El rol de los lípidos en el proceso de Saponificación. La saponificación es el proceso químico usado en la producción industrial y artesanal de jabones a lo largo de todo el mundo durante más de 2500 años. El término saponificación viene del latín; la palabra latina saponis, que significa jabón, nos da una idea del origen del nombre y su verdadero significado: Hacer Jabón. Cuenta la leyenda Romana que en el Monte Sapo apareció el primer jabón una vez que se mezclase la grasa de animales sacrificados con cenizas de productos quemados, de naturaleza básica, produciéndose una sustancia blanquecina que ayudaba a limpiar mejor la ropa. Jabones En términos específicos la saponificación es la hidrólisis en medio básico de los ésteres, cuyos productos característicos son alcoholes y iones de ácidos carboxílicos. Dependiendo de la naturaleza del éster, se pueden producir iones derivados de ácidos grasos (figura 1). La sal metálica (sódica o potásica) de los ácidos grasos que se obtienen es lo que se denomina jabón. El jabón está compuesto químicamente por un grupo carboxilato (COO-) en un extremo, cargado negativamente y de naturaleza hidrofílica, generalmente se le denomina la cabeza del jabón (figura 2.a). Esta cabeza está unida a una larga cadena de hidrocarburos, apolar, hidrofóbica y lipofilica que representa la cola del jabón tal como se muestra en la figura 2.a. La figura 2.b muestra la composición de un jabón indicando su potencial electrostático, resaltando su carga negativa en la parte polar representada de color rojo y la parte apolar de la molécula de color verde. Figura 1. formula estructural del ion carboxilato
2.a 2.b Figura 2.a y 2.b. Representaciones de una molécula de jabón En el agua las moléculas de jabón adoptan formas características; entre 100 y 200 moléculas de jabón se distribuyen formando micelas (figura 3), estructuras esféricas ordenadas muy estables, donde las cabezas hidrofílicas se proyectan hacia el exterior de la esfera formando enlaces hidrógeno con las moléculas de agua circundantes. Por consiguiente las colas apolares hidrofóbicas se distribuyen en el interior de la esfera evitando el contacto con el agua y atrayéndose entre sí debido a sus tendencias lipofílicas. Figura 3. Representación de una micela en el agua Los jabones son útiles como agentes de limpieza debido al carácter anfipático de la molécula. Como la micela de jabón es permeable a los lípidos una gota de grasa puede disolverse y quedar dentro de la micela de un jabón, formando una emulsión (figura 4). La gota de emulsión se suspende fácilmente en agua debido a la presencia de iones carboxilato, permitiendo su posterior eliminación.
Figura 4. Representación de una emulsión El proceso de saponificación se puede realizar mediante dos procedimientos distintos: En el primer proceso el triglicérido es purificado y después se hace reaccionar directamente con soda caustica para producir una solución acuosa de jabón y glicerina. Luego el jabón es separado por extracción. En el proceso de destilación de ácidos grasos DFA los triglicéridos son hidrolizados en un medio acuoso que libera a los ácidos grasos. La glicerina fluye junto al exceso de agua. El ácido graso en bruto se purifica por destilación y luego se hace reaccionar con soda caustica formando el jabón En cualquiera de los dos casos el mecanismo a nivel molecular es más o menos el mismo: El ion hidróxido OH, de naturaleza nucleofílica, obtenido del medio básico en el que se encuentra, ataca al grupo carbonilo, de naturaleza electrofílica, del éster para formar, primeramente un grupo intermedio. Este grupo intermedio se forma al romperse el doble enlace del grupo carbonilo y recibir en su lugar al ión hidróxido en forma de una adición nucleofila (Figura 5.b). Una vez ocurrido esto se produce un compuesto muy inestable que favorece la eliminación del alcóxido debido a la densidad electrónica negativa del oxígeno del grupo
carbonilo y la densidad electrónica positiva del carbono del mismo grupo. Esta inestabilidad se detiene una vez que se vuelve a formar el doble enlace carbono hidrógeno del grupo carbonilo (figura 5.c). La eliminación del ion alcóxido da lugar a un ácido carboxílico en el lugar del éster original (figura 1.c), sin embargo debemos recordar que la reacción ocurre en un medio básico. Es por esto que se produce una reacción acido-base entre el ácido carboxílico y el alcóxido, ocurriendo una reacción muy favorable y de paso muy exotérmica, transfiriendo un protón desde el ácido hasta el ion (figura 5.d). Los productos formados son el ion carboxilato y un alcohol derivado del alcóxido. Habiéndose completado el proceso de saponificación. (b) (c) (d) Figuras 5. a, b, c, d. Representaciones del proceso de saponificación a nivel molecular. Este ion carboxilato es el que, en algún momento de la reacción, debe enlazarse a un compuesto iónico (generalmente sodio o potasio) para formar el mencionado jabón. El momento en el que ocurre esta adición marca la diferencia de ambos procesos ya mencionados. Los reactivos principales en la saponificación son materia grasa de triglicéridos, un tipo específico de lípidos, y soda caustica, mientras que el producto principal es el jabón y la glicerina como subproducto.
Lipidos Los lípidos son ésteres orgánicos de origen natural, muy poco solubles en agua, pero solubles en compuesto apolares o débilmente polares. Incluyen muchos tipos de compuestos y una amplia variedad de otros grupos funcionales, sin embargo todos tienen un origen común; son derivados de la glucosa. Los lípidos simples son aquellos que no se hidrolizan fácilmente en disolución acuosa ácida o básica, y no son utilizados en la saponificación. Se consideraran tres importantes grupos dentro de estos lípidos: esteroides, prostaglandinas y terpenos. Los lípidos complejos son aquellos que son fáciles de hidrolizar a constituyentes más simples, también son llamados saponificables. La mayor parte de los lípidos complejos son ésteres de ácidos carboxílicos de cadena larga denominados ácidos grasos. Los principales grupos de los esteres de ácidos grasos son las ceras, esfingolípidos y glicéridos, los elegidos para el proceso de saponificación Los glicéridos son ésteres de ácidos grasos simples con un triol específico: la glicerina o glicerol, propano-1,2,3-triol (figura 6). Según la cantidad de grupos OH sustituidos reciben los nombres de mono-, di- y tri-acilglicéridos según tengan uno, dos o los tres grupos OH sustituidos respectivamente. Los ácidos grasos obtenidos de los triglicéridos comunes son ácidos carboxílicos lineales, con un numero entre 12 y 20 átomos de carbono generalmente par estos y sus cadenas pueden estar saturadas o insaturadas. Si la glicerina está sustituida por un sólo tipo de ácidos grasos recibe el nombre de grasa sencilla (figura 6) y si esto no ocurre estamos en presencia de grasas mixtas (figura 7).
Figura 6. Representación estructural de las moléculas constituyentes de un triglicérido sencillo. Figura 7. Distintas representaciones de triglicéridos mixtos Según sus puntos de fusión las grasas son clasificadas en sebos y aceites dependiendo de si están en estado sólido o líquido respectivamente, sin embargo esta denominación no es exacta porque dependiendo del lugar y temperatura donde se encuentre el estado de algunas grasas puede variar por lo que le denominaremos simplemente grasas. La materia grasa es el componente principal en los jabones tradicionales abarcando entre el 70 y 80% del peso del mismo. Esta materia grasa es obtenida de los triglicéridos de aceites vegetales y grasas animales. En la producción de detergentes se prefiere la utilización de iones sulfónatos, sales derivadas de acidos sulfónicos, en vez de iones carboxilatos, debido a la tendencia de los segundos a precipitar en forma de ácidos carboxílicos en el medio acido provisto por las aguas duras de algunas partes del mundo. Los sulfonatos, bases conjugadas de los ácidos sulfónicos, son menos básicos por lo que no reaccionan con los componentes ácidos de las aguas duras tales como iones Ca+2, Mg+2 y Fe+3.
Contaminación El mayor contaminante producido en la industria de producción de jabones es la denominada lejía de saponificación, que contiene toda la glicerina obtenida en el proceso como subproducto y puede ser liberada al ambiente por la industria a través de alcantarillados o directamente al mar o ríos destinados para esto. La etapa final de producción de jabón produce una gran variedad de contaminantes. En la etapa de secado se produce material particulado que pasa por equipos de reciclaje, dependiendo de la eficiencia de estos se puede determinar la cantidad de materia emitida a la atmósfera. Se producen residuos sólidos de jabón en los procesos de compresión y corte de jabón y dependiendo de la calidad de los residuos pueden ser recogidos y posteriormente reciclados. No podemos olvidar tampoco los contaminantes emitidos por procesos terciaros en la producción de jabón, tales como combustión, refrigeración y almacenamiento, junto con los malos olores producidos en las plantas de jabón y gran cantidad de vapor de agua emitido a la atmósfera.
Referencias: - Soap Manufacturing Technology : Spitz, Luis, AOCS Press, (Madrid 2009) (509pp); Chapter 12. - Wade : L. G. Wade, Química Orgánica, Quinta Edición, Prentice Hall, 2004 (1220 pp); capítulo 25. http://www.quimicaorganica.org/esteres/449-hidrolisis-basica-de-esteres-saponificacion.html, consultada el 10/07/2013 http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/352302/352302_fucon.htm, consultada el 12/07/2013 http://www.epa.gov/ttnchie1/ap42/ch06/final/c06s08.pdf, consultada el 12/07/2013