ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 89, № 4, с. 658-667
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^ РАСТВОРОВ
УДК 544.33+54-145.2+544.354.5
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ИБУПРОФЕНА НАТРИЯ ПРИ 293.15-318.15 К © 2015 г. Н. Г. Манин, Г. Л. Перлович
Российская академия наук, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова, Иваново
E-mail: mng@isc-ras.ru Поступила в редакцию 14.05.2014 г.
При 293.15, 298.15, 308.15 и 318.5 K на изопериболическом калориметре измерены энтальпии растворения и энтальпии разведения водных растворов ибупрофена натрия (NalBP) при концентрации m < 1.4 моль/кг воды. На сканирующем дифференциальном калориметре DSC 204 F1 Phoenix ("NETZSCH", Германия) измерена теплоемкость NalBP в интервале температур 273.15—528.15 К. В рамках модели Питцера получены вириальные коэффициенты энтальпийных характеристик водных растворов NalBP, а также рассчитаны термодинамические свойства, как раствора, так и компонентов раствора во всем интервале растворимости соединения. Рассмотрено изменение этих характеристик от концентрации и температуры.
Ключевые слова: термохимия, энтальпия растворения, водный раствор, ибупрофен натрия, модель Питцера.
DOI: 10.7868/S0044453715040172
Ибупрофен является лекарственным соединением, широко применяется в медицине, принадлежит к группе нестероидных противовоспалительных средств (НПВС) [1]. Он обладает болеутоляющим, жаропонижающим и противовоспалительным свойствами. Механизм действия ибупрофена, как и лекарств группы НПВС, вероятно, имеет отношение к подавлению синтеза простагландина [2]. Однако, действие препарата в биологической системе имеет важное последствие физико-химического взаимодействия между препаратом и функционально важными молекулами в организме. Растворяющей средой для биохимических реакций в нашем теле являются липиды и вода. Поэтому интерес к солевой форме ибупрофена вызван значительно лучшей его растворимостью в воде по сравнению с молекулярной формой, поскольку это понижает токсичность лекарственного препарата. Так растворимость ибупрофена в 0.01 М растворе HCl составляет 0.00038 моль/л, а ибупрофена натрия (NalBP) в 0.5М растворе NaCl - 0.185 моль/л [3].
Настоящая работа является продолжением изучения водных растворов солей группы нестероидных противовоспалительных средств калориметрическим методом [4-8]. В ней представлены данные по термохимии растворения NalBP в воде в интервале температур 293.15-318.15 К и концентрации охватывающей весь интервал растворимости электролита.
В литературе имеется лишь одна работа по термохимии растворения NalBP в воде выполненная
в интервале температур 273.15—318.15 К и концентрациях менее 0.04 моль/кг воды [9]. Следует отметить очень малый концентрационный интервал, изученный в работе, и отсутствие цифровых данных по теплотам растворения кристаллической формы в воде, что не позволяет оценить стандартную энтальпию растворения NalBP в воде при соответствующих температурах.
Цель работы — получение стандартной энтальпии растворения NalBP в воде, изучение закономерностей в изменении термодинамических характеристик водных растворов NalBP и компонентов растворов в интервале растворимости электролита в физиологически значимом интервале температур на основе калориметрии растворения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Дигидрат (R, 8)-(±)-ибупрофена натрия (рацемат) ((а-метил-4-(изобутил)фенилацетат натрия) (CAS: 31121-93-4) получен из Sigma-Aldrich (Stenheim, Germany). Исходное соединение без дополнительной очистки было высушено при температуре 393—403 К в течение 3 ч в вакууме до неизменной массы. На ДСК-кривых при нагревании от комнатной температуры до 443 К никаких переходов не наблюдалось, что соответствовало одной полиморфной модификации соли и отсутствию кристаллогидратов. При температуре 468.8 ± 0.4 К (Tmax = 472.6 ± 0.1) наблюдается эн-
домаксимум соответствующий плавлению вещества. Тепловой эффект перехода составляет 75.5 ± ± 1.9 Дж/г (17.5 ± 0.7 кДж/моль). Это хорошо соответствует литературным данным [10]: Tmax = = 473.29 ± 1.55 К и тепловой эффект перехода 72.24 ± 1.74 Дж/г. До проведения калориметрических экспериментов соль хранилась в эксикаторе при комнатной температуре над P2O5 из-за ее гигроскопичности.
В работе использовалась свежеприготовленная бидистиллированная вода (удельная электрическая проводимость воды х = 1.4 х 10-6 См/см).
В нейтральной среде водного раствора степень гидролиза соли не превышает 0.25%, поэтому гидролизом пренебрегали. По литературным данным [11] в водном растворе в интервале температур 293.15—318.15 К и концентрации NalBP не более 0.003т электролит полностью диссоциирован на ионы.
При 293.15, 298.15, 308.15 и 318.15 К измерены энтальпии растворения электролита в воде и разведения его водных растворов на изопериболиче-ском микрокалориметре ампульного типа соединенного с компьютерной системой сбора данных PowerGraph 3.3 professional с помощью АЦП Е24 ("L-card", Москва). Реакционный сосуд из титана объемом 50 см3. Автоматическая схема регулирования обеспечивала точность поддержания температуры лучше 6 х 10-4 К, а температурная и тепловая чувствительности измерительной ячейки калориметра составила, соответственно, 10-4 К и 1 х 10-3 Дж. Приборная погрешность составила 0.6—1%. Ввиду малых эффектов растворения и разведения вводились поправки, определяемые экспериментально для каждой партии ампул. К тепловому эффекту разведения поправка на разбивание ампулы, а к теплоте растворения соли поправка на разбивание ампулы и испарение растворителя в свободный объем ампулы. Другие поправки оказались не значимыми. Подробное описание калориметра, калориметрической установки и методики эксперимента приводится в [12].
Оценка надежности работы калориметра и точности получаемых данных оценивалась по энтальпии растворения в воде KCl (среднее из 20 измерений 17.240 ± 0.036 кДж/моль соответствовало значению 17.241 ± 0.018 кДж/моль [13] и рекомендованному ИЮПАК значению 17.217 ± ± 0.033 кДж/моль [14]).
На дифференциальном сканирующем калориметре теплового потока DSC 204 F1 Phoenix ("NETZSCH", Германия) с высокочувствительным ц-сенсором измерена теплоемкость кристаллического и жидкого NalBP в интервале температур 295.11—521.61 К. Сканирование проводилось со скоростью 10 К/мин с охлаждением газообразным азотом в атмосфере аргона с использованием
стандартного алюминиевого тигля с крышкой. Масса вещества составила 2.51 мг. Стандартным веществом служил сапфир массой 11.48 мг. Калибровка DSC проводилась по шести веществам высокой чистоты (ц-гексан (99.96%), ртуть (99.99+%), бифенил (99.5%), индий (99.999%), олово (99.999%) и висмут (99.9995%)).
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Экспериментальные значения молярной теплоемкости №1ВР в интервале температур 295.11— 521.61 К аппроксимированы соответствующей зависимостью для кристаллической формы №1ВР (Ср2,кр, Дж/(моль К)) в интервале Т = 295.11— 431.11 К и жидкой формы (Ср2ж, Дж/(моль К)) в интервале Т = 483.11—521.61 К от температуры:
Ср2,кр = (315.12 ± 6.3) - (0.522 ± 0.036)Т +
+ (1.863 ± 0.050) х 10-3Т2, (1)
г2 = 0.999, ^ = 0.8 Дж/(моль К),
СрХж =(1.7256 ± 0.010)Т -
-(1.470 ± 0.020) х 10-3Т2, (2)
г2 = 0.893, ^ = 1.0 Дж/(моль К).
Из энтальпий растворения соли в воде (А р Нт, интегральная энтальпия растворения) рассчитаны в соответствии с формулой (3) энтальпии растворения при бесконечном разведении. Энтальпия разведения водных растворов №1ВР в воде от концентрации т (т < 0.014) до бесконечного разведения т = 0 (А разв Нт^°) рассчитывалась по уравнению Дебая—Хюккеля во втором приближении согласно [15]. Необходимые данные по свойствам воды (плотность и диэлектрическая проницаемость от температуры) заимствованы из [16].
А р Н ° = А р Нт + А Разв нт^° (3)
Молярную энтальпию разведения раствора электролита от начальной концентрации тн до конечной концентрации тк можно выразить уравнением
А разв Нтн ^ = Аф(тк) - ¿ф(тн), (4)
где £ф(тн) и Ьф(тк) — кажущиеся относительные молярные энтальпии электролита в растворе при концентрациях тн и тк. При тк ^ 0 формула (4) преобразуется к виду:
А разв Нт^° = ф(т) = ф (5)
Выражение для кажущейся относительной молярной энтальпии электролита (Ьф) в модели Питцера [17—19] выглядит следующим образом:
(двМх/дТ )Iyp — qw + 2qnT
Ьф — \zuzx\(2AH/3b)ln(1 + bl1/2) -- 2vmVXRT2(mB'Mx + m2C'Mx),
(6)
где
BMx — (dpMMX/ЭТ )i,p + (2/a2l) x x (dpMx/дТ)i,p{1 - (1 + ail 1/2)exp(-aiI1/2)} + + (2/a2l)(dpMMx/дТ)i,p x x {1 - (1 + a211/2)exp(-a211/2)}
CMx = 0.5(V M V x )1/2(dC^x/дТ)
i,p>
Ah =
-(3/2^ЯТ2 x
x Ay(1/ Т + д ln е/д Т - (1/3)д ln d/д Т)
Ay —
^ Ae 6d V/2
— 3Aa
(7)
(8)
(9)
(10)
(13)
(д CMx/д Т) I,P — -W Т2 + q14/Т + q15 (14) Из решения уравнения (6) для разности Ьф(тк) - Ьф(тн) с учетом соотношений (11)—(14), используя экспериментальные данные по энтальпиям разведения из термохимического эксперимента, определялись параметры q и далее рассчитывались вириальные энтальпийные коэффициенты для NalBP в водном растворе.
Уравнения, связывающие термодинамические свойства, как раствора, так и компонентов раствора с кажущейся относительной молярной энтальпией электролита в растворе [20—22], приведены ниже
А pHm —A pH ° + Ьф, (15)
L — -0.5т3/2М1(дЬф/дт1/2), (16)
Т2 — Ьф + 0.5т1/2(дЬф/дт1/2), (17)
Т2
ф(Т2) - ф(Т ) — (m1/2/2vR)J(дЬф/дm1/2)d(i/Т), (18)
ч(екТ)3 х 1000у
где Ан — предельный наклон Дебая—Хюккеля для энтальпийной характеристики; V — число составляющих электролит ионов; vM и vX — число катионов и анионов в молекуле растворяемого электролита; £ — диэлектрическая проницаемость растворителя; гм и — заряды соответственно катиона и аниона; Ь = 1.2 кг 0 5/моль0'5 и а1 = = 2.0 кг05/моль0.5 [17—20] и являются температур-но-независимыми, а параметр а2 рассматривался как температурно-независимая величина в интервале 2—20 кг 05/моль05, так и температурно-зависимая величина из соотношения а2 = = 0.043(Г- 273.15) [20]; й — плотность растворителя; I = 0.5^ — ионная сила раствора; N — число Авогадро; к — постоянная Больцмана; Я — универсальная газовая постоянная; Лу и АФ — коэффициенты Дебая—Хюккеля, соответственно, для функций коэффициента активно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.