Ácido hipocloroso

El ácido hipocloroso (ClOH, HClO, HOCl o ClHO) es un ácido que se forma cuando el cloro se disuelve en agua y se disocia parcialmente, formando hipoclorito, ClO^-. HClO y ClO⁻ son oxidantes y los principales agentes desinfectantes de las soluciones de cloro. El HClO no se puede aislar de estas soluciones debido al rápido equilibrio con su precursor, el cloro.

Debido a sus fuertes propiedades antimicrobianas, los compuestos relacionados hipoclorito de sodio (NaClO) e hipoclorito de calcio (Ca(ClO)₂) son ingredientes de muchos blanqueadores, desodorantes y desinfectantes comerciales. Los glóbulos blancos de los mamíferos, como los humanos, también contienen ácido hipocloroso como herramienta contra cuerpos extraños. En los organismos vivos, el HOCl se genera mediante la reacción del peróxido de hidrógeno con iones cloruro bajo la catálisis de la enzima hemo mieloperoxidasa (MPO).

Como muchos otros desinfectantes, las soluciones de ácido hipocloroso destruirán los patógenos, como el COVID-19, absorbidos en las superficies. En bajas concentraciones, estas soluciones pueden servir para desinfectar heridas abiertas.

Historia

El ácido hipocloroso fue descubierto en 1834 por el químico francés Antoine Jérôme Balard (1802–1876) añadiendo, a un matraz de cloro gaseoso, una suspensión diluida de óxido de mercurio (II) en agua. También nombró al ácido y sus compuestos.

A pesar de ser relativamente fácil de preparar, es difícil mantener una solución de ácido hipocloroso estable. No fue hasta los últimos años que los científicos pudieron producir y mantener de manera rentable agua con ácido hipocloroso para un uso comercial estable.

Usos

• En síntesis orgánica, HClO convierte alkenes a clorohidrinos.
• En la biología, el ácido hipocloroso se genera en neutrófilos activados por la peroxidación mieloperoxidasa mediada de iones de cloruro y contribuye a la destrucción de bacterias.
• En la medicina, el agua de ácido hipocloroso se ha utilizado como desinfectante y sanitista.
• En el cuidado de heridas, y a principios de 2016, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. ha aprobado productos cuyo principal ingrediente activo es el ácido hipocloroso para el tratamiento de heridas y diversas infecciones en humanos y mascotas. También es aprobado por la FDA como un conservante para soluciones salinas.
• En desinfección, se ha utilizado en forma de pulverización líquida, toallitas húmedas y aplicación aerosolizada. Estudios recientes han demostrado que el agua de ácido hipocloroso es adecuada para la niebla y la aplicación aerosolizada para cámaras de desinfección y adecuada para desinfectar entornos interiores como oficinas, hospitales y clínicas sanitarias.
• En el servicio alimentario y la distribución del agua, a veces se utiliza equipo especializado para generar soluciones débiles de HClO a partir del agua y la sal para generar cantidades adecuadas de desinfectante seguro (inestable) para tratar superficies de preparación de alimentos y suministros de agua. También se utiliza comúnmente en restaurantes debido a sus características no inflamables y no tóxicas.
• En el tratamiento del agua, el ácido hipocloroso es el sanitizante activo en productos hipocloritos (por ejemplo, utilizados en piscinas).
• Del mismo modo, en barcos y yates, los aparatos de saneamiento marinos utilizan electricidad para convertir el agua marina en ácido hipocloroso para desinfectar los residuos faecales macerados antes de descargarse en el mar.
• En la desodorización, se ha probado ácido hipocloroso para eliminar hasta el 99% de los olores sucios incluyendo basura, carne podrida, inodoro, heces y olores de orina.

Formación, estabilidad y reacciones

La adición de cloro al agua produce ácido clorhídrico (HCl) y ácido hipocloroso (HClO):

Cl₂ + H₂O ⇌ HClO + HCl

Cl₂ + 4 OH⁻ ⇌ 2 ClO⁻ + 2 H₂O + 2 e⁻

Cl₂ + 2 e⁻ ⇌ 2 Cl⁻

Cuando se añaden ácidos a sales acuosas de ácido hipocloroso (como el hipoclorito de sodio en una solución de blanqueador comercial), la reacción resultante se dirige hacia la izquierda y se forma cloro gaseoso. Por tanto, la formación de blanqueadores de hipoclorito estables se facilita disolviendo cloro gaseoso en soluciones acuosas básicas, como el hidróxido de sodio.

El ácido también se puede preparar disolviendo monóxido de dicloro en agua; En condiciones acuosas estándar, actualmente es imposible preparar ácido hipocloroso anhidro debido al equilibrio fácilmente reversible entre este y su anhídrido:

2 HClO ⇌ Cl₂O + H₂O K (a 0 °C) = 3.55×10⁻³♪³mol⁻¹

La presencia de óxidos de metales ligeros o de transición de cobre, níquel o cobalto acelera la descomposición exotérmica en ácido clorhídrico y oxígeno:

2 Cl₂ + 2 H₂O → 4 HCl + O₂

Reacciones fundamentales

En solución acuosa, el ácido hipocloroso se disocia parcialmente en el anión hipoclorito ClO⁻:

HClO ⇌ ClO⁻ + H⁺

Las sales del ácido hipocloroso se llaman hipocloritos. Uno de los hipocloritos más conocidos es el NaClO, el ingrediente activo de la lejía.

El HClO es un oxidante más fuerte que el cloro en condiciones estándar.

2 HClO(aq) + 2 H⁺ + 2 e⁻ ⇌ Cl₂g) + 2 H₂O E= +1,63 V

HClO reacciona con HCl para formar cloro:

HClO + HCl → H₂O + Cl₂

El HClO reacciona con el amoníaco para formar monocloramina:

NH₃ + HClO → NH₂Cl + H₂O

El HClO también puede reaccionar con aminas orgánicas, formando N-cloroaminas.

El ácido hipocloroso existe en equilibrio con su anhídrido, el monóxido de dicloro.

2 HClO ⇌ Cl₂O + H₂O K (a 0 °C) = 3.55×10⁻³♪³mol⁻¹

Reactividad del HClO con biomoléculas

El ácido hipocloroso reacciona con una amplia variedad de biomoléculas, incluidos ADN, ARN, grupos de ácidos grasos, colesterol y proteínas.

Reacción con grupos sulfhidrilo de proteínas

Knox et al. notó por primera vez que el HClO es un inhibidor de sulfhidrilo que, en cantidad suficiente, podría inactivar completamente las proteínas que contienen grupos sulfhidrilo. Esto se debe a que el HClO oxida los grupos sulfhidrilo, lo que lleva a la formación de enlaces disulfuro que pueden provocar la reticulación de proteínas. El mecanismo de oxidación del sulfhidrilo del HClO es similar al de la monocloramina y puede que solo sea bacteriostático, porque una vez que se disipa el cloro residual, se puede restaurar parte de la función del sulfhidrilo. Un aminoácido que contiene sulfhidrilo puede eliminar hasta cuatro moléculas de HClO. De acuerdo con esto, se ha propuesto que los grupos sulfhidrilo de aminoácidos que contienen azufre pueden oxidarse un total de tres veces mediante tres moléculas de HClO, reaccionando la cuarta con el grupo α-amino. La primera reacción produce ácido sulfénico (R–SOH), luego ácido sulfínico (R–SO₂H) y finalmente R–SO₃H. Los ácidos sulfénicos forman disulfuros con otro grupo sulfhidrilo de proteína, provocando reticulación y agregación de proteínas. El ácido sulfínico y los derivados R–SO₃H se producen sólo con excesos molares elevados de HClO, y los disulfuros se forman principalmente en niveles bactericidas. Los enlaces disulfuro también pueden oxidarse con HClO a ácido sulfínico. Debido a que la oxidación de sulfhidrilos y disulfuros desprende ácido clorhídrico, este proceso da como resultado el agotamiento de HClO.

Reacción con grupos amino de proteínas

El ácido hipocloroso reacciona fácilmente con aminoácidos que tienen cadenas laterales de grupos amino, y el cloro del HClO desplaza el hidrógeno, lo que da como resultado una cloramina orgánica. Los aminoácidos clorados se descomponen rápidamente, pero las cloraminas proteicas tienen una vida más larga y conservan cierta capacidad oxidativa. Thomas et al. concluyó a partir de sus resultados que la mayoría de las cloraminas orgánicas se descomponían por reordenamiento interno y que menos grupos NH2 disponibles promovían el ataque al enlace peptídico, lo que resultaba en la escisión de la proteína. McKenna y Davies descubrieron que se necesitan 10 mM o más de HClO para fragmentar proteínas in vivo. De acuerdo con estos resultados, más tarde se propuso que la cloramina sufre un reordenamiento molecular, liberando HCl y amoníaco para formar un aldehído. El grupo aldehído puede reaccionar además con otro grupo amino para formar una base de Schiff, provocando entrecruzamiento y agregación de proteínas.

Reacción con ADN y nucleótidos

El ácido hipocloroso reacciona lentamente con el ADN y el ARN, así como con todos los nucleótidos in vitro. El GMP es el más reactivo porque el HClO reacciona tanto con el grupo NH heterocíclico como con el grupo amino. De manera similar, el TMP con solo un grupo NH heterocíclico que reacciona con HClO es el segundo más reactivo. El AMP y el CMP, que sólo tienen un grupo amino que reacciona lentamente, son menos reactivos con el HClO. Se ha informado que la UMP reacciona sólo a un ritmo muy lento. Los grupos NH heterocíclicos son más reactivos que los grupos amino y sus cloraminas secundarias pueden donar cloro. Es probable que estas reacciones interfieran con el emparejamiento de bases del ADN y, en consonancia con esto, Prütz ha informado de una disminución en la viscosidad del ADN expuesto al HClO similar a la observada con la desnaturalización por calor. Los restos de azúcar no son reactivos y la columna vertebral del ADN no está rota. El NADH puede reaccionar con TMP y UMP clorados, así como con HClO. Esta reacción puede regenerar UMP y TMP y da como resultado el derivado 5-hidroxi de NADH. La reacción con TMP o UMP es lentamente reversible para regenerar HClO. Una segunda reacción más lenta que resulta en la escisión del anillo de piridina ocurre cuando hay exceso de HClO. NAD⁺ es inerte al HClO.

Reacción con lípidos

El ácido hipocloroso reacciona con enlaces insaturados en lípidos, pero no con enlaces saturados, y el ion ClO− no participa en esta reacción. Esta reacción se produce por hidrólisis con adición de cloro a uno de los carbonos y un hidroxilo al otro. El compuesto resultante es una clorhidrina. El cloro polar altera las bicapas lipídicas y podría aumentar la permeabilidad. Cuando se produce la formación de clorhidrina en las bicapas lipídicas de los glóbulos rojos, se produce un aumento de la permeabilidad. Podría producirse una alteración si se forma suficiente clorhidrina. La adición de clorhidrina preformada a los glóbulos rojos también puede afectar la permeabilidad. También se ha observado clorhidrina de colesterol, pero no afecta mucho la permeabilidad y se cree que el Cl2 es el responsable de esta reacción. El ácido hipocloroso también reacciona con una subclase de glicerofosfolípidos llamados plasmalógenos, produciendo aldehídos grasos clorados que son capaces de modificar proteínas y pueden desempeñar un papel en procesos inflamatorios como la agregación plaquetaria y la formación de trampas extracelulares de neutrófilos.

Modo de acción desinfectante

E. coli expuestos al ácido hipocloroso pierden viabilidad en menos de 0,1 segundos debido a la inactivación de muchos sistemas vitales. El ácido hipocloroso tiene una LD50 informada de 0,0104 a 0,156 ppm y 2,6 ppm causaron una inhibición del crecimiento del 100 % en 5 minutos. Sin embargo, la concentración requerida para la actividad bactericida también depende en gran medida de la concentración bacteriana.

Inhibición de la oxidación de la glucosa

En 1948, Knox et al. propusieron la idea de que la inhibición de la oxidación de la glucosa es un factor importante en la naturaleza bactericida de las soluciones de cloro. Propusieron que el agente o agentes activos se difundan a través de la membrana citoplasmática para inactivar enzimas clave que contienen sulfhidrilo en la vía glucolítica. Este grupo también fue el primero en notar que las soluciones de cloro (HClO) inhiben las enzimas sulfhidrilo. Estudios posteriores han demostrado que, a niveles bactericidas, los componentes del citosol no reaccionan con el HClO. De acuerdo con esto, McFeters y Camper descubrieron que la aldolasa, una enzima que Knox et al. propone sería inactivada, no se vio afectada por el HClO in vivo. Se ha demostrado además que la pérdida de sulfhidrilos no se correlaciona con la inactivación. Eso deja la pregunta sobre qué causa la inhibición de la oxidación de la glucosa. El descubrimiento de que el HClO bloquea la inducción de β-galactosidasa mediante la adición de lactosa condujo a una posible respuesta a esta pregunta. La absorción de sustratos radiomarcados tanto por la hidrólisis de ATP como por el cotransporte de protones puede bloquearse mediante la exposición al HClO antes de la pérdida de viabilidad. A partir de esta observación, propuso que el HClO bloquea la absorción de nutrientes al inactivar las proteínas de transporte. La cuestión de la pérdida de oxidación de la glucosa se ha explorado más a fondo en términos de pérdida de respiración. Venkobachar et al. descubrieron que el HClO inhibía la succínico deshidrogenasa, lo que llevó a investigar la posibilidad de que la interrupción del transporte de electrones pudiera ser la causa de la inactivación bacteriana. Albrich et al. posteriormente descubrieron que el HClO destruye los citocromos y los grupos hierro-azufre y observaron que el HClO suprime el consumo de oxígeno y se pierden nucleótidos de adenina. También se observó que la oxidación irreversible de los citocromos iba paralela a la pérdida de la actividad respiratoria. Una forma de abordar la pérdida de absorción de oxígeno fue estudiar los efectos del HClO sobre el transporte de electrones dependiente del succinato. Rosen et al. descubrieron que los niveles de citocromos reducibles en las células tratadas con HClO eran normales y estas células no podían reducirlos. El HClO también inhibió la succinato deshidrogenasa, deteniendo el flujo de electrones al oxígeno. Estudios posteriores revelaron que la actividad de la ubiquinol oxidasa cesa primero y los citocromos aún activos reducen la quinona restante. Luego, los citocromos pasan los electrones al oxígeno, lo que explica por qué los citocromos no pueden volver a oxidarse, como observaron Rosen et al.. Sin embargo, esta línea de investigación terminó cuando Albrich et al. descubrió que la inactivación celular precede a la pérdida de la respiración mediante el uso de un sistema de mezcla de flujo que permitió la evaluación de la viabilidad en escalas de tiempo mucho más pequeñas. Este grupo descubrió que las células capaces de respirar no podían dividirse después de la exposición al HClO.

Agotamiento de los nucleótidos de adenina

Habiendo eliminado la pérdida de respiración, Albrich et al. propone que la causa de la muerte puede deberse a una disfunción metabólica causada por el agotamiento de los nucleótidos de adenina. Barrette et al. estudiaron la pérdida de nucleótidos de adenina estudiando la carga de energía de las células expuestas al HClO y descubrieron que las células expuestas al HClO no podían aumentar su carga de energía después de la adición de nutrientes. La conclusión fue que las células expuestas han perdido la capacidad de regular su reserva de adenilato, basándose en el hecho de que la absorción de metabolitos fue deficiente solo en un 45% después de la exposición al HClO y la observación de que el HClO causa hidrólisis de ATP intracelular. También se confirmó que, a niveles bactericidas de HClO, los componentes citosólicos no se ven afectados. Por lo tanto, se propuso que la modificación de algunas proteínas unidas a la membrana da como resultado una hidrólisis extensa del ATP, y esto, junto con la incapacidad de las células para eliminar el AMP del citosol, deprime la función metabólica. Se ha descubierto que una proteína implicada en la pérdida de la capacidad de regenerar ATP es la ATP sintetasa. Gran parte de esta investigación sobre la respiración reconfirma la observación de que reacciones bactericidas importantes tienen lugar en la membrana celular.

Inhibición de la replicación del ADN

Recientemente se ha propuesto que la inactivación bacteriana por HClO es el resultado de la inhibición de la replicación del ADN. Cuando las bacterias se exponen al HClO, se produce una disminución precipitada en la síntesis de ADN que precede a la inhibición de la síntesis de proteínas y es muy paralela a la pérdida de viabilidad. Durante la replicación del genoma bacteriano, el origen de replicación (oriC en E. coli) se une a proteínas asociadas con la membrana celular, y se observó que el tratamiento con HClO disminuye la afinidad de las membranas extraídas por oriC. y esta disminución de la afinidad también es paralela a la pérdida de viabilidad. Un estudio realizado por Rosen et al. comparó la tasa de inhibición por HClO de la replicación del ADN de plásmidos con diferentes orígenes de replicación y encontró que ciertos plásmidos exhibían un retraso en la inhibición de la replicación en comparación con los plásmidos que contienen oriC. El grupo de Rosen propuso que la inactivación de las proteínas de membrana implicadas en la replicación del ADN es el mecanismo de acción del HClO.

Despliegue y agregación de proteínas

Se sabe que el HClO causa modificaciones postraduccionales en las proteínas, siendo las más notables la oxidación de cisteína y metionina. Un examen reciente del papel bactericida del HClO reveló que es un potente inductor de la agregación de proteínas. Hsp33, una chaperona que se sabe que se activa por el estrés por calor oxidativo, protege a las bacterias de los efectos del HClO al actuar como una retención, previniendo eficazmente la agregación de proteínas. Las cepas de Escherichia coli y Vibrio cholerae que carecen de Hsp33 se volvieron especialmente sensibles al HClO. Hsp33 protegió muchas proteínas esenciales de la agregación e inactivación debido al HClO, que es un probable mediador de los efectos bactericidas del HClO.

Hipocloritos

Los hipocloritos son las sales del ácido hipocloroso; Los hipocloritos comercialmente importantes son el hipoclorito de calcio y el hipoclorito de sodio.

Producción de hipocloritos mediante electrólisis

Las soluciones de hipocloritos se pueden producir in situ mediante electrólisis de una solución acuosa de cloruro de sodio tanto en procesos discontinuos como de flujo. La composición de la solución resultante depende del pH en el ánodo. En condiciones ácidas, la solución producida tendrá una alta concentración de ácido hipocloroso, pero también contendrá cloro gaseoso disuelto, que puede ser corrosivo; a un pH neutro, la solución tendrá aproximadamente un 75 % de ácido hipocloroso y un 25 % de hipoclorito. Parte del cloro gaseoso producido se disolverá formando iones de hipoclorito. Los hipocloritos también se producen por la desproporción del cloro gaseoso en soluciones alcalinas.

Seguridad

El HClO está clasificado como no peligroso por la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Como todo agente oxidante puede ser corrosivo o irritante dependiendo de su concentración y pH.

En una prueba clínica, se analizó el agua con ácido hipocloroso para detectar irritación ocular, irritación cutánea y toxicidad. La prueba concluyó que no era tóxico ni irritante para los ojos y la piel.

En un estudio de 2017, se demostró que una solución higiénica salina conservada con ácido hipocloroso puro reduce significativamente la carga bacteriana sin alterar la diversidad de especies bacterianas en los párpados. Después de 20 minutos de tratamiento, hubo una reducción >99 % de las bacterias estafilococos.

Comercialización

Para la desinfección, a pesar de haber sido descubierto hace mucho tiempo, la estabilidad del agua con ácido hipocloroso es difícil de mantener. En solución, los compuestos activos se deterioran rápidamente y vuelven al agua salada, perdiendo su capacidad desinfectante, lo que dificulta su transporte para un uso generalizado. A pesar de sus capacidades desinfectantes más fuertes, se usa con menos frecuencia como desinfectante en comparación con la lejía y el alcohol debido a su costo.

Los avances tecnológicos han reducido los costos de fabricación y permiten fabricar y embotellar agua con ácido hipocloroso para uso doméstico y comercial. Sin embargo, la mayoría del agua con ácido hipocloroso tiene una vida útil corta. Almacenarlo lejos del calor y la luz solar directa puede ayudar a frenar el deterioro. El mayor desarrollo de las celdas electroquímicas de flujo continuo se ha implementado en nuevos productos, permitiendo la comercialización de dispositivos de flujo continuo domésticos e industriales para la generación in situ de ácido hipocloroso con fines de desinfección.