Polietilenglicol (PEG)

Introducción

El polietilenglicol o glicol de polietileno (PEG) es un poliéter con muchas aplicaciones desde la industria manufacturera hasta la industria medicinal. Los glicoles de polietileno (PEG) y los metoxipolietilenglicoles (MPEG) son algunos de los ingredientes químicos más versátiles utilizados ya sea para mejorar los procesos de producción, en aplicaciones como agentes de liberación de moldes, lubricantes, agentes antiestáticos y otros coadyuvantes de elaboración o también como productos químicos intermedios, lo que resulta en productos para control de la espuma y espesantes. También son ampliamente utilizados en la industria médica y química.

El PEG es también conocido como óxido de polietileno (PEO) o de polioxietileno (POE), considerando su estructura química.
Los polietilenglicoles y metoxipolietilenoglicoles son comercializados bajo la marca CARBOWAX desde la década de 1940 por la empresa Dow.
La fórmula química general para el polietilenglicol es H-(OCH2CH2)n-OH y para el metoxipolietilenglicol es CH3-(OCH2CH2)n-OH, en donde "n" es el número de repetición de grupos oxietileno.

Estructura química
Los acrónimos PEG, PEO o POE refieren a un oligómero o polímero de óxido de etileno. Los tres nombres son químicamente sinónimos.

Estructura química del polietilenglicol

Los PEG son líquidos o sólidos de bajo punto de fusión, en función de sus pesos moleculares. Los PEG se preparan por polimerización de óxido de etileno y están disponibles comercialmente en un amplio intervalo de pesos moleculares de 300 g/mol a 10.000.000 g/mol. Mientras que los PEG con diferentes pesos moleculares encuentran uso en diferentes aplicaciones, y tienen diferentes propiedades físicas (por ejemplo, viscosidad) debido a los efectos de longitud de cadena, sus propiedades químicas son casi idénticas. Diferentes formas de PEG también están disponibles, dependiendo del iniciador usado para el proceso de polimerización. El iniciador más común es un PEG-metil-éter monofuncional o metoxipolietilenglicol (mPEG). Los PEG de bajo peso molecular también están disponibles como oligómeros más puros, que se refiere como monodispersos, uniformes, o discretos. Los PEG de muy alta pureza ha demostrado recientemente ser cristalino, lo que permite la determinación de una estructura cristalina mediante difracción de rayos x. Dado que la purificación y la separación de oligómeros puros es difícil, el precio para este tipo de calidad es a menudo 10-1000 veces mayor que el PEG polidisperso.

Propiedades y características
Los números que se incluyen a menudo en los nombres de los PEG indican sus pesos moleculares medios (por ejemplo, un PEG con n = 9 tendría un peso molecular medio de aproximadamente 400 daltons), y serían etiquetados como PEG 400. La mayoría de PEG incluye moléculas con una distribución de pesos moleculares, es decir, son polidispersos. La distribución del tamaño se puede caracterizar estadísticamente por su peso molecular promedio en peso (Mw) y su peso molecular promedio en número (Mn), la relación de los cuales se llama el índice de polidispersidad (Mw/Mn). El Mw y Mn se pueden medir por espectrometría de masas.
La PEGilación o pegilación es el acoplamiento covalente de una estructura de PEG a otra molécula más grande, por ejemplo, una proteína terapéutica, que se denomina por este motivo como una proteína pegilada. El interferón pegilado alfa-2a o-2b se utilizan comúnmente tratamientos inyectables de la hepatitis C.
El PEG es soluble en agua, metanol, benceno, y diclorometano, y es insoluble en éter dietílico y hexano. Se acopla a moléculas hidrófobas para producir tensoactivos no iónicos.
El PEG contienen posibles impurezas tóxicas, tales como óxido de etileno y 1,4- dioxano. El glicol de etileno es nefrotóxico (sustancia capaz de afectar la función renal) si se aplica a la piel dañada.

Producción

El glicol de polietileno se produce por la interacción de óxido de etileno con agua, etilenglicol u oligómeros de etilenglicol. La reacción es catalizada por catalizadores ácidos o básicos. El etilenglicol y sus oligómeros son preferibles como material de partida en lugar de agua, debido a que permiten la creación de polímeros con una baja polidispersidad (distribución de peso molecular estrecha). Longitud de la cadena de polímero depende de la relación de los reactivos.

Síntesis del PEG

Dependiendo del tipo de catalizador, el mecanismo de polimerización puede ser catiónico o aniónico. El mecanismo aniónico es preferible, ya que permite obtener un PEG con baja polidispersidad. La polimerización de óxido de etileno es un proceso exotérmico. El sobrecalentamiento o contaminantes de óxido de etileno con catalizadores tales como óxidos metálicos o álcalis o de metal puede conducir a la polimerización fuera de control, que puede terminar en una explosión después de unas pocas horas.
El óxido de polietileno o polietilenglicol de alto peso molecular, se sintetiza por polimerización en suspensión. Es necesario sujetar la cadena de polímero en crecimiento en solución en el curso del proceso de policondensación. La reacción es catalizada por compuestos órgano-metálicos de magnesio, aluminio o calcio. Para evitar la coagulación de las cadenas de polímero en solución, se utilizan aditivos quelantes tales como dimetilglioxima.
Se utilizan catalizadores alcalinos, tales como hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido de potasio (KOH), o carbonato de sodio (Na2CO3), para preparar polietilenglicol de bajo peso molecular.
Los polietilenglicoles y los metoxipolietilenglicoles son fabricados por Dow Chemical bajo el nombre comercial de Carbowax para uso industrial, y Carbowax Sentry para uso alimenticio y farmacéutico. Varían en consistencia de líquido a sólido, dependiendo del peso molecular, como se indica por un número a continuación del nombre.

PEG de diferentes pesos moleculares

Aplicaciones principales

Se utilizan comercialmente en numerosas aplicaciones, tales como agentes tensoactivos, en los alimentos, en cosmética, en farmacia, en la biomedicina, como agentes dispersantes, como disolventes, en ungüentos, en bases de supositorios, como excipientes en tabletas y como laxantes. Algunos grupos específicos son lauromacrogol, nonoxinol, octoxinoles y poloxámeros.
El Macrogol, utilizado como un laxante, es una forma de polietilenglicol. El nombre puede ser seguido por un número que representa el peso molecular medio (por ejemplo, macrogol 4000, macrogol 3350 o macrogol 6000).

Usos médicos
El PEG es la base de un gran número de laxantes (por ejemplo, productos que contienen macrogol, tales como Movicol, polietilenglicol 3350, SoftLax, MiraLAX o Glycolax). La irrigación del intestino entero con polietilenglicol y electrolitos añadidos se usa para la preparación del intestino antes de una cirugía o colonoscopía. La preparación se vende bajo  marcas tales como GlycoLax, TriLyte, Colyte, Halflytely, Softlax, ClearLax y MoviPrep. En los Estados Unidos, MiraLAX y Dulcolax Balance se venden sin receta médica para el alivio a corto plazo del estreñimiento crónico. El Miralax está actualmente aprobado por la FDA para los adultos durante un período de siete días, pero no está aprobado para niños. Estos medicamentos ablandan la masa fecal por extracción osmótica de agua en el tracto gastrointestinal. Es generalmente, es bien tolerado, sin embargo, los efectos secundarios son posibles distensiones abdominales, náuseas, gases y diarrea (con el uso excesivo).

Laxante

Cuando se sujetan a varias proteínas de ciertos medicamentos, el polietilenglicol permite un aclaramiento reducido de la proteína llevada por la sangre. Esto hace un efecto medicinal de acción más prolongada y reduce la toxicidad y permite intervalos de dosificación. Los ejemplos incluyen el PEG-interferón alfa (utilizado para el tratamiento de la hepatitis C), y pegfilgrastim (utilizado para el tratamiento de la neutropenia). El polietileno glicol también se usa comúnmente para fusionar las células B (linfocitos B) con células de mieloma (célula tumoral) en la producción de anticuerpos monoclonales (utilizados en medicina para identificación de hormonas, vitaminas, enfermedades infecciosas, etc.). Los anticuerpos monoclonales son unas de las sustancias más utilizadas en los laboratorios de diagnóstico.

PEG-interferón alfa

El PEG se usa como un excipiente en muchos productos farmacéuticos. Variantes de menor peso molecular se utilizan como disolventes en líquidos orales y cápsulas suaves, mientras que las variantes sólidas se utilizan como ungüentos, bases de tabletas, aglutinantes en películas de recubrimientos y lubricantes.
El PEG también se utiliza en gotas para lubricación del ojo.

Gotas para ojos

Usos biológicos

El PEG se usa comúnmente como un precipitante para el aislamiento de ADN plásmido y cristalización de proteínas (La difracción de rayos X de cristales de proteína puede revelar la estructura atómica de las proteínas).
En microbiología, la precipitación con PEG se utiliza para concentrar los virus.
En los bancos de sangre, el PEG se usa como un potenciador para mejorar la detección de antígenos y anticuerpos.

El PEG ha sido utilizado como el bloque hidrófilo de anfifílicos (moléculas que poseen un extremo hidrofílico o sea que es soluble en agua y otro hidrófobo o sea que rechaza el agua) de copolímeros en bloques utilizados para crear algunos polimerosomas (“células artificiales” utilizadas en la administración controlada de medicamentos).

Polimerosoma

Química

Las propiedades de solubilidad en agua hacen, a los PEG, vehículos excelentes para algunos insecticidas y herbicidas. La EPA (Environmental Protection Agency: Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU.) ha aprobado su uso como ingredientes inertes en pesticidas.
El polietilenglicol también se utiliza comúnmente como una fase estacionaria polar para cromatografía de gases. Así como un fluido de transferencia de calor en probadores electrónicos.
El PEG también se ha utilizado para conservar los objetos que han sido rescatados de debajo del agua, como fue el caso con el buque de guerra Vasa en Estocolmo, el Mary Rose en Inglaterra y el Ma'agan Michael barco en Israel. Se reemplaza el agua en objetos de madera, por lo que la madera queda dimensionalmente estable y evitando deformaciones o encogimiento de la madera cuando se seca. Además, el PEG se utiliza cuando se trabaja con madera verde como un estabilizador, y para evitar la contracción.

Proceso de conservación del navío Mary Rose

El PEG se usa a menudo (como un compuesto de calibración interna) en los experimentos de espectrometría de masas, debido a su patrón de fragmentación característico que permite una afinación precisa y reproducible.
Derivados de PEG, tales como etoxilatos de rango estrecho, se utilizan como agentes tensoactivos.
Los segmentos de polímero derivado de PEG imparten flexibilidad en los poliuretanos para aplicaciones tales como fibras elásticas y poliuretanos espumados.

Usos comerciales
El PEG es la base de muchas cremas para la piel (como cetomacrogol) y lubricantes sexuales (con frecuencia en combinación con glicerina).

Crema para la piel (cetomacrogol con 5% de urea)

Se utiliza en una serie de pastas de dientes como un dispersante. En esta aplicación, se une el agua y ayuda a mantener la goma de xantano distribuida uniformemente por toda la pasta de dientes.

En formulaciones de bajo peso molecular (por ejemplo PEG 400) se utiliza en algunas impresoras (HP) como un disolvente de tinta y lubricante para los cabezales de impresión. Atrae y retiene la humedad de la atmósfera. Sustituye a otros materiales higroscópicos tales como glicerina y propilenglicol.

El PEG es también uno de los principales ingredientes en balas utilizadas en paintball.

Balas de paintball

El PEG también se usa como un agente anti-formación de espuma en los alimentos (número de INS: 1521 o E1521 en la UE)

Usos industriales
El polietilenglicol se utiliza en una variedad de productos como un lubricante para diversas superficies en ambientes acuosos y no acuosos. Por ejemplo, puede ser utilizado como lubricante en textiles, para la estampación, corte, laminación y como componentes de pulido en metales. Es utilizado también en solución acuosa o hidrocarbonada principalmente como desmoldante-antiadherente en diversas aplicaciones. En particular se aplica en la parte interior de las carcasas de neumáticos previo a su vulcanización a fin de evitar la adherencia del neumático con la vejiga y facilitar el desmolde con la particularidad que impide el color amarillento en neumáticos de banda blanca.

Antiadherente y desmoldante para fabricación de neumáticos

Los PEG 200, 300, 400, 600 se utilizan como plastificantes en adhesivos para aumentar la lubricidad y añadir humectación para mantener la fuerza de adherencia en húmedo.
Los PEG de distintos pesos moleculares son utilizados en cerámica cumpliendo funciones de plastificantes, aglutinantes y lubricantes. Los aglutinantes para cerámica son PEG de alto peso molecular (PEG 3350, 4000, 8000) mientras que los utilizados como lubricantes son de bajo peso molecular (PEG 200, 300, 400, 600)
Debido su capacidad de absorción de agua (higroscópico), los PEG pueden ser utilizados como agentes antiestáticos. Reduce la estática mediante la absorción de agua.
El éster de nitrato de polietilenglicol plastificado se usa en combustible sólido para cohetes de misiles balísticos (Trident II).

Misil Trident II

Los éteres de dimetil de polietilenglicol son el ingrediente clave del Selexol marca de la empresa UOP LLC para un disolvente utilizado en sistema de gasificación integrada en ciclo combinado o GICC en las centrales eléctricas para eliminar el dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno de la corriente de gas residual.

Aplicaciones potenciales o en estudio
El PEG es objeto de investigación para su uso junto con el kevlar en chalecos antibalas. Las partículas de sílice en suspensión en glicol de polietileno se comportan como un sólido cuando se encuentra con tensión mecánica o cizalladura. 

Polietilenglicol con nanopartículas de sílice

Para hacer armadura líquida utilizando un fluido de espesamiento por cizalla (STF), se diluye el líquido en etanol. Se saturan el Kevlar con el fluido diluido y se evaporar el etanol. El STF queda impregnado en el tejido Kevlar. Cuando un objeto golpea el Kevlar, el líquido se endurece de inmediato, haciendo que el Kevlar más fuerte. El proceso de endurecimiento ocurre en cuestión de milisegundos, y la armadura se vuelve flexible de nuevo después.

Chalecos antibalas

También se utiliza como un polímero huésped para electrolitos de polímero sólido. Aunque aún no en producción comercial, muchos grupos de todo el mundo se dedican a la investigación sobre los electrolitos poliméricos sólidos que implican al PEG, con el objetivo de mejorar sus propiedades, y al permitir su uso en baterías, sistemas de visualización electro-crómico, y otros productos del futuro.

Fuentes:
http://www.dow.com
http://drugline.org
http://www.pro-optic.com.ar
http://www.thebodyshop.es
Reproductive and developmental toxicity of ethylene glycol and its ethers - F. Andersen
http://chemindustry.ru
http://www.nytimes.com
http://www.nature.com
http://www.rockler.com
http://news.bbc.co.uk
http://www.codexalimentarius.org
http://www.food.gov.uk
http://en.wikipedia.org
http://ethicskeynotespeaker.com
From Polaris to Trident: The development of US fleet ballistic missile technology - Graham Spinardi
http://www.weitzlab.seas.harvard.edu