Коллоидная химия В.Н. Сергеев. В. Н. Сергеев Курс коллоидной химии для медицинских вузов. Учебник
 Скачать 3.98 Mb.
|
|
6.7. Грубо дисперсные ими кр о гетерогенные системы в фармакологии Современная фармакологическая практика характеризуется многообразием лекарственных форм — удобными для применения и хранения состояниями лекарственных средств, обеспечивающих определенное лечебное действие. К лекарственным формам относятся порошки (твердые формы, мази с содержанием порошкообразных веществ до 25% (мягкие формы, суспензии, эмульсии (жидкие формы) и аэрозоли (газообразные лекарственные формы. Выбор той или иной лекарственной формы определяется многими факторами. Агрегатное состояние лекарственной формы определяет скорость действия лекарства — жидкие лекарственные формы действуют быстрее, чем твердые, а газообразные — быстрее, чем жидкие. Правильно подобранная лекарственная форма обеспечивает полноту действия лекарственного средства, а неудачная может уменьшить его. При этом большое значение имеют методы приготовления лекарственных форм, выбор основ, вспомогательных веществ. Водной и той же лекарственной форме можно получить действие лекарственного средства разной силы, а иногда и различного характера. Например, введение в лекарственную форму поверхностно-активных веществ способствует резкому повышению всасываемости, а, следовательно, и силы действия лекарственного средства. Для введения лекарств через рот применяют прямые эмульсии, а при введении лекарственных препаратов через кожу — обратные эмульсии, поскольку кожа непроницаема для воды и растворенных в ней веществ. Суспензии вводятся в организм путем инъекций (с нарушением целостности кожных покровов, аэрозоли — путем вдыхания, введением в различные полости организма или нанесением их на пораженные участки поверхности тела (аэрозольтерапия). 80 На слизистые оболочки лекарства наносятся в виде мазей, порошков. Сложные лекарственные препараты, состоящие, например, из антибиотиков, облепихового масла или рыбьего жира применяются в виде пен для лечения ожоговых и других раневых поверхностей. Применение пены в этом случае обеспечивает надежную защиту раневой поверхности, что позволяет проводить лечение открытым способом, обеспечивает наименьшую травматизацию тканей и сводит до минимума болевые ощущения. В виде твердых пен используются гемостатические губки (твердые пены на основе белков крови, содержащие коагулянты, применяющиеся для остановки диффузных кровотечений, например, при разрывах печени. Лекарственные пленки (двумерные дисперсные системы) широко применяются для лечения глазных заболеваний и для профилактики осложнений после операций на глазном яблоке. Применение их позволяет пролонгировать действие препарата и более точно дозировать лекарственные средства, а также отказаться от болезненных процедур, например, от инъекций под конъюнктиву глаза. Применение лекарственных пленок дает хороший эффект при лечении тонкокишечных свищей. Пленки в этом случае защищают окружающие свищ ткани от воздействия активных ферментов тонкокишечного содержимого, выделяющегося из свища, и способствуют заживлению мацерированных поверхностей. 6.8. Варианты вопросов из ада ч для самостоятельной работы Вариант 1 1. Какие факторы стабилизации действуют при образовании эмульсии типам в в присутствии олеата натрия 2. Какого типа эмульсия образуется при встряхивании смеси толуола с водой, если в эту смесь добавлен порошок сажи 3. Укажите, какие из следующих веществ являются эмульгаторами в системе толуол—вода: хлорид кальция, стеарат натрия (C 17 H 35 COONa), глюкоза, желчь, олеат кальция [(C 17 H 33 COO) 2 Ca]. 4. Почему при стабилизации эмульсии олеатом натрия образуется эмульсия типам в, а при использовании в качества стабилизатора олеата кальция — эмульсия типа в/м? 5. Укажите, какие из следующих веществ являются пенообразователями в системе вода—воздух: хлорид натрия, желатин, пальмитат натрия (C 15 H 31 COONa), серная кислота, бензол, желчь, сахароза. 6. Что произойдет с эмульсией или пеной, стабилизированных ПАВ с ГЛБ равным 18 при добавлении в них спирта, минеральных кислот, при центрифугировании, действии ультразвуком или при нагревании 7. Каким образом можно осуществить взаимные превращения следующих микрогетерогенных систем аэрозоль порошок суспензия 81 Вариант 2 1. Какого типа эмульсия образуется при взбалтывании бензола вводе в присутствии олеата натрия Изобразите строение частицы полученной эмульсии. 2. Какого типа эмульсия образуется при добавлении к эмульсии из п. 1 раствора CaCl 2 ? Как называется это явление 3. Высота столба эмульсии (h) 45 см. Определите время жизни эмульсии ( ), если скорость отделения фазы (U) 1.5 см/с. Ответ = 30 с) 4. Какого типа эмульсии стабилизируют пальмитат натрия и олеат кальция, если их числа ГЛБ равны 19 и 4.3, соответственно 5. Лекарственный препарат представляет собой обратную эмульсию (В/М). Как Высчитаете для наружного применения или для приема внутрь он предназначен 6. Из 180 мл раствора белка образовалась пена, которая вместе с оставшейся жидкостью (40 мл) заняла объем 400 мл. Определите устойчивость пены ( 1/2 ) и ее кратность ( ), если скорость отделения фазы равна 1.5 мл/с. Ответ 1/2 = 120 с, = 2.57) 7. Каким образом можно погасить пену, образовавшуюся в легких больного при развитии отека легких Вариант 3 1. Какого типа эмульсия образуется в результате встряхивания растительного масла (триолеилглицерина) в присутствии водного раствора NaOH? Изобразите строение частицы полученной эмульсии. 2. Какое явление будет наблюдаться при добавлении в эмульсию из п. 1 раствора MgCl 2 ? Каково строение частицы образующейся при этом эмульсии 3. Высота столба эмульсии (h) 100 см. Определите время жизни эмульсии ( ), если скорость отделения фазы (U) 2.5 см/с. Ответ = 40 с) 4. Какого типа эмульсии получатся, если использовать стабилизаторы -ПАВ с а) ГЛБ = 18, б) ГЛБ = 5, в) ГЛБ = 2.5? 5. Что произойдет с эмульсией, стабилизированной олеатом калия, если а) в эмульсию добавить раствор сульфата алюминия б) профильтровать эмульсию через фильтр смачиваемый водой, ноне смачиваемый эмульгированным веществом 6. Из 200 мл раствора белка образовалась пена, которая вместе с оставшейся жидкостью (50 мл) заняла объем 500 мл. Определите устойчивость пены ( 1/2 ) и ее кратность ( ), если скорость отделения фазы равна 2 мл/с. Ответ 1/2 = 112.5 с, = 3) 7. Объясните, почему наиболее эффективным способом разрушения аэрозолей является конденсация паров воды в фазе аэрозоля 82 7. КОЛЛОИДНЫЕ ПАВ. МИЦЕЛЛ О ОБРАЗОВАНИЕ В РАСТВОРАХ КОЛЛОИДНЫХ ПАВ. СОЛЮБИЛИЗАЦИЯ. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МИЦЕЛЛЫ ИМ ЕМ БРА Н Ы 7.1. Коллоидные ПАВ Все поверхностно-активные вещества можно разделить на два класса — истинно растворимые и коллоидные. Истинно растворимые ПАВ — дифильные органические соединения с небольшими углеводородными радикалами низшие спирты, карбоновые кислоты и их соли, амины, фенолы. Коллоидные ПАВ — длинноцепочечные дифильные органические соединения с числом атомов углерода в радикале от 10 до 20. По способности к диссоциации вводе коллоидные ПАВ подразделяют на ионогенные и неионогенные. В свою очередь ионогенные ПАВ делятся на анионные, катионные и амфолитные. Анионные — диссоциируют с образованием поверхностно -активного аниона это соли высших карбоновых кислот (мыла, например, олеат натрия C 17 H 33 COONa; соли алкилсерных кислот C n H 2n+1 OSO 3 M, где n = 10 – 20, M = K, Na, например, додецилсульфат натрия C 12 H 25 OSO 3 Na; соли алкиларил- сульфоновых кислот C n H 2n+1 C 6 H 4 SO 3 M, где n = 8 – 22, M = K, Na, например, п-октилбензолсульфонат натрия C 8 H 17 C 6 H 4 SO 3 Na и ряд других. Катионные — диссоциируют вводе с образованием поверхностно - активного катиона это соли первичных, вторичных и третичных алифатических и ароматических аминов, например, октадециламмоний хлорид [C 18 H 37 NH 3 ] + Cl – ; соли алкилзамещенных аммониевых оснований, например, цетилпиридиний хлорид Амфолитные — содержат две функциональные группы — одну кислотного, другую основного характера, например, карбоксильную и аминогруппу. В зависимости от pH среды амфолитные ПАВ обладают анионактивными или катионактивными свойствами. Неионогенные — не диссоциируют вводе на ионы, например, оксиэтилиро- ванные спирты, амины, фенолы, аминоспирты. Их получают присоединением оксида этилена к соответствующим исходным веществам по реакции RX + n C H 2 O C H 2 R(OCH 2 CH 2 ) n X В радикале R от 6 до 18 атомов углерода, число групп –OCH 2 CH 2 – может меняться от нескольких единиц до сотен. Гидрофильной частью в этих ПАВ является полиоксиэтиленовая цепь. 7.2. Мицелл о образование в растворах коллоидных ПАВ Коллоидные ПАВ обладают невысокой истинной растворимостью. Растворы, в которых они молекулярно диспергированы, могут иметь максимальную концентрацию от 10 –6 до 10 –3 моль/л. Это следствие наличия у молекул ПАВ длинных углеводородных радикалов. 83 Малая растворимость ПАВ влечет за собой ассоциацию их молекул, с ростом концентрации переходящую в мицеллообразование. Концентрация раствора ПАВ, при которой начинают образовываться мицеллы, называется критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Изотермы поверхностного натяжения коллоидных ПАВ отличаются от изотерм истинно растворимых ПАВ более резким понижением поверхностного натяжения с увеличением концентрации и наличием изломана изотерме рис. 7.1). Концентрация в точке излома соответствует критической концентрации мицеллообразования, выше которой в растворе самопроизвольно протекает процесс образования мицелл и истинный раствор переходит в ультрамикрогетерогенную систему — золь. Ê Ê Ì c Ï À Рис. 7.1. Изотермы поверхностного натяжения I — истинно растворимого ПАВ II — коллоидного ПАВ. Точка изломана изотерме II соответствует переходу истинного раствора в золь 7.3. Механизм и термодинамика мицелл о образования С ростом концентрации ионы или молекулы ПАВ выходят в поверхностный слой на границе раздела фаз и уменьшают поверхностное натяжение раствора. Когда поверхностный слой полностью заполнен (это состояние соответствует достижению ККМ), в системе начинается ассоциация углеводородных радикалов молекул ПАВ. В результате ассоциации образуются мицеллы, внутренняя часть которых, так называемое ядро, состоит из плотноупакованных, объединившихся радикалов, практически это жидкий углеводород. Полярные группы молекул ПАВ ориентированы вводу. Они образуют гидрофильную оболочку, которая изолирует ядро мицеллы отводы (рис. 7.2). Гидрофильность оболочек мицелл придает образовавшейся гетерогенной системе лиофильность, а, значит, и термодинамическую устойчивость. При дальнейшем росте концентраций ПАВ (выше ККМ) количество необъединенных в мицеллы молекул или ионов ПАВ в поверхностном слое остается постоянным, но увеличивается количество мицелл. 84 Рис. 7.2. Образование мицеллы вводном растворе коллоидного ПАВ Движущей силой образования мицелл являются гидрофобные взаимодействия. Энтальпия взаимодействий углеводородных радикалов ПАВ друг с другом меньше энтальпии взаимодействия их с водой. Для системы термодинамически выгоднее состояние с минимумом энтальпии, поэтому радикалы выталкиваются из водной среды в ядра мицелл, чтобы избежать, насколько это возможно, контакта с водой. В результате этого энтальпия уменьшается. Когда молекулы или ионы ПАВ находятся в неассоциированном состоянии, вокруг их углеводородных радикалов из молекул воды образуются льдоподоб - ные упорядоченные структуры. Переход радикалов ПАВ из воды в мицеллы разупорядочивает структуру воды, вследствие чего повышается энтропия системы. Уменьшение энтальпии и увеличение энтропии приводит к снижению энергии Гиббса системы G = H – T S < 0. Для процесса мицеллообразования уменьшение энергии Гиббса вследствие указанных изменений термодинамических параметров составляет примерно Дж/моль на каждую –CH 2 – группу углеводородных радикалов. Поэтому процесс образования мицелл термодинамически выгоден и идет самопроизвольно. Термодинамическая выгодность мицеллообразования в растворах коллоидных ПАВ обусловлена также еще и тем, что гидрофильность образующейся оболочки обеспечивает минимальное межфазное натяжение на границе мицелла—вода. Сравнительно небольшая поверхностная энергия системы компенсируется энтропийным фактором, вызывающим равномерное распределение мицелл в дисперсионной среде. Процесс мицеллообразования обратим при разбавлении до концентраций меньших ККМ мицеллы распадаются на ионы или молекулы (их называют мономерами в отличие от мицелл) и дисперсная ультрамикрогетерогенная система переходит в молекулярный истинный раствор. Это говорит о том, что мицеллы находятся в термодинамическом равновесии с мономерами ПАВ. Таким образом, мицеллярные системы в растворах коллоидных ПАВ являются достаточно редким примером самопроизвольно образующихся термодинамически устойчивых лиофильных гетерогенных систем — равновесных систем с минимумом энергии Гиббса, несмотря на имеющуюся у них огромную межфазную поверхность. 85 7.4. Строением и цел л коллоидных ПАВ Настроение мицелл коллоидных ПАВ оказывают влияние различные факторы способность полярных групп к изолированию углеводородного ядра от контакта с водой, размеры углеводородного радикала, количество углеводородных радикалов у полярной части, характер полярной части молекулы ПАВ (ионогенная, неионогенная), полярность среды. Настроение мицелл влияет также и изменение концентрации ПАВ. 7.4.1. Строением и цел л коллоидных ПАВ вводных растворах При концентрациях ПАВ, несколько превышающих ККМ, образуются сферические мицеллы. Диаметр их примерно равен удвоенной длине молекул ПАВ. Число молекул в сферических мицеллах быстро растет в пределах узкого интервала концентраций, а потом остается практически неизменным (до перехода сферических мицелл в мицеллы другой формы. Число молекул ПАВ в мицеллах называется числом агрегации или степенью ассоциации (m). В зависимости от длины углеводородного радикала и способности полярной части молекулы изолировать ядро мицеллы отводы число агрегации в сферических мицеллах может меняться от 20 до 100. Например, число агрегации в мицеллах додецилсульфата натрия, поданным светорассеяния, равно 73. В отличие от ПАВ с одним углеводородным радикалом, поверхностно - активные вещества с двумя радикалами (например, соли высших жирных кислот и щелочноземельных металлов, фосфолипиды) в области ККМ образуют мицеллы в виде бислоя дифильных молекул (плоского или сферического) с углеводородными радикалами внутри слоя и полярными частями снаружи, обращенными к воде. Такие плоские мицеллы называются везикулами, а сферические — липосомами (рис. 7.3). Рис. 7.3. Схемы строения участка везикулы (аи липосомы (б) При увеличении концентрации коллоидных ПАВ выше ККМ мицеллярная система проходит ряд равновесных состояний, характеризуемых определенным числом агрегации и формой мицелл (см. рис. 7.4 и пояснение в тексте. Образование мицелл со значительно большим, чем было указано, числом агрегации при сохранении сферической формы термодинамически невыгодно, поскольку должно сопровождаться вхождением полярной группы в объем неполярного ядра мицеллы. Вследствие этого число агрегации в мицеллах растет не за счет увеличения размера сферических мицелла за счет изменения их формы — перехода к асимметричному строению. 86 вода а б в г Рис. 7.4. Переход сферических мицелла) в цилиндрические (б переход упаковки цилиндрических мицелл (в) в пластинчатую мицеллу (г) При достижении определенной концентрации сферические мицеллы (а) начинают взаимодействовать между собой, что приводит к образованию палочкообразных, цилиндрических мицелл (б. С дальнейшим ростом концентрации из цилиндрических мицелл образуются пластинчатые мицеллы (г. Сплошная структура в этом состоянии мицеллярной системы образована параллельной упаковкой протяженных гибких бимолекулярных слоев с прослойками воды. Эти прослойки утоньшаются по мере увеличения содержания ПАВ. Такие плоские мицеллы подобны биологическим мембранам — сложным бислоям с гидрофобным ядром и гидрофильным окружением. Таким образом, из сказанного выше можно сделать существенный вывод. Рассматривая процесс превращения сферических мицелл коллоидных ПАВ в пластинчатые, мы, по сути дела, пришли к рассмотрению механизма образования важнейших биологических структур — бислойных липидных мембран. 7.4.2. Строение двойного электрического слоями цел л ио ноге нны х ПАВ вводных растворах В растворах ионогенных ПАВ мицеллы обычно несут двойной электрический слой с определенным электрическим зарядом, который зависит от кислотно-основных свойств функциональных групп ПАВ и от характера среды (pH, наличие электролитов, температура и др. Слой полярных ионогенных групп в ионной мицелле вместе с непосредственно связанной с каждой из них группой выступает над поверхностью ядра на 0.2 – 0.5 нм и располагается вводной фазе. В результате этого поверхность мицеллы негладкая, а, как говорят, шероховатая. 87 Шероховатость приводит к тому, что противоионы, попавшие в зазоры между соседними заряженными полярными группами, связаны сними прочнее, чем остальные ионы, которые входят в диффузный слой. Строение двойного электрического слоя этих мицелл аналогично уже рассмотренному строению ДЭС мицелл неорганического золя заряженные полярные группы соответствуют потенциалопределяющим ионам часть противоионов вместе с полярными группами составляет плотный (подобно адсорбционному слою в неорганических мицеллах) слой, а остальные противоионы входят в диффузный слой. Рис. 7.5. Схема строения мицеллы анионактивного коллоидного ПАВ Нетрудно заметить, что ив целом строение сферической мицеллы ПАВ полностью сходно со строением типичной коллоидной мицеллы. Объединившиеся углеводородные радикалы играют в мицелле ПАВ роль агрегата обычной мицеллы, а диссоциированные ионогенные группы образуют двойной электрический слой (рис. 7.5). В соответствие с этим строение ионных мицелл можно записывать также, как строение мицелл неорганических золей. Например, мицелла олеата натрия с числом агрегации "m" может быть изображена формулой {[m (C 17 H 33 COO – ) (m–x) Na + ] x Na + }. Наличие ДЭС на поверхности ионных мицелл обуславливает все электрические и электрокинетические свойства рассматриваемых ультрамикрогетерогенных систем, аналогичные соответствующим свойствам неорганических золей электропроводности, электрофорезу, электроосмосу и др. |