Monómeros y polímeros en química

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Un monómero es una molécula pequeña que tiene la capacidad de unirse químicamente a otro monómero o a sí misma muchas veces, formando una cadena llamada polímero.

En la misma línea, un polímero es una macro molécula, es decir, una molécula formada por centenas o miles de átomos, que se genera a partir de la unión sucesiva de una molécula pequeña denominada monómero. La unión química de los monómeros para formar un polímero suele ser mediante enlaces covalentes. El término “polímero” proviene de la conjunción del prefijo griego poli que significa “mucho”, con el sufijo mer, que significa “parte”. Así pues, etimológicamente polímero significa “muchas partes”. La palabra fue acuñada por el químico sueco Jons Jacob Berzelius en 1833. Por su parte, monómero deriva del prefijo griego mono, que significa “uno”, y del ya mencionado sufijo griego mer.

Muchos polímeros pueden ser naturales, y se llaman biopolímeros, y se producen mediante procesos bioquímicos. Los biopolímeros son los principales componentes de la biomasa del planeta, y al mismo tiempo son moléculas clave en muchos procesos biológicos, tal como ocurre con el ADN y las proteínas. Por otro lado los polímeros artificiales o sintéticos componen la inmensa variedad de materiales que conocemos como plásticos, de los que el polietileno, el caucho sintético, el poliestireno, el neopreno o el nailon son algunos ejemplos.

A veces los polímeros son moléculas compuestas sólo por algunas decenas de monómeros; en este caso se los denomina oligómeros (oligo es un prefijo griego que significa “poco”). La diferenciación se basa en un cambio significativo de las propiedades del material al modificar la molécula en pocas unidades estructurales (las unidades que forma el monómero y que se repite para formar el polímero). Ejemplos de oligómeros son el colágeno y la parafina líquida.

Los monómeros no son sólo importantes por formar polímeros, sino que muchos monómeros tienen un papel bioquímico relevante. Es el caso de la glucosa, monómero de muchos biopolímeros como la celulosa y el almidón, y que es la principal fuente de energía de las células.

La polimerización

Una aproximación sencilla a la formación de un polímero, la polimerización, es considerar que es una reacción química en la que en una molécula pequeña se generan dos enlaces, en general enlaces covalentes, en los que se unen otras unidades de la misma molécula. Este proceso se repite una gran cantidad de veces formando una larga cadena de átomos. Como ya se dijo, la molécula que origina el polímero se llama monómero y la unidad que se repite para formar el polímero se denomina unidad estructural. El ejemplo más sencillo de polimerización es la formación de polietileno, un plástico ampliamente difundido.

El monómero del polietileno es el etileno, una molécula orgánica sencilla que tiene dos átomos de carbono unidos por un doble enlace, junto a dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de carbono, como se muestra en la figura siguiente. Los enlaces del carbono son covalentes. Si se rompe el enlace doble cada uno de los átomos de carbono tiene un enlace covalente disponible para unirse a otros átomos constituyendo la unidad estructural que formará el polímero. La unión repetida de ésta unidad estructural genera una larga molécula lineal, sin ramificaciones: el polietileno.

Polimerización del polietileno.
Polimerización del etileno para formar polietileno.

Otro ejemplo de la generación de un polímero artificial es la formación del poliestireno, un plástico con múltiples aplicaciones. El monómero del poliestireno es el estireno, una molécula que tiene un anillo bencénico unido a dos átomos de carbono con un enlace doble. Al igual que en caso del polietileno, la ruptura del enlace doble genera la unidad estructural que al unirse repetidamente constituyen una larga cadena que forma el poliestireno.

Polimerización del estireno
Polimerización del estireno para formar poliestireno

Los polímeros artificiales se pueden obtener a partir de una mezcla de sustancias sólidas o de una solución. En ambas se induce la polimerización con calor o aplicando radiación gamma, en una reacción que es irreversible. Los polímeros artificiales se agrupan en dos categorías; los polímeros termoplásticos y los termoestables. Una vez que se completa la reacción de polimerización, los polímeros termoestables tienden a ser rígidos y se degradan o descomponen sin ablandarse cuando se los calienta por encima de cierta temperatura. Las resinas epoxi, el poliéster, las resinas acrílicas y el poliuretano son polímeros termoestables, al igual que la baquelita, el kevlar y el caucho vulcanizado. Los polímeros termoplásticos a diferencia de los termoestables, son flexibles y se ablandan y funden por encima de una cierta temperatura, lo que permite moldearlos. Algunos ejemplos de polímeros termoplásticos son el nailon, el teflón, el polietileno y el polipropileno.

Los biopolímeros

Los biopolímeros son quizás menos conocidos que los artificiales, pero son componentes fundamentales de la vida. Los lípidos son biopolímeros, en este caso triglicéridos cuyos monómeros son el glicerol y los ácidos grasos. Y las proteínas son polipéptidos cuyos monómeros son los aminoácidos. Otro ejemplo son los ácidos nucleicos: el ácido desoxirribonucleico, el ADN,  y el ácido ribonucleico, el ARN, cuyos monómeros son nucleótidos que a su vez se componen de bases nitrogenadas, de ribosa, que es un azúcar (un monosacárido tipo pentosa, es decir, con cinco átomos de carbono) y de un grupo fosfato. Los carbohidratos también son biopolímeros, bien polisacáridos, como la celulosa y el almidón, o bien oligopolímeros disacáridos, como la sacarosa (el azúcar común) y la lactosa, que son polímeros cuyos monómeros son monosacáridos, es decir, azúcares simples, siendo el monosacárido más común la glucosa.

Un ejemplo de biopolímero: la celulosa

El biopolímero más abundante es la celulosa, pues forma la mayor parte de la biomasa de la Tierra al ser un constituyente de la pared celular de la mayoría de los vegetales. Se la encuentra en su forma más pura en el algodón, y es el principal componente del papel y de muchos otros productos que utilizamos en la vida cotidiana.

El monómero de la celulosa es la beta glucosa (C6H12O6, ver figura siguiente). Cuando un grupo hidroxilo de los lados de dos anillos bencénicos de la beta glucosa se sustituye por un puente de oxígeno, liberando una molécula de agua (H2O), se produce una reacción que al repitirse de cientos a miles de veces forma las largas cadenas de celulosa. La fórmula de la celulosa es (C6H10O5)n, donde el valor mínimo de n es 200.

Formación de la celulosa a partir de la polimerización de la beta glucosa.
Formación de la celulosa a partir de la polimerización de la beta glucosa.

Fuentes

Cowie, J. M. G., Arrighi, V. Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials. Tercera edición, CRC Press, Boca Raton, 2007.

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Jensen, W. B. The Origin of the Polymer Concept. Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.

Young, R. J., Lovell P. A. Introduction to Polymers. Tercera edición. Boca Raton, LA: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2011.

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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