Propiedades físicas y químicas de la lignina (19-13-7)
Lignina
Biopolímero aromático heterogéneo derivado de plantas, suministrado como polvo amorfo, utilizado como materia prima renovable y aditivo de rendimiento en formulaciones industriales.
| Número CAS | 19-13-7 |
| Familia | Ligninas (biopolímeros aromáticos) |
| Forma típica | Polvo amorfo o sólido granular |
| Grados comunes | EP |
La lignina es un biopolímero aromático heterogéneo de elevado peso molecular perteneciente a la clase de polímeros estructurales derivados de fenilpropanoides. Estructuralmente, es una red tridimensional irregular formada principalmente por el acoplamiento radicalario oxidativo de tres precursores monolignoles (alcoholes coniferyl, p-cumaril y sinapyl) que producen una mezcla de unidades de fenilpropano conectadas mediante enlaces C–O y C–C (notablemente motivos β–O–4, β–5 y β–β). La cadena principal del polímero es rica en anillos fenilos sustituidos, cadenas laterales alifáticas y funcionalidades oxigenadas (OH fenólicos, grupos metoxi y carbonilos ocasionales), lo que confiere a la lignina un carácter electrónico predominantemente aromático con densidad electrónica localizada en los oxígenos fenólicos.
A nivel macroscópico, la lignina presenta fuerte polaridad y comportamiento anfifílico debido a múltiples grupos funcionales polares (hidroxilos fenólicos y alifáticos, carboxilatos y sulfonatos en formas derivatizadas) junto a dominios aromáticos hidrófobos. Esto resulta en baja solubilidad intrínseca en disolventes no polares y mayor solubilidad en medios alcalinos o en presencia de contraiones iónicos para derivados sulfonados. La lignina es químicamente resistente a hidrólisis simple pero susceptible a despolimerización oxidativa y fragmentación alcalina; el tratamiento térmico tiende a producir carbón y fenoles volátiles pequeños en lugar de volatilización limpia. Su relevancia industrial y biológica es sustancial: la lignina proporciona resistencia mecánica y control del transporte de agua en plantas vasculares y es un coproducto principal de procesos de pulpeo y biorrefinación, donde la despolimerización controlada es un desafío clave para la valorización.
Los grados comerciales habituales reportados para esta sustancia incluyen: EP.
Resumen molecular
Peso molecular y composición
El descriptor molecular suministrado corresponde a una especie derivatizada de bajo peso molecular definida con fórmula \(\ce{C18H13N3Na2O8S2}\). El peso molecular calculado es \(509.4\ \mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\). Las masas exacta y monoisotópica se reportan como \(508.99394529\ \mathrm{Da}\).
Nota: el material comercial y de investigación etiquetado como "lignina" se refiere frecuentemente a fracciones macromoleculares heterogéneas cuyos pesos y composiciones moleculares medios varían ampliamente según la fuente de biomasa y el método de extracción; muchos registros analíticos o de reactivos representan en cambio pequeños compuestos modelo o fracciones derivatizadas y solubles en agua de lignina.
Carga, polaridad y logP
La carga formal computada para el derivado mostrado es neutra (carga global 0 al incluir contraiones), pero la estructura contiene dos aniones sulfonato balanceados por cationes sodio, formando una sal con alto carácter iónico. El área superficial polar topológica (TPSA) es de \(205\ \mathrm{\AA}^2\), y la molécula presenta múltiples aceptores de enlaces de hidrógeno (10) y donadores (2), consistente con alta hidrofobicidad para la forma derivatizada. El conteo de enlaces rotables es 3 y el número de átomos pesados es 33, indicando una molécula pequeña, polar y compacta en lugar de una red polimérica.
No existe valor experimentalmente establecido para el coeficiente de reparto (logP) en el contexto de los datos actuales.
Clasificación bioquímica
En contextos biológicos e industriales, la lignina se clasifica como un polímero aromático derivado de fenilpropanoides (un biopolímero estructural en paredes celulares secundarias de plantas). Funcionalmente, es un polímero amorfo e irregular formado por acoplamiento radicalario de monolignoles; la sustitución y ramificación heterogéneas resultan en solubilidad y reactividad variables. Las muestras analíticas y grados de reactivos pueden representarse por análogos sulfonados u otros derivados de bajo peso molecular para aumentar solubilidad en agua y simplificar caracterización.
Comportamiento químico
Estabilidad y degradación
La lignina es químicamente robusta en condiciones neutras; su red de enlaces carbono-carbono y aril-éter proporciona resistencia a la escisión hidrolítica simple. La descomposición térmica da principalmente carbón y mezclas complejas de compuestos fenólicos volátiles; el material se entrecruza y carboniza en vez de presentar un punto de ebullición definido. Los tratamientos oxidativos (oxidantes químicos, oxidasas como lignina-peroxidasa y lacasa en sistemas biológicos) escinden anillos aromáticos y enlaces éter, siendo rutas efectivas para la despolimerización. En condiciones fuertemente alcalinas muchas fracciones de lignina se disuelven y fragmentan, mientras que ácidos concentrados promueven reacciones de condensación que aumentan peso molecular aparente y disminuyen solubilidad.
Hidrólisis y transformaciones
La escisión hidrolítica de la lignina es relativamente lenta; no obstante, la hidrólisis alcalina y procesos de sulfitación/sulfonación (empleados industrialmente para producir lignosulfonatos) aumentan la solubilidad introduciendo grupos aniónicos sulfonato. Las estrategias de despolimerización suelen dirigirse a enlaces éter β–O–4 mediante rutas reductivas, oxidativas, catalíticas o hidrolíticas para obtener monómeros y oligómeros fenólicos. La escisión oxidativa puede convertir sustituyentes metoxi y fenólicos en ácidos carboxílicos o estructuras tipo quinona. La derivatización (acetilación, sulfonación, metilación) es común para alterar solubilidad, reactividad y comportamiento analítico.
Función biológica
Rol funcional y vías biosintéticas
La lignina funciona como polímero estructural principal en plantas vasculares, proporcionando resistencia mecánica, hidrofobicidad de paredes celulares y protección contra ataques microbianos. Biosintéticamente, la lignina se forma vía la vía de fenilpropanoides produciendo monolignoles (alcoholes p-cumaril, coniferyl y sinapyl) que son oxidativamente convertidos en radicales y luego polimerizados mediante acoplamiento radicalario. La variabilidad en la incorporación de monolignoles y la naturaleza aleatoria del acoplamiento radicalario generan un polímero heterogéneo adaptado a especie, tipo de tejido y estadio de desarrollo.
Contexto fisiológico y celular
En las paredes celulares secundarias de plantas la lignina se deposita en la matriz que rodea microfibrillas de celulosa y hemicelulosas, contribuyendo a rigidez y reducción de permeabilidad celular. La polimerización está mediada por enzimas oxidativas (peroxidasas y lacasas) que generan radicales fenólicos; el crecimiento polimérico localizado y el entrecruzamiento resultan en arquitecturas tridimensionales complejas. Biológicamente, la lignificación modula el transporte de agua (al conferir hidrofobicidad a elementos del xilema), integridad estructural y defensa frente a patógenos. Sistemas microbianos y enzimáticos capaces de modificar lignina son de interés para la valorización de biomasa.
Identificadores y sinónimos
Números de registro y códigos
- Número CAS: 19-13-7
- Fórmula molecular: \(\ce{C18H13N3Na2O8S2}\)
- Peso molecular: \(509.4\ \mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\)
- Masa exacta / Masa monoisotópica: \(508.99394529\ \mathrm{Da}\)
- Área superficial polar topológica (TPSA): \(205\ \mathrm{\AA}^2\)
- Donantes de enlace de hidrógeno: 2; aceptores de enlace de hidrógeno: 10
- Recuento de enlaces rotacionales: 3
- Carga formal: 0
- Nombre IUPAC (calculado): disodio;4-acetamido-5-hidroxi-6-fenildiazenilnaftaleno-1,7-disulfonato
- InChI:
InChI=1S/C18H15N3O8S2.2Na/c1-10(22)19-13-7-8-14(30(24,25)26)12-9-15(31(27,28)29)17(18(23)16(12)13)21-20-11-5-3-2-4-6-11;;/h2-9,23H,1H3,(H,19,22)(H,24,25,26)(H,27,28,29);;/q;2*+1/p-2 - InChIKey:
RLLNZXVKBYGKIP-UHFFFAOYSA-L - SMILES:
CC(=O)NC1=C2C(=C(C=C1)S(=O)(=O)[O-])C=C(C(=C2O)N=NC3=CC=CC=C3)S(=O)(=O)[O-].[Na+].[Na+]
Sinónimos y Nombres Biológicos
Los sinónimos reportados y nombres depositados incluyen: - Lignina - LIGNIN - Ligninas - disodio;4-acetamido-5-hidroxi-6-fenildiazenilnaftaleno-1,7-disulfonato - Disodio 4-(acetilamino)-5-hidroxi-6-(fenilazo)naftaleno-1,7-disulfonato
(Existen varios sinónimos suministrados por depositantes y sinónimos históricos que reflejan formas derivatizadas, fraccionadas o analíticas; la nomenclatura varía según el método de preparación.)
Resumen de Seguridad y Manipulación
La lignina y sus derivados generalmente presentan bajo peligro agudo en muchas formulaciones; informes agregados industriales indican que la mayoría de los materiales comerciales de lignina no cumplen criterios para clasificación dentro de categorías comunes de peligrosidad. Sin embargo, la forma física y las impurezas influyen en el riesgo: los polvos de lignina pueden representar peligros de inhalación y explosión de polvo; ciertas fracciones derivatizadas o contaminadas pueden contener niveles bajos de impurezas peligrosas.
Se recomiendan precauciones estándar de higiene industrial y manipulación: - Utilizar equipo de protección personal adecuado (guantes, protección ocular y bata de laboratorio); para materiales polvorientos, se aconseja protección respiratoria y ventilación local de extracción. - Evitar la formación y acumulación de polvo en suspensión; implementar control de polvo y orden/limpieza. - Almacenar en un lugar fresco, seco, bien ventilado y en recipientes sellados para limitar la absorción de humedad y el crecimiento microbiano; proteger derivados fotosensibles de exposición prolongada a luz fuerte si procede. - En caso de derrames y residuos, recoger el material sólido por métodos en seco siempre que sea seguro; evitar dispersión y seguir la normativa local de eliminación de residuos.
Para información detallada sobre peligros, transporte y regulaciones, los usuarios deben consultar la Hoja de Datos de Seguridad (SDS) específica del producto y la legislación local aplicable.
Manipulación y Almacenamiento de Materiales Bioquímicos
Al manipular fracciones de lignina biológica o derivada de biomasa en contextos de investigación o producción, consideraciones adicionales incluyen el control de contaminación microbiana (almacenar seco o refrigerado según corresponda), monitoreo de estabilidad (decoloración oxidativa con el tiempo), y segregación de agentes oxidantes fuertes o agentes reductores que puedan alterar las propiedades del polímero. El control de calidad típicamente supervisa contenido de humedad, cenizas/residuo inorgánico y solubilidad en disolventes designados para la aplicación prevista. Para aplicaciones críticas (por ejemplo, aditivos alimentarios o excipientes farmacéuticos), seleccionar grados de material que cumplan con las expectativas de calidad farmacopéica o normativa correspondientes.
