Simulaciones por computadora de moléculas de PEG y POM en agua. Izquierda:las moléculas de PEG se disuelven en agua. Centro:las moléculas de POM no se disuelven en agua, pero se pegan en un bulto. Derecha:cuando la carga de los átomos de oxígeno se cambia al valor en PEG, las moléculas de POM se disuelven rápidamente. Crédito:HIMS
Las moléculas de poliéter tienden a disolverse mejor en agua ya que contienen más oxígeno y menos átomos de carbono. Pero hay excepciones muy contrarias a la intuición a esta tendencia, el más conocido es el plástico POM ampliamente utilizado. Tiene la relación oxígeno / carbono más alta posible, pero es completamente insoluble. En el número actual de Comunicaciones de la naturaleza , Investigadores de la Universidad de Amsterdam y el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz ahora presentan una explicación definitiva.
Los investigadores, en particular, arrojaron luz sobre las diferencias de solubilidad entre los poliéteres PEG (polietilenglicol) y POM (polioximetileno) que están en todas partes en nuestra vida diaria. PEG tiene muchas aplicaciones en soluciones acuosas para fines farmacéuticos y cosméticos, por ejemplo en cremas para el afeitado y el cuidado de la piel. POM es un material plástico omnipresente:muchos objetos de la vida diaria están hechos de POM, al igual que los clips Keck de colores brillantes para conectar cristalería, bien conocido por todos los químicos.
Aunque estos dos poliéteres son muy parecidos a nivel molecular, tienen solubilidades en agua muy contradictorias. PEG (unidad de repetición -CH 2 -CH 2 -O-) es perfectamente soluble, y todos los estudiantes de química pueden decirte por qué:los átomos de oxígeno en PEG tienen una carga ligeramente negativa, lo que los hace hidrófilos. Esta explicación parece estar confirmada por el polímero comparable PPG (polipropilenglicol, unidad de repetición-CH 2 -CH 2 -CH 2 -O-):contiene relativamente menos átomos de oxígeno que PEG, y es menos soluble, lo cual es perfectamente lógico.
Pero espere:POM (unidad de repetición -CH 2 -O-) contiene relativamente más átomos de oxígeno que PEG, por lo que la explicación sugeriría una mayor solubilidad. Sin embargo, ¡POM es completamente insoluble!
La inducción como principio explicativo
Para desentrañar el misterio los investigadores de Amsterdam y Mainz utilizaron una combinación de espectroscopia infrarroja de femtosegundo, experimentos de relajación dieléctrica, cálculos cuánticos y simulaciones por ordenador.
Los experimentos mostraron que la interacción agua-polímero, que determina la solubilidad, depende en gran medida de la relación carbono / oxígeno del polímero. Curiosamente, Los cálculos cuánticos mostraron que esta dependencia no se debe a la distancia entre los átomos de oxígeno en la cadena del polímero. Esto se ha propuesto a menudo, con la idea de que la distancia oxígeno-oxígeno en PEG encaja mejor en la red de enlaces de hidrógeno del agua.
En Nature Communications, los investigadores ahora muestran que la relación entre la relación carbono / oxígeno y la solubilidad implica inducción:los átomos de oxígeno están cargados negativamente porque retiran la densidad de electrones de los átomos de carbono vecinos en la cadena del polímero. En PEG, cada átomo de oxígeno tiene dos átomos de carbono vecinos a su disposición para extraer la densidad de electrones. En POM, sin embargo, los átomos de oxígeno tienen que "compartir" los átomos de carbono entre ellos, y por lo tanto puede extraer menos densidad de electrones. Como resultado, la carga negativa parcial de los átomos de oxígeno en POM es aproximadamente dos veces más baja que en PEG. El concepto de inducción explicaría así perfectamente por qué POM es mucho menos hidrófilo, y por lo tanto insoluble.
Confirmación elegante
Para confirmar que la diferencia en la carga parcial de oxígeno explica la diferencia de solubilidad, los investigadores teóricos del equipo llevaron a cabo un elegante experimento informático. Primero, simularon una solución de moléculas de POM, que precipitó como se esperaba. Cuando luego cambiaron las cargas de oxígeno de POM a las calculadas para PEG, las cargas de POM con PEG se disolvieron rápidamente.
Además de resolver un antiguo misterio relacionado con los materiales cotidianos, Los resultados muestran que los efectos de la inducción pueden tener un impacto importante en las solubilidades. Tener en cuenta este efecto debería facilitar la predicción de solubilidades en el futuro.
