1. WSTĘP  (CZĘŚĆ 1.)

 

1.1. Syntetyczne substancje powierzchniowo czynne.

1.1.1.  Tenzydy - charakterystyka ogólna substancji
                      powierzchniowo czynnych.

    Tenzydy to związki chemiczne mające właściwości powierzchniowo czynne (ZPC), zdolne do zmniejszania napięcia na powierzchni kontaktu fazowego. Mają charakterystyczną budowę amfifilową (biegunową), ponieważ zawierają w swojej cząsteczce asymetrycznie rozłożone, zarówno polarne grupy hydrofilowe, jak i niepolarne - lipofilowe. Wskutek takiej budowy mają zdolność ustawiania się w sposób zorientowany na powierzchni kontaktu fazowego i zmniejszenia napięcia powierzchniowego.

Przykładem grup hydrofilowych mogą być :

Do grup hydrofobowych (lipofilowych) możemy zaliczyć resztę węglowodanów alifatycznych o długich łańcuchach węglowych (C11 - C17) oraz węglowodory cykliczne.

Związki powierzchniowo czynne podzielono na klasy:

1. Jonowe (dysocjujące), a wśród nich:

a) anionowo czynne - część powierzchniowo czynną
stanowi anion cząsteczki;

b) kationowe czynne - część powierzchniowo czynną
stanowi kation c
ząsteczki;

c) amfoteryczne - w zależności od pH część
powierzchniowo czynna może przyjmować postać
kationu lub anionu.

2. Niejonowe (niedysocjujące). [ l.]

Tenzydy anionowe to te, w których część powierzchniowo czynną stanowi ujemnie naładowana grupa hydrofilowa, a więc anion dysocjującej na jony cząsteczki. Do tej grupy związków należą: mydła, siarczany alkilowe, niektóre sulfoniany alkilowe i alkilo- arylosulfonowe oraz saponiny.

Kationowo czynnymi związkami powierzchniowymi nazywamy związki, w których część hydrofobowa, nie łącząca się z wodą związana jest dodatnio naładowaną grupą hydrofilową. Typowymi ich przedstawicielami są czwarto-rzędowe zasady amoniowe zwane również mydłami inwertowanymi.

Do amfoterycznych substancji powierzchniowo czynnych należą anionowe i kationowe czynne lecytyny
i proteiny.

Niedysocjujące związki powierzchniowo czynne to: alkohole, estry, eteroestry kwasów tłuszczowych i hydroksy-kwasów karboksylowych oraz cukrów wielowodoro-tlenowych. Najbardziej znanymi są spany i tweeny.
Pierw
sze z nich są estrami sorbitanu z kwasami tłuszczowymi, natomiast tweeny powstają z tychże estrów przez wprowadzenie do ich cząsteczki łańcuchów polioksyetylenoglikolowych. [ 2.]

Wśród tenzydów niejonowych najczęściej stosowanymi w technologii farmaceutycznej są:

Spany - mieszaniny częściowych estrów kwasów tłuszczowych sorbitu i jego bezwodników - jednocyklicznego sorbitanu i dwucyklicznego sorbidu z kwasami : laurylowym, palmitynowym, stearynowym i olejowym. (Ryc.1.)

Wzór ogólny Spanu
Rycina 1. Wzór ogólny spanu.

Spany są bardzo mało toksyczne, bardzo dobrze znoszone przez organizm. W przewodzie pokarmowym ulegają hydrolizie, a uwolnione kwasy tłuszczowe są bez trudu metabolizowane. LD50 po podaniu doustnym szczurom wynosi dla spanów 40, 65 i dla spanu 20 - 41,0 g/kg, spanu 60 - 31,0 g/kg i spanów 80, 85 - powyżej 40,0 g/kg.

Wszystkie połączenia mają zdecydowanie lipofilowy charakter i niską wartość HLB mieszczącą się w granicach 2,0-8,6.

 

Tweeny - mieszaniny podstawionych tlenkiem etylenu estrów sorbitu oraz jego bezwodników - jednocyklicznego sorbitanu i dwucyklicznego sorbidu -
- z kwasami : larylowym, palmitynowym, stearynowym
i olejowym. (Ryc.2.
) Otrzymuje się je przez kondensację estrów kwasów tłuszczowych sorbitanu z tlenkiem etylenu w obecności katalizatorów.

 

wzór ogólny Tweenu

Rycina 2. Wzór ogólny Tweenu.

Tweeny są fizjologicznie obojętne, są praktycznie nie drażniące, bardzo mało toksyczne i dzięki temu mogą być używane do stosowania wewnętrznego. Wartość LD50 po podaniu doustnym szczurom waha się w przedziale od 37,0 - 40,0 g/kg w zależności od użytego tweenu. [ 3, 4. ]

Myrje - produkty reakcji między kwasem stearynowym a glikolami polioksyetylenowymi. Mieszaniny jedno i dwuestrów z niewielką zawartością odpowiednich glikoli oraz wolnych kwasów tłuszczowych. W zależności od stopnia polimeryzacji i stopnia estryfikacji otrzymuje się połączenia o różnej masie cząsteczkowej. Ze względu na zmienne ilości domieszek w produktach, jak również na trudności w dokładnym oznaczeniu stopnia polimeryzacji ścisłe ustalenie masy cząsteczkowej jest niemożliwe.

Podawane wartości są zawsze wartościami średnimi. Połączenia te są praktycznie nietoksyczne i nie drażniące.
W badaniach na ludziach
nie stwierdzono działania drażniącego 50 - 60 % wodnych roztworów myrij 45, 52 i 59. W przypadku zastosowania Cremophoru AP fest, myrij 45
i 52 na zwierzętach, nie zanotowano po podaniu doustnym, żadnych objawów toksycznych.

Pluroniki (synperoniki) - polimery kondensacyjne glikoli polipropylenowych z glikolami polioksyetylenowymi o ogólnym wzorze (Ryc. 3.):

HO-(CH2-0-CH2) x - (CH-0-CH2) y - (CH2-0-CH2) z - H
I          
CH3         

Rycina 3. Wzór ogólny pluroniku.

Reszty polioksyetylenowe są zgrupowane na obu końcach łańcucha polipropylenowego i mogą stanowić od 10 do 80 % cząsteczki polimeru. Średnia masa cząsteczkowa waha się od około 1000 do ponad 16000. Połączenia wykazują bardzo małą toksyczność (Tab. 1.).

Tabela 1.

Nazwa produktu

Mcz

LD50
[g/kg]

Synperonic F-68

8750

>15

Synperonic F-94

14600

>20

Synperonic F-108

16250

>37

 

Na skórze i błonach śluzowych nie stwierdzono objawów podrażnienia wywołanego ich stosowaniem. pluroniki L62
i L64 nie wywołują na skórze ludzkiej ani uczulenia, ani podrażnienia. W przypadku L62 i L64 - LD50 po podaniu doustnym wynosi dla myszy 5,0 g/kg.

Bryje - etery polioksyetylenowe wyższych kwasów tłuszczowych. Otrzymywane są przez kondensację alkoholi tłuszczowych: laurylowego, cetylowego, stearylowego
i ol
ejowego z tlenkiem etylenu. Związki są nieco silniej toksyczne (toksyczność chroniczna) i nieco mniej zgodne fizjologiczne od estrów kwasów tłuszczowych i glikoli polioksyetylenowych,

Wartość LD50 po podaniu doustnym szczurom jest zróżnicowana i wynosi przykładowo dla brij “78” - 2,1 g/kg, a w przypadku brij “93” - 32,0 g/kg.

Rokanole – to niejonowe środki powierzchniowo czynne na bazie alkoholi tłuszczowych (Tabela 2.), o wzorze ogólnym:

RO – (CH2CH2O) n H

Rokanole to polskie odpowiedniki tenzydów Bryj.
W przebiegu ich syntezy stosuje się równolegle alkohole pochodzenia naturalnego i petrochemicznego, uzyskując produkty o analogicznych właściwościach.  
Wyróżnia się:

  1. Rokanole K – produkty oksyalkilenowania nienasyconego alkoholu tłuszczowego o liczbie jodowej 50÷60;
  2. Rokanole L – produkty oksyalkilenowania technicznego alkoholu laurowego C12 ÷ C14;
  3. Rokanole Ł – produkty oksyalkilenowania nasyconego alkoholu łojowego C16 ÷C18;
  4. Rokanole O – produkty oksyalkilenowania alkoholu oleinowego;
  5. Rokanole R – produkty oksyalkilenowania nienasyconego alkoholu o liczbie jodowej 75÷80;

Inne Rokanole produkowane na bazie alkoholi krótkołańcuchowych alkoholi: alkoholu izobutylowego izooktylowego oraz alkilenowane pochodne tlenku etylenu
i propylenu na bazie alkoholi łojowych. [ 28. ]

Tabela 2.

Nazwa produktu

M cz

(CH2

CH2O)n

n śr

LD50

[mg/kg]

Rokanol 0 – 18

1060

18

2700 – 3100

Rokanol 0 – 30

1538

30

PPN*

Rokanol 0 – 100

4668

100

PPN*

* IV klasa wg Hodge’a i Sternera.

 

Rokacety - produkty addycji tlenku etylenu do glicerydów pochodzenia roślinnego (Tabela 3.) o wzorze ogólnym (Ryc. 4.).

CH2 - OCORO(CH2CH20)x H
I
CH2
- OCORO(CH2CH20)y H
I
CH2
- OCORO(CH2CH20)z H

Rycina 4. Wzór ogólny rokacetu.

gdzie: R - rodnik kwasu rycynolowego: C17H33COOH
lub a -hydroksykwasu: C17H32OHCOOH

( X+Y+Z ) SR = 26 , 40 , 70

Tabela 3. Niejonowe związki powierzchniowe na bazie oleju
rycynowego.

Nazwa Produktu

Wzór chemiczny Skład chemiczny

Mcz

(CH2

CH2O)n

n śr

LD 50*

[mg/kg]

ROKACET
R 26

Oksyetylenowany trójgliceryd kwasu rycynolowego

2030

26

25100

ROKACET
R 40

Oksyetylenowany trójgliceryd kwasu rycynolowego

2650

40

7500

ROKACET
R 70

Oksyetylenowany trójgliceryd kwasu rycynolowego

4190

70

A**

* wg Hodge’a i Sternera.

** A - w praktyce nietoksyczny [ 3,4. ]

 

EMAIL SPIS TREŚĆI
LITERATURA


 

1.1.2. Zastosowanie niejonowych związków
powierzchniowo czynnych.

 

    Niejonowe substancje powierzchniowo czynne to ważna grupa związków ze względu na ich szerokie zastosowanie w rolnictwie, przemyśle, gospodarstwie domowym oraz preparatyce farmaceutycznej. W przemyśle farmaceutycznym przydatne są szczególnie z uwagi na fakt, że wykazują słabsze działanie drażniące niż tenzydy jonowe, a możliwość mieszania emulgatorów niejonowych z innymi tenzydami, w technologii nie jest bez znaczenia.

    Tenzydy niejonowe to w większości pochodne oksyetylenowanych i oksypropylenowanych alkoholi (alkilofenoli oraz alkiloamin). Produktami reakcji oksyetylenowania są zawsze mieszaniny polidyspersyjne. W zależności od rodzaju wyjściowego hydrofobowego substratu, a także stosowanego katalizatora otrzymuje się produkty o zróżnicowanej dystrybucji homologów. W celu uzyskania żądanych właściwości emulgujących należy do wybranego połączenia wprowadzić odpowiednią liczbę grup oksyetylenowych lub oksypropylenowych. [ 5,6. ]

Ważną właściwością pochodnych oksyetylenowych zawierających powyżej dziesięć fragmentów oksyetylenowych jest fakt, że biodegradują się na skórze do CO2 i H20.

Pluroniki to wielkie wyzwanie i ogromne możliwości dla technologów wykorzystujących ten związek. Obecnie prowadzone są szerokie badania nad zastosowaniem pluroników w połączeniach z kwasami poliakrylowymi (PAA) i chitostanem (hydrolizowaną pochodną chityny – z krewetek i powłok krabów). Wczesne wyniki badań wykazały, że połączenie kopolimerowe pluronik-PAA nie tylko opóźniają tempo dyfuzji leków przeciwko zaćmie z macierzy polimeru lecz także spowalniają tempo rozpuszczania.

Hydrożel pluronik-chitostan wykorzystywano
w badaniach nad uwalnianiem protein przeciwzapalnych w podawaniu donosowym blokerów receptorów
cytokin, interleukin-1 i TNF (tumor necrosos factor np. astma). Ponieważ receptory te to zwykle grupy anionowe, kationowy szkielet chitostanu łączył się z nim bardzo silnie, a proteina uwalniana była w postaci całkowicie aktywnej. Dotychczas proteiny były denaturowane
w czasie umieszczania w polimerze lub podczas uwalniania. [ 29. ]

 

EMAIL SPIS TREŚĆI
LITERATURA


 

1.2. Krytyczne stężenie micelarne ( CMC )
           i metody jego wyznaczania.

 

    W rozcieńczonych roztworach, związki powierzchniowo czynne występują w postaci pojedynczych cząstek. Przy zwiększaniu ich stężenia obserwujemy coraz silniejsze obniżenie napięcia powierzchniowego cieczy zachodzące jednak tylko do pewnej granicy stężeń, powyżej której ustala się pewien stały poziom równowagi. (Ryc.5).[ 8.].

Rycina 5.

    Stężenie tenzydu, powyżej którego mimo dalszego jego dodawania nie obserwujemy zmian w napięciu powierzchniowym cieczy, nosi nazwę krytycznego stężenia micelarnego ( CMC - critical micelle concentration ). Przy tym stężeniu, (które może być określone przez pomiar napięcia powierzchniowego, przewodnictwa elektrycznego współczynnika załamania światła, natężenia światła rozproszonego, absorbancji, lepkości i innych wielkości fizycznych), następuje całkowite pokrycie powierzchni cieczy cząstkami tenzydu, a dalszy jego dodatek powoduje jedynie tworzenie się skupisk (miceli) tego związku wewnątrz cieczy. [ 2.]

Przy rozcieńczaniu micele ulegają ponownemu rozpadowi. Tworzenie się miceli w roztworze tenzydu jest związane z obniżeniem entalpii swobodnej ( ΔG < O ) i wydzielenia ciepła micelizacji. [ 8.]

Kształt miceli zależy od stężenia i rodzaju tenzydu oraz od obecności w roztworze innych substancji. Rozróżnia się dwa typy miceli: sferyczny oraz laminarny (warstwowy).

Do określenia CMC wykorzystuje się fizyczne właściwości roztworów tenzydów, które po pojawieniu się miceli zmieniają się w sposób mniej lub bardziej skokowy. Przestawia się przy tym graficznie zależność stężenia od napięcia powierzchniowego a wartości szukane znajdujemy z przecięcia prostych przebiegających poniżej i powyżej CMC. (Ryc.5.) Jest wiele metod wyznaczania krytycznego stężenia micelarnego, nie zawsze jednak prowadzą one do wyliczenia jednakowych wartości CMC. Wynik pomiaru będzie zadowalający, gdy nachylenia prostych będą się dostatecznie różnić.

Metody pomiaru napięcia powierzchniowego.

Napięcie powierzchniowe można mierzyć kilkoma metodami:

a) Metoda pęcherzykowa - polega na wykorzystaniu
proporcjona
lności między wielkością napięcia powierzchniowego
na granicy faz ciecz-gaz lub ciecz 1 – ciecz 2
a
ciśnieniem potrzebnym do wyciśnięcia z kapilary
zanurzonej w cieczy pęcherzyka powietrza lub kropli
jednej cieczy do drugiej. 

b) Metoda kapilarna - polega na tym, że w rurce o małym
promieniu (r) poziom cieczy podnosi się do góry
( w przypadku gdy ciecz całkowicie zwilża jej ściany )
aż do chwili, gdy ciężar słupa cieczy o wysokości (h)
zostanie zrównoważony siłą napięcia powierzchniowego
(σ) o obwodzie (2 Π r). OznaczajΉ
c przez (q) gęstość
cieczy, a przez (g) przyśpieszenie grawitacyjne, i
pozostawiając
bez zmiany symbole wielkości użytych
poprzednio otrzymamy:

2 Π r σ = r ² Π h q g

Metoda stalagmometryczna - polega na wykorzystaniu zależności pomiędzy ciężarem kropli, która tworzy się w czasie powolnego wyciekania z rurki kapilarnej, a napięciem powierzchniowym tej cieczy. Przyrząd służący do pomiaru napięcia powierzchniowego tą metodą i noszący nazwę stalagmometru stanowi rurka szklana wydęta w swej środkowej części w bańkę o pojemności kilku mililitrów i zeszlifowana płasko na końcu kapilarnego przewężenia. (Ryc. 6.)


Rycina 6. Schemat stalagmometru.

Jeżeli ciecz wypływa przez otwór (S), to tworzy kroplę, która urywa się, gdy jej ciężar przezwycięży napięcie powierzchniowe. Przyjmując wprost proporcjonalną zależność pomiędzy napięciem powierzchniowym (σ) a ciężarem kropli (Q) będziemy mieli dla dwóch różnych cieczy zależność :

σ 1  


σ 2

=

Q 1  


 Q 2

z której wynika, że stosunek napięć powierzchniowych obydwu cieczy jest równy stosunkowi ciężarów ich kropel. Jeżeli objętość między poziomami A i B zbiorniczka oznaczymy przez V, gęstość jednej cieczy przez q1, a drugiej przez q2, liczbę kropel cieczy wyciekających w czasie wypływu z objętości V przez n1 i n2, a przyśpieszenie ziemskie przez (g), to z równania :

σ 1  


σ 2

=

Vq 1· g 


n 1  

/

Vq 2· g


n 2

otrzymamy po uproszczeniu wyrażenie :

σ 1  


σ 2

=

q 1 · n 2


q 1 · n 2

z którego obliczymy napięcie powierzchniowe jednej cieczy, jeżeli znamy napięcie powierzchniowe drugiej oraz pozostałe parametry. [ 2.]

 


EMAIL SPIS TREŚĆI
NASTĘPNY ROZDZIAŁ (
WSTĘP Część 2. )
LITERATURA

MAGISTER 2000 (c)