Понятие фармацевтических и водных растворов

1. Поверхность твердого тела контактирует с растворителем. Контакт сопровождается смачиванием, адсорбцией и проникновением растворителя в микропоры частиц твердого тела.
2. Молекулы растворителя взаимодействуют со слоями вещества на поверхности раздела фаз. При этом происходит сольватация молекул или ионов и отрыв их от поверхности раздела фаз.
3. Сольватированные молекулы или ионы переходят в жидкую фазу.
4. Выравнивание концентраций во всех слоях растворителя.

Длительность 1-й  и 4-й стадий зависит преимущественно  от скорости диффузионных процессов. 2-я и 3-я стадии часто протекают мгновенно или достаточно быстро и имеют кинетический характер (механизм химических реакций). Из этого следует, что в основном скорость растворения зависит от диффузионных процессов.

2.2 Растворы твердых веществ

Большинство твердых  веществ являются кристаллическими веществами. Процесс растворения  кристаллического вещества состоит  из двух одновременно протекающих процессов: сольватации (в данном случае гидратации) частиц и разрушения кристаллической решетки.

На рис. 1 показан  процесс растворения натрия хлорида (кристаллическое ионное соединение) в воде (полярная жидкость). Ионы натрия хлорида взаимодействуют с дипольными молекулами воды: к положительному иону Nа+ диполи обращены своими отрицательными полюсами, а к отрицательным ионам С1- — положительными. Постепенно диполи воды проникают между ионами Nа+ и С1- в твердой фазе, отрывая их от кристалла.

Для эффективности растворения важно, чтобы силы сцепления между молекулами растворителя и частицами растворяемого вещества были больше сил взаимного притяжения этих частиц между собой. Вода по сравнению с другими растворителями обладает огромной полярностью (самое высокое значение диэлектрической постоянной). Именно этим свойством обусловливаются высокая ионизирующая способность воды и ее разрушительное действие на кристаллические решетки многих полярных соединений.

При растворении  веществ наблюдается поглощение или выделение теплоты. Поглощение теплоты указывает на затрату  энергии. Объясняется это тем, что на перевод вещества из твердого состояния в жидкое, т. е. на растворение кристаллической решетки, обязательно расходуется энергия. Например, ионы натрия и хлора до растворения натрия хлорида в воде фиксированы в узлах кристаллической решетки, обладая при этом только вращательными и колебательными движениями. После же растворения ионы получают возможность относительно свободно двигаться внутри раствора, для чего необходимо увеличение их кинетической энергии. Увеличение ее происходит за счет отнятия энергии у растворителя в форме теплоты, в результате чего происходит охлаждение раствора. Чем прочнее кристаллическая решетка, тем значительнее охлаждение раствора.

Выделение теплоты  при растворении вещества всегда указывает на активно протекающую сольватацию, т. е. образование соединений между растворимым веществом и растворителем.

Конечный тепловой эффект растворения (Q) нужно рассматривать как сумму двух слагаемых — положительного теплового эффекта сольватации (q) и отрицательного теплового эффекта разрушения кристаллической решетки (-с):

Q = q + (-с)

Знак теплового  эффекта растворения будет зависеть от того, какое слагаемое преобладает. Если кристаллическая решетка прочна, то слагаемое (-с) численно больше q; в этом случае растворение вещества будет проходить с поглощением теплоты. Наоборот, у веществ с непрочной кристаллической решеткой и сильно сольватируемых (гидратируемых) превалирует слагаемое q; при этом растворение будет проходить с выделением теплоты. Часто положительный и отрицательный тепловые эффекты растворения оказываются одинаковыми или очень близкими друг к другу; в таких случаях при растворении мы не замечаем охлаждения или разогрева раствора.

Тепловой эффект растворения относят к 1 молю вещества, растворяемому в достаточно большом количестве растворителя. С поглощением теплоты растворяются КNO3 [(Q = -8,52 ккал/ (г * моль)], КI (-5,11), NаСl (-1,2), NaВг (-0,19) и многие другие кристаллические вещества. С выделением теплоты растворяются AgNO3 [Q = +5,4 ккал/(г * моль)], NаОН (+10,0) и некоторые другие вещества. При растворении кристаллогидратов в воде наблюдается более низкий тепловой эффект, чем при растворении безводной соли. Например, теплота растворения безводного СаС12 равна +17,41 ккал/(г * моль), а СаС12 • 6Н20 составляет -4,31 ккал/(г * моль). Разница (+17,41) - (-4,31) = 21,72 ккал представляет собой теплоту образования кристаллогидрата.

2.3 Растворы жидких веществ

Жидкости по отношению  друг к другу обнаруживают разнообразную  способность к смешиванию (взаимному  растворению): от полной нерастворимости и до смешиваемости в любых количественных соотношениях.

В форме водных растворов обычно применяются жидкие лекарственные вещества, обладающие полной взаимной растворимостью, но могут  быть прописаны и вещества с ограниченной растворимостью в воде. В случае растворения полярных соединений происходят гидратация полярных молекул и диссоциация их в растворе на свободные гидратированные ионы (рис. 2). Например, так себя ведут молекулы НС1, диссоциирующие в водных растворах на свободные гидратированные ионы Н+ и С1-.

При растворении  неорганических кислот в воде наблюдается  выделение теплоты. Например, теплота  растворения Н2SO4 равна +22,07 ккал/(г * моль), НС1 +17,94 ккал/(г * моль), НNO3 +7,95 ккал/(г * моль). Очевидно, что во всех этих случаях положительный эффект гидратации значительно выше отрицательного теплового эффекта разрушения ассоциатов молекул. Аналогичная картина имеет место и при растворении этилового спирта в воде.

При растворении  жидкостей в жидкости заметнее, чем  при растворении твердых веществ в жидкости, происходит увеличение или уменьшение суммарного объема. Увеличение суммарного объема обычно зависит от разрушения ассоциатов молекул. Уменьшение суммарного объема (сжатие, концентрация) чаще всего вызывается образованием соединений между смешивающимися жидкостями.

Изменение объема раствора, если оно вызвано его  самоохлаждением или саморазогреванием  при приготовлении, носит временный  характер и должно учитываться при  приготовлении растворов по объему.

Впервые диффузионный механизм растворения описал А. Н. Шукарев в 1896 г. По этому уравнению скорость процесса зависит от разности концентраций и поверхности раздела фаз. Современная теория о растворении твердых тел исходит из представления об этом процессе как о кинетике гетерогенных процессов, при которых могут проявляться как диффузионные, так и межфазные процессы (химические). Эта теория развита в трудах ученых А. Б. Здановского, М. Товдина, О. Брама и др. Исходным положением диффузионно-кинетической теории следует считать наличие пограничного диффузионного слоя и его влияние на изменение скорости процесса.

Кинетика процесса растворения описывается следующим  уравнением:

где D — коэффициент диффузии;

* — коэффициент скорости межфазного процесса;

* — эффективная толщина пограничного диффузионного слоя, м;

S — поверхность твердой фазы, м2;

С0 — концентрация насыщенного раствора, кг/м3;

Сt — концентрация раствора в данный момент времени, кг/м;

dC/dT —количество вещества, растворившегося в единицу времени (скорость растворения), кг/с;

п — порядок реакции растворения. В воде почти для всех лекарственных веществ равен единице (кинетическая область растворения).

Константа скорости растворения Кv при постоянном объеме жидкой фазы определяется выражением

3. Характеристика  растворителей

3.1 Понятие растворителя

В процессе приготовления жидких лекарственных  форм всегда используется растворитель, который является соответственно дисперсионной  средой. Под растворителями понимают химические соединения или смеси, способные  растворять различные вещества, т. е. образовывать с ними однородные системы — растворы, которые состоят из двух или более компонентов. Как растворители для приготовления растворов в медицинской практике используют: воду очищенную, спирт этиловый, глицерин, жирные и минеральные масла, хлороформ, эфир диэтиловый. В настоящее время ассортимент растворителей значительно расширился за счет кремнийорганических соединений, этилен- и пропиленглйколей, полиэтиленоксидов, диметилсульфоксида и других веществ.

К растворителям, используемым при приготовлении  жидких лекарственных форм, предъявляют определенные требования:

• они должны быть стойкими при хранении, химически и фармакологически индифферентными;
• иметь высокую растворяющую способность;
• не обладать неприятным вкусом и запахом;
• должны быть доступными по стоимости;
• не являться средой для развития микроорганизмов.

Исходя из химической классификации, все жидкие дисперсные системы разделяют на неорганические и органические соединения.

Вода очищенная (Aqua purificata)

Из неорганических соединений является самым распространенным растворителем.

Вода фармакологически индифферентна, доступна и хорошо растворяет многие лекарственные вещества, но в то же время в ней очень  легко и быстро гидролизуются некоторые вещества и развиваются микроорганизмы.

Вода очищенная  может быть получена дистилляцией, ионным обменом, электролизом, обратным осмосом. Она должна быть бесцветной, прозрачной, без вкуса и запаха, pH 5,0—7,0. Не должна содержать восстанавливающих веществ, нитратов, нитритов, хлоридов, сульфатов, следов аммиака и других примесей.

Спирт этиловый (Spiritus aethylicus)

Прозрачная, бесцветная, подвижная жидкость с характерным  запахом и жгучим вкусом, кипит при температуре 78 °С. В фармацевтическом производстве применяют этиловый спирт (С2Н5ОН), получаемый путем сбраживания крахмалосодержащего сырья — в основном картофеля и зерна. Сбраженное сусло, содержащее 8—10% спирта, укрепляют путем простой перегонки. Получают спирт-сырец, содержащий до 88% спирта. Спирт-сырец очищают от летучих органических кислот (преимущественно уксусной, молочной, масляной), сивушных масел (высших спиртов, одного гомологического ряда с этиловым спиртом — пропилового, изобутилового, изоамилового и др.), эфиров (уксусно-этилового, масляно-этилового и др.), альдегидов (уксусный альдегид и др.) и одновременно укрепляют до 95 — 96% путем многократной перегонки, называемой ректификацией. Этанол другого происхождения для производства лекарственных препаратов не используется в связи с присутствием недопустимых примесей (спирт метиловый и другие соединения).

Спирт этиловый можно отнести к неводным растворителям с определенной условностью, так как используется не абсолютный этанол, а водноспиртовые растворы различной концентрации.

Спирт смешивается  во всех соотношениях с водой, глицерином, эфиром, хлороформом. Он нейтральный, не окисляется кислородом воздуха, имеет бактериостатическое и бактерицидное действие.

К отрицательным  свойствам спирта следует отнести  его неиндифферентность, смертельная доза 96% спирта этилового — , около 200—300 мл. Он способствует осаждению белков, ферментов, легко воспламеняется, имеет высокую гигроскопичность, несовместим с окислителями, с некоторыми солями образует кристаллические соединения.

Этиловый спирт  является одним из наиболее часто  применяемых растворителей в  производстве фармацевтических препаратов. На производство поступает 96,2—96,7% этанол, который разводят водой или слабым спиртом до требуемой концентрации.

Концентрация  этанола выражается в объемных процентах (%) и в процентах по маcсе [% (m)]. Если нет специального обозначения, подразумевается объемный процент. Концентрация этанола в объемных процентах (Сv) показывает, какое количество миллилитров безводного этанола содержится в 100 мл водноспиртового раствора при 20 °С. Концентрация этанола в процентах по массе (Ст) показывает, какое количество граммов безводного этанола содержится в 100 г водноспиртового раствора. Соотношение между объемными процентами и процентами по массе приведены в таблице 1 ГФ XI, составленной на основании зависимости

Cv * *б/e = Cm * *р-ра 

где

*б/e — плотность безводного этанола;

*р-ра— плотность водноспиртового раствора.

Содержание этанола  в водноспиртовых растворах определяют стеклянным и металлическим спиртомерами, а также по плотности с помощью денсиметра (ареометра) или пикнометра (рис. 3.3). По значению плотности при 20 °С определяют Сv и Ст, используя таблицу 1 ГФ XI. По величине плотности, полученной при других температурах, и для показаний стеклянного и металлического спиртомеров, перевод в объемные проценты при 20 °С проводят с помощью таблиц издательства стандартов.

 

 

Концентрацию  этанола определяют стеклянными  спиртомерами класса 0,1 (цена деления 0,1%) или класса 0,5. Арбитражные определения  крепости спиртовых растворов проводят металлическими или стеклянными  спиртомерами класса 0,1. Для практических целей пользуются спиртомерами класса 0,5 со встроенным термометром. Комплект состоит из двух или трех спиртомеров (0—60, 60—100 или 0—40, 40—70, 70—100%). Стеклянный спиртомер при температуре 20 °С показывает концентрацию этанола в объемных процентах. Но в условиях крупных фармацевтических производств крепость спирта чаще необходимо измерять при температуре, отличающейся от 20 °С. В этих случаях определение проводят при фактической температуре, а полученные значения стеклянного спиртомера при температуре определения приводят к 20 °С с помощью таблицы III (Таблицы для определения содержания этилового спирта в водно-спиртовых растворах. Издательство стандартов, 1979 г.).