Micela - Micelle

Micela
Definición IUPAC
Micela Partícula de dimensiones coloidales que existe en equilibrio con las moléculas o iones en solución a partir de la cual se forma.
Micela (polímeros) Autoensamblaje organizado formado en un líquido y compuesto por macromoléculas anfifílicas , en general copolímeros anfifílicos di o tri-bloques compuestos por bloques solvofílicos y solvofóbicos.
Nota 1 Se puede observar un comportamiento anfifílico para agua y un solvente orgánico o entre dos solventes orgánicos.
Nota 2 Las micelas poliméricas tienen una concentración micelar crítica (CMC) mucho más baja que el jabón (0,0001 a 0,001 mol / L) o las micelas tensioactivas, pero sin embargo están en equilibrio con macromoléculas aisladas llamadas unímeros. Por tanto, la formación y estabilidad de las micelas dependen de la concentración.
Vista en sección transversal de las estructuras que pueden estar formadas por fosfolípidos en soluciones acuosas (a diferencia de esta ilustración, las micelas suelen estar formadas por lípidos monocatenarios, ya que es difícil encajar dos cadenas en esta forma)
Esquema de una micela formada por fosfolípidos en una solución acuosa

Una micela ( / m s ɛ l / ) o micela ( / m s ɛ l ə / ) (plural micelas o micelas , respectivamente) es un agregado (o ensamblaje supramolecular ) de tensioactivos moléculas dispersadas en un líquido, formando una suspensión coloidal (también conocida como sistema coloidal asociado). Una micela típica en agua forma un agregado con las regiones de "cabeza" hidrófila en contacto con el disolvente circundante , secuestrando las regiones hidrófobas de cola única en el centro de la micela.

Esta fase es causada por el comportamiento de empaquetamiento de los lípidos de una sola cola en una bicapa . La dificultad de llenar todo el volumen del interior de una bicapa, mientras se acomoda el área por grupo de cabezas forzadas sobre la molécula por la hidratación del grupo de cabezas de lípidos, conduce a la formación de la micela. Este tipo de micela se conoce como micela de fase normal (micela de aceite en agua). Las micelas inversas tienen los grupos de cabezas en el centro con las colas extendidas (micelas de agua en aceite).

Las micelas tienen forma aproximadamente esférica. También son posibles otras fases , incluidas formas como elipsoides, cilindros y bicapas . La forma y el tamaño de una micela son función de la geometría molecular de sus moléculas de tensioactivo y de las condiciones de la solución, como la concentración de tensioactivo, la temperatura , el pH y la fuerza iónica . El proceso de formación de micelas se conoce como micelización y forma parte del comportamiento de fase de muchos lípidos según su polimorfismo .

Historia

La capacidad de una solución jabonosa para actuar como detergente ha sido reconocida durante siglos. Sin embargo, fue solo a principios del siglo XX cuando se estudió científicamente la constitución de tales soluciones. James William McBain, de la Universidad de Bristol, llevó a cabo un trabajo pionero en esta área . Ya en 1913, postuló la existencia de "iones coloidales" para explicar la buena conductividad electrolítica de las soluciones de palmitato de sodio . Estos grupos altamente móviles y formados espontáneamente llegaron a ser llamados micelas, un término tomado de la biología y popularizado por GS Hartley en su libro clásico Paraffin Chain Salts: A Study in Micelle Formation . El término micela se acuñó en la literatura científica del siglo XIX como el diminutivo -elle de la palabra latina mica (partícula), que transmite una nueva palabra para "partícula diminuta".

Solvacion

Las moléculas de tensioactivo individuales que se encuentran en el sistema pero que no forman parte de una micela se denominan " monómeros ". Las micelas representan un ensamblaje molecular , en el que los componentes individuales están termodinámicamente en equilibrio con monómeros de la misma especie en el medio circundante. En el agua, las "cabezas" hidrófilas de las moléculas de tensioactivo siempre están en contacto con el disolvente, independientemente de si los tensioactivos existen como monómeros o como parte de una micela. Sin embargo, las "colas" lipofílicas de las moléculas de tensioactivo tienen menos contacto con el agua cuando forman parte de una micela, lo que constituye la base del impulso energético para la formación de micelas. En una micela, las colas hidrófobas de varias moléculas de tensioactivo se ensamblan en un núcleo similar al aceite, cuya forma más estable no tiene contacto con el agua. Por el contrario, los monómeros tensioactivos están rodeados por moléculas de agua que crean una "jaula" o capa de solvatación conectada por enlaces de hidrógeno . Esta jaula de agua es similar a un clatrato y tiene una estructura cristalina similar al hielo y se puede caracterizar según el efecto hidrófobo. El grado de solubilidad en lípidos está determinado por la contribución de entropía desfavorable debido al orden de la estructura del agua de acuerdo con el efecto hidrófobo.

Las micelas compuestas por tensioactivos iónicos tienen una atracción electrostática hacia los iones que las rodean en solución, estos últimos conocidos como contraiones . Aunque los contraiones más cercanos enmascaran parcialmente una micela cargada (hasta en un 92%), los efectos de la carga de la micela afectan la estructura del disolvente circundante a distancias apreciables de la micela. Las micelas iónicas influyen en muchas propiedades de la mezcla, incluida su conductividad eléctrica. Agregar sales a un coloide que contiene micelas puede disminuir la fuerza de las interacciones electrostáticas y conducir a la formación de micelas iónicas más grandes. Esto se ve con mayor precisión desde el punto de vista de una carga efectiva en la hidratación del sistema.

Energía de formación

Las micelas se forman solo cuando la concentración de tensioactivo es mayor que la concentración micelar crítica (CMC), y la temperatura del sistema es mayor que la temperatura micelar crítica, o temperatura Krafft . La formación de micelas se puede entender mediante la termodinámica : las micelas pueden formarse espontáneamente debido al equilibrio entre entropía y entalpía . En el agua, el efecto hidrófobo es la fuerza impulsora para la formación de micelas, a pesar de que el ensamblaje de moléculas de tensioactivo es desfavorable en términos de entalpía y entropía del sistema. A concentraciones muy bajas del tensioactivo, solo están presentes monómeros en solución. A medida que aumenta la concentración del tensioactivo, se llega a un punto en el que la contribución desfavorable de entropía, al agrupar las colas hidrófobas de las moléculas, se ve superada por una ganancia de entropía debida a la liberación de las capas de solvatación alrededor de las colas del tensioactivo. En este punto, las colas de lípidos de una parte de los tensioactivos deben separarse del agua. Por lo tanto, comienzan a formar micelas. En términos generales, por encima de la CMC, la pérdida de entropía debido al ensamblaje de las moléculas de tensioactivo es menor que la ganancia de entropía al liberar las moléculas de agua que estaban "atrapadas" en las capas de solvatación de los monómeros de tensioactivo. También son importantes las consideraciones entálpicas, como las interacciones electrostáticas que se producen entre las partes cargadas de los tensioactivos.

Parámetro de empaquetamiento de micelas

La ecuación del parámetro de empaquetamiento de micelas se utiliza para ayudar a "predecir el autoensamblaje molecular en soluciones de surfactante":

donde es el volumen de la cola del tensioactivo, es la longitud de la cola y es el área de equilibrio por molécula en la superficie agregada.

Micelas de copolímero en bloque

El concepto de micelas se introdujo para describir los agregados núcleo-corona de pequeñas moléculas de tensioactivo , sin embargo, también se ha extendido para describir agregados de copolímeros de bloque anfifílicos en disolventes selectivos. Es importante conocer la diferencia entre estos dos sistemas. La principal diferencia entre estos dos tipos de agregados está en el tamaño de sus bloques de construcción. Las moléculas de tensioactivo tienen un peso molecular que generalmente es de unos pocos cientos de gramos por mol, mientras que los copolímeros de bloque son generalmente uno o dos órdenes de magnitud mayores. Además, gracias a las partes hidrófilas e hidrófobas más grandes, los copolímeros de bloque pueden tener una naturaleza anfifílica mucho más pronunciada en comparación con las moléculas de tensioactivo.

Debido a estas diferencias en los componentes básicos, algunas micelas de copolímeros de bloque se comportan como tensioactivos, mientras que otras no. Por tanto, es necesario hacer una distinción entre las dos situaciones. Las primeras pertenecerán a las micelas dinámicas mientras que las segundas se denominarán micelas cinéticamente congeladas.

Micelas dinámicas

Ciertas micelas de copolímeros de bloques anfifílicos muestran un comportamiento similar al de las micelas tensioactivas. Generalmente se denominan micelas dinámicas y se caracterizan por los mismos procesos de relajación asignados al intercambio de tensioactivos y la escisión / recombinación de micelas. Aunque los procesos de relajación son los mismos entre los dos tipos de micelas, la cinética del intercambio de unímero es muy diferente. Mientras que en los sistemas tensioactivos los unímeros salen y se unen a las micelas a través de un proceso controlado por difusión , para los copolímeros la constante de velocidad de entrada es más lenta que un proceso controlado por difusión. Se encontró que la velocidad de este proceso era una ley de potencia decreciente del grado de polimerización del bloque hidrófobo a la potencia 2/3. Esta diferencia se debe al enrollamiento del bloque hidrófobo de un copolímero que sale del núcleo de una micela.

Los copolímeros de bloque que forman micelas dinámicas son algunos de los tri-bloque poloxámeros bajo las condiciones adecuadas.

Micelas cinéticamente congeladas

Cuando las micelas de copolímeros de bloque no muestran los procesos de relajación característicos de las micelas tensioactivas, se denominan micelas cinéticamente congeladas . Estos se pueden conseguir de dos formas: cuando los unímeros que forman las micelas no son solubles en el disolvente de la solución de micelas, o si los bloques que forman el núcleo son vítreos a la temperatura en la que se encuentran las micelas. Las micelas cinéticamente congeladas se forman cuando se cumple cualquiera de estas condiciones. Un ejemplo especial en el que ambas condiciones son válidas es el del poliestireno-b-poli (óxido de etileno). Este copolímero de bloques se caracteriza por la alta hidrofobicidad del bloque de formación del núcleo, PS , que hace que los unímeros sean insolubles en agua. Además, el PS tiene una alta temperatura de transición vítrea que es, dependiendo del peso molecular, más alta que la temperatura ambiente. Gracias a estas dos características, una solución acuosa de micelas de PS-PEO de peso molecular suficientemente alto puede considerarse cinéticamente congelada. Esto significa que ninguno de los procesos de relajación, que conducirían a la solución micelar hacia el equilibrio termodinámico, es posible. Adi Eisenberg realizó un trabajo pionero en estas micelas. También se mostró cómo la falta de procesos de relajación permitía una gran libertad en las posibles morfologías formadas. Además, la estabilidad frente a la dilución y la amplia gama de morfologías de las micelas congeladas cinéticamente las hacen particularmente interesantes, por ejemplo, para el desarrollo de nanopartículas de administración de fármacos de circulación prolongada.

Micelas inversas / inversas

En un disolvente no polar , es la exposición de los grupos de cabeza hidrófilos al disolvente circundante lo que es energéticamente desfavorable, dando lugar a un sistema de agua en aceite. En este caso, los grupos hidrófilos se secuestran en el núcleo de la micela y los grupos hidrófobos se extienden lejos del centro. Estas micelas inversas tienen proporcionalmente menos probabilidades de formarse al aumentar la carga del grupo de cabeza, ya que el secuestro hidrófilo crearía interacciones electrostáticas altamente desfavorables.

Está bien establecido que para muchos sistemas de tensioactivo / disolvente, una pequeña fracción de las micelas inversas adquiere espontáneamente una carga neta de + q e o -q e . Esta carga tiene lugar a través de un mecanismo de desproporción / cambio de proporción en lugar de un mecanismo de disociación / asociación y la constante de equilibrio para esta reacción es del orden de 10 -4 a 10-11 , lo que significa aproximadamente cada 1 en 100 a 1 en 100 000 micelas. se cobrará.

Supermicelles

Micrografía electrónica de la supermicelle similar a un molino de viento, barra de escala 500 nm.

Supermicelle es una estructura micelar jerárquica ( conjunto supramolecular ) donde los componentes individuales también son micelas. Las supermicellas se forman a través de enfoques químicos ascendentes , como el autoensamblaje de micelas cilíndricas largas en patrones radiales en forma de cruz, estrella o diente de león en un disolvente especialmente seleccionado; Pueden añadirse nanopartículas sólidas a la solución para que actúen como centros de nucleación y formen el núcleo central de la supermicella. Los tallos de las micelas cilíndricas primarias están compuestos por varios copolímeros de bloque conectados por fuertes enlaces covalentes ; dentro de la estructura de supermicelle, se mantienen unidas libremente por enlaces de hidrógeno , interacciones electrostáticas o solvofóbicas .

Usos

Cuando los tensioactivos están presentes por encima de la concentración micelar crítica (CMC), pueden actuar como emulsionantes que permitirán que se disuelva un compuesto que normalmente es insoluble (en el disolvente que se está utilizando). Esto ocurre porque las especies insolubles pueden incorporarse al núcleo de la micela, que a su vez se solubiliza en el disolvente a granel en virtud de las interacciones favorables de los grupos de cabeza con las especies de disolventes. El ejemplo más común de este fenómeno son los detergentes , que limpian material lipófilo poco soluble (como aceites y ceras) que no se pueden eliminar solo con agua. Los detergentes limpian también al reducir la tensión superficial del agua, lo que facilita la eliminación de material de una superficie. La propiedad emulsionante de los tensioactivos también es la base de la polimerización en emulsión .

La formación de micelas es esencial para la absorción de vitaminas liposolubles y lípidos complicados dentro del cuerpo humano. Las sales biliares formadas en el hígado y secretadas por la vesícula biliar permiten que se formen micelas de ácidos grasos. Esto permite la absorción de lípidos complicados (p. Ej., Lecitina) y vitaminas liposolubles (A, D, E y K) dentro de la micela por el intestino delgado.

Durante el proceso de coagulación de la leche, las proteasas actúan sobre la porción soluble de las caseínas , κ-caseína , originando así un estado micelar inestable que da como resultado la formación de coágulos.

Las micelas también se pueden utilizar para la administración de fármacos dirigida como nanopartículas de oro.

Ver también

Referencias