Классификация эмульгаторов. Гидрофильно-липофильный баланс эмульгаторов

Числа ГЛБ для всех известных ПАВ составляют шкалу («шкала Гриффина») от 1 до 40. Число 10 является приближенной границей между липофильными    и    гидрофильными    ПАВ.    Маслорастворимые эмульгаторы, дающие эмульсии В/М( характеризуются числами ГЛБ ниже 10. Чем выше число ГЛБ, тем больше склонность к образованию эмульсии М/В.

Шкала ГЛБ, которая служит в основном для выбора эмульгатора, имеет значение и для определения другого назначения ПАВ.

Например, ПАВ при значении ГЛБ :

- 1-3 должны быть пеногасителями;

- 3-6- эмульгаторами в/м;

-  7-8 - моющими средствами;

- 8-13 - эмульгаторами м/в;

-13-15 – детергентами;

- выше 15 - солюбилизаторами. [3]

 

Методы определения  гидрофильно-липофильного баланса  эмульгаторов

 

Существует несколько  шкал ГЛБ, числа которых рассчитаны разными методами. Основными из них  являются метод Гриффина и метод  Дэвиса, но также существует метод  Шиноды, метод Лин, метод Круглякова-Корецкого  и другие.

Метод Гриффина

Это первый предложенный метод определения чисел ГЛБ экспериментальным путем, основанный на растворимости ПАВ в воде. Гриффином была предпринята систематическая классификация эмульгаторов и масел с соблюдением гидрофильно-липофильного баланса. Сравнивая типы эмульсий (масло – вода или вода – масло) и стабильность сформировавшихся эмульсий по наличию ПАВ, он создал классификацию. Это шкала с числами от 1 до 40, где гидрофобные вещества имеют низкое значение, а гидрофильные – высокое. Приблизительно у 75 эмульсий были определены числа ГЛБ. Исследование чисел ГЛБ показывает количественное согласие с предположением, основанным на химической структуре веществ в определенной группе соединений.

Позже Гриффин создал формулы для расчета чисел  ГЛБ для некоторых простых  эфиров и производных оксида этилена.

Числа ГЛБ Гриффина сыграли  важную роль при систематизации и  оценке эффективности ПАВ при  различных применениях и оказали  сильное стимулирующее действие на исследование ГЛБ в самых разнообразных  направлениях. Тем не менее, у метода есть недостатки. При применении шкалы чисел ГЛБ по отношению к произвольному классу ПАВ используется комплексный качественный подход, учитывающий диспергируемость ПАВ в воде и другие свойства (устойчивость эмульсий, солюбилизацию, моющее действие и другие).Также недостатком является то, что числа определялись экспериментально. И чтобы уйти от экспериментального определения чисел ГЛБ, был предложен расчетный метод – метод Дэвиса.

Метод Дэвиса

Дэвис предложил присваивать  числа ГЛБ не конкретному веществу, а отдельной функциональной группе, учитывая то, что полярная группа имеет положительное число ГЛБ, а неполярная – отрицательное. Согласно Дэвису, чем выше число ГЛБ, тем ПАВ лучше растворяется в воде.

Дэвис соотнес числа  ГЛБ с относительной скоростью  коалесценции при стабилизации капель масла в воде и обнаружил, что числа ГЛБ могут быть рассчитаны по сумме всех функциональных групп, входящих в молекулу. Этот метод полезен, если структура и размеры компонентов ПАВ известна. Огромный недостаток этого метода – в том, что полярность гидрофильных групп имеет тенденцию снижаться, когда размеры молекулы увеличиваются. Таким образом, добавление 10 групп оксида этилена в небольшую молекулу увеличивает полярность больше, чем полярность большой молекулы при добавлении тех же 10 групп.

У метода Дэвиса есть и  другие недостатки. Во-первых, не для  всех функциональных групп есть числа  ГЛБ, а во-вторых, не учитывается природа радикала (разветвленность, ненасыщенность, ароматичность), хотя природа существенно влияет на растворимость и, следовательно, на числа ГЛБ. Ошибочным также считается предложенное Дэвисом уравнение, полученное на основе кинетики коалесценции, так как на основе уравнения можно сделать вывод, что ГЛБ является линейной функцией энергии переноса ПАВ, что вряд ли может быть правильным.

Метод Круглякова-Корецкого

В данном случае была предложена некоторая альтернатива гидрофильно-липофильному балансу, названная гидрофильно-олеофильным соотношением (ГОС), которое выражается через работы адсорбции ПАВ. Основной характеристикой является относительная эффективность гетерополярных частей молекул ПАВ, которая играет важную роль в различных поверхностных явлениях. Относительная эффективность полярных и аполярных частей молекул ПАВ может быть выражена через различные свойства, однако наиболее универсальной и практически важной будет такая количественная характеристика, в которой учитывается относительная автономность гетерополярных частей ПАВ, оценка гидрофильности и гидрофобности производится с помощью единообразной меры, гидрофильность и гидрофобность выражаются через основное свойство ПАВ, имеющее простой физический смысл и присущее всем видам ПАВ. Этим требованиям наиболее полно отвечает именно ГОС.

Кроме методов, которые  были рассмотрены ранее, существует множество других, которые основаны на других требованиях и допущениях.

Литтл обнаружил, что  числа ГЛБ связаны с физическими  свойствами. Это включает солюбилизацию  бензола в воде, солюбилизацию  красителей в неводных растворителях, критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ). Точная связь этих физических измерений с числами ГЛБ зависит от условий и класса ПАВ.

Гринволд установил  связь с полярностью различных  эмульгаторов и масел методом  водного титрования. Также он создал классификацию систем, которая базируется на коэффициенте рассеивания для ПАВ в воде и в изооктане. Только немногие полиоксиэтиленовые эмульгаторы исследованы в этом методе. С большой осторожностью были проведены исследования, и некоторые из них требовали 15 – 19 недель.

Накагава и Накагава использовали бумажную хроматографию для разделения ПАВ.

Харва использовал метод  газовой хроматографии, чтобы получить коэффициент разделения для различных  многоатомных спиртов. ПАВ использовался  как неподвижная жидкая фаза для  газовой хроматографической колонны.

Шинода предложил рассматривать взаимосвязь между температурой инверсией фаз (ТИФ) и ГЛБ. При этом было обнаружено, что эта зависимость часто носит экстремальный характер. Шинода рассматривал обращение фаз, в частности, для эмульсий, так как это системы довольно сложного состава, содержащие по крайней мере три компонента: две несмешивающиеся жидкости и ПАВ-стабилизатор, причем при изменении параметров состояния ПАВ может переходить из одной фазы в другую при изменении температуры. Первоначально это явление называли обращением фаз, а в дальнейшем область перехода стали называть областью гидрофильно-липофильного баланса. Также было выведено правило стабилизирующего действия ПАВ: стабилизирующее действие ПАВ сильнее, когда ПАВ находится преимущественно в дисперсионной среде, чем когда ПАВ находится преимущественно в дисперсной фазе.

Лин с сотрудниками сравнили групповые числа Дэвиса со свободной  энергией переноса молекул ПАВ из объема фаз на поверхность, связывая ГЛБ с различными свойствами растворов  ПАВ. Потом были получены соотношения, связывающие числа ГЛБ, рассчитанные по методам Гриффина и Дэвиса, с величинами ККМ ПАВ. [4]

 

Химическая, физическая и микробиологическая стабильность эмульсий

 

Эмульсии должны иметь  физическую, химическую и микробиологическую стабильность.

Для физической стабильности эмульсии очень важно достаточное количество емульгатора. Необходимо иметь в виду, что определенное количество эмульгатора может насытить только определенную поверхность. Это означает, что при недостаточном количестве эмульгатора будет небольшой и степень дисперсности. Шарики масла в этом случае получаются настолько большими, что пленка не выдерживает тяжести шарика и прорывается. Поэтому необходимо, чтобы для каждой-го эмульгатора и масла были известны оптимальные соотношения, которые обеспечили бы определенную степень дисперсности и стабильность эмульсии. Устойчивость эмульсии зависит не только от свойств применяемого эмульгатора, но и от степени дисперсности фазы. Чем ближе плотность дисперсной фазы к плотности дисперсионной среды, тем меньше межфазное поверхностное натяжение, тем выше вязкость дисперсионной среды, тем устойчивее эмульсия.

Размер капелек дисперсной фазы зависит от величины снижения поверхностного натяжения на границе  раздела фаз и от величины энергии, затраченной на измельчение частиц дисперсной фазы. Особенно большую устойчивость эмульсии получают в результате гомогенизации, т.е. при дополнительном энергичном механическом воздействии на готовую эмульсию. При гомогенизации не только повышается дисперсность эмульсии, но она становится монодисперсной, что значительно повышает ее устойчивость.

Гомогенизация эмульсии проводится с помощью специального прибора - гомогенизатора. Для этого грубодисперсную эмульсию пропускают под большим давлением через имеющиеся в гомогенизаторе узкие каналы. В этом случае крупные капли дисперсной фазы разрушаются и получается тонкодисперсная эмульсия. При этом диаметр полученных капель может уменьшиться в десятки раз по сравнению с исходными.

Химическая стабильность эмульсий определяется стабильностью лекарственных веществ, отсутствием химических реакций между ингредиентами эмульсий.

Химическая неустойчивость может отражаться на физической стабильности эмульсий (разрушения вследствие омыления, окисления, гидролиза, составляющих компонентов, их взаимодействия между собой и материалом упаковки).

С целью химической стабилизации эмульсий их хранят в упаковке из инертных материалов в прохладном месте, защищенном от воздействия света и воздуха, вводят антиоксиданты (бутил окситолуол, бутилоксианузол, пропилгаллат и др.)..

Микробиологическая стабильность эмульсий является важным требованием, определяющим их качество. При изготовлении эмульсий (как и других лекарственных  форм) необходимо соблюдать все меры для обеспечения микробной чистоты  лекарственных и вспомогательных веществ. [5]

Механизм стабилизации масляных растворов

Для стабилизации масляных растворов добавляют жирорастворимые антиоксиданты: бутилокситолуол (БОТ), бутилоксианизол (БОА), α-токоферол, пропилгаллат, аскорбилпальмитат, кислоту нордигидрогваяретовую, кверцетин и их синтетические смеси. Эффективность антиоксидантов этой группы зависит от исходной концентрации гидропероксидов и других продуктов окисления масла. Предложен надежный способ их удаления путем введения в масло вторичных и третичных аминов гидрохлоридов и гидробромидов с последующей термообработкой (предварительной стабилизации), что приводит к почти полному разрушению гидропероксидов. Подобное действие оказывают и некоторые лекарственные вещества – аминазина гидрохлорид, димедрол в концентрациях 10–3 – 10–4 моль/л.

Для стабилизации масляных растворов гормональных препаратов в последнее время используют растворы бензил-бензоата. [6]

Вывод

В наше время внимание ученых всего мира все больше обращают на себя фармацевтические эмульсии, которые кроме перорального употребления, стали использоваться также для парентерального питания и как кровезамещающие. Эмульсии также интенсивно используют в различных лекарственных формах для местного применения: мазях, кремах, аэрозолях, которые занимают на сегодня качественно новый уровень в связи с достижениями науки в области создания эмульсий и расширением ассортимента вспомогательных веществ.

Перспективность эмульсионных лекарственных форм обуславливается  некоторыми преимуществами: в составе  эмульсий можно соединять несмешивающиеся  жидкости, маскировать неприятный вкус, регулировать биодоступность лекарственных веществ, устранять раздражающее действие на кожу и слизистые (что свойственно некоторым лекарственным веществам).

Основными показателями, характеризующими качество фармацевтических эмульсий, являются биодоступность лекарственных веществ, а также их стабильность при хранении (физическая, химическая, микробиологическая).

Литература

1. Эмульгаторы. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL: http://ru.wikipedia.org/wiki
2. Выбор эмульгатора и характеристика эмульгирующих свойств ПАВ. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia
3. Холберг К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йёнссон, Б. Кронберг, Б. Линдман; Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 528 с.
4. Щукин Е. Д. Коллоидная химия: Учеб. Для университетов и химико-технолог. вузов/ Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. А. Амелина. - 5-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2007. - 444 с.
5. Сумм Б. Д. Основы коллоидной химии: учеб пособие для студ. высш. учеб. Заведений/ Б. Д. Сумм. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 240 с.
6. Державна фармакопея України / Державне підприємство “Науково-експертний фармакопейний центр”. – 1-е вид. – Харків: РІРЕГ, 2001. – 556 с.