Тесты. 4.1.5. Розчини ВМС. Навчальнометодичний посібник до практичних занять для студентів фармацевтичного факультету спеціальностей фармація і технологія парфумернокосметичних засобів
 Скачать 2.98 Mb.
|
|
РОЗЧИНИ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК Навчально-методичний посібник до практичних занять для студентів фармацевтичного факультету спеціальностей «фармація» і «технологія парфумерно-косметичних засобів» очної форми навчання Запоріжжя, 2018 МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ’Я УКРАЇНИ ЗАПОРІЗЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МЕДИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ФІЗКОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ РОЗЧИНИ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК Навчально-методичний посібник до практичних занять для студентів фармацевтичного факультету спеціальностей «фармація» і «технологія парфумерно-косметичних засобів» очної форми навчання Запоріжжя, 2018 УДК 615.9 (075.8) ББК 52.8 я 73 М 42 Рекомендовано Цикловою методичною комісією з хімічних дисциплін як навчальний посібник для студентів вищих фармацевтичних навчальних закладів спеціальностей «фармація» і «ТПКЗ» (Протокол №3 від 17 жовтня 2013року). Рецензенти: Книш Є.Г. завідувач кафедри управління і економіки фармації, медичного і фармацевтичного правознавства Запорізького державного медичного університету, д.фарм.н., професор; Прийменко Б.О. професор кафедри органічної та біоорганічної хімії Запорізького державного медичного університету, д.фарм.н., професор. Навчально-методичний посібник складено відповідно до програми з фізичної та колоїдної хімії для вищого фармацевтичного навчального закладу та фармацевтичних факультетів вищих медичних закладів III-ІV рівнів акредитації для спеціальності 7.12020101 «Фармація» затвердженої наказом МОН... Навчально-методичний посібник побудовано за загальними темами фізичної та колоїдної хімії. Рекомендовано для використання при вивченні дисципліни, підготовці студентів очної форми навчання до практичних занять з фізичної та колоїдної хімії. УДК 615.9 (075.8) ББК 52.8 я 73 @Запорізький державний медичний університет А.Г. Каплаушенко 2018 ЗМІСТ Виникнення електричного заряду в стані, відмінному від ізоелектричного, обумовлює електрофоретична рухливість білків. Напрямок руху макромолекул білків в електричному полі (до катода або анода) залежить від значення pH. Білки, як і всі амфоліти, мають певну величину ізоелектричної точки. У таблиці наведені значення ізоелектричної точок деяких найбільш поширених білків. 28 Ізоелектрична точка деяких білків 28 ηпит/С= [η] + k1[η]2С, 41 Вступ Загальновідомо, що до високомолекулярних речовин (ВМР) відносять сполуки з молекулярною масою 104-106 і вище, це – білки (казеїн, желатин, крохмаль та ін.), які складають основу харчування, нуклеїнові кислоти і інші біополімери. У техніці і побуті знаходять широке застосування такі ВМР, як целюлоза та її похідні, шерсть, натуральний шовк, бавовна, різноманітні синтетичні смоли, пластмаси, натуральні і синтетичні каучуки, плівкоутворюючі матеріали, синтетичні волокна та ін. певне використання знайшли ВМР у медицині і фармації. З полімерів виготовляють інструментарій, предмети догляду за хворими, протези для заміни втрачених органів. У фармації полімери використовують для виготовлення оболонок капсул, у які поміщують лікарські речовини, як покриття і складові частини таблеток, як допоміжні речовини для створення мазей і пластирів. З модифікованої целюлози, наприклад, виготовляють бинти і вату з кровозупиняючими властивостями. І це далеко не повний перелік застосування ВМР у фармації. Тематика навчально-методичного посібника повністю відповідає діючій типовій програмі з фізичної та колоїдної хімії, затвердженої МОЗ України. Даний навчально-методичний посібник крім теоретичної частини містить тести, приклади вирішення задач, а також задачі та питання для самостійного рішення, лабораторні роботи, що виносяться на виконання під час практичних занять. Навчально-методичний посібник направлений допомогти студентам очної та заочної форм навчання, які навчаються за спеціальностями "Фармація" і "Технологія парфумерно-косметичних засобів" та вивчають колоїдну хімію. Мета заняття (загальна): вивчити особливості розчинення полімерів, класифікацію розчинів ВМС, молекулярно-кінетичні, оптичні, реологічні властивості, способи одержання холодців, кінетику набрякання, фактори стійкості, поліелектроліти, особливості концентрованих розчинів ВМС. ЦІЛЬОВИХ ЗАВДАННЯ - ознайомитися з різними способами отримання розчинів ВМС, драглів; - вивчити процес набряку желатини та впливу різних факторів на ступінь набрякання; - вивчити вплив кислотності середовища (ізоелектрична точка); - поліелектроліти, мембранне рівновагу Доннана. Студент повинен знати: основні хімічні властивості високомолекулярних сполук; особливості будови, які визначають їх властивості; явища набрякання та умови розчинення ВМС; вплив природи полімеру, концентрації, рН середовища на ступінь набухання полімеру; дію електролітів; ліотропні ряди Гофмейстера; ізоелектричний стан білкової молекули; Студент повинен вміти: - готувати розчини ВМС, драглів; - готувати буферні розчини і визначати їх рН; - розраховувати ступінь набухання желатини за лабораторними результатами; - інтерпретувати вплив ряду катіонів та аніонів на процес набухання; - визначати ізоелектрична точку желатину; - визначати молекулярну масу полімеру віскозиметричним методом; При підготовці до заняття звернути увагу на такі питання: 1. Які речовини відносять до ВМС? 2. Як класифікують ВМС за походженням? За складом головного ланцюга? За структурою полімерного ланцюга? За формою макромолекул? 3. Чим відрізняються методи полімеризації і поліконденсації? На чому базується метод хімічних перетворень? 4.Якими методами визначають середньочисельну молекулярну масу? Середньомасову молекулярну масу? 5. Проаналізуйте рівняння Штаудінгера. Як визначити характеристичну в’язкість розчину полімеру? 6. Якими бувають фазові і фізичні стани ВМС? 7. Чим відрізняється механізм розчинення полімерів від механізму розчинення низькомолекулярних речовин? 8. Що називають набряканням? Обмеженим набряканням? Необмеженим набряканням? Що таке ступінь набрякання? 9. Як розрахувати константу швидкості набрякання? 10. Які фактори впливають на розчинність полімерів? Яку роль у розчиненні полімерів відіграє термодинаміка процесу? 11. Що таке коацервація? ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ ПО ТЕМІ ЗАНЯТЬ Стрімкий розвиток хімії високомолекулярних сполук (ВМС ) останнім часом сприяє їх широкому використанню в різних галузях промисловості . Особливий інтерес представляє застосування ВМС у фармації. У фармацевтичній практиці ВМС застосовуються в якості лікарських (білки, гормони, ферменти, полісахариди, рослинні слизу і т. ін.), та допоміжних речовин, таро - закупорювальних матеріалів. Допоміжні речовини широко використовуються в якості стабілізаторів, емульгаторів, формоутворювачів, солюбілізаторів для створення більш стійких дисперсних систем при виробництві різних лікарських форм: суспензій, емульсій, мазей, аерозолів і т. ін. Лікарські форми у вигляді драглів можна виготовити м’якими, щільними, навіть хрящуватими. Введення в технологію нових ВМС дозволило створити нові лікарські форми: багатошарові таблетки тривалої дії, спансули (гранули, просочені розчином ВМС) мікрокапсули; очні лікарські плівки; дитячі лікарські форми і т. ін. Розчини ВМС - стійкі системи, однак, за певних умов можливе порушення стійкості, що призводить до висолювання, коацервації, застигання. Тому для технолога дуже важливі знання про інтенсивність взаємодії між частинками дисперсної фази і дисперсійного середовища , так як це суттєво впливає на вибір способу приготування лікарського препарату. У сучасній фармацевтичній практиці знаходять застосування лікарські речовини, які становлять собою захищені колоїди, які складаються з колоїдного компонента та високомолекулярної речовини. З полімерів виготовляють інструментарій, предмети догляду за хворими, протези для заміни втрачених органів. З модифікованої целюлози, наприклад, виготовляють бинти і вату з кровоспинним властивостями. В медичній практиці ВМС використовують як плазмозамінники, кровозамінники (розчини полівінілового спирту). ВМС. КЛАСИФІКАЦІЯ. БУДОВА ТА ВЛАСТИВОСТІ До недавнього часу розчини високомолекулярних сполук (ВМС) не зовсім правильно відносили до золів. Численні дослідження властивостей розчинів ВМС показали, що ці системи за багатьма властивостями відрізняються від золів і мають ряд специфічних особливостей. За деякими ознаками розчини ВМС подібні з золями. Розмір часток у розчинах ВМС відповідає колоїдної ступеня дисперсності (10-6-10-7см). Частинки цих розчинів, як і золів, затримуються напівпроникними перегородками при діалізі, мають порівняно невеликою швидкістю дифузії, здатні під впливом зовнішніх факторів коагулювати. Все це є підставою зараховувати такі розчини до золів. Проте дослідження В. А. Каргіна і С. М. Ліпатова показали, що розчини ВМС являють собою істинні розчини, що містять окремі макромолекули або макройони розчинених речовин. Відмінною особливістю розчинів ВМС (порівняно з золямі) є здатність часток взаємодіяти з молекулами розчинника, тобто ліофільность. Розчини утворюються мимовільно шляхом необмеженого набрякання, переходить у звичайне розчинення. Процес розчинення ВМС можна звернути, тобто після видалення розчинника, наприклад випаровуванням, можна знову отримати розчин додаванням нової порції розчинника до сухого залишку. Концентрація розчинів ВМС може досягає високих значень, що дозволяє визначити осмотичний тиск. На відміну від золів розчини ВМС, як і істинні розчини, при незмінних зовнішніх умовах як завгодно довго зберігають агрегативну стійкість. Отже, ці системи знаходяться в стійкій термодинамічній рівновазі, в той час як золі прагнуть перейти в більш стійкий стан з меншим запасом енергії шляхом збільшення часток. Розчини ВМС слід розглядати як проміжну ланку між золями та істинними розчинами низькомолекулярних речовин. Високомолекулярні сполуки (ВМС) - це речовини, молекули яких складаються з великого числа хімічно пов'язаних атомів. Такі молекули називають макромолекулами. Їх молярні маси знаходяться в межах 104 Методи отримання ВМР Природні BMP містяться в різних рослинних і тваринних організмах і можуть бути виділені з них за допомогою екстракції, фракційного осадження та інших методів. Останнім часом велика кількість ВМС отримують синтетичним шляхом. Відомо два принципово розрізних методи синтезу ВМС - полімеризація і поліконденсація. Полімеризація — це реакція сполучення великого числа молекул низькомолекулярних речовин (мономерів), які мають кратні зв'язки. Реакція не супроводжується виділенням побічних продуктів. Цим методом отримують поліетилен, полівінілхлорид, поліізобутилен та інші BMP. Поліконденсацією називається процес сполучення молекул однакової або різної будови, який супроводжується, як правило, виділенням низькомолекулярних речовин. Вихідні мономери повинні містити у молекулі не менше двох функціональних груп (—ОН, —СООН, —NНз та ін.). При поліконденсації біфункціональних сполук отримують лінійні або циклічні BMP, а при поліконденсації три- і тетрафункціональних сполук — BMP просторової будови. Наприклад, поліконденсацією двоатомних спиртів одержують лінійні прості поліефіри: п (HO-R-OH) + n(HO-R'-OH) → (-O-R-O-R'-)n+ пН2О. Поряд з синтетичними методами отримання ВМС з низькомолекулярних сполук становить інтерес отримання полімерів методом хімічних перетворень. Цей метод полягає в тому, що готове високомолекулярна сполука вступає в різні хімічні реакції, за допомогою яких вводяться нові функціональні групи, або наявні функціональні групи перетворюються на інші, або відбуваються зшивання готових макромолекул або деструкція, що надає полімерам інші властивості. Класифікація полімерів: За походженням: 1. Природні полімери, які синтезуються клітинами рослин та тварин: білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, латекси. 2. Штучні полімери - продукти переробки природних полімерів: шовк, віскоза, каучуки. 3. Синтетичні полімери – отримані хімічним синтезом з мономерів: поліетилен, нейлон, капрон, лавсан, полівінилацетат. За будовою молекулярних ланцюгів розрізняють: 1. Лінійні полімери побудовані з довгих одновимірних елементів структури - окремих макромолекул або молекулярних блоків. До них відносяться натуральний каучук, желатин, целюлоза. Проте з усіх структур саме лінійної формою макромолекул визначаються типові властивості полімерів: каучукоподібну еластичність, здатність утворювати міцні плівки та нитки, набухати, давати при розчиненні в'язкі розчини. Ці властивості ланцюгових макромолекул і їх розчинів становлять найбільший інтерес. Специфічні властивості полімерів обумовлені гнучкістю лінійних макромолекул. Найбільшою гнучкістю характеризуються ланцюга неполярних незаміщених вуглеводнів. Введення полярних заступників (- CONH -, - СООН, - ОН, - С1) підвищує жорсткість ланцюгів. Це пояснюється тим, що введення полярних груп посилює взаємодію ланок як всередині макромолекул (внутрішньомолекулярна взаємодія), так і між сусідніми молекулами (міжмолекулярної взаємодії). 2. Розгалуженіполімери складаються з ланцюгів з бічними відгалуженнями. Це крохмаль (глікоген), амилопектин, дівініловий каучук та інші. 3. Просторові (сітчасті) полімери являють собою тривимірну сітку, яка утворюється при з'єднанні відрізків ланцюгів хімічними зв'язками (наприклад, фенолформальдегідні смоли). Просторові полімери, ланцюги яких зшиті короткими мостоподібними зв'язками, наприклад, атомами О або S, називаються зшитими (гума, ебоніт, деякі акрилові полімери). Полімери з просторовою структурою не здатні розчинятися.  а б   в  гМал. 1 Форми макромолекул (а-лінійна; б-розгалужена; в-просторова; г-глобулярна) Конфігурація полімерів – це просторове розташування атомів в молекулі, яке не змінюється в процесі теплового руху. Конформація – це просторове розташування атомів в молекулі, яке тимчасово може змінюватись в процесі теплового руху, без руйнування хімічних зв`язків. Структура полімерних ланцюгів істотно впливає на фізичні властивості полімерів. Так, лінійні макромолекули можуть щільно розташовуватися один біля одного, за рахунок чого міжмолекулярні взаємодії посилюється і полімери можуть утворювати кристалічну структуру. Це визначає їх високу щільність, теплостійкість та інші властивості. Розгалужені макромолекули складно пакуються в кристалічну решітку і тому фізичні властивості їх погіршуються. Сильно зшиті полімери неплавкі, нерозчинні у будь-яких розчинниках (але можуть обмежено набухати), не здатні до високоеластичних деформацій. Навіть біологічна активність одного і того ж полімеру різна в залежності від структури ланцюга макромолекули. За хімічною природою основного полімерного ланцюга: 1. Органічні полімери, головний ланцюг яких складається з біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту (поліпропілен, полі етиленгліколь, білки, нуклеїнові кислоти). 2. Елементоорганічні полімери, головний ланцюг котрих складається з вуглецю, до якого приєднані функціональні групи з інших елементів (поліорганосилоксани). 3. Неорганічні полімери, головний ланцюг складається з неорганічних елементів (поліфосфонітрилхлорид – неорганічний каучук) За хімічною будовою бокових груп більшість біологічних полімерів є поліелектролітами і поділяються на: 1) поліелектроліти кислотного типу, які містять залишки кислот –СООН; -SO3H; -РО3Н2- альгінат, гепарин, нуклеїнові кислоти; 2) поліелектроліти основного типу, що містять аміногрупи - аміноцелюлоза, аміноглікани сполучної тканини; 3) поліелектроліти змішаного типу: що містять, як кислотні, так і основні групи - білки За сумісністю з тканинами організму розрізняють 1. Біонесумісні полімери, тобто ті які викликають реакцію запальну реакцію в тканинах та реакцію відторгнення. Так, шовкові нитки через певний час необхідно з тканин видаляти. 2.Біосумісні полімери не викликають несприятливої реакції тканин, навіть при тривалому перебуванні в організмі. До них належать тефлон, з якого роблять клапани серця, штучні суглоби, лавсан, який слугує шовним матеріалом, сілікон, з якого готують протези і т.д. 3. Біодеградуючі полімери, які з часом в тканинах розпадаються. До них належить шовні матеріали – кетгут, який готують з оболонок тонкої кишки овець та численні синтетичні нитки - окцелон, кацелон, карбоцел, які розсмоктуються в тканинах за 1-2 місяця. Типи хімічних зв`язків в макромолекулах: В полімерах зустрічаються зв’язки різних типів. 1. Ковалентні зв’язки, є достатньо міцними і можуть виникати, як між атомами одного елементу, як наприклад в молекулі поліетилену (СН2–СН2–СН2, так і між атомами різних елементів, як наприклад, в капролактамі -[NH–(CH2)6–CO]n–, в якому зв’язки –С–С– чергуються зі зв’язками –С–N-. В біологічних полімерах зустрічаються в основному такі типи ковалентних зв’язків: - пептидний зв`язок в білках (–CO–NH–), який приймає участь в формуванні основного ланцюга білкової молекули; - дисульфідний зв’язок в білках (–S–S–), який приймає участь формуванні третинної структури білків; - фосфорнодиефірний зв`язок (-О-Р-О-) в нуклеїнових кислотах забезпечує формування первинної структури ДНК та РНК. - глікозидний зв`язок (-С-О-) в полісахаридах, який забезпечує утворення ланцюгів крохмалю, целюлози, гепарину та інших складних вуглеводів. - поліпренільний зв`язок (=С–С=) рослинних латексів, який забезпечує об’єднання ізопренових елементів в довгий ланцюг. 2. Міжмолекулярні зв`язки: - водневі зв`язки - мають невелику енергією і забезпечують міжмолекулярні зв’язки між атомом водню та атомом електронегативного елемента в різних ланцюгах, або в різних частинах одного ланцюга. Так водневий зв`язок (-С=О・・・HN–) приймає участь в утворенні альфа-спіралі в молекулі білка. В нуклеїнових кислотах водневі зв’язки забезпечують комплементарні взаємодії між азотистими основами нуклеотидів. - ван-дер-ваальсові зв`язки - це слабкі зв’язки: а) диполь–дипольні взаємодії; б) індукційні взаємодії (вони обумовлені наведенням у замісника дипольного моменту); в) дисперсійні взаємодії (вони обумовлені нерівномірним розподілом електронної густини у близько діючих функціональних групах. Ці сили приймають участь у формуванні просторової будови бокових ланцюгів молекул ВМС і четвертинної структури білкових молекул. 3. Електростатичні взаємодії обумовлені притяганням різнойменно заряджених груп атомів. В білках такі зв’язки виникають між протонованою аміногрупою (-NH3+) одного ланцюга та іонізованою карбоксильною групою (СОО-) іншого ланцюга. Утворення іонних зв’язків визначається рН середовища, яке впливає на ступінь іонізації дисоціюючих груп. 4. Гідрофобні взаємодії, тип дисперсійних взаємодій, що виникають між неполярними замісниками полімеру. В їх основі лежить прагнення молекул води утворити як можна більше водневих зв’язків, тому неполярні частини молекули, що не взаємодіють з молекулами води, зближуються між собою і намагаються зайняти найменший об’єм. Специфічні властивості полімерів зумовлені головним чином двома особливостями: 1) існуванням двох типів зв'язків - хімічних і міжмолекулярних, що утримують макромолекулярні ланцюга один біля одного, 2) гнучкістю ланцюгів, пов'язаної з внутрішнім обертанням ланок. В результаті чого макромолекула може змінювати просторову форму шляхом переходу з однієї конформації до іншої. В результаті конформаційних змін макромолекули можуть або згортатися, утворюючи глобули і клубки або випрямлятися і укладатися в орієнтовані структури - пачки. Найбільш вірогідною конформацією молекули ВМС є клубок, або глобула. Гнучкість ланцюгів полімерів залежить від хімічної будови ланцюга, природи замісників, їх числа і розподілу за довжиною ланцюга, числа ланок у ланцюзі. ТЕРМОДИНАМІКА РОЗЧИНЕННЯ ВМС Розчинення ВМС прийнято розглядати як процес змішання двох рідин. Аналогія між розчиненням високомолекулярної речовини і змішанням двох рідин не є формальною, а відповідає самому явищу. Так, обмежене набухання високомолекулярної речовини відповідає процесу обмеженого змішання, а необмежене набухання, що переходить у розчинення, - процесу необмеженого змішання. Мимовільне розчинення ВМС при постійному тиску повинно супроводжуватися зменшенням ізобарно-ізотермічного потенціалу (вільної енергії при постійному тиску). Згідно з другим законом термодинаміки зміна ізобарно-ізотермічного потенціалу системи складає: ΔG =∆Н - TΔS. З цього ясно, що для того щоб відбулося розчинення полімеру, ΔG повинне мати негативне значення. Зміна ентальпії при розчиненні (або внутрішньої енергії) дорівнює інтегральної теплоті розчинення з протилежним знаком. При розчиненні полярних полімерів в полярних розчинників ∆Н<0. Позитивний тепловий ефект при розчиненні пояснюється тим, що теплота сольватації макромолекул більше теплоти власне розчинення, а як відомо, загальний тепловий ефект розчинення дорівнює алгебраїчній сумі теплових ефектів сольватаціі і власне розчинення. Ентропія змішання завжди позитивна (ΔS> 0). Ентропія змішування ВМС з розчинником, розрахована на масову частку речовини, лежить між значеннями ентропії розчинення низькомолекулярних речовин і типових колоїдних систем. Тому роль ентропійного фактора при розчиненні ВМС менше, ніж при розчиненні низькомолекулярних речовин, а ентальпійного фактор (сольватація) має відносно велике значення. Розчини полімерів термодинамічно стійкі і при відповідних умовах можуть зберігатися досить довго. Колоїдні розчини, навпаки, термодінамічно нестійкі. Розчинення полімерів не вимагає присутності в системі стабілізатора. Ліофобні ж золі не можуть бути отримані без спеціального стабілізатора, що додає системі агрегативну стійкість. Це все відноситься до розведених розчинів ВМС. У концентрованих розчинах макромолекули можуть взаємодіяти і утворювати так званні асоціати. Зі збільшенням концентрації ії розчинів ВМС або зі зниженням їх температури розмір і тривалість існування асоціатів збільшуються. Це може призвести до того, що асоціати можна буде розглядати як нову фазу. На освіту дисперсій впливає і розчинник. У розчинниках, полярність яких відповідає полярності ВМС, відбувається справжнє розчинення з утворенням молекулярних розчинів (агар-агар та желатин у воді або каучук в неполярному розчиннику). При невідповідності полярності розчинника і ВМС утворюються золі або дисперсії. Так, наприклад, можна отримати золь желатину в спирті, золі нітроцелюлози у воді, каучуку у воді (латекси) та ін. ВЛАСТИВОСТІ РОЗЧИНІВ ВМС Розчини ВМС, як і розчини низькомолекулярних сполук (НМС), є гомогенними, термодинамічно рівноважними і агрегативно стійкими системами. Це істинні розчини. Однак властивості розчинів ВМС відрізняються від властивостей розчинів НМС. Відмінності полягають у тому, що розчини ВМС володіють малою швидкістю дифузії, малим осмотичним тиском, значною в`язкістю, ніж відповідні їм по концентрації розчини НМС. Розчини ВМС мають також властивості не притаманні розчинам НМС: світлорозсіяння, тиксотропія. Характеристики та властивості різних дисперсних систем
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||