Aprende sobre la ciencia de los cítricos con el limoneno Teach article

Esta actividad se presentó en el Festival Science on Stage en el 2022

Cuando la vida te da limones: usa el limoneno para explorar propiedades moleculares con tus alumnos y demostrar el método científico en acción.

Imagen: Cristina Anne Costello/Unsplash

Las actividades en este artículo permiten a los alumnos investigar propiedades moleculares simples, a través de un compuesto que es fácilmente accesible: el limoneno. Estas actividades se desarrollaron gracias a grupos de alumnos italianos y españoles, en un proyecto conjunto que consistió en tareas por escrito, cuestionarios y videos.

Gracias a la aplicación del método científico, los alumnos desarrollan la habilidad de observar un fenómeno, formular una hipótesis, buscar materiales adecuados para crear un experimento, recolectar datos para análisis y llegar a conclusiones que comparten con otros. El enfoque aquí es en una molécula simple, (R)-(+)-4- y (S)-(–)-4-isopropenil-1-metil-1-ciclohexano (los dos enantiómeros del limoneno), un compuesto que es seguro, fácil de encontrar y de interés industrial en el mundo real.

Limoneno

El limoneno (4-isopropenil-1-metilciclohexano) es un monoterpeno cíclico quiral, cuya fórmula molecular es C10H16.[1–3] Este compuesto quiral existe en dos formas isoméricas, las cuales son estereoisómeros; es decir, son moléculas con la misma estructura pero con orientaciones diferentes de los mismos átomos en el espacio. Las dos formas del limoneno difieren solamente en la configuración de los grupos que rodean a un solo átomo de carbono. Ambas formas son imágenes especulares (=enantiómeros) entre sí y solo se pueden convertir entre sí mediante el rompimiento y la formación de enlaces covalentes.

Structural formula of R and S limonene.

Fórmula molecular: C10H16

Peso molecular: 136.23

Sinónimos:

D-Limoneno, (R)-(+)-Limoneno

L-Limoneno, (S)- (−)-Limoneno

El D-Limoneno es uno de los compuestos principales en el aceite de las cáscaras de los cítricos, el cual también contiene limonoides cítricos. [4] El L-limoneno, que es menos común, se encuentra en hierbas como la alcaravea. El limoneno industrial proviene de la cáscara de frutos cítricos que se obtiene a partir de los desechos del procesamiento de frutas para la producción de zumos. [5] Por esta razón, se produce como el enantiómero R (D-limoneno). Se utiliza como un compuesto en fragancias y para desengrasar.

Imagen: Nick Fewings/Unsplash

Como todos los enantiómeros, las dos formas son indistinguibles en la mayoría de los análisis químicos o físicos. Sin embargo, rotan el plano de luz polarizada en direcciones opuestas. Por lo tanto, es posible distinguirlos por medio de un polarímetro.

Además, se distinguen fácilmente desde el punto de vista biológico. El D-limoneno (la forma R) tiene un olor a cítrico dulce, mientras que la forma L tiene un olor más fuerte a resina o similar a la trementina. Nuestra nariz es muy sensible y puede distinguir estos compuestos que son muy similares, porque los receptores olfativos en la nariz tienen sitios moleculares que interactúan específicamente con enantiómeros diferentes. [6]

Experimentos:

  • las propiedades ópticas de (R)- y (S)-limoneno (2 h)
  • disolución del látex por limoneno (1 h)
  • no polaridad del limoneno (1 h)
  • diferencias en el olor entre  (R)- y (S)-limoneno (1–2 h)

Actividades complementarias: las propiedades antibacterianas y antigérmenes del limoneno (2 h)

Notas de seguridad

El limoneno es un terpeno volátil que, cuando está concentrado, no se debe ingerir o entrar en contacto con los ojos porque es un irritante. Si entra en contacto con la piel se debe enjuagar inmediatamente. A diferencia de la cáscara de naranja, el contenido de limoneno en la resina y en la trementina no llega a concentraciones altas.

Actividad 1: Cómo entender las propiedades ópticas

En la primera actividad, explicaremos la quiralidad por medio del (R)- y (S)-limoneno. Esta actividad dura alrededor de 60 min.

Las estructuras del (S)- y (R)-limoneno, como nuestras manos, estos enantiómeros son imágenes especulares y no se pueden superponer. El centro quiral se indica con *.
Imagen por cortesía de los autores

Materiales

  • Recursos acerca del limoneno y sus isómeros
  • Modelos moleculares de barras y esferas
  • Hoja de papel y pinturas para póster (témpera)

Procedimiento

  1. Introduce el concepto de limoneno y enantiómeros con la hoja de información,
  1. libros de texto y los recursos que se proporcionan en este artículo.
  2. Los alumnos deben doblar una hoja de papel a la mitad y dibujar en una de esas mitades, la fórmula estructural del (R)- limoneno, con todos sus átomos y enlaces.
  3. Los alumnos deben identificar después el carbono quiral (C*), la hibridación sp3 y la estructura tetraédrica del compuesto. A continuación, deben dibujar el enantiómero con respecto al C*.
  4. Luego, deben tomar una hoja A4 nueva y doblarla a la mitad. En una de las mitades, deben dibujar el centro quiral con los cuatro enlaces en perspectiva. Después, con el dedo pueden pintar con colores diferentes el final de cada una de las líneas que representan a los enlaces. Después deben doblar la hoja para transferir los puntos de pintura al otro lado, y dibujar de nuevo las líneas de los enlaces. Esto les ayudará a ilustrar los enantiómeros como imágenes especulares.

Construye el limoneno con los modelos de barras y esferas e identifica el C*.

Actividad 2: Investiga las propiedades del (R)- y (S)- limoneno

En el siguiente paso, los estudiantes investigarán la quiralidad del (R)- y (S)- limoneno y ver cómo este pequeño cambio estructural tiene consecuencias en el mundo real. Esta actividad dura alrededor de 60 min.

Materiales

  • polarímetro (opcional)
  • 1 ml de (R)- y (S)- limoneno (98-100%) si tienen polarímetro
  • cáscara de naranjas y limones frescos
  • vaselina o jalea de petróleo sin fragancia en recipientes pequeños.

Procedimiento

  1. Coloca el (R)- y el (S)- limoneno en los recipientes o tubos que se usan en tu polarímetro y deja que los alumnos anoten el ángulo de rotación característico del limoneno con luz polarizada, así como los coeficientes de extinción de los dos enantiómeros.
  2. Mezcla una gota pequeña de cada enantiómero con la jalea de petróleo y pasa las muestras a los alumnos para ver si pueden diferenciarlas.  
  3. Dales a los alumnos tiras de cáscaras de limón y de naranja para que las huelan y pregúntales cuál creen que sea el enantiómero que contiene cada cáscara.

Discusión

Exploración de la quiralidad con pinturas de colores
Imagen por cortesía de los autores

El ángulo de rotación específico para reconocer cada uno de los enantiómeros es +/− 123°, pero, en realidad, es suficiente con observar que el enantiómero R se extingue al rotar el analizador a la derecha, mientras que, para el enantiómero S, la rotación es en la dirección opuesta con el mismo ángulo.

El olor a cítrico también se debe a las moléculas del limonoide cítrico. Hemos añadido referencias y una actividad teórica para entender la diferencia entre estas moléculas y estudiar trayectorias metabólicas en plantas.

Actividad complementaria  opcional

La percepción de que el olor del (R)-limoneno es diferente al del (S)-limoneno es común, pero no universal. Los alumnos podrían diseñar un experimento para probar esto. Por ejemplo, para determinar el porcentaje de la población en un grupo de muestra que pueda distinguir ambos olores.

Actividad 3: Disolución del látex con limoneno

En el paso siguiente, los alumnos investigarán el efecto del limoneno en diferentes polímeros. Esta actividad debe tomar entre 1 y 2 horas. Todos los pasos los deben ejecutar los estudiantes. Son muchas pruebas, por lo que si es necesario, los alumnos podrán trabajar en grupos para ahorrar tiempo/material.

Materiales

  • 1 ml de (R)- y (S)-limoneno (98–100%)
  • cáscaras de limones y naranjas frescos (2 de cada uno)
  • globos infantiles de látex, de mylar o de poliéster
  • guantes de hule o de polivinilo
  • bolsas de compra de etileno
  • preservativos de látex
  • pipetas de plástico
  • aros de 10 cm para bordado o vasos de precipitado pequeños
  • bandas elásticas

Procedimiento

  1. Corta los globos, guantes y bolsas, y estíralos sobre los aros de bordado o los vasos de precipitado, como si fueran la superficie de un tambor. Usa una banda elástica para mantenerlos en su lugar si usas vasos de precipitado.
Añadiendo una gota de limoneno a un pedazo de hule estirado encima de un aro.
Imagen por cortesía de los autores
  1. Idealmente, se deberían preparar dos muestras de cada uno para permitir que el experimento se duplique.
  2. Corta un pedazo de 2 cm ´  2 cm de la cáscara de uno de los cítricos y dóblala para exprimir el aceite sobre un dedo limpio. Con este, toca la muestra que está bajo tensión, o coloca la cáscara directamente sobre la muestra, y anota los resultados.
  3. Repite la operación con (R)- y (S)-limoneno al poner una gota pequeña sobre la muestra bajo tensión con una pipeta.
  4. Se pueden tocar los globos y preservativos inflados con un dedo limpio y después con un dedo mojado en limoneno para observar su explosión. Si se trabaja en grupos, todos los alumnos deberán tener la oportunidad de hacer este experimento para utilizar todas las muestras en los pasos anteriores.
Disolución de látex en un globo y un preservativo
Imagen por cortesía de los autores

Discusión

El material de látex, que está hecho de 30-40% de poli isopreno reticulado, reacciona con el limoneno y se ‘abre’ un agujero alrededor de la gota o el punto de contacto. Esto se debe a que las moléculas de limoneno (monoterpenos) son lo suficientemente pequeñas para pasar a través de las cadenas de poli isopreno y separarlas, y así debilitar la reticulación química. Esto es suficiente para disturbar la muestra y reventar el globo lleno de gas. La reacción es proporcional a la concentración de limoneno y al espesor del hule, pero no hay diferencia entre (R)- y (S)-limoneno.

Actividad 4: La no polaridad de la molécula de limoneno

En esta actividad, investigaremos las propiedades químicas del limoneno,  y dura alrededor de 30 min.

Materiales

  • 6 ml de (R)- y (S)-limoneno (aproximadamente 100%)
  • 3ml de aceite de maíz o de girasol
  • Agua
  • 2 tubos de ensayo
  • 4 pipetas de plástico

Procedimiento

  1. Pon 3 ml de limoneno en el tubo 1 y agrega con cuidado 1 ml de aceite haciendo que baje por las paredes, sin que se mezclen.
  2. Pon 3 ml de limoneno en el tubo 2 y agrega con cuidado 1 ml de agua haciendo que baje por las paredes, sin que se mezclen.
  3. Observa si hay superficies que separen las capas de líquido.
  4. El limoneno se puede recuperar de la mezcla con agua con una pipeta para usarlo después en otros experimentos.
El tubo que contiene el limoneno con agua muestra claramente la separación entre los dos líquidos.
Limoneno con agua o con aceite. Los niveles en los dos tubos son diferentes porque los alumnos no fueron muy precisos. No es importante que los volúmenes sean exactos.
Imagen por cortesía de los autores

Discusión

El limoneno es soluble en aceite y se mezcla con este de manera natural; por lo tanto, se deduce que es un soluto no polar que se disuelve en un solvente no polar.

El limoneno es insoluble en agua y no se mezcla con esta: el limoneno es una molécula no polar que no se disuelve en agua, una molécula polar.

La polaridad de una molécula depende de las especies químicas que la componen, de la diferencia en la electronegatividad presente en los enlaces covalentes, y del hecho de que el centro de las fuerzas electroestáticas positivas no coincide con el de las negativas.

El limoneno es un hidrocarbono que consiste en átomos de carbono y de hidrógeno. Es un monoterpeno, un derivado del isopreno con una cadena cerrada, en donde las únicas áreas con carga parcial negativa débil son los dobles enlaces. Estas cargas son muy débiles para producir cualquier interacción con las moléculas de agua.


References

[1] Erasto P, Viljoen AM (2008) Limonene – a review: biosynthetic, ecological and pharmacological relevance. Natural Product Communications 3: 1193–1202. doi: 10.1177/1934578X0800300728

[2] Perveen S (2018) Introductory Chapter. In Perveen S, Al-Taweel A (eds) Terpenes and Terpenoids pp 1–12. IntechOpen. ISBN: 978-1-78984-777-2

[3] Chemical information for limonene and a virtual 3D model: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Limonene#section=3D-Conformer

[4] Gualdani R et al. (2016) The chemistry and pharmacology of citrus limonoids. Molecules 21: 1530. doi: 10.3390/molecules21111530

[5] Jongedijk E et al. (2016) Biotechnological production of limonene in microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology 100: 2927–2938. doi: 10.1007/s00253-016-7337-7

[6] Malnic B, Godfrey PA, Buck LB (2004) The human olfactory receptor gene family. PNAS 101: 2584–2589. doi: 10.1073/pnas.0307882100. This article has a correction.

Resources

Institutions

Science on Stage

Author(s)

Francesca Butturini enseña ciencias en el colegio Liceo Educandato agli Angeli en Verona.

Javier Julian Fernández enseña biología en el colegio IES Joanot Martorell en Valencia.

Estas actividades se desarrollaron como un proyecto conjunto entre Italia y España para el Festival Europeo Science on Stage del 2022


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