Química Orgánica Industrial

Los sistemas tensoactivos poseen un enorme interés industrial debido a sus múltiples aplicaciones tecnológicas. Todos los sectores de la industria química los utilizan en la producción o en la aplicación de sus productos. Son fundamentales en la industria farmacéutica, alimentaria, cosmética, textil, de pigmentos y pinturas y lubricantes entre otras. La industria de los agentes tensoactivos consume grandes cantidades de materias primas petroquímicas tales como alcanos lineales, 1-alquenos, n-alcoholes, alquilbencenos y óxido de etileno entre otros y de grasas naturales.

Aproximadamente se consumen en el mundo unos 6000 millones de toneladas de compuestos tensoactivos cada año.

 

1.- Anfifílicos.

El interés de los compuestos tensoactivos radica en su carácter anfifílico. Una molécula es anfifílica cuando posee una doble afinidad polar-no polar; es decir, en la presencia en una misma molécula de dos o más grupos con propiedades antagónicas respecto de un mismo disolvente. Todas las sustancias anfifílicas tienen una estructura molecular común que tiene dos partes: un grupo polar que contiene heteroátomos como O, S, P ó N que se encuentran en grupos alcohol, ácido, sulfato, sulfonato, fosfato, amina, amida, etc, y un grupo apolar o poco polar que es en general un grupo hidrocarbonado de tipo alquil o alquil benceno, y que puede contener eventualmente átomos de halógeno u oxígeno. La parte polar posee afinidad por los disolventes polares, en particular por el agua, y se denomina comúnmente la parte hidrófila o hidrofílica. Por el contrario el grupo apolar se llama la parte hidrófoba o hidrofóbica, o bien lipofílica (del griego "phobos", el miedo, y "lipos", la grasa).

Así, las moléculas tensoactivas, debido a su carácter anfífilico poseen la propiedad de solubilizar moléculas polares y no polares. Las fórmulas siguientes muestran dos moléculas anfifílicas comunes utilizadas como agentes de limpieza (Figura 1).

 

En presencia de agua u otros disolventes polares o apolares las moléculas anfifílicas se autoagregan espontáneamente adoptando diversas morfologías (esférica, laminar, cilíndrica, espiral...) con diferentes grados de curvatura y dimensiones características. Estas asociaciones se deben a débiles interacciones intermoleculares (van der Waals, puentes de hidrógeno, etc). Por ello, la entalpía de formación de estos agregados es pequeña y, por tanto, se puede controlar su forma y tamaño modificando parámetros tales como la concentración de anfifílicos, la temperatura, el pH, etc. Los agregados con estructura laminar son la base de los cristales líquidos.

 

Los anfifílicos tiene muchas propiedades y se les clasifica según sus aplicaciones: jabones, detergentes, dispersantes, emulsionantes, espumantes, bactericida, inhibidores de corrosión, antiestático, etc. o según el tipo de estructuras que forman: membranas, microemulsiónes, cristal líquidos, liposomas o geles.

2.- Sustancias tensoactivas. Clasificación.

Del hecho de su doble afinidad, las moléculas anfifílicas "no se acomodan bien" en el seno de un disolvente, sea este apolar o polar, puesto que existirá siempre una interacción que no será satisfecha. Es por esto que las moléculas anfifílicas muestran una fuerte tendencia a migrar a las interfases, de forma tal, que su grupo polar se encuentre dentro del agua y su grupo apolar se encuentre orientado hacia un disolvente orgánico apolar o en la superficie aérea. Los grupos hidrófilos están solvatados en la parte acuosa y los lipófilos están ordenados en la fase apolar (aire o grasa; Figura 2).

 

En disoluciones diluidas acuosas se forma una capa monomolecular en la superficie como la mostrada en la figura 2. A medida que aumenta la concentración de la sustancia tensoactiva, sus moléculas se orientan en el seno del agua formando micelas constituidas por 25 a 200 cadenas (Figura 3).

Debido a esta orientación algunas moléculas anfifílicas tienen la propiedad de disminuir la tensión superficial en una interfase aire-agua o grasa-agua; estas moléculas reciben el nombre de sustancias tensoactivas. Es necesario hacer resaltar que no todos los anfifílicos poseen tal actividad, para que esto suceda es necesario que la molécula posea propiedades relativamente equilibradas, quiere decir, que no sea ni demasiado hidrófila ni demasiado hidrófoba.

Según el carácter del extremo hidrófilo las moléculas tensoactivas se clasifican en aniónicas, catiónicas, no iónicas y anfóteras.

Algunos ejemplos de moléculas tensoactivas son los siguientes:

 

Como consecuencia de esta disminución de la tensión superficial estas sustancias tienen las siguientes propiedades:

• poder detergente o capacidad para eliminar la suciedad y la grasa de una superficie (piel, tejido etc.);
• poder emulgente o capacidad para producir dispersiones coloidales de grasa en medio acuoso o de agua en medio de grasa;
• poder espumógeno que da lugar a la formación de espuma y
• actividad mojante que hace que el agua impregne una superficie de forma homogénea.

El poder detergente y la capacidad para formar emulsiones tienen el mismo principio, las moléculas de tensoactivo se adsorben sobre las partículas de aceite o grasa eliminándolas de la superficie en el primer caso, y formando micelas estables, en el segundo, debido a la repulsión entre partículas con carga negativa. El poder espumógeno se debe a que una superficie acuosa protegida por una capa lipófila envuelve burbujas de aire (Figura 5).

 

El poder mojante de las disoluciones acuosas tensoactivas se debe al "anclaje" de las cadenas lipófilas sobre la superficie que se desea mojar; así, por ejemplo, se facilita la impregnación de los tejidos en las operaciones de teñido o de lavado en la industria textil, o se impide que las disoluciones plaguicidas que se aplican sobre las hojas de las plantas formen gotas que resbalan sin adherirse, lo cual anularía la eficacia del tratamiento.

Debido a estas propiedades las sustancias tensoactivas tienen aplicaciones técnicas muy importantes. Así la mayor parte de los tensoactivos fabricados se destinan a detergentes que se usan en composiciones con otros productos coadyuvantes. Otras aplicaciones son la preparación de emulsiones (principalmente en alimentos, cosméticos, pinturas acrílicas, preparaciones insecticidas), la separación de minerales por flotación, como bactericidas, en la perforación de pozos petrolíferos y en muchas otras aplicaciones.

El mercado de los tensoactivos se reparte de la manera siguiente:

• 33% Jabones, carboxilatos, lignosulfonatos, donde:
• 50% jabones de uso domestico
• 35% jabones de uso industrial.
• 22% Detergentes sintéticos del tipo sulfonato o sulfato, donde:
• 50% uso doméstico (polvos, líquidos)
• 17% industria petrolera
• 7% aditivos de cementos
• 4% agro-alimentos
• 3% cosméticos, productos farmacéuticos
• 40% No iónicos etoxilados, donde:
• 40% alcoholes etoxilados
• 20% alquil fenol etoxilados
• 15% éteres de ácidos grasos
• 10% derivados de aminas o de amidas
• 4% Catiónicos, sobre todo amonios cuaternarios
• 1% Anfóteros, sobre todo betaínas y derivados de aminoácidos.

3.- Proceso de detergencia.

Un sistema detergente eficaz debe realizar dos funciones, desprender la suciedad de la superficie a limpiar, y dispersar la suciedad en el líquido de lavado, de tal modo que el sustrato limpio pueda separarse del líquido de lavado sin que la suciedad se deposite sobre él. La clave de ambos requisitos radica en la naturaleza de las interfases entre el sustrato, la suciedad y el líquido de lavado. Por ello los detergentes contienen moléculas que son adsorbidas por éstas superficies, modificando la tensión superficial de las interfases.

El proceso de limpieza de un detergente se basa, primero, en la rotura de la capa de grasa, por medios mecánicos (agitación, restregado, vibraciones...) para formar gotitas microscópicas y, segundo estabilización y dispersión en agua de dichas gotitas al quedar cubiertas por las moléculas de detergente. Las partículas coloidales de grasa quedan envueltas por cargas negativas hidrófilas que se solvatan y se repelen entre sí, impidiendo su reagrupación y, estabilizando así la dispersión (Figura 6).

 

Efecto “solubilizador” de los agentes tensoactivos: a) La mugre grasienta entra en contacto con la solución de tensoactivo; b) Los extremos hidrofóbicos de las moléculas de tensoactivo se disuelven en la grasa; c) El tensoactivo modifica el ángulo de contacto θ entre la suciedad y el sustrato. Si (θ < 90º es imposible que haya una eliminación total de la grasa; d) Más agitación desplaza la suciedad en forma de partículas macroscópicas. Estas forman una emulsión cuando hay agitación suficiente.

Figura 6

 

4.- Tensoactivos aniónicos.

Los tensoactivos aniónicos representan el 55% de los tensoactivos producidos anualmente. Los más comunes son los siguientes:

• sales de ácidos carboxílicos de cadena larga, denominadas jabones, y



• diversos sulfonatos y sulfatos de cadena larga, utilizados fundamentalmente como detergentes.

Los jabones son las sales de sodio o de potasio de los ácidos grasos de 12 a 18 átomos de carbono. Se obtienen por hidrólisis de grasas y aceites naturales con NaOH o KOH. También se usa un proceso en dos pasos, hidrólisis a presión (240 ºC, 40 atm) con óxido de Zn como catalizador. Después de la hidrólisis se separan los ácidos (fase orgánica) del glicerol (fase acuosa). Mediante destilación a vacío se separan las fracciones C12-C-18 y finalmente se tratan con la base adecuada. Los jabones de C16-C-18 no irritan la piel pero son poco solubles en agua. Los C-12-C-14 son los más espumógenos. Las materias primas más importantes para fabricar jabón son el sebo y el aceite de coco. Aunque los productos basados en el jabón son satisfactorios presentan el inconveniente de la precipitación de los carboxilatos de calcio y magnesio cuando se utilizan en aguas duras (cortado), de ahí su escaso uso como agentes de limpieza para lavadoras y lavavajillas.

4.1.- Detergentes sulfonados y sulfúricos.

En cuanto a los derivado sulfonados actualmente se fabrican cinco tipos de detergentes sulfonados y sulfúricos:

• Alquilsulfonatos (SAS o WAS): R-(CH₂)_n-SO₃^- Na⁺
• Alquilbencenosulfonatos (LABS): R-(CH₂)_n-C₆H₄-SO₃^- Na⁺
• Alquenosulfonatos (AOS): R-(CH₂)_n-CH=CH-CH₂-SO₃^- Na⁺
• Alquilsulfatos (AS): R-(CH₂)_n-OSO₃^- Na⁺
• Alquilpolioxietilensulfatos (AES): C₁₄H₂₉-(O-CH₂-CH₂)_n-OSO₃^- Na⁺

La cadena no polar tiene al menos 10 carbonos. La primera fase industrial es la obtención de la cadena carbonada, y en una segunda fase se lleva a cabo el proceso de sulfonación. El primer proceso se realiza en las industrias petroquímicas y el segundo en empresas específicas de detergentes. Las principales materias primas para detergentes son.

• las parafinas del petróleo (sólo hidrocarburos lineales)
• benceno
• etileno (1-alquenos y alcoholes lineales y primarios obtenidos desde etileno por el proceso Alfol)
• grasas y aceites vegetales (un 10% del total de la producción)

Los detergentes con cadenas ramificadas no pueden ser degradados por las bacterias que depuran las aguas y dan lugar a una contaminación persistente del medio. Por ello se fabrican detergentes en los que la cadena de hidrocarburo es lineal los cuales son biodegradables.

4.2. Obtención de la cadena y sulfonación.

ALQUILSULFONATOS (SAS)

Las largas cadenas lineales se obtienen de las parafinas céreas del petroleo. Las parafinas se separan del queroseno (C10-C16) por disolución en mezclas de metiletilcetona/tolueno o de diclorometano/1,2-dicloroetano y posterior enfriamiento, con lo que precipitan los hidrocarburos de mayor masa molecular. Las n-parafinas se aíslan de sus isómeros ramificados, haciéndolas pasar por tamices moleculares (zeolitas) con poros del orden de 5 Å, que permiten la adsorción de moléculas de alcanos líneales (penetran en los huecos de la resina porque su diámetro es de unos 4,7 Å). Las moléculas ramificadas no pueden penetrar en ellas debido a su mayor diámetro. Las n-parafinas se extraen de las zeolitas con pentano u otro disolvente de baja Tb. Aproximadamente se obtienen al año 1,2 millones de toneladas de n-parafinas en el mundo. En general son buenos agentes de flotación.

La sulfonación de los alcanos se hace con SO2 más O2 (sulfoxidación). El reactor se irradia con luz UV de una lámpara o con rayos ( de una fuente de 60Co27; la reacción sigue un mecanismo de radicales. Los ácidos sulfónicos obtenidos se neutralizan con NaOH y se secan en atomizadores para obtener los sulfonatos sódicos en polvo que se usan en los detergentes domésticos o en la industria textil. Son poco sensibles a la dureza de las aguas.

 

ALQUILBENCENOSULFONATOS (LABS)

La obtención de alquilbencenos desde parafinas se realiza en dos pasos; primero las parafinas se halogenan con cloro y las cloroparafinas resultantes se someten a deshalogenación para dar los alquenos correspondientes. Se puede acceder a estos directamente por deshidrogenación. Los alquenos resultantes se tratan con benceno en AlCl3. Controlando las condiciones de reacción se puede conseguir que la molécula de benceno quede en posición central en la cadena de hidrocarburo. Los alquilbencenos en posiciones centrales dan detergentes más espumógenos que son preferidos en muchas aplicaciones.

 

La sulfonacion de los alquilbencenos terminales se realiza con SO3 gaseoso. El SO₃ se mezcla con aire (4% de SO₃) y se introduce en un reactor en el que cae el hidrocarburo en flujo laminar. La reacción es muy exotérmica y exige buena refrigeración. Los ácidos sulfónicos se tratan con NaOH y se secan con atomizadores para obtener los sulfonatos de sodio en polvo que se usan como detergentes domésticos y como agentes emulsionantes de asfaltos.

Los detergentes sulfonados de mayor consumo, hasta ahora, son los obtenidos por sulfonación de alquilbencenos, constituyen el componente principal de la mayoría de los detergentes domésticos. Se biodegradan lentamente porque el resto fenilo es resistente. Los LABS de sodio son solubles en el agua hasta C16, pero el máximo poder detergente se obtiene para C12-C14. Los LABS en C9-C12 se utilizan como agentes humectantes, mientras que los C15-C18 se utilizan como emulgentes. La utilización de los LABS en los productos de uso doméstico representa alrededor del 50% del total. Entre otras aplicaciones, se puede citar la polimerización en emulsión (poliestireno, polimetacrilato), los concentrados auto emulsionantes de uso agrícola, las espumas sólidas o elastómeras, la dispersión de pigmentos y la emulsión de pinturas polivinílicas, la detergencia industrial, la recuperación del petróleo, la detergencia en medio orgánico, etc.

Los alquilbencenosulfonatos de cadena muy corta: tolueno, xileno, etil o propil benceno sulfonatos se denominan se utilizan como hidrótropos. Estos hidrótropos son anfífilos no tensoactivos, que se incorporan a la superficie de las micelas, para producir una cosolubilización y romper estructuras gelificadas. Los hidrótropos se utilizan en las pastas para reducir la viscosidad y en los detergentes líquidos para evitar las precipitaciones a bajas temperaturas.

ALQUENOSULFONATOS (AOS)

Las (α-olefinas lineales de C6-C20 se obtienen por polimerización de etileno con un catalizador tipo Ziegler de Al(CH₂CH₃)₃. Las moléculas de etileno quedan fijadas al catalizador y se produce el crecimiento de la cadena por adición de sucesivas moléculas de etileno. La salida de la cadena, con regeneración del catalizador, se produce por calentamiento. Un aumento de la temperatura con disminución de la presión favorece el proceso. De la mezcla de 1-alquenos lineales obtenida, se separa por destilación la fracción deseada C12-C18 (30-40%).

 

La sulfonacion se realiza con SO₃ gaseoso.

 

Los alcanos y alquenosulfonatos se biodegradan más rápida y completamente que los alquilbencenosulfonatos. Son poco sensibles a las aguas duras pero no son tan buenos detergentes y se utilizan como aditivos. Los C12-C14 son líquidos y C15-C-18 sólidos.

ALQUILSULFATOS (AS)

La obtención de n-alcoholes primarios de C10-C16 se realiza:

• con catalizadores Ziegler según el proceso Alfol o
• por reducción de ácidos grasos.

En el primer caso, tras la oxidación con aire seco de los compuestos de trialquilaluminio se obtienen los alcoholes lineales (ver tema 6).

 

La posterior obtención de los esteres sulfúricos se realiza por reacción de los alcoholes con SO3 o ácido clorosulfónico (ClSO3H). Se obtienen los monoesteres del ácido sulfúrico cuyas sales de sodio se utilizan como detergentes. Los detergentes de este tipo son poco estables en disoluciones ácidas y básicas porque se hidroliza el grupo ester. Son muy espumógenos y se utilizan en aplicaciones que requieren alta formación de espuma pero pierden su actividad en aguas duras porque sus sales cálcicas son menos solubles. El dodecilsulfato de sodio (SDS o lauril) se usa mucho en champús, geles de baño, pasta de dientes y como dispersante de proteínas en los laboratorios de bioquímica.

 

ALQUILPOLIOXIETILENSULFATOS (AES)

Los alquilpolioxietilensulfatos de sodio se obtienen por reacción de un alcohol de cadena larga y lineal con óxido de etileno.

 

El óxido de etileno se hace reaccionar con alcoholes de cadena larga (obtenidos según el proceso Alfol), con alquilfenoles (octil, nonil, dodecil) o con ácidos grasos y se obtienen los correspondientes tensoactivos en los que la parte hidrófila contiene un grupo aniónico y otro no iónico. El tratamiento posterior con SO₃ o ácido clorosulfónico (ClSO₃H), seguido de neutralización con NaOH da lugar a los AES correspondientes.

Estos detergentes no se afectan por los iones calcio y magnesio de las aguas duras, son excelentes agentes espumantes, humectantes y detergentes. Se usan en productos para lavar platos y en champús, por la persistencia de su acción y la suavidad para la piel.

4.3.- Detergentes domésticos.

La mayor parte de los detergentes domésticos llevan LABS. Sólo algunos incorporan AOS y AES.

Los productos detergentes domésticos sólo contienen de un 15 a un 20% de sulfonatos; el resto son sustancias auxiliares y de relleno. Los compuestos auxiliares añadidos son (Tabla 10.1):

• Secuestradores de los iones Ca y Mg de las aguas duras
• Estabilizadores de la espuma.
• Blanqueantes químicos.
• Blanqueantes ópticos.
• Estabilizadores de la suspensión de la suciedad
• Enzimas proteolíticas.
• Rellenos.

Secuestradores de los iones Ca y Mg

Las sales de Ca++ y Mg++ de los detergentes sulfonados son solubles en agua y no precipitan, pero estos iones disminuyen su poder detergente porque se fijan sobre las micelas de la suciedad grasa y las floculan en parte. Por ello se añaden secuestradores de estos iones. El más utilizado es el tripolifosfato de sodio, si bien un exceso de fosfatos causa contaminación en ríos y lagos debido a una proliferación anormal de algas y plantas acuáticas que agotan el O2 disuelto en el agua (eutrofización). Cada vez más los fabricantes utilizan zeolitas (silicatos de Al+3 y Na+) que actúan como fijadores de iones Ca++ y Mg++ por intercambio iónico.

 

Estabilizadores de la espuma

Los estabilizadores de la espuma son anfifílicos que se sitúan en la interfase aire-líquido. El más utilizado es la hidroxietilamida del ácido dodecanoico (Ac. laúrico).

 

Blanqueantes químicos

El blanqueante químico más usado es el perborato de sodio (BO₃Na₄(H₂O) que actúa por su carácter oxidante por encima de 50 ºC.

Blanqueantes ópticos

Los blanqueantes ópticos son compuestos orgánicos incoloros que tienen fluorescencia azulada (absorben luz UV a 360 nm y emiten luz en la región azul del espectro visible a 430-470 nm), la cual, sobre el tejido ligeramente amarillento produce un efecto óptico de blancura. Los más utilizados son derivados del estilbeno.

 

Estabilizadores de la suspensión

Estos compuestos impiden que la suciedad suspendida se deposite de nuevo sobre el tejido. El más usado es la sal de sodio de la carboximetilcelulosa, que es soluble en agua. Este compuesto se adhiere a la fibra y la carga negativamente, de este modo repele las micelas suspendidas de suciedad que están rodeadas de grupos sulfónicos o sulfatos también negativos. También se usan polímeros a base de anhídrido maleíco.

 

Enzimas proteolíticas

Estas sustancias son más eficaces a bajas temperaturas. Eliminan manchas debidas a proteinas tales como huevo, sangre, etc.. Catalizan la hidrolisis de las proteinas formando peptidos y aminoácidos solubles en agua.

Relleno

Como relleno, en los detergentes sólidos, se adiciona silicato de sodio que estabiliza la mezcla y facilita la disolución. El sulfato de sodio es un subproducto del proceso de fabricación que tiene la propiedad de dar mayor soltura al detergente en polvo.

Tabla 10.1.- Formulación de un detergente doméstico

Tensoactivo aniónico	15-20%
Secuestrador	30-40%
Estabilizador de espuma	2%
Perborato de sodio	12-20%
Blanqueante óptico	0,1%
Carboximetilcelulosa	1%
Silicato de sodio	6-8%
Sulfato de sodio	Hasta 100%

 

5.- Tensoactivos no iónicos.

Durante los últimos 30 años, los surfactantes no iónicos han alcanzado cada día mayor importancia, hasta representar hoy más del 25% de la producción total de tensoactivos. Los tensoactivos no iónicos están formados por una cadena alquílica larga y un grupo sin carga pero muy polar. El grupo polar debe ser lo suficientemente hidrófilo para que la molécula sea soluble en agua. Los grupos polares más utilizados son: polioles (a veces azúcares naturales), polioxietilenos (éteres de polialcohol), diaminas y aminas etoxiladas.

Estos tensoactivos no producen iones en solución acuosa y por este hecho son compatibles con cualquier otro tipo de tensoactivos; es por esto que son excelentes candidatos para formulaciones complejas que se utilizan, a menudo, en muchas aplicaciones prácticas. Por otra parte estos tensoactivos al no tener carga son menos sensibles a los electrolitos, especialmente a los cationes divalentes, que los tensoactivos aniónicos, y pueden por lo tanto ser utilizados en presencia de una salinidad alta. Los tensoactivos no iónicos son buenos detergentes, humectantes y emulsionantes. Algunos poseen excelentes propiedades espumantes. Algunos presentan un muy bajo nivel de toxicidad y se utilizan en la fabricación de fármacos, cosméticos y alimentos. Actualmente, se fabrican tensoactivos no iónicos para una gran cantidad de productos de uso doméstico e industrial, condicionados bajo forma de polvo o líquido.

Los compuestos de polioxietileno son los más utilizados como tensoactivos no iónicos (representan un 80 % del total de no iónicos) y tienen aplicación como detergentes, sobre todo en formulaciones líquidas, como emulgentes para formulaciones insecticidas y en la fabricación de pinturas por emulsión. Estos se obtienen, fundamentalmente por reacción de óxido de etileno con:

• alcoholes de cadena larga sintetizados por el proceso Alfol desde etileno o por reducción de ácidos grasos (40%),
• alquilfenoles (20%),
• ácidos grasos (20%),
• azucares naturales como el xilitol, sorbitol o el glicerol (10%) y
• derivados de aminas y amidas (10%).

Así, los polioxietilenos derivados de alcoholes lineales y óxido de etileno tienen la siguiente estructura:

 

El balance lipofilia/hidrofilia (L/H) depende de la longitud de la cadena alquílica y del número de grupos etoxilo. La solubilidad en agua se alcanza cuando n es igual o un poco mayor que el número de carbonos de la cadena alquílica. Para detergentes se usan alcoholes C12-C-16 con un promedio de 6 a 10 grupos óxido de etileno. Para humectantes y emulsionantes más de 10 grupos de O.E.

Los ALQUILFENOLES más comunes son los derivados del octil, nonil y dodecil fenol. Se utilizan en formulaciones para detergentes líquidos y detergentes para la industria láctea (octil y nonil con 8-12 grupos O.E.), en preparados ácidos para la limpieza de metales (por encima de 20 grupos OE) y emulsiones agrícolas y humectantes (12-20 grupos de OE).

 

Los derivados de ácidos grasos no son muy buenos detergentes y son poco espumógenos. Se utilizan en mezclas para lavado a máquina (ropa y vajilla).

 

Los que derivan del glicerol y otros azúcares naturales como el sorbitol se usan en productos alimenticios, espumas de productos lacteos (helados, bebidas), margarinas, mantequillas y pan entre otros. También se usa en la preparación de fármacos (jarabes) y cosméticos como emulsionantes, dispersantes y agentes solubilizantes.

 

Las ETANOLAMINAS o aminas etoxiladas se obtiene también a partir de óxido de etileno por reacción con aminas grasas. Se utilizan como aditivos para preparar emulsiones de asfalto que se adhieren al lecho de roca, piedra o cemento.

 

6.- Tensoactivos catiónicos.

Los tensoactivos catiónicos representan un 4% del total de la producción de agentes tensoactivos. Su fabricación es mucho más cara que la de los anteriores y es por esta razón que sólo se utilizan en aplicaciones especiales. La gran mayoría de estos son compuestos nitrogenados del tipo sal de amina grasa o sal de amonio cuaternario.

 

Estas moléculas son de poca utilidad en limpieza porque la mayoría de las superficies tienen una carga negativa y los cationes se adsorben sobre ellas en lugar de solubilizar la suciedad adherida. Presentan propiedades bactericidas, antisépticas y alguicidas (inhiben el crecimiento de organismos monocelulares como las bacterias y las algas), son agentes antiestáticos, suavizantes, inhibidores de corrosión, agentes de flotación y puedan ser utilizados tanto en productos industriales como para uso doméstico.

Debido a su poder antiséptico, bactericida y alguicida se usan como desinfectantes. Las moléculas se orientan en la interfase entre la membrana bacteriana y el agua o el aire, formando una película cerrada que impide la respiración del organismo y éste muere. Uno de los tensoactivos usados para tal fin es cloruro de benzalconio utilizado en pastillas para la afonía y la polivinilpirrolidona yodada (betadine) utilizada para desinfectar heridas. También son útiles para desinfectar granjas avícolas, piscinas y material sanitario.

 

Los tensoactivos catiónicos se utilizan como inhibidores de la corrosión en tuberías metálicas o en los líquidos ácidos utilizados para limpiar la herrumbre. La protección de la superficie metálica se debe a que se unen a la superficie metálica por la parte polar formando una capa protectora hidrófoba de una o dos moléculas de espesor. Esta capa es tan cerrada que evita que el ácido corrosivo ataque al metal.

Estos compuestos se utilizan también como agentes de flotación para separar minerales valiosos de su ganga, porque se adsorben sobre las partículas cargadas negativamente. Por ejemplo, para separar el fluorofosfato de calcio (apatito) de la ganga de sílice, se añade una sal de amonio cuaternario a una suspensión del mineral molido en agua. El tensoactivo se fija a las moléculas de sílice formando una capa hidrófoba. Se hace burbujear aire y se introduce un agente espumante; las partículas de sílice hidrofóbas se unen a estas burbujas de aire y flotan dejando el mineral que se quiere recuperar (apatito; F₂Ca(₃(PO₄)₂Ca₃/SiO₂) en el fondo. En otros casos el que flota es el mineral valioso.

 

Otra aplicación de los tensoactivos catiónicos es como productos suavizantes de tejidos y cabellos. El compuesto se añade después del lavado para evitar que precipite con el tensoactivo aniónico. Las moléculas se fijan sobre las fibras por su parte iónica formando una capa hidrófoba que impide su adherencia al secarse y proporciona suavidad. Los compuestos utilizados con este fin incluyen dos cadenas hidrocarbonadas largas en la molécula.

 

En la industria textil se añaden como retardadores de adsorción de los colorantes para obtener una coloración más homogénea.

Los tensoactivos catiónicos también son útiles en la industria alimentaria. Así, las lecitinas se usan como surfactantes para margarinas y chocolate. La lecitina comercial es una mezcla de tres fosfátidos, de los cuales de la fosfatidilserina hay evidencias clínicas de que aumenta la memoria en personas ancianas que sufren pérdidas de memoria.

 

Obtención

La cadena hidrocarbonada de los tensoactivos catiónicos se obtiene a partir de los ácidos grasos. Estos se transforman en nitrilos por tratamiento con amoniaco a 200-300 ºC, y posteriormente se hidrogenan a las aminas primarias correspondientes. Estas se someten a metilación con cloruro de metilo en exceso.

 

Otro proceso parte de alquenos terminales que se tratan con HBr en un proceso radicalario y, posterior tratamiento con trimetilamina.

 

7.- Tensoactivos anfóteros.

Los surfactantes llamados anfóteros poseen dos grupos funcionales, uno aniónico y otro catiónico. En la mayoría de casos es el pH quien determina el carácter dominante favoreciendo una u otra de las posibles disociaciones: aniónico a pH alcalino, catiónico a pH ácido. Cerca de su punto isoeléctrico son realmente anfóteros, es decir poseen dos cargas a la vez y presentan a menudo un mínimo de actividad superficial.

 

Estos surfactantes son en general muy poco irritantes, compatibles con los otros surfactantes y en la mayoría de los casos ellos pueden utilizarse en fórmulas farmacéuticas o cosméticas. Estos tensoactivos a pH cercanos a 7 son poco irritantes y se utilizan en champús y productos para la limpieza manual de los platos.

Casi todos los anfóteros poseen un grupo catiónico de tipo amina o amonio, el cual puede estar eventualmente bloqueado por una cuaternización. Los más utilizados son derivados de aminoácidos, derivados del ácido 3-aminopropiónico y las alquilbetainas.

Los derivados del ácido 3-aminopropiónico alcanzan el punto isoeléctrico a pH de 4. Son solubles en disolución acuosa ácida y básica y se adsorben fácilmente por la piel, cabellos y textiles. Se usan como suavizantes para el pelo y para tejidos, así como humectantes en cosmética.

 

Las alquilbetainas alcanzan el punto isoeléctrico a pH 7. Son anfóteras a pH neutro y básico, y catiónicas a pH ácido. Se usan como aditivos para inhibidores de la corrosión y para suavizantes del pelo y textiles.

 

Debido a que actúan en un gran intervalo de pH, pueden utilizarse con NaOH en limpiadores alcalinos para superficies grasas y con limpiadores ácidos, con HCl, para superficies oxidadas.

8.- Otros tensoactivos.

8.1.- Tensoactivos siliconados.

Las siliconas tienen carácter hidrófobo y si se introducen en una molécula de tensoactivo aumentan el carácter hidrófobo de ésta. Como consecuencia se puede fabricar una "cola" lipofílica siliconada más corta que su equivalente hidrocarbonado.

 

Muchos de estos tensoactivos pueden cristalizarse en acetona y por tanto obtenerse en forma muy pura. Son inertes químicamente y algunos de ellos se utilizan en farmacia como agentes antiflatulentos ya que ellos rebajan la tensión superficial y son totalmente inertes desde el punto de vista biológico.

8.2.- Tensoactivos fluorados.

La introducción de átomos de fluor en las parte lipófila de los tensoactivos aumenta el carácter hidrófobo y disminuye la reactividad química. El método más utilizado para preparar estos tensoactivos perfluorados consiste en polimerizar el tetrafluoro etileno en presencia de metanol o etanol, para obtener un alcohol.

 

donde "n" es del orden de 2-4.

El grupo alcohol puede transformarse en otros grupos hidrófilos tales como ácido carboxílico, sulfato, aminas o fosfatos. Los tensoactivos perfluorados producen tensiones superficiales considerablemente menores que los tensoactivos convencionales, del orden de 15-20 dinas/cm, más bajas que las producidas por los jabones. Son capaces de volver las superficies no mojables al agua y a los solventes orgánicos simultáneamente ya que la cadena perfluorada repele las fases acuosas y apolares. Son, además, excelentes agentes espumantes. Se utilizan, por ejemplo, en las espumas de extintores de incendio, donde su resistencia térmica es una ventaja suplementaria, y como agentes anticorrosión para el Aluminio.

8.3.- Tensoactivos poliméricos.

Los copolímeros preparados por polimerización mixta de propilenglicol, óxido de propeno y óxido de etileno entran dentro de esta categoría.

 

Las unidades derivadas del OP son hidrófobas por la presencia del grupo metilo. Estos tensoactivos se venden como agentes humectantes y detergentes y como aditivos de deshidratación de petróleo. Forman emulsiones en medios de diferente polaridad y se usan cuando fallan los tensoactivos convencionales.

Otro ejemplo es la carboximetilcelulosa utilizado como aditivo en los detergentes para estabilizar la suspensión y evitar que las partículas de grasa se adhieran de nuevo al tejido.

 

8.4.- Tensoactivos acetilénicos.

Los polímeros acetilénicos son moléculas pequeñas y simétricas que se orientan horizontalmente en las interfases fluido-aire formando una película sobre la superficie que puede soportar presiones elevadas de 30 N/m2 y que favorece la extensión de una película. No forman espumas debido a la débil interacción entre sus moléculas. Se usan como aditivos de recubrimientos de superficie para evitar la aparición de cráteres y como aditivos para lubricantes.