horno para no romper las paredes. En la Figura V.1 se muestra el esquema del

sistema empleado. En la Tabla VII.1 se muestran las condiciones de las reacciones de

derivatización.

Debido a que los ácidos carboxílicos son compuestos monodispersos, todas las medidas

cromatográficas se hicieron en condiciones isocráticas. El tiempo de retención (tr) de los ácidos

se obtuvo de cinco determinaciones individuales (n = 5).

123


La mayoría de los FAs tienen una pobre absorción en la región del ultravioleta (UV)

ampliamente empleada en los sistemas de detección en cromatografía líquida. No obstante, se han

reportado una amplia variedad de métodos con el objeto de incrementar su absorción en la región

UV-Vis. Entre los mas empleados se encuentran la esterificación, la condensación con alcoholes

en condiciones ácidas o la reacción con haluros de alquilo en condiciones básicas1-6.

Entre los reactivos empleados para la derivatización de ácidos carboxílicos se destacan la

fenilhidrazina, 2,4-dinitrofenilhidrazina, y el cloruro de bencilo7-8. En esta sección se muestra el

desarrollo de un sistema en línea para la obtención de derivados de ácidos carboxílicos grasos

empleando irradiación microondas y acoplado en línea al sistema HPLC-PDA para la separación

de los ácidos derivados.

En la Figura VII.1 se muestra el sistema continuo desarrollado para la derivatización en

línea de los ácidos grasos. Inicialmente se llena el loop de la válvula de inyección con una

solución que contiene 0.0591 mmoles de cada ácido en acetonitrilo y el reactivo derivatizante

(BC, PH y 2,4-DNPH respectivamente) (3A). Al cambiar de posición la válvula de inyección, el

contenido del loop es insertado en el medio de arrastre (acetonitrilo y llevado al reactor (coil))

localizado dentro del horno microondas. En este sistema, el tubo de teflón (coil) fue enrollado

alrededor de un tubo de ensayo.

Alrededor de 30 segundos después de la inyección de la muestra, justo cuando la muestra

entra en el reactor (coil), el microondas fue encendido a 400W por 1 min. Es importante destacar

que debido al bajo poder del microondas usado, no hubo un calentamiento excesivo, y por tanto

no hubo formación de burbujas. Luego del proceso de derivatización, el loop de la válvula de

(3B) es automáticamente llenado y al cambiar su posición, los productos de la reacción se

analizaron y separaron por HPLC.

124

Figura VII.1. Diagrama esquemático del sistema HPLC-derivatización en línea de ácidos grasos.

7

2B

1

2A3A

45

3B98

11

10

6

7

2B

1

2A3A

45

3B98

11

10

6

ACN (1) Bomba (2A) y (2B) Válvula de inyección (3A) 100 µL y (3B) 10 µL (4) FAs + reactivo; Reactor, MW (450 watts) (5) Válvula de paso (6) 92/8 MeOH/H2O (7) Pre-columna (8) Columna RP-18 (9) Detector PDA (10) Computador (11)

125

Condiciones de reacción

El método propuesto se basa principalmente en la reacción del grupo carbonilo del FAs

con los tres diferentes reactivos derivatizantes, como puede observarse en la Figura VII.2, en las

cuales se empleo el acetonitrilo como solvente de reacción. Los ácidos grasos derivatizados

presentan una fuerte absorción a las longitudes de onda respectivas (Tabla VII.1), cuyos

resultados están en buen acuerdo con los reportados por Miwa7. Algunos autores5 han reportado

que se obtienen mejores rendimientos cuando se adiciona el reactivo derivatizante en exceso. El

empleo de las hidrazinas sustituidas fue con la finalidad de asegurar la monocondensación, ya

que por lo general, la producción de una azina implica la condensación de 2 moles del compuesto

carbonílico.

Figura VII.2. Reacciones químicas generales de los ácidos grasos de cadena larga con el reactivo derivatizante. (I) fenilhidrazona del ácido graso (II) 2,4-dinitrofenilhidrazona del ácido graso y (III) benzoil-ester del ácido graso.

H2NNHC6H5+ ACN C=NNHC6H5

Rn

HO

C=O

Rn

HO

H2NNHC6H5N2O4C=O

Rn

HO

+ACN

C=NNHC6H5N2O4

Rn

HO

Rn-C-O-C-C6H5

= =O O

C=O

Rn

HO

C6H5C-Cl+ ACN

=O

(I)

(II)

(III)

H2NNHC6H5+ ACN C=NNHC6H5

Rn

HO

C=O

Rn

HOH2NNHC6H5+ ACN C=NNHC6H5

Rn

HO

C=NNHC6H5

Rn

HO

C=O

Rn

HO

C=O

Rn

HO

H2NNHC6H5N2O4C=O

Rn

HO

+ACN

C=NNHC6H5N2O4

Rn

HOH2NNHC6H5N2O4C=O

Rn

HO

C=O

Rn

HO

+ACN

C=NNHC6H5N2O4

Rn

HO

C=NNHC6H5N2O4

Rn

HO

Rn-C-O-C-C6H5

= =O O

C=O

Rn

HO

C6H5C-Cl+ ACN

=O

Rn-C-O-C-C6H5

= =O O

Rn-C-O-C-C6H5

= =O O

C=O

Rn

HO

C=O

Rn

HO

C6H5C-Cl+ ACNACN

=O

(I)

(II)

(III)

126

Tabla VII.1. Condiciones operacionales para una derivatización en línea.

Reactivo

Reactivo

(mM)

λ ,

(nm)

Ácido

(mM)

Reactor

(µL)

Flujo

Bomba A

(mL/min)

Flujo

Bomba B

(mL/min)

2,4-dinitrofenilhidrazina 1.00 310 0.0591 1000 0.8 1

Fenilhidrazina 1.99 254 0.0591 1000 0.8 1

Cloruro de bencilo 1.724 254 0.0591 1000 0.8 1 Vinj. Bomba A = 10 µL

Vinj. Bomba B = 100 µL

Cuando estas reacciones se llevan a cabo por condiciones convencionales como

calentamiento en baño de agua (empleando 2,4 DNPH como reactivo derivatizante), se consume

tiempo excesivo (60 minutos a 60 ºC). Por otro lado, cuando se realizo la reacción con irradiación

microondas a 450 watt, se acelero la reacción y se alcanzaron velocidades hasta de 10 veces sobre

los métodos convencionales; estos resultados concuerdan con las ventajas del microonda

reportadas por otros autores, mencionados anteriormente9-10. Por esta razón fue seleccionada la

irradiación microondas para el paso de derivatización en línea.

Desarrollo del sistema en línea

En el sistema en línea, el tiempo de exposición se determino por el volumen del reactor y

el flujo. Inicialmente, se empleo un reactor coil de 130 cm de longitud y 0.8 mm de diámetro

interno, pero se obtuvieron picos muy anchos debido a la dispersión11-14. Por tanto, se redujo el

diámetro interno a 0.1 mm, obteniéndose picos con mejor forma. Por otro lado, se estudio el

efecto de la velocidad de flujo en la altura del pico en un rango 0.1 a 1.5 ml min-1. Con este

estudio se observo que la altura del pico disminuye con la velocidad de flujo, por lo que, tomando

en consideración la estabilidad de la bomba, la forma del pico y el tiempo de análisis, se empleo

una velocidad de flujo de 1 mL min-1 de la solución del reactivo.

127

El reactor se colocó en el horno microondas domestico cerca al sistema de separación (ver

Figura VII.1); se emplearon tiempos de irradiación de 1 a 60 segundos observándose que después

de 40 segundos la intensidad de la señal fue casi constante. Por otro lado, se ensayaron altos flujo

para disminuir el tiempo de análisis pero se encontró que con un flujo mayor a 0.8 mL min-1 se

obtenían picos más pequeños.

Condiciones de análisis por HPLC

La separación de los seis ácidos grasos estudiados fue obtenida en la columna RP-18 de 5

µm, la cual dio los mejores resultados en el capitulo anterior, y además es la mas recomendada

para este tipo de análisis5-6 En principio se ensayó con metanol puro como fase móvil, pero se

obtuvo muy pobre resolución. Por lo que se adiciono el modificador polar agua a la fase móvil y

se logro una mejor resolución; la proporción optima fue 92/8 (MeOH/H2O). Cabe destacar que

esta fase móvil resultó apropiada para el análisis de la mezcla de FAs con los tres reactivos

derivatizantes, por tanto se ahorro tiempo de optimización de fase móvil que generalmente se

consume en los estudios por HPLC.

Reactivo derivatizante

Como es bien conocido, la mayoría de los solventes usados como fase móvil en HPLC

presentan una fuerte absorción lo cual puede interferir con el pico del ácido monitoreado a 214

nm; sin embargo, cuando estos compuestos son derivatizados se aumenta la sensibilidad y la

selectividad del método empleado. La intensidad de la señal de los FAs sin derivar después de

su separación se comparó con la intensidad de la señal después de obtener sus derivados con

los tres reactivos derivatizantes respectivamente.

En la Figura VII.3 se muestra que al adicionar el paso de la obtención de derivados en el

análisis de FAs por HPLC-PDA se mejora la sensibilidad (hasta 7 veces mayor al emplear

PH). En general, se observo una relación inversa entre la absorción del producto y el numero

de átomos de carbono de la cadena alquílica del ácido, es decir que la absorción disminuye

128

cuando el tamaño de la longitud de la cadena alquílica del ácido aumenta (Figura VII.3),

tendencia que se observo también en los resultados discutidos anteriormente.

Figura VII.3. Variación de la intensidad del pico con la longitud de la cadena del ácido graso.

De los tres diferentes reactivos, la PH mostró la mayor intensidad para el ácido octanóico,

sin embargo para los ácidos de mayor cadena la PH y la 2,4-DNPH mostraron una conducta

similar como se observa en la figura VII.4. Por tanto el uso de la 2,4-DNPH resulta mejor

debido a que el producto derivado presenta una fuerte absorción a 310 nm, la cual presenta

menor interferencia que la de 254 nm usada con el producto obtenido para la PH.

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

6 8 10 12 14 16 18 20

N (cadena alquílica de FAs)

AU

(?) Cloruro de bencilo

(| ) 2,4-Dinitrofenilhidrazina

(? ) Fenilhidrazina

(?) Sin reaccionar.

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

6 8 10 12 14 16 18 20


AU

( ) Cloruro de bencilo

( ) 2,4-Dinitrofenilhidrazina

( ) Fenilhidrazina

( ) Sin reaccionar.

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

6 8 10 12 14 16 18 20


AU

(?) Cloruro de bencilo

(| ) 2,4-Dinitrofenilhidrazina

(? ) Fenilhidrazina

(?) Sin reaccionar.

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

0,24

6 8 10 12 14 16 18 20


AU

( ) Cloruro de bencilo

( ) 2,4-Dinitrofenilhidrazina

( ) Fenilhidrazina

( ) Sin reaccionar.

129

La principal ventaja de la reacción con 2,4-DNPH fue que la cantidad de reactivo que no

reacciona fue muy baja como se observa en la Figura VII.4. En esta figura la línea base

presenta algunos picos pequeños que se atribuyen a co-productos. Se encontró que el uso del

BC comparado con los otros reactivos empleados no presenta ventaja alguna debido a que los

productos no mostraron una tendencia lineal como se observa en la Figura VII.4.

Además, la absorción de los productos derivados es baja, resultando ser tres veces mayor

que sin el procedimiento de derivatización. Las precisiones (desviación estándar relativa,

RSD) y la exactitud (error relativo) del método se determinaron basándose en la relación de

área del pico para el análisis de cada FAs a 0.059, 0.079 y 0.119 mM. En todos los casos RSD

y RE estuvieron por debajo de 4.

130

Figura VII.4. Cromatogramas de los derivados de ácidos grasos empleando (A) fenilhidrazina, (B) 2,4-dinitrofenilhidrazina, (C) cloruro de bencilo. Columna: µ-Bondapack C18 (250x4.6 mm D. I.). Fase móvil: 92/8 MeOH/H2O.

(A) 254 nm

(B) 310 nm

(C) 254 nm

AU

(A) 254 nm

(B) 310 nm

(C) 254 nm

AU

C8

C18

C18

C18

C16

C16

C16

C14

C14

C14

C12

C12

C12

C10

C10

C10

C8

C8

unknown

unknown

unknown

131

CONCLUSIONES

La adición del paso de derivatización al análisis de ácidos grasos por HPLC-PDA

incrementa la sensibilidad en casi 7 veces y permite detectarlos a 254 y 310 nm. De los tres

reactivos usados el mejor fue la 2,4-DNPH.

La irradiación con microonda a 450 W, resulto ser más eficiente para la reacción de

derivatización que las condiciones convencionales, con una disminución del tiempo de reacción

de 10 veces. El método desarrollado por análisis continuo empleando el sistema MW-HPLC-UV

proporciona alta sensibilidad, reduce la cantidad de reactivo a emplear y permite obtener tiempos

cortos de análisis.

132


[1] Rozhkov, V.; Vorob’ov, S.; Lobatch, A.; Kuvshinov, A.; Shevelev, S. Synthetic Comm.

2002, 32, 467-471.

[2] Greence, T.; Wuts, P. Protective Groups in Organic Synthesis, John Wiley & Sons. New

York. 1999, Chapter 5.

[3] Mulzer, J. In Comprehensive Organic Synthesis; Trost, B.; Fleming, I.; Heathcock, C.

Eds., Pergamon Press. New York. 1991, 6, 324-337.

[4] Vandenabeele T.; Mion, L.; Garrelly, L.; Commeyras, A. Adv Environ Res. 2001, 6, 45-

55.

[5] Latorre, A.; Rigol, A.; Lacorte, S.; Barceló, D. J Chromatogr. A. 2003, 991, 205–215.

[6] Lima, E.; Abadía, D. Anal. Chim. Acta. 2002, 465, 81–91.

[7] Miwa, H. Anal. Chim. Acta. 2002, 465, 237-255.

[8] Rosenfeld, J. Anal. Chim. Acta. 2002, 465, 93-101.

[9] Gedye, R.; Smith, F.; Westaway, K.; Ali, H.; Baldisera, L.; Laberge, L.; Rousell, J.

Tetrahedron. 1986, 27, 279-282.

[10] Raner, K.; Strauss, Ch. J. Org. Chem. 1992, 57, 6231-6234.

[11] Ruzicka, J.; Hansen, E. Anal Chem. 2000, 72, 212A-217A.

[12] Nielsen, S.; Hansen, E. Anal. Chim Acta., 2000, 422, 47-62.

[13] Hansen, H. Talanta. 2000, 51, 607-608.

[14] Ruzicka, J.; Hansen, E. Flow Injection Analysis. J. Wiley and Sons. 1981.

133

C A P I T U L O V I I I

134

COMPORTAMIENTO DE FASE EN LA FORMULACIÓN CON ÁCIDOS CARBOXÍLICOS GRASOS (FAS)

En este estudio se tratara el caso de una mezcla de dos surfactantes que presentan un

antagonismo de carga, sobre un amplio rango de pH, que cubre esencialmente todos los pH

utilizados en las aplicaciones prácticas. Existe sin embargo en la naturaleza, los surfactantes

aniónicos y catiónicos cuya actividad depende del pH, en particular los primeros surfactantes

utilizados: los jabones. Por otra parte, el petróleo contiene resinas cuya actividad es sensible al

pH, particularmente de tipo ácidos1-4. De forma general, estos surfactantes que dependen del pH

se clasifican en dos categorías:

- Primero aquellos de los cuales la disociación, y como consecuencia el carácter iónico,

aumentan con el pH; el caso mas representativo es el de los ácidos grasos, es decir, los

ácidos carboxílicos de cadena hidrocarbonada larga lineales. A pH relativamente

alcalino, ellos se ionizan para formar la sal frecuentemente muy hidrofílica, llamada

carboxilato o jabón.

- Segundo, aquellos en los que la ionización aumenta cuando el pH disminuye; ellos son

susceptibles de captar un protón, como las aminas grasas.

El caso de los ácidos grasos es el objetivo central de la presente investigación, debido a que

ellos se presentan prácticamente todo el tiempo bajo la forma de una mezcla ácido-carboxilato,

cuya composición depende del pH. Como el ácido es un surfactante lipofílico, y el carboxilato un

surfactante hidrofílico, es evidente que una variación del pH produce un cambio de la

formulación fisicoquímica. El problema es mucho más complejo en presencia de una fase acuosa

y una oleica, donde se produce adicionalmente una partición de las diferentes especies.

135


Materiales


Estufa, marca memmert, temperatura máxima de 250 ºC.

Baño de agua circulante refrigerante/ calentador, marca Vev R de la Merck.

Plancha de calentamiento/ agitador, marca CORNING.

pH-metro, marca Orión.


Reactivos.

Ácidos carboxílicos (CAX), con 8, 10, 12, 14, 16 y 18 átomos de carbono

Como fase oleica se emplearon los siguientes solventes: n-heptano, tolueno, benceno (grado

HPLC, J.T. Beaker) y kerosén

Como co–surfactantes se usaron los alcoholes: n–propanol (grado P.A., Mallinckrodt), n–

bupanol (grado P.A., Merck), n–pentanol (grado P.A., Merck), n–hexanol (grado P.A., Riedel–De

Haën). Agua destilada y desionizada Se empleó NaCl, (99%, Merck) y NaOH (99%, Merck) para los barridos de formulación.

Los barridos se realizaron a 25 oC en un baño termostatado marca LAUDA.


Barridos de formulación con ácidos carboxílicos y sus mezclas.

Para el estudio del reparto de los ácidos se requiere, la presencia de un sistema óptimo (W

III) y este se alcanza mediante un procedimiento experimental conocido como barrido de

formulación. Para ello se va modificando la variable en estudio hasta conseguir el sistema

136

deseado (generalmente el de mayor importancia, W III o lo que es lo mismo, la formulación

óptima).

Se realizaron barridos de formulación empleando ácidos carboxílicos solos y sus mezclas

hasta obtener el sistema de Winsor III (WIII) a formulación óptima. El sistema WIII está

constituido por tres fases llamadas: acuosa, oleica y microemulsión. En dichos sistemas el ácido

tiende a repartirse (fraccionarse) en las tres fases, donde la mayor concentración de este se

encuentra en la microemulsión.

Los sistemas aceite/anfifilo/agua se estudiaron de acuerdo a la técnica de barrido

unidimensional5-6. Para cada serie, una serie de tubos de ensayos graduados fueron preparados,

conteniendo cada uno aceite y agua en cantidades idénticas (WOR = 1) y el anfifilo, pero

variando la naturaleza de alguno de los componentes progresivamente de un tubo de ensayo al

próximo. En este trabajo, la concentración del ácido graso, el tipo de ácido graso, la

concentración de alcoholes lipofílicos como fase externa y la fase oleica son las variables de

estudio. En todos los casos se emplearon soluciones de NaOH a la concentración adecuada para

la formación de la especie carboxilato que actúa como surfactante aniónico, así como soluciones

de NaCl, en proporción tal de mantener la misma concentración de iones sodio en el sistema.

Los tubos de ensayos se prepararon mezclando 5 o 10 mL de la fase oleica (un

hidrocarburo: n-heptano, tolueno, benceno, kerosén) con 5 o 10 mL de fase acuosa (una mezcla

de solución de hidróxido de sodio y cloruro de sodio) y Xg del ácido graso. El anfifilo se preparó

en el aceite. Luego, los tubos bien cerrados con tapa de baquelita se mantienen a 25 ºC en un

baño termostatado. Una vez preparados los tubos, estos se agitaron suavemente hasta observar

una solución homogénea, y se dejaron en reposo por una semana para garantizar el alcance del

equilibrio en el sistema.

El ácido producto de la mezcla (SC) se determina según la expresión:

SCCX

1

i=!

=

i

i

(1)

137

donde C es el número de átomos de carbonos del ácido y Xi representa la fracción en peso del

ácido en la mezcla. Después de alcanzado el equilibrio, se observó el comportamiento de fase y

se registraron los volúmenes de cada fase para calcular los parámetros de solubilidad y

determinar el sistema óptimo.

Evaluación del tipo de aceite en el sistema surfactante-agua-aceite.

Se evaluó el efecto que ejercen diferentes aceites empleados como fase oleica en los

barridos de formulación. Para ello se empleó el procedimiento de barrido unidimensional. Una

vez equilibrados los sistemas, se observó el comportamiento de fase registrándose los volúmenes

de cada fase para determinar el sistema óptimo.

Evaluación del tipo y concentración del co-surfactante en el sistema óptimo.

Una vez formado el sistema ácido/agua/aceite, se adicionó alcohol como fase externa. Los

barridos se realizaron cambiando la longitud de la cadena alquílica del alcohol. En principio se

realiza un barrido de alcohol hasta obtener el sistema trifásico para cada ácido estudiado,

determinándose la concentración de alcohol necesaria para alcanzar este punto. Por otro lado, una

vez obtenido los sistemas trifásicos a formulación optima, se evaluó el efecto de adición de los

diferentes alcoholes en dichos sistemas.

138


La presencia de ácidos carboxílicos en algunos crudos venezolanos, crea la posibilidad de

usar la inyección de soluciones alcalinas. Este proceso consiste en aprovechar los ácidos

orgánicos naturales presentes en ciertos crudos, para generar el surfactante in situ mediante su

neutralización parcial o total por una solución alcalina.

Estos ácidos al reaccionar con el de la fase acuosa forman la sal del ácido carboxílico, cuya

mezcla ácido carboxílico-carboxilato tiene una alta actividad interfacial. Este proceso consta

básicamente de dos etapas. Primero las sales surfactantes se forman en la interfase por la reacción

de las especies ácidas contenidas en el crudo con el álcali presente en la solución acuosa. En la

segunda etapa, al surfactante formado y adsorbido a la interfase agua/crudo, disminuye la tensión

interfacial, lo que permite la emulsionación y/o se adsorbe sobre las rocas del reservorio y altera

la mojabilidad. En estos sistemas la tensión interfacial depende esencialmente de la relación

ácido/sal en el sistema lo cual fija el pH del mismo.

Es importante, sin embargo, tomar ciertas precauciones en los estudios que implican un

barrido de pH con sistemas sensibles a los electrolitos. En efecto, si a una concentración de sal

(NaCl) constante, se varia el pH con un ácido fuerte (HCl) o una base fuerte (NaOH), es decir

una sustancia completamente ionizada, se estaría cambiando la formulación del sistema, debido a

que se estaría cambiando la fuerza iónica del medio, es decir, su salinidad7. Por otro lado, se ha

reportado que un aumento de la concentración de NaOH produce un aumento de la hidrofilicidad,

debido a la formación de una mayor proporción de carboxilato (transición WII-WIII-WI), que

luego disminuye con el aumento de la fuerza iónica dominante (transición WI-WIII-WII).

Este fenómeno fue reportado por Qutubuddin y col.8, quien, para evitar este hecho, mantuvo

la salinidad constante al variar el pH. Este hecho se reporto para sistemas con surfactantes

insensibles al pH (sal de sodio de un sulfonato de petróleo), en los cuales se demostró que la

formulación óptima no depende de la concentración molar de iones Na+, y tampoco de la

naturaleza del anión7.

139

Cuando se realizan estudios de comportamiento de fase, se debe fijar la concentración de

surfactante a utilizar. En principio esta concentración debe ser lo suficientemente grande para

obtener un sistema trifásico y lo suficientemente bajo para no encontrarse en el caso de un

sistema monofásico, ya que no se podría medir la solubilización. En la práctica una concentración

del orden de 0,5 a 5% es en general suficiente. No obstante, siempre se encuentran excepciones a

la regla.

Dado que la CMC de un carboxilato aumenta cuando la concentración de electrolito

disminuye, se podría pensar que a concentración de surfactante por debajo de la CMC, no se

obtienen sistemas trifásicos. Esto se puede explicar, mediante los barridos de ácidos carboxílicos

variando su concentración en un sistema ácido/agua/aceite; con lo cual se obtiene el grafico de

volumen de microemulsión en función de la cantidad total de ácido en todo el sistema, (HAt).

En el caso de un surfactante convencional como un sulfonato, esta variación es una recta que

pasa por el punto cero de la ordenada y abcisa CMC, cuando la composición de la fase

microemulsión es constante en todo el triangulo de partición trifásico, y cuando la línea de

partición diafásico al limite inferior del trifásico esta al nivel de la CMC7,9. En este trabajo, se

ensayaron una serie de sistemas ácido carboxílico/salmuera/aceite, cuyas diferencias radican

principalmente en:

1. Longitud de la cadena lipofílica del ácido carboxílico

2. Concentración inicial de ácido carboxílico e el sistema

3. Mezcla de ácidos carboxílicos

Todos estos sistemas se encuentran influenciados por la variación del pH en la fase acuosa.

Esto se puede explicar mejor si se considera que existe una variación de las cantidades relativas

de dos surfactantes (ácido carboxílico-carboxilato), en función de la cantidad de NaOH agregado

al sistema. La cantidad de NaOH necesaria para alcanzar un sistema óptimo, depende de la

lipofilicidad del surfactante (ácido carboxílico) y de la concentración inicial del mismo en el

sistema. A continuación se muestran los resultados obtenidos del efecto de las variables de

140

formulación en el comportamiento de fase de los ácidos carboxílicos en los sistemas ácido-agua-

aceite.

141

Efecto del tipo y concentración de ácido carboxílico en el comportamiento de fase

Primeramente se realizo un barrido de pH para el ácido láurico variando la concentración

de hidróxido de sodio en el sistema, encontrándose un sistema óptimo con hidróxido de sodio

0,6M, y una mezcla de sec-butanol y n-pentanol al 4% en el sistema. En la figura VIII.1 se

muestran estos resultados. A partir de estos resultados, se empleo una solución de hidróxido de

sodio a esta concentración para obtener los sistemas trifásicos.

En trabajos reportados7, se encontró que la salinidad del sistema depende de la

concentración de iones Na+, independientemente de si los mismos provienen de la disociación del

cloruro de sodio o del hidróxido de sodio, y si se emplea solo la solución del álcali se podría

producir una transición retrograda, por lo que es necesario trabajar a salinidad constante. Para

esto, se empleo una solución de cloruro de sodio de la misma concentración que la solución de

hidróxido de sodio para la formulación de los barridos.

Una vez optimizado las concentraciones de NaOH y NaCl necesarias para los sistemas en

estudio, se realizaron barridos de formulación variando la concentración de ácido en el sistema.

Para todos los sistemas ácido/agua/aceite de esta primera parte, se empleo una mezcla de n-

pentanol y 2-butanol como fase externa con el objeto de ayudar a la mejor solubilización, una

relación agua/aceite igual a 1 (WOR = 1) y n-heptano como fase oleica.

En las Tablas VIII.1 a la VIII.3 se muestran como ejemplo los parámetros empleados para

el barrido de formulación de los ácidos láurico, mirístico y palmítico, respectivamente. Para la

preparación de los sistemas se emplearon soluciones de hidróxido de sodio y de cloruro de sodio

de la misma concentración molar. Fue necesaria la preparación de más de una treintena de tubos

de cada ácido para la obtención de los sistemas trifásicos. En las tablas se muestra el

comportamiento de fase de los sistemas representados, el cual presenta una transición WII-WIII-

WI a medida que la cantidad de NaOH agregada aumenta.

142

Figura VIII.1. Barrido de hidróxido de sodio para el ácido láurico

Tabla VIII.1 Barrido de formulación para el ácido láurico al 0,6 % p/v en el sistema.

Fase acuosa Fase oleica Resultados

Tubo NaCl NaOH n-heptano (mL) Comp. fase Fase media (mL) pH fi*

L1.1 10 0,0 10 2 - 6,9 0,00

L1.2 9,9 0,1 10 3 0,15 7,96 0,1

L1.3 9,8 0,2 10 3 0,45 7,97 0,2

L1.4 9,7 0,3 10 2 - 7,99 0,3

L1.5 9,3 0,7 10 2 - 8,10 0,7

L1.6 9,0 1,0 10 2 - 8,42 1,0

L1.7 8,8 1,2 10 2 - 8,74 1,2

L1.8 8,6 1,4 10 2 - 8,86 1,4 * Este valor representa el factor de neutralización que es igual a la fracción de carboxilato en el sistema (fi = moles de NaOH agregados/moles de ácido inicial)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Concentración de NaOH (mol/L)

Vo

lum

en

de f

ase (

%v

/v)

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Concentración de NaOH (mol/L)

Vo

lum

en

de f

ase (

%v

/v)

143

Tabla VIII.2 Barrido de formulación para el ácido mirístico al 0,8 % p/v en el sistema.

Tubo Fase acuosa Fase oleica Resultados

NaCl NaOH n-heptano (mL) Comp. fase Fase media (mL) pH fi*

M3.1 9,8 0,2 10 2 - 7,81 0,17

M 3.2 9,6 0,4 10 2 - 7,96 0,34

M 3.3 9,3 0,7 10 2 - 8,07 0,60

M 3.4 9,2 0,8 10 3 1,1 8,25 0,68

M 3.5 9,1 0,9 10 3 1,5 8,49 0,77

M 3.6 9,0 1,0 10 2 - 8,63 0,86

M 3.7 8,8 1,2 10 2 - 10,63 1,03

M 3.8 8,5 1,5 10 2 - 11,69 1,28 * Este valor representa el factor de neutralización que es igual a la fracción de carboxilato en el sistema (fi = moles de NaOH agregados/moles de ácido inicial)

Tabla VIII.3 Barrido de formulación para el ácido palmítico al 1,6 % p/v en el sistema.

Tubo Fase acuosa Fase oleica Resultados

NaCl NaOH n-heptano (mL) Comp. fase Fase media (mL) pH fi*

P3.1 8,8 1,2 10 2 - 8,4 0,58

P 3.2 8,6 1,4 10 2 - 8,6 0,67

P 3.3 8,4 1,6 10 3 11.3 8,84 0,77

P 3.4 8,2 1,8 10 2 - 8,91 0,86

P 3.5 8,0 2,0 10 2 - 9,00 0,96 * Este valor representa el factor de neutralización que es igual a la fracción de carboxilato en el sistema (fi = moles de NaOH agregados/moles de ácido inicial)

144

Cuando se observa la formulación de los barridos, por ejemplo para el sistema con ácido

mirístico, se tiene que la formulación con más bajo pH corresponde a un sistema al cual se le ha

agregado poco hidróxido de sodio. A este pH el ácido debe estar presente en su mayor parte en la

forma no disociada (HA). Por tanto, estamos en presencia de un surfactante muy lipofílico y la

cantidad de ácido disociado presente en la interfase es probablemente baja. De ahí que el

comportamiento de fase sea ( 2 ). Al aumentar la cantidad de hidróxido de sodio, el pH aumenta y

por consiguiente la proporción de la sal del ácido formada también aumenta.

Siendo el carboxilato una sal hidrofílica, una parte de este puede permanecer en la fase

acuosa, en forma monomérica y en equilibrio con cierta cantidad de sal en la interfase. Un

aumento en el pH (mayor cantidad de NaOH agregado) conlleva a un aumento de la sal presente

en la fase acuosa y por ende, un aumento en la sal presente en la interfase; la cual solubiliza cierta

cantidad de fase acuosa y fase aceite produciendo a un determinado pH (dependiente de las

condiciones) un sistema trifásico o (3). Al seguir agregando NaOH (aumentando el pH),

predomina la especie hidrofílica (carboxilato) y por tanto el sistema presenta un comportamiento

(2 ). La cantidad de NaOH necesaria para alcanzar un sistema óptimo, depende de la lipofilicidad

del surfactante (ácido carboxílico) y de la concentración inicial del mismo en el sistema (en el

caso de los sistemas estudiados).

En las Figuras VIII.2, VIII.3 y VIII.4, se muestran el mapa de Winsor obtenido para los

ácidos láurico, mirístico y palmítico, respectivamente. Como se puede observar de las figuras, es

posible obtener un amplio rango de sistemas trifásicos. Por ejemplo, para el ácido mirístico se

obtienen sistemas trifásicos en el rango de concentración de 0,8 a 2,0 %p/v del ácido. En todos

los estudios se observo una transición de !

!

"" 232 .

145

Figura VIII.2. Mapa del sistema Winsor obtenido para el ácido láurico (empleando una mezcla 50/50 de 2-butanol/ n-pentanol).

Ácido Láurico (%p/v)

WI

WI

WIII

WIII

WII

WII

50

100

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0

Vol

umen

de f

ase

(%)

146

Figura VIII.3. Mapa del sistema Winsor obtenido para el ácido mirístico (empleando

una mezcla 50/50 de 2-butanol/ n-pentanol).

WIII

WI

1,6 2,0 1,2

WII

50

100

0 0,4 0,8

WII

Ácido Mirístico (%p/v)

Vol

umen

de

fase

(%)

147

Figura VIII.4. Mapa del sistema Winsor obtenido para el ácido palmitito (empleando

una mezcla 50/50 de 2-butanol/ n-pentanol).

WI

WIII

WII

50

100

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0

WI

WIII

WII

Vol

umen

de f

ase

(%)

Ácido Palmítico (%p/v)

148

En la figura VIII.5, se muestra la relación del volumen de fase media con la concentración

del ácido en el sistema para láurico, mirístico y palmítico, respectivamente. Se observa en esta

figura un comportamiento lineal, que muestra como aumenta el volumen de fase media con la

concentración del ácido. Se observa que al punto donde la linea se intercepta con el eje de las

abcisas (lo que corresponde a Vfm = 0), el valor de la concentración del ácido no coincide con la

CMC de éste (la cual es un valor mucho mas bajo). El valor de la absisa corresponde a la

cantidad de ácido que no está en la fase acuosa, ni en la fase media (cuyo volumen es cero), sino

que este valor representa la cantidad de ácido que queda en la fase aceite.

Por otro lado, en las Figuras VIII.6 y VIII.7, se muestra la transición !

!

"" 232 del

comportamiento de fases para un barrido de hidróxido de sodio en una mezcla mirístico/palmítico

y mirístico/láurico, respectivamente. Con estas mezclas es posible obtener un amplio rango de

sistemas trifásicos.

La formulación optima (sistema de tres fases donde la microemulsión esta en equilibrio

con las fases acuosa y oleica en exceso) fue alcanzada al 2% para la mezcla 50/50 de

mirístico/palmítico y al 1% para la mezcla 25/75, respectivamente; la tabla 5 muestra estos

resultados. Como se puede observar fue necesario el empleo de una mezcla de alcoholes

lipofílicos como co-surfactantes para ayudar a la solubilización de la sal del ácido formada. En la

Figura VIII.8 se muestra la comparación de los volúmenes de fase media de la mezcla

mirístico/láurico 50/50 y 25/75, respectivamente. Como puede apreciarse no hay una variación

significativa en el volumen de fase media para ambos sistemas, observándose el aumento lineal

del volumen de fase con la concentración del ácido.

En todos los casos se observo que a medida que se aumenta la concentración inicial de

ácido carboxílico en el sistema, el volumen de fase media también aumenta. Esto es debido a que

un incremento de la concentración del surfactante aumenta la solubilización de las fases en el

sistema. En la mayoría de los casos a mayor concentración de ácido en el sistema se observa una

mayor cantidad de sólido precipitado, esto es debido a la formación del carboxilato cuya

149

solubilidad es ayudada por el co-surfactante. En todos los casos se observo una transición de

!

!

"" 232 .

Por otro lado, los resultados de la tabla VIII.3, muestran que a medida que aumenta la

cadena hidrocarbonada del surfactante (ácido carboxílico), aumenta el volumen de fase media

óptimo. Esto se debe a que un aumento de la cadena lipofílica del surfactante, conlleva a un

incremento en la actividad de éste con la fase oleica, lo que se traduce en un aumento en el

parámetro de solubilización para un sistema óptimo.

C16 = 4,2233x - 0,3353

R2 = 0,9998

C14 = 3,7147x - 1,4676

R2 = 0,9995

C12= 3,0077x - 1,3664

R2 = 0,999

0,0

0,8

1,6

2,4

3,2

4,0

4,8

5,6

6,4

7,2

8,0

8,8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

% p/v ácido graso

Vfm

(m

L)

Figura VIII.5. Variación del volumen de fase media con la concentración de ácido graso en el sistema ácido/agua/aceite

150

Figura VIII.6. Variación del volumen de fase de una mezcla mirístico/palmítico a diferentes proporciones

0 20 40 60 80

100

Vf (

%)

75/25 50/50 25/75

Concentración de C14/C16 (%p/v)

151

Figura VIII.7. Variación del volumen de fase de una mezcla láurico/mirístico a diferentes proporciones

0

20

40

60

80

100

Vf

(%)

Concentración de C14/C12 (%p/v)

75/25 50/50 25/75

152

Mezclas C14/C12

0

4

8

12

16

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

% HA

Vf

(mL

)

Figura VIII.8. Variación del volumen de fase media con la concentración de ácido en una mezcla mirístico/láurico en el sistema ácido/agua/aceite

Tabla VIII.4. Características de los sistemas trifásicos óptimos

Ácido % Ácido Vol. FM (mL) NaOH, NaCl pH 2-C4OH/1-C5OH

C12 1,4 2.8 0,6M 7,87 0,4 mL

C14 1,2 3,0 0,6M 8,35 0,4 mL

C16 1,0 3,9 0,6M 8,86 0,4 mL

C12/C14 (75/25) 1,2 6,2 0,6M 7,45 0,4 mL

C12/C14 (50/50) 1,0 5,0 0,6M 7,80 0,4 mL

C12/C14 (25/75) 0,8 2,1 0,6M 8,00 0,4 mL

C14/C16 (50/50) 2,0 7,0 0,6M 8,32 0,4 mL

C14/C16 (25/75) 1,0 3,5 0,6M 8,51 0,4 mL

153

Como se indico anteriormente, en los sistemas dependientes del pH, en los cuales hay dos

especies una no ionizada (el ácido a bajo pH) y la contraparte ionizada (la sal del ácido a alto

pH), existe una relación lineal del pH con la longitud de la cadena alquílica del ácido, como se

observa en la Figura VIII.9. Los estudios mostraron que para un mismo ácido el pH se mantiene

aproximadamente constante lo que concuerda con lo reportado en la literatura7. Además, el pH se

comporta de forma independiente de la concentración de ácido inicial en el sistema.

Esto se debe a que la transición de fase ocurre en la zona tampón, por lo cual, la cantidad

de NaOH adicional que se agregue al sistema en esta zona trifásica, inmediatamente reacciona

con el ácido carboxílico formando la sal del ácido (la cual se ubica en la interfase por ser mucho

mas hidrofílica). Este equilibrio se mantiene hasta que se agota el ácido carboxílico presente en el

sistema, momento en el cual se observa un sistema WI y un incremento acentuado en el pH. Este

comportamiento se observó para todos los sistemas estudiados.

Figura VIII.9. Variación del pH de la fase acuosa con la longitud de la cadena alquílica del ácido graso.

y = 0,237x + 5,044 (0,9989)

6,5

6,9

7,3

7,7

8,1

8,5

8,9

7 9 11 13 15 17

N

pH

154

Efecto del tipo y concentración del co-surfactante (alcohol) en el comportamiento de fase

Por razones prácticas, los surfactantes se usan a menudo junto con un alcohol, sea por el

papel físico de éste o bien por su influencia físico-química. Por ejemplo los alcoholes tienden a

reducir la CMC de un surfactante, es decir que favorece la formación de micelas. Sin embargo,

esto depende del tipo (peso molecular y ramificación) y concentración del alcohol en el sistema.

Shinoda (1954)10 encontró mediante una expresión para determinar la CMC, que cuanto más

lipofílico es el alcohol, mas importante es el descenso de la misma.

Este fenómeno se explica por la formación de micelas mixtas surfactante-alcohol, en las

cuales la inserción de las moléculas de alcohol permite reducir las fuerzas repulsivas entre los

grupos hidrofílicos de las moléculas vecinas de surfactante, lo que resulta en un descenso de la

energía de formación de las micelas, y por lo tanto una reducción de la CMC. Inicialmente, se

evaluó el efecto del n-butanol en los sistemas ácido/agua/aceite a diferentes concentraciones de

hidróxido de sodio (0,2 a 0,8 M) y a 0,5% de ácido en el sistema, con la finalidad de obtener

sistemas trifásicos sin adición de sal al sistema. Los resultados mostraron una tendencia lineal de

la concentración de n-butanol con la cadena lipofílica del ácido en todo el rango de NaOH

estudiado (Figura VIII.10).

Por otro lado, en la Figura VIII.10, se observa que el porcentaje de n-butanol necesario

para obtener sistemas trifásicos, disminuye con la concentración de hidróxido de sodio en el

sistema, así como con la cadena alquílica del ácido. Lo que se traduce, en que los ácidos de

mayor cadena son mas rápidamente desplazados de la fase oleica por acción del co-surfactante,

aumentando por consiguiente la concentración de la mezcla de surfactantes (ácido-carboxilato) en

la interfase.

Así mismo, se evaluó el efecto de este alcohol en los sistemas a formulación óptima para

las mezclas mirístico/palmítico, observándose que el volumen de fase media disminuye con la

concentración de alcohol en el sistema y a expensas del volumen de la fase oleica (Figuras

VIII.11 y VIII.12).

155

Figura VIII.10. Concentración de n-butanol necesaria para obtener sistemas trifásicos en sistemas ácido/agua/aceite a diferente concentración de NaOH (ácido al 0.5% en el sistema)

Figura VIII.11. Efecto del 2-butanol en la formulación del sistema mirístico/palmítico (25/75)

0,8M = -2,6x + 37,85(0,9996)

0,6M = -2,125x + 35,3(0,999)

0,4M = -1,5x + 31,00(0,9999)

0,2M = -0,94x + 27,4(0,9986)

0

5

10

15

20

7 9 11 13 15 17 19

N

% p

/v n

-Bu

tan

ol

0

1

2

3

4

5

6

4 6 8 10 12 14

%v/v 2-Butanol

V!

-0,3698x + 7,1942 (0,9995), FM

0,1274x + 1,7311 (0,9994), FO

156

Por otro lado, para el sistema 25/75 C14/C16 se encontró nuevamente un sistema optimo

al 10% de 2-butanol. Los resultados mostraron que se necesitan 26% y 19,5% de 2-butanol para

desaparecer la fase media de los sistemas mirístico/palmítico 50/50 y 25/75, respectivamente

(WI).

Figura VIII.12. Efecto del 2-butanol en la formulación del sistema mirístico/palmítico (50/50)

Se evaluó también el n-propanol y el n-hexanol en los sistemas ácido/agua/aceite para

obtener sistemas trifásicos, sin embargo para el caso del n-propanol se necesita mucha cantidad

de este para obtener sistemas trifásicos para los sistemas con 0,5% de ácido y variando la

concentración de NaOH de 0,2M hasta 0,8M; esto puede deberse a la hidrofilicidad del alcohol,

el cual prefiere estar en la fase acuosa.

Por ejemplo para el ácido palmítico fue necesario un 23% de este alcohol a 0,8M de NaOH.

Con respecto al n-hexanol, ocurre el efecto contrario, este es tan lipofílico que solo con 2% se

0,1572x + 0,5414 ( 0,9986), FO

-0,3428x + 9,0414 (0,9997), FM

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

% v/v 2-Butanol

V!

157

obtuvo un sistema trifásico para el ácido láurico a 0,6M de NaOH, este alcohol debe desplazar

casi de inmediato al ácido que se encuentra en la fase oleica ya que no es posible observar la zona

trifásica.

Cabe destacar, que estos sistemas se prepararon en ausencia de sal (NaCl), observándose

la formación de una turbidez en la fase acuosa de dichos sistemas antes de la formación de la

zona trifásica. Este fenómeno lleva a pensar que se puede estar en presencia de una transición:

23232 !!!! . Sin embargo, la primera zona trifásica no se observa. Además, los

resultados muestran que es necesario la presencia de sal en dichos sistemas para la obtención de

los trifásicos con baja concentración de los alcoholes estudiados. Esto puede explicarse por el

fenómeno del salting out, el cual indica que la sal presente en la fase acuosa siempre será mas

soluble que el carboxilato formado con la variación del pH en el sistema, produciendo la

formación de una zona trifásica como consecuencia del desplazamiento del carboxilato por

adición de sal (NaCl) y del ácido por la adición del alcohol.

Para corroborar esta hipótesis, se repitieron los sistemas con ácido láurico y mirístico

(para los cuales se obtuvieron sistemas trifásicos con una mezcla de 2-butanol y n-pentanol), en

presencia de NaCl y adicionando n-butanol gradualmente, encontrándose que solo con un 3% y

4% de éste aproximadamente se alcanzaron los sistemas trifásicos para los ácidos láurico y

mirístico, respectivamente. Esto representa una ventaja, ya que no es necesaria una mezcla de

alcoholes ni alta concentración de estos para obtener sistemas trifásicos, lo cual disminuye el uso

de reactivos y por tanto de costos a la hora de formular con estos ácidos.

Por otro lado, las propiedades de las soluciones de surfactantes, en particular las que

tienen relación con la solubilización, varían con la temperatura9. Para los surfactantes iónicos, la

concentración de surfactante solubilizado en el agua en equilibrio con un precipitado sólido

aumenta lentamente con la temperatura hasta un cierto valor, llamado temperatura de Kraft, a

partir del cual la solubilización se produce en forma de micelas, y aumenta considerablemente.

Además, un aumento de la temperatura tiende a aumentar el carácter hidrofílico del surfactante.

Aprovechando esta característica, se empleo la temperatura para facilitar la homogenización de

las fases al preparar los sistemas, ya que al formarse el carboxilato con la adición de NaOH se

158

observo la precipitación de la sal del ácido. Sin embargo, no se observo en todos los casos la

formación del sistema trifásico. Para el caso del sistema al 1% de ácido y barrido de n-butanol,

los sistemas con solo 5% del alcohol al calentarlos formaron sistemas trifásicos, de los cuales

solo el sistema con NaOH 0,8M permaneció estable luego de alcanzar la temperatura ambiente y

el equilibrio.

Se evaluó también el efecto de adición de alcoholes a los sistemas a formulación óptima

para los diferentes ácidos estudiados. Se emplearon los alcoholes n-propanol, n-butanol, n-

pentanol y n-hexanol para el estudio. Los resultados mostraron que para los ácidos mirístico y

palmitito se necesita menor e igual cantidad de n-pentanol y n-hexanol para desaparecer la

microemulsión (Tabla VIII.5). Estos alcoholes lipofílicos deben aumentar la afinidad del

surfactante por la fase oleica, favoreciendo el sistema bifásico.

Tabla VIII.5. Concentración (%v/v) de alcohol necesario en los sistemas a formulación

óptima para la formación de sistemas bifásicos.

Alcohol Ácido Láurico Ácido Mirístico Ácido Palmítico

n-Propanol 1,5 2,0 1,5

n-Butanol 3,5 2,0 2,0

n-Pentanol 1,5 1,0 1,0

n-Hexanol 2,0 1,0 1,0

En la Figura VIII.13, se muestra el efecto del n-butanol en los sistemas a formulación

óptima para los ácidos láurico, mirístico y palmítico, respectivamente. Se observa de la figura que

a medida que se incrementa la cantidad de alcohol en el sistema, aumenta la concentración del

ácido en la fase oleica, lo que hace pensar que se estaría produciendo una transición retrograda.

159

Figura VIII.13. Efecto del n-butanol sobre la concentración del ácido en la fase oleica en los sistemas a formulación óptima.

-4,5

-4,4

-4,3

-4,2

-4,1

-4,0

-3,9

-3,8

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

% v/v n-C4OH

Log F

O, m

ol/

L

C12

C14

C16

160

Longitud de cadena del alcano de la fase aceite (ACN)

Se realizaron barridos de ácidos carboxílicos empleando diferentes solventes orgánicos como

fase oleica. En la Tabla VIII.6, se muestran las condiciones experimentales básicas de dichos

barridos de formulación para obtener sistemas trifásicos. Todos los sistemas se prepararon a una

relación agua-aceite igual a 1.

Tabla VIII.6. Características de los sistemas trifásicos óptimos con diferentes fases

oleicas.

Ácido %p/v

Ácido

Fase media

(mL)

NaOH

(mol)

n-C4OH

(%v/v)

Fase Oleica

1,4 2,8 1,0810-3 3,5 heptano

1,6 1,6 7,210-4 5,0 Kerosén

1,4 1,6 6,010-4 7,0 tolueno

2,0 2,8 1,0810-3 7,0 tolueno

1,8 3,4 9,610-4 4,0 80/20 heptano/benceno

C12

0,6 0,9 1,210-4 2,0 ciclohexano

1.2 3,0 7,810-4 4,0 heptano

0,6 0,9 4,210-4 4,5 Kerosén

0,8 1,5 5,410-4 5,0 Kerosén

1,2 1,9 7,810-4 5,0 Kerosén

0,6 1,8 4,210-4 5,5 tolueno

1,0 2,1 6,610-4 6,5 tolueno

C14

1,4 4,0 9,010-4 4,0 80/20 heptano/benceno

1,0 3,9 6,610-4 4,0 heptano

0,8 1,8 6,010-4 5,0 Kerosén

1,2 1,8 7,210-4 4,0 80/20 heptano/benceno C16

0,8 1,8 6,010-4 5,0 tolueno

161

En las Figuras VIII.14A y VIII.14B, se muestran la variación del volumen de fase media

para los sistemas con ácido láurico y mirístico empleando diferentes fases oleicas.

Figura VIII.14. Variación del volumen de fase media con la concentración de ácido en el sistema ácido/agua/aceite empleando diferentes fases oleicas (A) Ácido láurico y (B) Ácido mirístico

mic

roem

ulsi

on (m

L)

ácido graso (% p/v )

0

1

2

3

4

5

6

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7

kerosén heptano 80/20n-C7/Bz tolueno

(A)

0

1

2

3

4

5

6

7

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7

heptano Kerosén tolueno 80/20n-C7/Bz

(B)

162

Se puede remarcar las siguientes observaciones para las fases oleicas diferentes del

heptano:

1. No existe una tendencia completamente lineal del volumen de fase media con la

concentración del ácido en el sistema. Sin embargo, se observa en todos los casos un

aumento del volumen de fase.

2. Todas las curvas se encuentran por debajo de la del sistema con heptano, con un orden de

menor a mayor aproximado de: kerosén, tolueno, 80/20 heptano/benceno y heptano. Este

orden puede atribuirse a la polaridad de la fase.

En la Figura VIII.15 se muestra la curva de solubilidad del ácido mirístico obtenida

graficando el volumen de fase (acuosa y oleica) con la concentración del ácido en el sistema. En

esta figura, se observa que el sistema óptimo se obtiene a 1,0 % p/v de ácido, lo que representa el

sistema de mínima tensión interfacial.

FO = -1,2759x + 5,1972 (0,997)

FA = -0,5747x + 4,4676 (0,989)

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

% p/v ácido mirístico

Fa

se (

mL

)

FO = -1,2759x + 5,1972 (0,997)

FA = -0,5747x + 4,4676 (0,989)

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

% p/v ácido mirístico

Fa

se (

mL

)

Figura VIII.15 Variación del volumen de fase del sistema con la concentración del ácido mirístico, empleando tolueno como fase oleica.

163

CONCLUSIONES

Para la obtención de sistemas trifásicos es necesario el uso de n-butanol para ayudar la

solubilización, así como de NaCl para ayudar a la especie carboxilato a ubicarse en la interfase

con la especie ácido no disociada y formar así la microemulsión.

En estos sistemas el aumento en la concentración del ácido produce un aumento lineal del

volumen de la microemulsion. Además, El pH óptimo aumenta con la cadena lipofílica del ácido

y es casi esencialmente independiente de la cantidad de ácido inicial añadida al sistema.

En los sistemas ácido/agua/aceite, a un pH dado el ácido carboxílico se disocia

parcialmente y se reparte entre las fases del sistema, en el cual la especie no disociada se

encuentra en la fase oleica mientras que la especie disociada (carboxilato) se encuentra en la fase

acuosa. Por tanto, el comportamiento de fase de estos sistemas en función del pH esta

determinado por la mezcla de las especies anfifílicas presentes.

164


[1] Bourrel, M.; Graciaa, A.; Schechter, R.; Wade, W. J. Colloid Interf. Sci. 1979, 72, 161-

169.

[2] Jan, L.; Sharma, M.; Chang, Y.; Chang, M.; Yen, T. AICHE Symposium series. 1982, Nº

212, 78, 97-101.

[3] Layrise, I.; Rivas, H.; Acevedo, S. J. Dispers. Ssci. Technol. 1984, 5, 1-7.

[4] Ovalles, C.; García, M.; Lujano, E.; Aular, W.; Bermúdez, R.; Cotte, E. Fuel 1998, 77, 3-

11.

[5] Bourrel, M.; Schechter, R. Microemulsions and Related Systems; Marcel Dekker, New

York, 1988.

[6] Salager, J-L.; Morgan, J.; Schechter, R.; Wade, W.; Vasquez, E. J. Soc. Petrol. Eng. 1979,

19, 107-112.


[8] Qutubuddin, S.; Miller, C.; Fort, T. J. Colloid Interf. Sci. 1984, 101, 46-53.

[9] Salager, J-L.; Antón, R. Ionic microemulsions. Surfactant science series, Marcel Dekker,

New York, 1989.

[10] Shinoda, K.; Kunieda, H. in: Becher, P. (ed.). Encyclopedia of Emulsions Technology.

Marcel Dekker, Inc., New Cork. 1985, Vol. 1.

165

C A P I T U L O I X

166

INFLUENCIA DE LA FORMULACIÓN EN EL REPARTO DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS EN SISTEMAS ÁCIDO/AGUA/ACEITE

Un sistema trifásico óptimo en el caso de los compuestos ionizables, posee cuatro

componentes: salmuera, aceite y dos surfactantes (HA) y (A-)1. Por otro lado, el equilibrio: HA

→ A- + H+, se produce exclusivamente en la fase acuosa y en la fase media. En la microemulsión,

se encuentra la mayor concentración de la especie disociada, mientras que la especie no disociada

se encuentra en equilibrio en las fases oleica y acuosa de acuerdo a su reparto preferencial (Kr).

No obstante, las cantidades de HA y A- en la fase acuosa, son despreciables desde el punto de

vista del balance de masa, y corresponden a la CMC de la mezcla de surfactantes.

En estos sistemas, siempre ocurre un reparto de las especies en las distintas fases como

resultado de las distintas afinidades que muestran las especies presentes en el sistema (el ácido es

lipofílico, mientras que el carboxilato es hidrofílico). Este reparto preferencial se expresa a través

del coeficiente de reparto del ácido (Kr) entre el aceite y el agua.

Esta información es de gran importancia en el área de fenómenos interfaciales, ya que se

ha demostrado en estudios previos2-3,4-7 que el Kr esta relacionado con la influencia de las

variables de formulación (tipo y concentración de anfifilo, tipo de aceite, entre otros.) en los

sistemas surfactante/aceite/agua.


Equipos

El análisis de las fases de los sistemas ácido carboxílico/agua/aceite se realizó en el

cromatógrafo líquido modular (Waters), descrito en el capitulo IV.

167

Materiales


Estufa, marca memmert, temperatura máxima de 250 ºC.


Reactivos.

Ácidos carboxílicos (CAX), con 8, 10, 12, 14, 16 y 18 átomos de carbono

Se empleó metanol y acetonitrilo como fase móvil (grado HPLC (J.T. Beaker) Agua destilada y desionizada


Evaluación del reparto de los surfactantes ácidos carboxílicos en sistemas de Winsor a

formulación óptima.

Para el estudio del reparto de los ácidos se requiere, la presencia de un sistema óptimo (W

III) y este se alcanza mediante un procedimiento experimental conocido como barrido de

formulación. Para ello se va modificando la variable en estudio hasta conseguir el sistema

deseado (generalmente el de mayor importancia, W III o lo que es lo mismo, la formulación

óptima).

Los sistemas a formulación óptima obtenidos, en los cuales se evalúan tanto las variables

de composición como de formulación, se analizaron siguiendo el siguiente procedimiento: se

separaron cada una de las fases componentes del sistema (media, acuosa y oleica), se midió el

pH de las fases acuosas, y luego se secaron las tres fases utilizando un rotavapor o en la

estufa. Los ácidos carboxílicos de cada fase se disolvieron en metanol y se inyectaron en el

cromatógrafo liquido alícuotas de 10 µL. Para su estudio se utilizó el método de

fraccionamiento mas simple por HPLC optimizado en el capitulo anterior, con el cual se

obtiene el cromatograma de las tres fases en juego, y se calcula el coeficiente de reparto (Kr)

168

del ácido carboxílico en el sistema empleado. Con estos datos se determina la concentración

del ácido carboxílico en las tres fases.

La constante de reparto viene dada por la ecuación (1):

Kr = Co/Cw. (1)

Donde Co es la concentración del ácido no disociado en la fase oleica (HAo) y Cw es la

concentración del ácido no disociado en la fase acuosa (HAw).

169


Los ácidos grasos son ácidos débiles que presentan en solución acuosa un equilibrio de

disociación. Es evidente que el pH puede afectar considerablemente este equilibrio, ya que la

concentración de ácido no disociado en el agua es muy débil y se puede considerar

frecuentemente que es constante e igual a la solubilidad del ácido en el agua. A un pH neutro o

ácido, la concentración de ión hidrogeno es relativamente grande, y de hecho la fracción ionizada

es esencialmente nula, por lo que es necesario alcanzar un pH alcalino para tener una fracción

notable de carboxilato.

Si se ajusta una solución alcalina a un sistema ácido-agua-aceite equilibrada, el álcali va a

neutralizar el ácido no disociado presente en la fase acuosa y va por tanto a reducir su

concentración, que ya es débil. Una cierta cantidad de ácido va entonces a pasar de la fase oleica

a la fase acuosa, justa para restablecer el equilibrio de partición. El ácido presente en la fase

oleica actuará por tanto como una reserva. Este reparto se calcula empleando la ecuación descrita

anteriormente (1).

El reparto del ácido no disociado se midió entre las fases en exceso acuosa y aceite del

sistema trifásico a formulación óptima o, en los sistemas mas cercanos a dicha formulación pero

a una misma concentración de ácido para la comparación respectiva. Como es de esperarse, la

fase aceite en exceso contiene una mayor concentración de ácido comparada a la encontrada en la

fase acuosa (Tabla IX.1). De hecho, la concentración del ácido (en su forma asociada) en la fase

acuosa esta limitada por su solubilidad en agua o la CMC.

Las concentraciones del ácido en cada fase se obtienen a partir de una curva de

calibración que relaciona el área o altura del pico con la concentración del ácido. En la Figura

IX.1, se muestra las curvas de calibración respectivas para los ácidos láurico, mirístico y

palmítico. Estas curvas presentan un coeficiente de correlación muy cercano a la unidad, lo que

las caracteriza como buenas curvas para la cuantificación de la especie en estudio.

170

En la Figura IX.2 se muestra el cromatograma obtenido para el ácido láurico empleado

para calcular la curva de calibración. El aumento proporcional de la altura y área del pico del

ácido en el cromatograma, refleja la linealidad obtenida en las curvas. Una vez obtenidas las

respectivas curvas de calibración, se determinan los microgramos del ácido en el sistema

mediante la ecuación de la recta de su respectiva curva de calibrado. Luego, estos microgramos

se relacionan con el factor de volumen respectivo (volumen inyectado y volumen de la fase), para

obtener los gramos por litro o ppm del ácido en el sistema. Estos ppm se relacionan con los ppm

iniciales de ácido agregados al sistema y se determina la cantidad del ácido en % p/v, en cada

fase.

Figure IX.1. Curva de calibración para los ácidos C12, C14 y C16 obtenida por HPLC.

C16 = 7663,5x + 24507 R2 = 0,9998

C12 = 12877x + 6128,5 R2 = 0,9999 C14 = 8831,9x + 9336,9 R2 = 0,9999

0 5 x 103

10 x 103 15 x 103 20 x 103

25 x 103 30 x 103 35 x 103 40 x 103 45 x 103

0 5 C14 15 20 25 30 35

µg FAs

Áre

a

171

Figura IX.2 Cromatograma del ácido láurico a diferente concentración para la construcción de la curva de calibración.

En las Figuras IX.3 y IX.4, se muestra el coeficiente de reparto para los ácidos láurico y

mirístico respectivamente, en función de su concentración en el sistema. Se observa en esta figura

que a medida que aumenta la concentración del ácido, aumenta su coeficiente de reparto. En la

Figura IX.5, se muestra como varia la concentración del ácido (mol/L) en la fase oleica con la

cadena alquílica de este para los ácidos láurico, mirístico y palmítico. Se observa en esta figura,

que a medida que aumenta la cadena alquílica del ácido, disminuye su concentración en la fase

4.0 2.0 6.0

172

oleica en exceso. Estos ácidos de cadena larga se concentran más en la microemulsion que los de

cadenas cortas (Tabla IX.1), aumentando por consiguiente el volumen de fase media.

Figura IX.3 Coeficiente de reparto del ácido láurico

y = 3,0281x + 1,874

R2 = 0,9989

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100

Ácido láurico (mol/L)

Log

Kr

(o/w

)

173

Figura IX.4. Coeficiente de reparto del ácido mirístico.

y = 7,9288x + 1,9792

R2 = 0,9986

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

1,50E-02 2,50E-02 3,50E-02 4,50E-02 5,50E-02

Ácido mirístico (mol/L)

Log

Kr(

o/w

)

174

Figura IX.5. Concentración de los diferentes ácidos en la fase oleica (n-heptano)

Tabla IX 1. Reparto de los ácidos estudiados en las diferentes fases

Ácido Kr (o/w) Fase oleica

(%p/v)

Fase acuosa

(%p/v)

Microemulsión

(%p/v)

Láurico 107 58,96 0,55 41,04

Mirístico 215 43,02 0,20 56,98

Palmítico 439 31,61 0,07 68,39

y = -0,0945x - 0,3983 (0,9998)

-2,0

-1,9

-1,8

-1,7

-1,6

-1,5

-1,4

11 12 13 14 15 16 17

FAs (cadena alquílica)

Log f

ase

ole

ica (

mol /

L)

y = -0,0945x - 0,3983 (0,9998)

-2,0

-1,9

-1,8

-1,7

-1,6

-1,5

-1,4

11 12 13 14 15 16 17


Log f

ase

ole

ica (

mol /

L)

175

El valor obtenido para el coeficiente de reparto de los diferentes ácidos, es menor al

reportado en la literatura, debido a que estos sistemas contienen alcohol para ayudar a la

solubilización y en la formación del trifásico.

El efecto de la fase oleica en el reparto de los ácidos carboxílicos también fue evaluado.

En la Tabla IX.2 se muestran los resultados obtenidos. Se observa que a medida que aumenta la

polaridad de la fase oleica, disminuye el coeficiente de reparto. En la Figura IX.6, se muestra este

efecto para el ácido mirístico.

Esto puede explicarse por el carácter lipofílico del surfactante. Al hacer mas polar la fase

oleica el ácido pierde afinidad por esta obligándolo a formar una tercera fase donde coexisten en

equilibrio las dos especies surfactantes (ácido-carboxilato). Efecto que se demuestra con la

cantidad de ácido en la microemulsión (Tabla IX.2). En la Figura IX.7 se muestra el coeficiente

de reparto para los ácidos láurico, mirístico y palmítico, con diferentes solventes orgánicos como

fase oleica.

Tabla IX.2. Parámetros fisicoquímicos determinados en los sistemas con diferentes fases

oleicas

Láurico Mirístico Palmítico Fase

oleica Kr FO FA FM Kr FO FA FM Kr FO FA FM

n-C7/Bz

80/20 86 47,00 0,55 53,00 141 28,11 0,20 71,89 224 16,12 0,07 83,88

n-C7/Bz

50/50 70 10,45 0,15 89,55 114 3,94 0,03 96,06 - - - -

Tolueno 47 25,99 0,55 74,01 82 16,48 0,20 83,52 136 9,81 0,07 90,19

Benceno - - - - 76 2,78 0,04 97,22 - - - -

Kerosén 23 4,02 0,17 95,98 48 1,56 0,03 98,44 92 1,16 0,01 98,84 FO, FA, FM: significan fase oleica, fase acuosa y fase media, respectivamente (%p/v); n-C7: n-Heptano; Bz:

Benceno

176

Figura IX.6. Coeficiente de reparto del C14 en diferentes fases oleicas.

Figura IX.7. Coeficiente de reparto de los diferentes ácidos estudiados

n- C

7/B

z, 8

0/2

0

n-C

7/B

z, 5

0/5

0

Ben

ceno (

Bz )

Tolu

eno

y = -0,1168x + 2,1961 (0,9988)

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Polaridad de la fase oleica

Lo

g K

r(o

/w),

C1

4

n- C

7/B

z, 8

0/2

0

n-C

7/B

z, 5

0/5

0

Ben

ceno (

Bz )

Tolu

eno

y = -0,1168x + 2,1961 (0,9988)

1,80

1,85

1,90

1,95

2,00

2,05

2,10

2,15

2,20

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Polaridad de la fase oleica

Lo

g K

r(o

/w),

C1

4

Kerosén= 0,1479x - 0,4 (0,9996)

Tolueno = 0,1151x + 0,2975 (0,9992)

n-C7/Bz (80/20) = 0,1047x + 0,6779 (0,9996)

n-C7 = 0,1532x + 0,1908 (0,9999)

1,30

1,50

1,70

1,90

2,10

2,30

2,50

2,70

11 12 13 14 15 16 17


Log K

r(o

/w)

Kerosén= 0,1479x - 0,4 (0,9996)

Tolueno = 0,1151x + 0,2975 (0,9992)

n-C7/Bz (80/20) = 0,1047x + 0,6779 (0,9996)

n-C7 = 0,1532x + 0,1908 (0,9999)

1,30

1,50

1,70

1,90

2,10

2,30

2,50

2,70

11 12 13 14 15 16 17


Log K

r(o

/w)

177

Los alcoholes también afectan el reparto del ácido en el sistema (Tabla IX.3) a

formulación óptima. Los resultados muestran que la cantidad de ácido en la microemulsión

aumenta con el agregado de alcohol (0,5 %v/v) al sistema, disminuyendo su concentración en la

fase oleica, como se observa al comparar con los resultados de la Tabla IX.1.

No obstante, luego de agregar 1,0 % v/v de n-hexanol a los sistemas con ácido mirístico y

palmítico, se pierde el comportamiento trifásico (Tabla IX.5). En la Figura IX.8 se muestra como

varía el coeficiente de reparto para los ácidos estudiados cuando se ha adicionado 0,5 % v/v de

los alcoholes n-propanol, n-butanol y n-hexanol al sistema a formulación óptima,

respectivamente.

Tabla IX.3. Parámetros fisicoquímicos determinados en los sistemas con diferentes fases

oleicas

Láurico Mirístico Palmítico Alcohol

Kr FO FA FM Kr FO FA FM Kr FO FA FM

n-

Propanol 1,88 21,43 11,39 67,18 4,79 19,03 3,97 76,99 13,1 8,28 0,63 91,09

n-

Butanol 1,37 19,04 13,88 67,07 3,63 15,18 4,18 80,65 9,11 8,88 0,97 90,14

n-

Hexanol 0,81 12,03 14,95 73,0 1,87 8,58 4,59 86,84 4,24 5,34 1,26 93,40

FO, FA, FM: significan fase oleica, fase acuosa y fase media, respectivamente (%p/v); n-C7: n-Heptano; Bz:

Benceno

178

Figura IX.8. Efecto de alcoholes en el coeficiente de reparto.

C6OH = 0,1801x - 2,2542 (0,9999)

C4OH = 0,2056x - 2,3263 (0,9997)

C3OH = 0,2109x - 2,2622 (0,9995)

-0,400

0,100

0,600

1,100

1,600

11 13 15 17


Lo

g K

r(o

/w)

C6OH = 0,1801x - 2,2542 (0,9999)

C4OH = 0,2056x - 2,3263 (0,9997)

C3OH = 0,2109x - 2,2622 (0,9995)

-0,400

0,100

0,600

1,100

1,600

11 13 15 17


Lo

g K

r(o

/w)

179

Proceso termodinámico en el reparto de FAs en sistemas microemulsión/agua/aceite

Como fue sugerido por Cratin8, la variación en el coeficiente de reparto puede producir

interesante información termodinámica. En el caso de un sistema trifásico, el potencial químico

del surfactante puede escribirse de la siguiente forma: wwww

CRT !µµ ln* += (1)

oooo

CRT !µµ ln* += (2)

donde *µ es el potencial químico estándar en los estados de referencia dados, C es la

concentración y φ es el coeficiente de actividad. Los subíndices “w” y “o” se refieren a las fases

acuosa y oleica en exceso, respectivamente. Subsecuentemente, las fases aceite y acuosa se

encuentran en equilibrio en un sistema trifásico. Por otro lado, la concentración del surfactante en

las fases en exceso es baja (típicamente del orden de la CMC), por lo que se puede asumir que los

coeficientes de actividad son igual a la unidad. En consecuencia, el coeficiente de partición del

surfactante entre las fases acuosa y oleica se puede representar como:

wo

o

w

C

CRTKRT

**lnln µµ !== (3)

La diferencia del potencial químico estándar contiene solo términos de energía, y de

acuerdo a Cratin8, esto puede escribirse como una sumatoria de las contribuciones parciales, en

consecuencia, los términos energía pueden resumirse de acuerdo a la primera ley de la

termodinámica.

Cada energía potencial estándar es así dividida en tres términos, que corresponde a la

contribución del grupo lipofílico (N), del grupo hidrofílico (que es el mismo en todos los casos y

se desprecia, a) y de otros factores tales como naturaleza del aceite o la temperatura. En la Figura

IX.9 se muestra la variación lineal del logaritmo del coeficiente de reparto con la longitud de la

cadena alquílica del ácido (N). Por lo tanto se puede obtener la contribución de varios grupos

180

(CH2) al multiplicar la contribución de un grupo por el número de grupos, según el modelo

propuesto por Davis9 (1957) y por Cratin8 (1971). Esta contribución se escribe en forma

sumatoria:

)(grupoCH*Äì N(grupoOOH)*Äì a efectos) (otros*ÄìN)lnK(a, RT 2++= (4)

Los valores de los coeficientes experimentales (pendiente y ordenada al origen) permiten

hallar los valores de las energías de transferencia10 del aceite al agua de un grupo metileno. El

valor obtenido fue de Δµ*(grupo CH2) = 0.87 J. El valor positivo indica la resistencia a la

transferencia del grupo metileno del aceite al agua. En la Figura IX.9, se muestra este

comportamiento para las diferentes fases oleicas empleadas.

Figura IX.9 Variación de la energía libre de transferencia de la molécula de la fase oleica a la fase acuosa en función de la longitud de la cadena alquílica del ácido.

n-C5/Bz (80/20) = 0,6469x + 3,7072 (0,9999)

Tolueno= 0,6735x + 1,9344 (0,9998)

n-C7 = 0,874x + 1,0885 (0,9999)

Kerosén = 0,9215x + 0,8239 (0,9988)

7

8

9

10

11

12

13

14

15

11 12 13 14 15 16 17


!G

º(2

,303R

TL

ogK

ro-w

)

n-C5/Bz (80/20) = 0,6469x + 3,7072 (0,9999)

Tolueno= 0,6735x + 1,9344 (0,9998)

n-C7 = 0,874x + 1,0885 (0,9999)

Kerosén = 0,9215x + 0,8239 (0,9988)

7

8

9

10

11

12

13

14

15

11 12 13 14 15 16 17


!G

º(2

,303R

TL

ogK

ro-w

)

181

CONCLUSIONES

Los resultados mostraron que a medida que aumenta la cadena alquílica del ácido,

disminuye su concentración tanto en la fase oleica en exceso como en la fase acuosa. Los ácidos

de cadena larga se concentran más en la microemulsion que los de cadenas cortas.

Finalmente, la medida del coeficiente de reparto de las especies surfactantes permite

determinar experimentalmente las contribuciones de cada uno de los términos al balance

hidrofílico-lipofílico total, lo que hace muy fácil extender la aplicación de estas correlaciones en

otros sistemas.

Los valores positivos de energía obtenidos indican la resistencia a la transferencia de un

grupo metileno del aceite al agua. Esta información termodinámica se produce a partir del

coeficiente de reparto.

182

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Salager, J-L.; Antón, R. Ionic microemulsion. Surfactant science series, Marcel Dekker,

New York, 1989.


225-231.


49.


[5] Graciaa, A.; Lachaise, J.; Sayous, J.; Grenier, P.; Yiv, S.; Schechter, R.; Wade, W. J.

Colloid Interf. Sci., 1983, 93, 474-481.


1775.


2394.

[8] Cratin, P. in S. Ross (Ed.), Chemistry and Physics at interfaces-II, American Chemical

Society, Washington, DC, 1971, vol. 97.

[9] Davies, J. Proceeding 2nd International Congress Surface Activity. Butterworths, London,

1957, 1, 426-432.

[10] Salager, J.; Marquez, N.; Graciaa, A.; Lachaise, J. Langmuir. 2000,16, 5534-5539.

183

CONCLUSIONES GENERALES

Se demostró que la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), es una técnica analítica

eficaz para el análisis y separación de mezclas de ácidos carboxílicos grasos de 8 a 18

átomos de carbono, empleando una mezcla metanol/acetonitrilo como fase móvil en forma

isocrática y en una columna octadecilsilano.

La adición del paso de derivatización en el análisis de estos compuestos aumenta la

sensibilidad del método de detección.

El desarrollo de un sistema de derivatización y análisis por HPLC en línea de estos

compuestos, proporcionó: menor tiempo de análisis, poco tratamiento de la muestra, menor

tiempo de reacción, menor gasto de reactivos y mayor sensibilidad.

Debido al carácter lipofílico de estos compuestos cuando se encuentran en contacto con una

fase acuosa y otra oleica, se produce un aumento del coeficiente de reparto (Kr) que varia

linealmente con la cadena alquílica y la concentración del ácido en el sistema. Por otro lado,

el aumento de la polaridad de la fase oleica, así como la longitud de la cadena alquílica del

alcohol que actúa como co-surfactante, produce una disminución del Kr.

Los resultados obtenidos permitieron calcular la energía libre de transferencia de una

molécula de surfactante de una fase a la otra.

184

RECOMENDACIONES GENERALES

En la actualidad, los ácidos presentes en los crudos pesados son objeto de muchas

investigaciones. Los métodos desarrollados en este capitulo pueden servir de base para la

evaluación de estos compuestos en diferentes matrices.

Es importante evaluar los parámetros necesarios para el diseño del sistema en línea a nivel

industrial, para lo cual se recomienda evaluar el efecto de la potencia del microonda en las

reacciones de derivatización de los ácidos grasos, para determinar la potencia que produzca

mayores rendimientos de los productos derivados.

Para la determinación exacta de los sistemas a formulación óptima se recomienda el método

de la tensión interfacial, para evaluar el porcentaje de error cometido en la selección de estos

sistemas por el método de los volúmenes de fase.

Finalmente, se recomienda aplicar los parámetros de formulación óptima en sistemas reales

que contengan crudos pesados, a objeto de trasladar estos resultados a escala industrial.

185

D I S E M I N A C I Ó N D E L C O N O C I M I E N T O

186

El trabajo desarrollado en este capitulo arrojo las siguientes publicaciones y presentaciones en congresos:

1. Bélgica Bravo, Gerson Chávez, Fredy Ysambertt, Nelson Márquez, Jean Lachaise,

Alain Graciaa, Raquel Antón y Jean Louis Salager. Thermodynamic parameters of the

chromatographic equilibrium distribution process of amphiphilic compound by HPLC.

Part I: Fatty acids. Ciencia, 2004, Vol. 12, Nº 4, (Oct-Dec)

2. Bélgica Bravo, Gerson Chávez, Ana Cáceres, Fredy Ysambertt y Nelson Márquez.

Thermodynamic parameters of the chromatographic equilibrium distribution process

of amphiphilic compound by HPLC. Part II: Nonylphenol polyethoxylated. Ciencia,

2004, Vol. 12, Nº 4, (Oct-Dec)

3. Bélgica Bravo, Gerson Chávez, Nolberto Piña, Fredy Ysambertt, Nelson Márquez,

Ana Cáceres. Developing an on-line derivatization of FAs by microwave irradiation

coupled to HPLC separation with UV detection. Talanta. 2004, 64, 1329-1334

4. Nelson Márquez, Bélgica Bravo, Gerson Chávez, Fredy Ysambertt. Desarrollo de un

método de cromatografía en fase reversa para el estudio de mezclas de ácidos

carboxílicos lipofílicos”,. VI Congreso venezolano de Química (CVQ), Universidad

de Margarita, UNIMAR, del 2 - 6 de Noviembre de 2003.

5. Bélgica Bravo, Gerson Chávez, Fredy Ysambertt, Nelson Márquez, Ana Cáceres. On-

line analysis of fatty carboxylic acid by RP-HPLC-UV, 12th International Conference

on Flow Injection Analysis Mérida-Venezuela del 07-13 de Diciembre de 2003.

6. Nelson Márquez, Bélgica Bravo, Gerson Chávez, Ana Caceres, Roberto Bauza.

Formulation scan of fatty acids in surfactant/oil/water systems. Philadelphia, PA.

228th ACS National Meeting. Philadelphia, Agosto de 2004.

7. Nelson Marquez, Belgica Bravo, Gerson Chavez, Fredy Ysambertt, Ana Cáceres,

Roberto Bauza. Thermodynamic parameters of the chromatographic equilibrium

distribution of fatty acid compounds by HPLC. 230th ACS National Meeting.

Washington-USA, Agosto 2005.

187

A MI DIOS REDENTOR

A MIS PADRES

A MI ESPOSO

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