Micela

Una micela ( / m aɪ ˈ s ɛ l / ; también escrita micell ^{[ 4 ]} ) o micela ( / m aɪ ˈ s ɛ l ə / ) ( pl. micelas o micelas , respectivamente) es un agregado (o ensamblaje supramolecular ) de moléculas lipídicas anfipáticas surfactantes dispersas en un líquido, formando una suspensión coloidal (también conocida como sistema coloidal asociado). ^{[ 5 ]} Una micela típica en agua forma un agregado, con las regiones hidrofílicas de la "cabeza" en contacto con el disolvente circundante , secuestrando las regiones hidrofóbicas de la cola única en el centro de la micela.

Esta fase se debe al comportamiento de empaquetamiento de los lípidos de una sola cola en una bicapa . La dificultad para llenar el volumen del interior de la bicapa, al tiempo que se acomoda el área por grupo de cabeza impuesta a la molécula por la hidratación del grupo de cabeza lipídico, conduce a la formación de la micela. Este tipo de micela se conoce como micela de fase normal (o micela de aceite en agua). Las micelas inversas tienen los grupos de cabeza en el centro y las colas extendiéndose hacia afuera (o micela de agua en aceite).

Las micelas tienen una forma aproximadamente esférica. También son posibles otras formas, como elipsoides, cilindros y bicapas. La forma y el tamaño de una micela dependen de la geometría molecular de sus moléculas surfactantes y de las condiciones de la solución, como la concentración del surfactante, 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 . ^{[ 6 ]}

La capacidad de una solución jabonosa para actuar como detergente se conoce desde hace siglos. Sin embargo, no fue hasta principios del siglo XX que se estudió científicamente la constitución de dichas soluciones. James William McBain, de la Universidad de Bristol , realizó un trabajo pionero en este campo . Ya en 1913, postuló la existencia de "iones coloidales" para explicar la buena conductividad electrolítica de las soluciones de palmitato de sodio . ^{[ 7 ]} Estos cúmulos altamente móviles, formados espontáneamente, pasaron a denominarse micelas, término tomado de la biología y popularizado por G. S. Hartley en su libro clásico Paraffin Chain Salts: A Study in Micelle Formation . ^{[ 8 ]} El término micela se acuñó en la literatura científica del siglo XIX como el diminutivo -elle de la palabra latina mica (partícula), que designaba una nueva palabra para "partícula diminuta". ^{[ 9 ]}

Las moléculas individuales de surfactante que se encuentran en el sistema pero no forman parte de una micela se denominan monómeros . Las micelas representan un ensamblaje molecular en el que los componentes individuales se encuentran termodinámicamente en equilibrio con los monómeros de la misma especie presentes en el medio circundante. En agua, las cabezas hidrófilas de las moléculas de surfactante siempre están en contacto con el disolvente, independientemente de si los surfactantes existen como monómeros o como parte de una micela. Sin embargo, las colas lipofílicas de las moléculas de surfactante tienen menor contacto con el agua cuando forman parte de una micela; esta es la base del impulso energético para la formación de micelas. En una micela, las colas hidrófobas de varias moléculas de surfactante se ensamblan en un núcleo oleoso, cuya forma más estable no tiene contacto con el agua. Por el contrario, los monómeros de surfactante 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 , tiene una estructura cristalina parecida al hielo y puede caracterizarse según su efecto hidrófobo. El grado de solubilidad de los lípidos está determinado por la contribución entrópica desfavorable debida al ordenamiento de la estructura del agua según el efecto hidrofóbico.

Las micelas compuestas de 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. La adición de 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. ^{[ 10 ]} Esto se observa con mayor precisión desde el punto de vista de una carga efectiva en la hidratación del sistema.

Las micelas se forman solo cuando la concentración de surfactante es mayor que la concentración micelar crítica (CMC) y la temperatura del sistema es mayor que la temperatura micelar crítica, o temperatura de Krafft . La formación de micelas se puede comprender mediante la termodinámica : las micelas se forman espontáneamente debido a un equilibrio entre la entropía y la entalpía . En el agua, el efecto hidrofóbico es la fuerza impulsora de la formación de micelas, a pesar de que el ensamblaje de las moléculas de surfactante es desfavorable en términos de entalpía y entropía del sistema. A concentraciones muy bajas de surfactante, solo hay monómeros presentes en la solución. A medida que aumenta la concentración de surfactante, se alcanza un punto en el que la contribución desfavorable de la entropía, debida al agrupamiento de las colas hidrofóbicas de las moléculas, se compensa con una ganancia de entropía debido a la liberación de las capas de solvatación alrededor de las colas del surfactante. En este punto, las colas lipídicas de una parte de los surfactantes deben separarse del agua. Por lo tanto, comienzan a formar micelas. En términos generales, por encima de la CMC, la pérdida de entropía debida al ensamblaje de las moléculas de surfactante es menor que la ganancia de entropía que se produce al liberar las moléculas de agua que estaban "atrapadas" en las capas de solvatación de los monómeros de surfactante. También son importantes las consideraciones entálpicas, como las interacciones electrostáticas que se producen entre las partes cargadas de los surfactantes.

La ecuación del parámetro de empaquetamiento de micelas se utiliza para ayudar a "predecir el autoensamblaje molecular en soluciones de surfactantes": ^{[ 11 ]}

${\displaystyle {\frac {v_{o}}{a_{e}\ell _{o}}}}$

dónde${\displaystyle v_{o}}$es el volumen de la cola del surfactante,${\displaystyle \ell _{o}}$es la longitud de la cola, y${\displaystyle a_{e}}$es el área de equilibrio por molécula en la superficie del agregado.

El concepto de micelas se introdujo para describir los agregados de núcleo-corona de pequeñas moléculas de surfactante ; sin embargo, también se ha extendido para describir agregados de copolímeros de bloque anfifílicos en disolventes selectivos. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Es importante conocer la diferencia entre estos dos sistemas. La principal diferencia entre estos dos tipos de agregados radica en el tamaño de sus unidades estructurales. Las moléculas de surfactante tienen un peso molecular que generalmente es de unos pocos cientos de gramos por mol, mientras que los copolímeros de bloque suelen ser uno o dos órdenes de magnitud mayores. Además, gracias a las partes hidrofílicas e hidrofóbicas más grandes, los copolímeros de bloque pueden tener una naturaleza anfifílica mucho más pronunciada en comparación con las moléculas de surfactante.

Debido a estas diferencias en los componentes básicos, algunas micelas de copolímeros de bloque se comportan como tensioactivos, mientras que otras no. Por lo tanto, es necesario distinguir entre ambas situaciones. Las primeras se denominan micelas dinámicas, mientras que las segundas se conocen como micelas cinéticamente congeladas.

En un disolvente no polar , la exposición de los grupos hidrófilos al disolvente circundante es energéticamente desfavorable, dando lugar a un sistema de agua en aceite. En este caso, los grupos hidrófilos se encuentran confinados en el núcleo de la micela, mientras que los grupos hidrófobos se extienden hacia afuera del centro. Estas micelas inversas tienen una probabilidad proporcionalmente menor de formarse al aumentar la carga de los grupos hidrófilos, ya que el confinamiento hidrófilo generaría interacciones electrostáticas altamente desfavorables.

Está bien establecido que para muchos sistemas surfactante/disolvente, una pequeña fracción de las micelas inversas adquiere espontáneamente una carga neta de +q _e o -q _e . Esta carga se produce a través de un mecanismo de desproporción/comproporción 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 que aproximadamente 1 de cada 100 a 1 de cada 100 000 micelas estarán cargadas. ^{[ 20 ]}

Una supermicela es una estructura micelar jerárquica ( ensamblaje supramolecular ) donde los componentes individuales también son micelas. Las supermicelas se forman mediante métodos químicos ascendentes , como el autoensamblaje de micelas cilíndricas largas en patrones radiales con forma de cruz, estrella o diente de león en un disolvente especialmente seleccionado; se pueden añadir nanopartículas sólidas a la solución para que actúen como centros de nucleación y formen el núcleo central de la supermicela. Los tallos de las micelas cilíndricas primarias están compuestos por varios copolímeros de bloque conectados por fuertes enlaces covalentes ; dentro de la estructura de la supermicela, se mantienen unidos de forma laxa mediante enlaces de hidrógeno , interacciones electrostáticas o solvofóbicas . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Cuando los tensioactivos se encuentran por encima de la concentración micelar crítica (CMC), pueden actuar como emulsionantes , permitiendo la disolución de compuestos normalmente insolubles en el disolvente utilizado. Esto se debe a que las especies insolubles se incorporan al núcleo de la micela, que a su vez se solubiliza en el disolvente gracias a las interacciones favorables de los grupos de cabeza con las especies del disolvente. El ejemplo más común de este fenómeno son los detergentes , que limpian materiales lipofílicos poco solubles (como aceites y ceras) que no pueden eliminarse solo con agua. Los detergentes también limpian reduciendo la tensión superficial del agua, lo que facilita la eliminación del material de una superficie. La propiedad emulsionante de los tensioactivos es, además, la base de la polimerización en emulsión .

Las micelas también pueden desempeñar funciones importantes en las reacciones químicas. La química micelar utiliza el interior de las micelas para albergar reacciones químicas, lo que en algunos casos puede hacer más factible la síntesis química en múltiples etapas. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Esto puede aumentar el rendimiento de la reacción, crear condiciones más favorables para productos de reacción específicos (por ejemplo, moléculas hidrofóbicas) y reducir los disolventes, subproductos y condiciones requeridas (por ejemplo, pH extremo). Debido a estos beneficios, la química micelar se considera una forma de química verde . ^{[ 25 ]} Sin embargo, la formación de micelas también puede inhibir reacciones químicas, como cuando las moléculas reaccionantes forman micelas que protegen un componente molecular vulnerable a la oxidación. ^{[ 26 ]}

El uso de micelas catiónicas de cloruro de cetrimonio , cloruro de bencetonio y cloruro de cetilpiridinio puede acelerar las reacciones químicas entre compuestos con carga negativa (como el ADN o la coenzima A ) en un medio acuoso hasta 5 millones de veces. ^{[ 27 ]} A diferencia de la catálisis micelar convencional, ^{[ 28 ]} las reacciones ocurren únicamente en la superficie de las micelas cargadas.

La formación de micelas es esencial para la absorción de vitaminas liposolubles y lípidos complejos en el organismo. Las sales biliares, formadas en el hígado y secretadas por la vesícula biliar, permiten la formación de micelas de ácidos grasos. Esto posibilita la absorción de lípidos complejos (como la lecitina) y vitaminas liposolubles (A, D, E y K) presentes en la micela a través del intestino delgado.

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

Las micelas también pueden utilizarse para la administración dirigida de fármacos como nanopartículas de oro. ^{[ 29 ]}

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