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La polietilenimina ( PEI ) es un polímero sintético con una estructura única y excelentes propiedades químicas y físicas. Debido a su alta densidad de grupos amina, incluyendo polielectrolitos catiónicos , se considera altamente activo. La PEI se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones, como la purificación de agua, la administración de genes, la nanomedicina, los adhesivos, los recubrimientos y los catalizadores.
En este artículo, presentaremos la estructura química, las propiedades, los métodos de síntesis, los tipos y las aplicaciones industriales y de investigación del PEI en detalle.
Estructura química de la polietilenimina
La polietilenimina tiene la fórmula general (C₂H₅N)ₙ y se fabrica a partir de monómeros de etilenimina o aziridina. Este monómero tiene un anillo de tres miembros altamente reactivo que se abre fácilmente mediante polimerización catiónica.
Hay dos tipos principales de PEI:
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Isla del Príncipe Eduardo ramificada
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Estructura dendrítica, compuesta por una mezcla de aminas primarias, secundarias y terciarias.
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Este tipo se utiliza comúnmente en la síntesis industrial.
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Alta densidad de grupos funcionales activos
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PEI lineal
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Repetición de la estructura de la cadena de amina secundaria a lo largo de la cadena principal del polímero
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Comportamiento biológico más suave, a menudo utilizado en aplicaciones biomédicas.
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Propiedades físicas y químicas
| característica | Cantidad/Descripción |
|---|---|
| condición física | Líquido viscoso (bajo peso molecular) o sólido ceroso (alto peso molecular) |
| color | Incoloro a amarillo claro |
| Solubilidad | Soluble en disolventes polares como agua, etanol, metanol, etc. |
| carga superficial | Cationes, pKa aproximadamente 8–10 |
| Peso molecular | Cientos a millones de Daltons (ajustable) |
| Densidad de la amina | Muy alto (una amina por cada tres átomos) |
Reactividad química
Debido a su alta densidad de grupos amina, el PEI reacciona con una amplia variedad de compuestos orgánicos e inorgánicos, incluidos:
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Absorción de metales pesados
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Se une al ADN y al ARN
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Interacciones con coloides y partículas superficiales
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Reacciones con isocianatos, epóxidos y aldehídos
Método de síntesis de polietilenimina
El PEI se prepara generalmente mediante la polimerización por apertura de anillo de monómeros de aziridina . Esta reacción se lleva a cabo en presencia de un ácido fuerte (como HCl o BF₃), y el producto final puede ser lineal o ramificado.
En el laboratorio, los PEI lineales suelen sintetizarse mediante métodos escalonados más específicos y reacciones protegidas.
Aplicaciones industriales y profesionales del PEI
1. Tratamiento de agua y aguas residuales
El PEI es un polielectrolito catiónico potente que puede eliminar eficazmente sólidos en suspensión, partículas coloidales, colorantes aniónicos e iones de metales pesados. Su mecanismo de acción incluye:
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Neutralización de carga de partículas
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Floculación puente
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Adsorción química de iones metálicos (como Cu²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺)
El PEI también es estable al tratar agua con alta salinidad o pH desequilibrado.
2. Transferencia de genes y nanomedicina
Una de las aplicaciones más importantes del PEI lineal en biomedicina es la transferencia de ADN a las células (transfección génica). El PEI con carga positiva forma un complejo con el ADN con carga negativa y atraviesa la membrana celular.
ventaja:
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Alta eficiencia de transmisión
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Protege el ADN de la degradación enzimática.
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Capacidad de ajustar el tamaño de las nanopartículas
defecto:
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Posible citotoxicidad (especialmente en formas de alto peso molecular)
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Requiere una optimización precisa de la dosis y la estructura.
3. Recubrimientos y adhesivos
El PEI se puede utilizar como aglutinante en adhesivos epóxicos, recubrimientos anticorrosivos y antiestáticos. Su alta adherencia a superficies metálicas y plásticas lo hace atractivo para aplicaciones de ingeniería.
4. Catalizador y portador de reactivo
La estructura amínica del PEI permite fijar iones metálicos o complejos catalíticos. En reacciones orgánicas, el PEI puede utilizarse como soporte para catalizadores homogéneos o heterogéneos.
5. Estabilizador para emulsiones y nanopartículas
En formulaciones cosméticas, farmacéuticas y alimentarias, el PEI se utiliza como emulsionante o estabilizador de sistemas coloidales.
Ventajas y desventajas del PEI
ventaja:
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Reactividad química extremadamente alta
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Capacidad para configurar estructuras lineales o ramificadas
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Excelente solubilidad en agua
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Fuerte rendimiento en la eliminación de metales pesados
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Se puede utilizar en un amplio rango de pH.
defecto:
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Toxicidad biológica (especialmente de alto peso molecular)
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Altamente sensible al calor ( forma inestable)
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Fuerte olor a amina
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El grado médico y el grado nano son caros
Factores que afectan la selección del tipo de PEI
Al seleccionar un tipo de PEI para una aplicación específica, se deben considerar los siguientes factores:
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Peso molecular : el PEI es más eficaz para la adhesión y la floculación; el PEI de bajo peso molecular es más útil para la transferencia de genes.
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Tipo de estructura : el PEI ramificado tiene mayor reactividad, pero el PEI lineal es más adecuado para aplicaciones biológicas.
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Pureza : En aplicaciones biológicas y farmacéuticas, la alta pureza y la ausencia de endotoxinas son cruciales.
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Estabilidad térmica y química : Para aplicaciones industriales, la estabilidad del PEI a la temperatura y al entorno químico es muy importante.
Mercado global de PEI y proveedores
El PEI es fabricado por empresas como BASF (marca Lupasol®), Sigma-Aldrich , Polysciences y Branched Polymers . Está disponible comercialmente en solución acuosa al 50 % o en polvo sólido.
Las crecientes aplicaciones de la nanotecnología, la purificación avanzada y la biotecnología están impulsando la demanda de PEI a nivel mundial.
en conclusión
La polietilenimina (PEI) es un polímero catiónico con una estructura única que ofrece una amplia gama de aplicaciones en las industrias química, biológica, médica y ambiental. Sus propiedades únicas, como su alta densidad de grupos amina, su solubilidad en agua y su alta reactividad, la convierten en la opción ideal para procesos industriales complejos.
Con el desarrollo de nuevas tecnologías como la nanotecnología, las áreas de aplicación del PEI seguirán expandiéndose. Sin embargo, para maximizar el uso de este polímero, se debe prestar especial atención a la seguridad, la toxicidad y la selección estructural.