QUELQUES FAMILLES REMARQUABLES… LES AGENTS TENSIOACTIFS ET SURFACTIFS GUIHARD Justine – HANOT Camille 20 novembre 2007

Les agents tensioactifs et surfactifs… Qu’est-ce que c’est? A quoi ça sert? Les fonctions des tensioactifs Relation structure fonction : 4 grands types de tensioactifs Dans la pratique, où en trouve-t-on? Dans l’organisme Tensioactifs naturels Applications : Tensioactifs artificiels Dans la vie du vétérinaire Le savon Le Chlorure de Benzalkonium Illustration de la dernière partie par des exemples : naturel (sels biliaires), artificiels (surfactant)

Les agents tensioactifs et surfactifs… Qu’est-ce que c’est ? Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. La diminution de la tension de surface favorise l’affinité des deux phases non miscibles et la dispersion de l’une dans l’autre. Le mot surfactif vient de la transposition du mot anglais surfactant (compression de « surface active agent »). Une substance est dite tensioactive lorsqu’elle est capable d’abaisser la tension superficielle de l’eau ou plus généralement la tension interfaciale, s’il s’agit d’autres types d’interfaces (huile/eau, solide/liquide, …). Plus généralement, la diminution de la tension de surface favorise l’affinité des deux phases non miscibles et la dispersion de l’une dans l’autre.

Les agents tensioactifs et surfactifs… Qu’est-ce que c’est ? Ce sont des molécules amphiphiles : une partie lipophile et apolaire une partie hydrophile et polaire Exemple : Sodium Lauryl Sulfate Tete: affinité ac l’eau / queue: affinité ac les graisses d'une part un groupe polaire qui contient des hétéro-atomes comme O, S, P, ou N, qui se trouvent dans des groupes alcool, thiol, acide, sulfate, sulfonate, phosphate, amine, amide etc…; d'autre part, un groupe apolaire ou peu polaire qui est en général un groupe hydrocarbonné de type alkyle* ou alkylbenzène, et qui peut contenir éventuellement des atomes d'halogène et même des atomes d'oxygène. Une HLB (balance hydrophile/lipophile) de faible valeur (4-6) stabilise une émulsion de type WI0; une valeur de 10-18 est nécessaire pour une émulsion O/W. C’est une échelle semi empirique qui va de 1 à 40.  Cette méthode prédit, à partir de la structure des molécules, quelles sont leurs propriétés émulsionnantes. Il est long et difficile de mesurer ces indices ; on préfère plutôt les calculer en se basant sur la constitution chimique de l’émulsionnant (groupes polaires, …) (tableau 11.4).  Des agents stabilisant pour des émulsions de type E/H ont un indice BHL plutôt bas, typiquement de l’ordre de 4.  Ils sont peu solubles dans l’eau.  Les composés qui se trouvent en haut de cette échelle sont les surfactants hydrophiles qui possèdent une grande solubilité dans l’eau et qui sont de bons solubilisant.  Les détergents et les stabilisateurs d’émulsions de type H/E ont des nombres BHL intermédiaires.  Pour les acides gras on utilise la formule de GRIFFIN : Indice BHL  = 20 ( 1 – S/A) Dans cette équation S est l’indice de saponification de l’acide gras et A son indice d’acide. L’hydrophilie peut l’emporter sur la lipophilie et vice versa  on définit la HLB qui est la balance hydrophile lipophile (échelle empirique)

En solution : Formation de micelles Micelle directe Micelle inverse

Les agents tensioactifs et surfactifs… A quoi servent-ils? Les détergents : élimination, dispersion dans l’eau de souillures Les agents dispersants : stabilité de la suspension Les émulsionnants : formation et stabilisation d'une émulsion Les agents mouillants : étalement d'un liquide sur une surface solide ou augmentation de la vitesse de pénétration dans les corps poreux Les agents moussants : formation de bulles Ils facilitent … A.Mouillant : augmentent surface de contact entre liquide et solide

Les agents tensioactifs et surfactifs… Qu’est-ce que c’est ? 4 types de tensioactifs : Tensioactifs anioniques Tensioactifs cationiques Tensioactifs zwitterioniques (amphotères) Tensioactifs non ioniques Selon la nature de la tête hydrophile, on distingue quatre types de détergents : • les détergents anioniques (la tête hydrophile porte une charge électrique négative et se lie à l’eau par attraction d’un atome d’hydrogène) : • les détergents cationiques (la tête hydrophile porte une charge électrique positive et se lie à l’eau par attraction de l’atome d’oxygène) : • les détergents amphotères (la tête hydrophile porte une charge positive et se lie à l’eau par attraction de l’atome d’oxygène, la queue hydrophobe porte une charge négative) : • les détergents non ioniques ( ni la tête hydrophile, ni la queue hydrophobe ne portent de charge électrique, une liaison hydrogène se forme entre la tête et l’eau)

Les tensioactifs anioniques Propriétés : Stable Ne pas mélanger avec des tensioactifs cationiques Utilisations: Détergents synthétiques Savons Agents moussants, humectants, dispersants, mouillants Bactériostatique Exemples : Savon alcalin Lauryl sulfate de sodium Mouillant : faible tension superficielle pouvoir émulsifiant (favorise la formation d'une émulsion : mélange dans lequel deux substances non miscibles, ici l’eau et l’huile, restent mélangées grâce à un troisième appelé émulsifiant, ici le savon)

Les tensioactifs cationiques Propriétés : Stables Des centaines de composés Ne pas mélanger avec les tensioactifs anioniques Facilement inhibés Utilisations : Ni bons détergents, ni bons agents moussants Pour lavage avant les antiseptiques neutres Bactéricides, bactériostatiques Désinfectants chirurgicaux Désinfectants antiseptiques pour produits domestiques et industrie alimentaire (industrie laitière) Agents antistatiques et adoucissants pour textile et cheveux Inhibiteurs de corrosion Bons dispersants de particules solides Exemples : Les ammoniums quaternaires Les surfactifs cationiques se dissocient en solution aqueuse en un cation organique, et un anion généralement de type halogénure. utilisés commercialement que dans les cas où on ne peut les substituer par des anioniques ou des nonioniques. Agent dispersant: (charge + transférée à la surface adsorbée) inhibiteurs de corrosion (compétition à l’adsorption : particulièrement en milieu acide, où ils rentrent en compétition avec les protons) charge positive : adsorption sur des substrats chargés négativement (plupart des substrats naturels à pH neutre)

Les tensioactifs zwitterioniques Le pH détermine le caractère dominant : anionique à pH alcalin cationique à pH acide près du point isoélectrique : amphotère Propriétés: très peu irritant compatible avec les autres surfactifs Utilisation : Formules pharmaceutique et cosmétique Exemple : phospholipides : la phosphatidylcholine Amphotère: possède les deux charges à la fois Remarque: en général au moins aussi chers que les cationiques, et de ce fait leur utilisation est limitée à des applications particulières

Les tensioactifs non ioniques Propriétés : Détergents Agents mouillants Émulsifiants Pouvoir moussant (parfois) Utilisation En pharmacie, dans les cosmétiques et dans l’agroalimentaire, dû fait d’un bas niveau de toxicité. Exemple : Les alcools linéaires éthoxylés dans les produits d’entretien : (O − CH2 − CH2)n donc relativement hydrophiles. La chaîne poly-oxyde d'éthylène est globalement hydrophile (au moins 5-7 groupes oxyde d'éthylène pour obtenir une bonne solubilité dans l'eau) cependant chaque maillon possède, non seulement l'atome d'oxygène (hydrophile) de la fonction éther, mais aussi deux groupes méthylène (-CH2-) lesquels sont lipophiles. Cette remarque est importante car elle permet d'expliquer pourquoi le groupe hydrophile composé par une chaîne polyoxyde d'éthylène ne se comporte pas comme les groupes hydrophiles ioniques. En particulier, cela permet d'expliquer leur solubilité dans les solvants organiques et leur moindre solubilisation.

Les autres tensioactifs SURFACTIFS SILICONES Les groupes organosilicones dans une molécule de surfactifs augmentent le caractère hydrophobe. Ils sont utilisés comme antiflatulents du fait qu'ils abaissent la tension superficielle. SURFACTIFS FLUORES Substitution des hydrogènes de la chaîne hydrocarbonnée par des atomes de fluor. Ex : le polytétrafluoroéthylène (TEFLON) : très forte hydrophobicité.

Les agents tensioactifs et surfactifs… A quoi servent-ils? Fonctions : Détergents Agents moussants Charge négative de la tête Agents mouillants Bactéricide Désinfectant / Antiseptique Émulsifiants Charge positive de la tête Antistatique, Adoussissant Inhibiteur de corrosion Agents dispersants Charge positive ou négative de la tête Bactériostatiques Bactéricide Rappel: antispetique sur tissus vivants et désinfectant sur matériaux inertes

Les agents tensioactifs et surfactifs… A quoi servent-ils ? Dans l’organisme : Phospholipides et constitution de membranes Surfactant pulmonaire et compliance des alvéoles HDL, LDL et transport du cholestérol Sels biliaires et émulsion des lipides alimentaires Dans la vie de tous les jours : Application culinaire Application à un cabinet vétérinaire Applications thérapeutiques Applications à l’hygiène Les sels biliaires sont secrétés par le foie et stockés dans la vésicule biliaire. Ils permettent la fragmentation des gros globules de lipides alimentaires conduisant ainsi à la formation de microgoutelettes. Cette émulsion facilite alors la digestion des lipides par la lipase pancréatique.

Le surfactant pulmonaire et les membranes biologiques Monocouche de tensioactifs : le surfactant pulmonaire Interface air-liquide des alvéoles pulmonaires : Phospholipides + complexes protéiques tensioactifs Bicouche de tensioactifs : les membranes biologiques Phospholipides + protéines Interface :joue un rôle dans les phénomènes de transfert mais aussi de protection vis-à-vis des corps étrangers. dynamique interfaciale (reconstitution quasi immédiate de la structure monomoléculaire dans les cycles de compression et relarguage)

Application thérapeutique : le surfactant de synthèse Syndrome de gènes respiratoires dû à une insuffisance de l'agent tensioactif naturel des poumons Agent tensioactif synthétique Administrer un agent tensioactif à base de phosphatidylcholine. Composition : un agent tensio-actif à base de Phosphatidylcholine : dipalmitoyl phosphatidylcholine DPPC (constituant lipide principal de l'agent tensio-actif naturel des poumons de mammifère) Phosphatidyléthanolamine (dioléoyle phosphatidyléthanolamine DOPE) Cholestérol

Les sels biliaires Ils agissent comme tensioactifs après hydrolyse de la matière grasse. Formation de micelles Pouvoir émulsifiant

Application thérapeutique : systèmes auto-émulsionnants Pouvoirs de solubilisation et de dispersion : microémulsions Améliorer l’absorption de principes actifs lipophiles pour lesquels la dissolution est l’étape limitante  Forme galénique adaptée : augmentation de la biodisponibilité Réduction des variabilités inter et intra individuelles des taux plasmatiques du principe actif véhiculé Protection de peptides lipophiles contre l’hydrolyse enzymatique par voie orale Exemple : Néoral®, formulation contenant de la cyclosporine A

Les agents tensioactifs et surfactifs… A quoi servent-ils ? Applications professionnelles Nettoyage des locaux Nettoyage des plaies Stérilisation des instruments de chirurgie Les sels biliaires sont secrétés par le foie et stockés dans la vésicule biliaire. Ils permettent la fragmentation des gros globules de lipides alimentaires conduisant ainsi à la formation de microgoutelettes. Cette émulsion facilite alors la digestion des lipides par la lipase pancréatique.

Tensioactifs anioniques Le savon (1) Fabrication du savon : la saponification Triglycérides + KOH (ou NaOH)  glycérol + savon Savon : basique (pH proche de 10) – pH de la peau proche de 5 – Pour éviter cet inconvénient, des acides gras tels l'acide lactique (acides carboxyliques) sont incorporés à certains savons appelés savons acides. Triglycérides + NaOH (ou KOH)  glycérol + savon Tensioactif anionique Lors de la toilette, le savon dissout la graisse constituant le film hydrolipidique qui recouvre la peau. La graisse est entraînée dans l'eau avec les Lors de la toilette, le savon dissout la graisse constituant le film hydrolipidique qui recouvre la peau. La graisse est entraînée dans l'eau avec les saletés qu'elle contient. L'inconvénient est que le film hydrolipidique sert à protéger la peau et à retenir son eau. Le savonnage fragilise donc la peau, jusqu'à ce que le film hydrolipidique se reconstitue Tensioactifs anioniques

Le savon (2) Décrochage de la salissure Solubilisation de la salissure MOUILLANT Décrochage de la salissure DETERGENT Le détergent doit aussi faciliter le décrochage de la salissure et enfin solubiliser ou disperser celle-ci après qu’elle ne puisse se redéposer sur la surface par après. Le mécanisme d’ élimination de la salissure dépend de l’état de celle-ci. S’il s’agit d’une particule, le tensioactif doit réduire l’énergie d’adhésion. S’il s’agit d’une huile ou un liquide, le tensioactif doit réduire l’angle de contact à la surface salie. Si l’angle de contact est initialement plus petit que 90°, ce qui est généralement le cas pour des substances grasses sur de textiles polaires comme le coton, l’élimination se fait par un « simple » mécanisme d’extraction ( fig.5 partie a). Lorsque l’angle de contact est supérieur à 90°, ce mécanisme n’est pas complètement efficace et une partie de la salissure est laissée à la surface (fig. 5, partie c). Elle sera éliminée par une action solubilisante ou émulsifiante Cela signifie que le surfactant doit s’adsorber à la fois aux interfaces solide-liquide et liquide-liquide et s’adsorber sur les salissures pour les maintenir en suspension. Souvent, un seul type de tensioactif n’est pas suffisant surtout si on y ajoute d’autres critères de qualité comme l’effet moussant plus psychologique qu’utile dans une machine à laver. Au contraire, la formation de micelles est particulièrement intéressante car elle permet de « solubiliser » (disperser) des substances non solubles dans l’eau. Solubilisation de la salissure  Formation de micelles EMULSIFIANT Altération du film hydrolipidique qui recouvre la peau  Éviter de laver trop souvent son animal

Le savon (3) Le Pouvoir Moussant des Détergents Mousse : dispersion instable de bulles de gaz dans un volume relativement faible de Iiquide. Inclusions ou bulles d'air : Formation d'une double couche d'agents tensioactifs en solution aqueuse. Tensioactifs ioniques : bulles plus stables et plus grosses que les non ioniques Ces inclusions ou bulles d'air sont délimitées par un film d'épaisseur de l'ordre de 50 µm (microns). Ce film est réalisé par la formation d'une double couche d'agents tensioactifs en solution aqueuse. La bulle est maintenue stable si l'équilibre entre la surface du liquide et le gaz emprisonné est réalisé. Lorsque deux bulles sont collées l'une contre l'autre, l'épaisseur de la paroi tend à se réduire pour devenir la plus fine possible, le liquide étant drainé par les forces gravitationnelles. Dans le même temps, la tension de surface du liquide augmente. Dès que le film ne supporte plus cette pression, les deux bulles collapsent et disparaissent. Tensioactifs ioniques : bulles plus stables et plus grosses que les non ioniques (formation des doubles couches constituées par les composés de même charge. Ils se repoussent les uns contre les autres évitant ainsi la diminution trop importante de l'épaisseur de la paroi entre les deux bulles. ) Par contre, les tensioactifs non ioniques ne peuvent pas être en interaction les uns entre les autres car ils occupent une trop grande surface par molécule ce qui ralentit la mobilité des composés dans la zone de drainage. L'équilibre est alors mal réalisé entre le drainage du liquide dans la paroi lamellaire et la tension de surface du liquide. La bulle est instable et assez petite. Par suite de ce caractère basique, les solutions savonneuses peuvent être agressives pour l'épiderme. Pour éviter cet inconvénient, des acides gras tels l'acide lactique (acides carboxyliques) sont incorporés à certains savons appelés savons acides. Application : inutile de mousser pour avoir un pouvoir détergent ! mousse = « perte » de tensioactifs

Action antiseptique Action désinfectante Utilisation : Antibactérien Désinfectant : surface inerte Antiseptique : tissu organique Les ammoniums quaternaires tensioactifs cationiques action irritante principale risque de sensibilisation faible Exemple: chlorure de benzalkonium Les produits amphotères irritants

Action antiseptique Action désinfectante Trois types de germes Bactéries champignons Virus  « - cide », « -statique » : La différence  bactéricides, fongicides ou virucides: tuent les germes bactériostatiques et fongistatiques : inhibent la croissance puis action du système immunitaire NE PAS ASSOCIER « -cide » et « -statique » car le « -statique » met le germe à l'abri de l'agent destiné à le tuer. Mode d’action des tensioactifs ioniques Ils perturbent la membrane cytoplasmique. Action su système immunitaire pour se débarrasser du germe

Le chlorure de benzalkonium (1) Désinfectant et antiseptique Structure chimique Ammonium quaternaire Spectre d’activité Bactéricide ou bactériostatique (Gram+) Faiblement fongistatique Aucune action sporicide Inactif sur les mycobactéries Activité faible sur les virus enveloppés Activité nulle sur les virus nus Spermicide

Le chlorure de benzalkonium (2) Mécanisme d’action Abaissement de la tension superficielle : contact plus étroit entre les bactéries et l'antiseptique. Dénaturation de protéines et enzymes, lyse de la membrane cellulaire Indications thérapeutiques Désinfections des muqueuses oculaires et nasales Hémorroïde Dermatite inflammatoire Dermatite allergique Contraception locale

Le chlorure de benzalkonium (3) Effets secondaires Réactions d’hypersensibilité Contre-indications Ne pas associer à des agents tensioactifs anioniques. Inactivés par les eaux trop dures, les matières organiques. Ne pas utiliser avec du coton. Toxicité : Et si un chien en avale ? Nocif pour le tractus gastro-intestinal et le système nerveux DL50 rat =560mg/kg Exposition orale répétée (dans la nourriture) : nocif pour le chien à partir de 400ppm pendant 1an

Conclusion 4 grandes classes de tensioactifs Utilisations multiples Utilisation du caractère hydrophobe Utilisation du caractère ionique de la tête Utilisations multiples Hygiène Formulations pharmaceutiques  Attention aux mélanges !

Merci de votre attention