Polímeros en el sector orgánico

¿Qué son los polímeros y como pueden utilizarse en la producción orgánica?

Por: Aura del Angel A. Larson

Los polímeros están compuestos de moléculas muy largas (“macromoléculas”), con una estructura en forma de cadena. Los eslabones de la cadena son moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Los polímeros pueden estar conformados de un solo tipo de monómero o de varios tipos; en este último caso se denominan copolímeros.

Los polímeros se pueden clasificar en función de diferentes características, tales como: 

• origen (natural o sintético)

• su estructura o forma (lineal, ramificada, en redes, etc.)

• elasticidad (elastómero, fibra o termoplástico)

Los polímeros naturales existen desde los orígenes de la vida en el planeta Tierra. El ácido desoxirribonucleico, el ácido ribonucleico y las proteínas son ejemplos de polímeros creados por organismos vivos. Otros ejemplos de polímeros naturales son la celulosa, la lignina y el almidón.

Los polímeros sintéticos son una tecnología relativamente moderna. En 1800s, los polímeros naturales comenzaron a modificarse químicamente para crear materiales con nuevas propiedades. Por ejemplo, Charles Goodyear desarrolló el proceso de vulcanización del caucho, un polímero natural, alrededor de 1860. Este proceso modifica químicamente el caucho natural. Durante la vulcanización, se añade azufre al caucho y la mezcla se calienta. El azufre interactúa con las cadenas poliméricas del caucho, uniéndolas para formar una red polimérica. Esto produce un material más resistente, duradero y altamente elástico que puede recuperar su forma después de deformarse.

En el sector orgánico se permiten diversos polímeros, tanto sintéticos como naturales. Por ejemplo, las hojas secas se pueden utilizar como mantillo para inhibir el crecimiento de la maleza. Estas hojas son ricas en celulosa, un polímero natural formado por miles de monómeros de glucosa interconectados. Otro ejemplo de la industria de producción de alimentos es el uso de pululano y goma gellan, que son agentes gelificantes derivados de procesos de fermentación que involucran microorganismos (hongos y bacterias, respectivamente) y también se clasifican como polímeros. Ejemplos de polímeros sintéticos permitidos son los sulfonatos de lignina en la agricultura y los alginatos y carragenanos en la producción de alimentos. 

Algunos polímeros, incluidas la pectina amidada y la celulosa microcristalina, están prohibidos en la Lista Nacional. Otros polímeros sintéticos no incluidos en la lista también están prohibidos en la producción orgánica.

Al revisar un polímero, es vital considerar su número de registro CAS. Este es un identificador único asignado a una sustancia química específica. El sistema CAS normalmente asigna un único número CAS a todos los polímeros con la misma estructura general, incluso si varían en peso molecular, longitud de cadena, proporción de monómeros (en el caso de copolímeros) o composición porcentual.

Por ejemplo, la maltodextrina es un polímero natural formado por monómeros de glucosa. El polvo de maltodextrina consta de cadenas de diferentes longitudes, y cada cadena contiene entre tres y diecisiete unidades de glucosa. Todas las cadenas en la mezcla están identificadas con el mismo número CAS: 9050-36-6.

¿Qué hay en un nombre?

Los polímeros pueden ser moléculas largas que exhiben estructuras lineales o no lineales. Los monómeros pueden mostrar patrones de repetición periódicos, aleatorios o no específicos. Al asignar un nombre químico a un polímero se consideran muchos factores, incluidas estas características estructurales. Referencias completas, como el Libro Púrpura, explican y detallan la denominación (nomenclatura) de estas macromoléculas según las reglas establecidas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés). 

Debido a su complejidad estructural, muchos polímeros tienen múltiples nombres. Además de los nombres químicos, que pueden variar según la estructura del polímero o los precursores utilizados para crearlo, también existen nombres comerciales y tradicionales asociados a ellos.

Un ejemplo que resalta la complejidad de sus nombres químicos es el poli(etilenglicol-ran-propilenglicol)monobutiléter. Este polímero es mencionado en la Lista de inertes 4B de la EPA, lo que significa que está permitido como sustancia inerte en la sección 205.601(m). Desglosar este nombre ayuda a aclarar lo que significa cada componente:

• **poli(etilenglicol)**: el prefijo "poli" indica que la sustancia es un polímero. Este polímero está compuesto de monómeros aparentemente derivados del etilenglicol.

• **poli(propilenglicol)**: este polímero también incluye monómeros aparentemente derivados del propilenglicol.

• **ran**: Esta abreviatura significa una disposición aleatoria de los monómeros. Por tanto, esta sustancia es un copolímero formado a partir de etilenglicol y propilenglicol, en el que los monómeros se distribuyen aleatoriamente por toda la cadena polimérica.

• **éter monobutílico**: esta parte del nombre se refiere a otro segmento de la estructura del polímero, donde un grupo butilo (que comprende cuatro átomos de carbono) está unido a un grupo éter.

Es importante señalar que este polímero sintético también se conoce como oxirano, polímero con metiloxirano y éter monobutílico; ambos nombres son nombres propios de la IUPAC, pero este segundo nombre se centra en el origen del polímero, no sólo en su estructura lineal.  En otras palabras, el primer nombre se dio utilizando una nomenclatura basada en la estructura, que se centra en la representación química gráfica del polímero. Por el contrario, este segundo nombre se le dio utilizando una nomenclatura basada en fuentes, que se centra en los monómeros iniciales o precursores utilizados para sintetizar el polímero.

Los dos monómeros unidos aleatoriamente en la cadena polimérica (etilenglicol y propilenglicol) se derivan a su vez de dos compuestos cíclicos: óxido de etileno y óxido de propileno. Los compuestos cíclicos como el óxido de etileno y el óxido de propileno también se denominan epóxidos u oxiranos. En este caso, los compuestos cíclicos se transforman en glicoles al polimerizarse.    

El tipo de reacción de polimerización en la que las estructuras cíclicas se abren al reaccionar entre sí para formar una cadena polimérica lineal se llama "polimerización con apertura de anillo". Esta apertura se produce cuando se mezclan estos dos compuestos. Durante la reacción, también se agrega butanol, el cual se une a la reacción dejando su marca en un extremo del polímero como la sección de “éter monobutílico”. Oxirano, polímeros con metiloxirano y éter monobutílico pueden tener catorce o más monómeros unidos en una secuencia aleatoria.

Como muestra este ejemplo, tratar con nombres de polímeros puede resultar bastante complicado. Por esta razón, es ideal tener el número CAS que identifique de forma única un polímero específico.  Otro recurso valioso es revisar bases de datos como el sitio oficial de CAS, PubChem y la Agencia Europea de Productos Químicos (ECHA). Estas plataformas pueden ayudarlo a identificar sinónimos de un polímero.

En el caso del poli(etilenglicol-ran-propilenglicol) monobutil éter —también conocido como oxirano, polímero con metiloxirano, monobutil éter—, este polímero tiene más de diez nombres listados en el sitio oficial del CAS y la ECHA. Sin embargo, todos estos nombres corresponden al mismo número CAS: 9038-95-3. 

El caso de los silicatos de sodio: un nombre genérico, múltiples números CAS

El silicato de sodio está permitido en la sección 205.601(l) como auxiliar de flotación durante la recolección de frutas y para el procesamiento de fibras. Un número CAS identifica de forma única una sustancia; Sin embargo, al revisar los silicatos de sodio, es importante tener en cuenta que este término engloba a una familia de compuestos y no sólo a una sustancia. Por lo tanto, los revisores de este material podrían encontrar múltiples sustancias específicas y sus correspondientes números CAS, todas las cuales podrían permitirse en 205.601(l). Por ejemplo, el ortosilicato de sodio (CAS #13472-30-5), el metasilicato de sodio pentahidratado (CAS #10213-79-3) y el metasilicato de sodio (CAS# 6834-92-0).

El principal proceso de fabricación comercial de silicatos de sodio implica la fusión de carbonato de sodio con arena de cuarzo a altas temperaturas, seguido de la adición de hidróxido de sodio para ajustar la proporción de dióxido de silicio: óxido de sodio del producto final; esta proporción afecta las propiedades físicas del producto. El ortosilicato de sodio, un silicato de sodio, se disocia en solución en iones de sodio y ortosilicato. Los iones de ortosilicato se comportan como monómeros y pueden unirse espontáneamente para formar múltiples estructuras de silicato. Con proporciones bajas de dióxido de silicio: óxido de sodio y una acidez más baja, los iones de ortosilicato de sodio se unen, creando unidades más pequeñas como el disilicato de disodio (CAS #13870-28-5) o trisilicato de sodio (CAS #13870-30-9). Las proporciones más altas de dióxido de silicio: óxido de sodio y una mayor acidez, favorecen una mayor polimerización de los monómeros de silicato, causando la formación de estructuras lineales, ramificadas y de red, y el aumento en la diversidad y complejidad de las especies de silicato presentes en una solución. 

Los silicatos de sodio comerciales se pueden vender como polvos o soluciones y, a menudo, se identifican con el número CAS 1344-09-8 (silicato de sodio) o CAS 6834-92-0 (mesasilicato de sodio), pero lo que se encuentra dentro del producto es una mezcla de diversas especies y configuraciones de silicatos que, en solución y en las condiciones adecuadas, experimentan espontáneamente el proceso dinámico de polimerización.

Este artículo se publicó originalmente en la edición de primavera de 2025 del boletín OMRI Materials Review.