1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 94, № 10, 2020

Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 10, стр. 1501-1504

Термодинамика сольватации β-циклодекстрина в растворителях вода–диметилсульфоксид

И. А. Кузьмина a, М. А. Волкова a, А. С. Маров a, Л. Фам Тхи b, **, Т. Р. Усачева a, *

a Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия

b Вьетнамская академия наук и технологий, Институт тропической технологии
Ханой, Вьетнам

** E-mail: ptlan@itt.vast.vn
* E-mail: oxt@isuct.ru

Поступила в редакцию 29.11.2019
После доработки 22.02.2020
Принята к публикации 10.03.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом межфазного распределения вещества между двумя несмешивающимися фазами определены энергии Гиббса переноса β-циклодекстрина (βCD) из воды в ее смеси с диметилсульфоксидом (χDMSO = 0.0–0.6 мол. доли) при 298 K. Проведен анализ влияния состава растворителя на термодинамические характеристики сольватации βCD. Установлено, что рост содержания DMSO в смешанном растворителе приводит к незначительной десольватации циклодекстрина, возможно, обусловленной компенсационным эффектом между энтальпийной и энтропийной составляющими энергии Гиббса переноса βCD.

Ключевые слова: сольватация, энергия Гиббса, энтальпия, энтропия, водно-диметилсульфоксидные растворители, β-циклодекстрин

Растворимость новых лекарственных препаратов в биологических жидкостях – важный аспект фармацевтики. Хорошо известно, что большинство вновь открытых фармацевтически активных соединений имеют низкую растворимость в воде и, следовательно, низкую биодоступность [1]. Это – основная причина, вызывающая задержку доклинического тестирования и разработки лекарств. Одним из путей решения этих задач может быть использование циклодекстринов (CD) как эффективных солюбилизаторов гидрофобных молекул. Благодаря своему строению циклодекстрины, способны к образованию комплексов включения с различными органическими субстратами. Научный подбор сорастворителя может усилить солюбилизируюшую способность CD. Применение смешанных водно-органических растворителей, неводный компонент которых сам обладает фармакологической активностью, позволит получить комплексы включения с новыми термодинамическими свойствами.

Влияние растворителя на химическое равновесие, энергетику и скорость протекания реакции связано с изменением сольватного состояния реагентов и продуктов реакции. Для характеристики сольватного состояния молекулы или иона в растворе используются термодинамические параметры сольватации (энергия Гиббса (ΔG), энтальпия (ΔH), энтропия (ΔS)). Они позволяют судить о силе взаимодействия, наличии или отсутствии ассоциации между частицами, а также выявить и описать влияние среды на процессы в растворах.

В настоящей работе определены энергии Гиббса переноса β-циклодекстрина (βCD) из воды (Н2О) в ее смеси с диметилсульфоксидом (DMSO) – растворителем, обладающим анальгетическим и противовоспалительным действием, а также способным усиливать проникновение через кожу ряда лекарственных веществ, увеличивая тем самым их биодоступность [2]. Проанализировано влияние состава растворителя Н2О–DMSO (χDMSO = 0.0–0.6 мол. доли) на изменение энергии Гиббса переноса βCD.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изменения энергии Гиббса сольватации β-циклодекстрина при его переносе из воды в смешанные водно-диметилсульфоксидные растворители определялись методом межфазного распределения вещества между двумя несмешивающимися фазами: полярного и неполярного растворителей соответственно. Применимость данного метода для аналогичных целей была подтверждена в работах, посвященных исследованиям сольватации эфира 18-краун-6 (18К6) в бинарных растворителях вода–этанол [3], вода–диметилсульфоксид [4] и метанол–диметилформамид [5], а также лигандов аминного и амидного типов в смесях водно-органических и неводных растворителей [6–9].

При использовании данного метода важной задачей является подбор неполярного растворителя, который не должен смешиваться в ходе эксперимента с фазой полярного растворителя [10, 11]. Плотность неполярного растворителя должна достаточно отличаться от плотности индивидуального или смешанного растворителя, чтобы граница раздела между фазами была четкой. Для системы β-циклодекстрин–Н2О–DMSO в качестве растворителя сравнения был выбран гексан (Hex). Экспериментальное подтверждение несмешиваемости водно-диметилсульфоксидного растворителя (χDMSO = 0.0–0.6 мол. доли) с гексаном проводили по величине показателя преломления растворов до и после смешения на рефрактометре марки ИРФ-454 Б2М.

В ходе эксперимента в герметичной ячейке проводили смешение водно-диметилсульфоксидного растворителя, содержащего 0.0066–0.0113 моль/л β-циклодекстрина, с гексаном. Ячейка, снабженная водяной рубашкой, помещалась в термостатируемый бокс. Вода в рубашку ячейки и змеевик бокса нагнеталась из термостата UT-2 и обеспечивала поддержание заданной температуры в реакционном объеме (298 K) с точностью ±0.10 K. Перемешивание раствора в ячейке продолжалось в течение 8 ч. После отстаивания в течение 15 ч отбирали пробу нижнего слоя гетерогенной системы (βCD + растворитель Н2О–DMSO), в котором определяли равновесную концентрацию β-циклодекстрина в водно-диметилсульфоксидном слое (${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}$). Для этой цели строили калибровочные графики зависимости показателя преломления раствора Н2О–DMSO, содержащего βCD с точно известной концентрацией. Для каждого состава растворителя графики зависимостей аппроксимировали линейно методом наименьших квадратов. Аппроксимационные уравнения использовали для расчета ${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}$.

Равновесную концентрацию βCD в слое гексана определяли, принимая, что объем реакционной среды в ходе эксперимента оставался постоянным, по формуле:

(1)
${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{\text{Hex}}}}} = \beta {\text{C}}{{{\text{D}}}_{{{\text{исх}}}}}--{{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}},$
где ${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}$ и [βCD]Hex – равновесные концентрации βCD в водно-диметилсульфоксидном слое и в слое гексана после разделения гетерогенной смеси соответственно, моль/л; βCDисх – исходная концентрация βCD в водно-диметилсульфоксидном слое до образования гетерогенной смеси, моль/л.

Расчет коэффициентов распределения β-циклодекстрина между несмешивающимися фазами и изменение энергии Гиббса βCD при его переносе из воды в водно-диметилсульфоксидные растворители вели по уравнениям:

(2)
$\begin{gathered} {{K}_{1}} = {{[\beta {\text{CD}}]}^{{{\text{Hex}}}}}{\text{/}}{{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}, \\ {{K}_{2}} = {{[\beta {\text{CD}}]}^{{{\text{Hex}}}}}{\text{/}}{{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}, \\ \end{gathered} $
(3)
$\begin{gathered} {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}{{G}^{0}}{{(\beta {\text{CD}})}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}} = \\ = RT\ln ({{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}{\text{/}}{{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}) = \\ = RT\ln \left( {{{K}_{2}}{\text{/}}{{K}_{1}}} \right), \\ \end{gathered} $
где K1 и K2 – коэффициенты распределения βCD в системах гексан–вода и гексан–водно-диметилсульфоксидные растворители соответственно; ${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ – равновесная концентрации βCD в воде, моль/л.

Подготовка реагентов. β-циклодекстрин производства фирмы “Fluka” с содержанием βCD ≥ ≥ 99% использовали без дополнительной очистки. Диметилсульфоксид (“х.ч.”) обезвоживали молекулярными ситами (диаметр пор 0.4 нм) с последующей перегонкой при пониженном давлении. Содержание воды в растворителе определяли по методу Карла Фишера. В конечном продукте количество воды составляло 0.02 мас. %. Гексан (“х.ч.”), содержащий 0.01 мас. % воды, использовали без дополнительной очистки.

Растворы готовили весовым способом на основе свежеперегнанного водного бидистиллята.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Концентрационные условия проведения эксперимента, коэффициенты распределения β-циклодекстрина в системах Hex–Н2О и Hex–Н2О–DMSО, а также величины изменения энергий Гиббса переноса βCD при смене состава растворителя (Н2О → Н2О–DMSО) приведены в табл. 1. Погрешности в величинах K1, K2 и ΔtrG0(βCD) определялись как стандартное среднеквадратическое отклонение для трех параллельных опытов в каждом составе смешанного растворителя. Полученные значения ΔtrG0(βCD) принимали за стандартные, что обусловлено отсутствием концентрационных зависимостей ΔtrG0(βCD) при данных условиях проведения эксперимента. Установлено, что при переходе от воды к водно-диметилсульфоксидному растворителю наблюдается незначительное ослабление сольватации βCD (табл. 1).

Таблица 1.  

Равновесные концентрации β-циклодекстрина в водно-диметилсульфоксидном слое (${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}$) и слое гексана ([βCD]Hex), коэффициенты распределения βCD в системах Hex–H2O (K1) и Hex–(H2O–DMSO) (K2), величины ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}{{G}^{0}}{{(\beta {\text{CD}})}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}} \to ({{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}})}}}$ при 298 K

χDMSO, мол. доли ${{[\beta {\text{CD}}]}^{{{{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}}}}}$, моль/л [βCD]Hex, моль/л K1 K2 ΔtrG0(βCD), кДж/моль
0.0 0.0034
0.0035
0.0036 		0.0032
0.0032
0.0030 		0.90 ± 0.06 – 0
0.2 0.0088
0.0068
0.0068 		0.0010
0.0030
0.0030 		– 0.33 ± 0.18 −2.5 ± 0.5
0.3 0.0071
0.0079
0.0068 		0.0032
0.0023
0.0036 		– 0.43 ± 0.12 –1.9 ± 0.5
0.5 0.0064
0.0055
0.0049 		0.0038
0.0046
0.0052 		– 0.83 ± 0.23 –0.2 ± 0.8
0.6 0.0053
0.0053
0.0053 		0.0049
0.0049
0.0049 		– 1.12 ± 0.00 0.6 ± 0.2

Известно, что взаимодействие растворитель–растворенное вещество может происходить за счет как специфической, так и универсальной сольватации. Вода и диметилсульфокид – растворители, в значительной степени отличающиеся по своим донорно-акцепторным свойствам (${{D}_{{N{\text{(}}{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О)}}}}}$ = = 18 кДж/моль, DN(DMSO) = 29.8 кДж/моль; ${{А}_{{N({{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}})}}}$ = = 54, АN(DMSO) = 19.3 [12]). Вероятно, если бы сольватация βCD в воде осуществлялась за счет специфического типа взаимодействий, а в водном диметилсульфоксиде превалировала универсальная составляющая сольватации, то смена состава растворителя Н2О → Н2О–DMSО должна была бы приводить к значительным изменениям в ΔtrG0(βCD). Как следует из табл. 1, изменения в величинах ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}{{G}^{0}}{{(\beta {\text{CD}})}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}} \to ({{{\text{H}}}_{2}}{\text{O}} - {\text{DMSO}})}}}$ не превышают 2.5 кДж/моль. На основании этого можно предположить, что, несмотря на различную сольватационную способность исследуемых растворителей [12], вклад специфической сольватации βCD в воде не намного превышает вклад от универсальной составляющей. При переходе от воды к водно-диметилсульфоксидному растворителю вклад специфической сольватации уменьшается, и с ростом концентрации DMSO в растворителе сольватация βCD происходит преимущественно за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Представляет интерес сравнить влияние водно-органических растворителей на макроциклические молекулы – β-циклодекстрин и краун-эфир 18К6, которые играют роль “молекул-хозяев” в процессах образования комплексных соединений типа “гость–хозяин”. Молекулы циклодекстринов имеют жесткую торроидальную структуру, стабилизированную водородными связями между гидроксильными группами, а также α-D-1,4-гликозидными связями. Все ОН-группы в циклодекстринах находятся на внешней поверхности молекулы. Внешний слой циклодекстринов – гидрофильный, а внутренний – гидрофобный. Краун-эфиры – циклические соединения, основные каркасы которых являются олигомерами этиленоксида (–СН2–СН2–О–). Характерная особенность строения конформационно-подвижных краун-эфиров – наличие центральной гидрофильной полости, имеющей отрицательный заряд, и гидрофобной наружной поверхности.

При исследовании сольватации 18-краун-6 в водно-органических растворителях было установлено [3, 4], что повышение содержания органических компонентов в смешанных растворителях не приводит к значительным изменениям в сольватном состоянии макроцикла, как это наблюдалось и в случае переноса β-циклодекстрина из воды в водно-диметилсульфоксидные растворители (табл. 1). Установлено, что перенос 18К6 из воды в водно-органические смеси сопровождается значительным уменьшением экзотермичности его сольватации [13]. В протонодонорных средах основной вклад в энтальпию сольватации краун-эфира дает водородная связь между атомами кислорода отрицательно заряженной полости макроцикла и атомами водорода растворителей [14]. Поэтому вода сольватирует 18К6 более активно, чем этанол или DMSO. Значительное уменьшение экзотермичности сольватации 18К6 при переходе от воды к водно-органическим смесям обусловлено уменьшением их протоно-донорных свойств с ростом концентрации неводных компонентов. При этом существенные энергетические изменения, вызванные разрушением сольватной оболочки макроцикла, сопровождающиеся переходом молекул воды и сорастворителя из сольватной оболочки 18К6 в раствор, полностью компенсируются ростом энтропийной составляющей энергии Гиббса пересольватации макроцикла.

Можно предположить, что, как и в случае пересольватации 18К6, незначительные изменения в сольватном состоянии β-циклодекстрина с ростом концентрации DMSO в смешанном водно-диметилсульфоксидном растворителе обусловлены компенсационным эффектом между энтальпийной и энтропийной составляющими энергии Гиббса переноса βCD.

Исследование проведено в Институте термодинамики и кинетики химических процессов Ивановского государственного химико-технологического университета (ИГХТУ) при финансовой поддержке РФФИ и ВАНТ в рамках научного проекта № 19-53-54004 и при финансовой поддержке Национального фонда научно-технического развития Вьетнама (NAFOSTED) [грант № 104.06-2017.329]. Работа выполнена в рамках государственного задания на выполнение НИР. Тема № FZZW-2020-0009.

Список литературы

  1. Vasanti S., Parul G., Manikanta M. // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2017. V. 88. P. 1112.

  2. Кукушкин Ю.Н. // Соросовский обр. журн. 1997. № 9. С. 53.

  3. Усачева Т.Р., Кузьмина И.А., Джумашева М.О. // Изв. вузов. Химия и хим. технол. 2010. Т. 53. № 12. С. 51.

  4. Усачева Т.Р., Кузьмина И.А., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2011. Т. 85. № 6. С. 1047.

  5. Голиков А.Н., Кузьмина И.А., Шарнин В.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2007. Т. 50. № 12. С. 18.

  6. Мошорин Г.В., Репкин Г.И., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84. № 4. С. 618.

  7. Семенов И.М., Репкин Г.И., Шарнин В.А. // Там же. 2013. Т. 87. № 3. С. 464.

  8. Семенов И.М., Репкин Г.И., Исаева В.А. // Там же. 2014. Т. 88. № 12. С. 1900.

  9. Зевакин М.А., Граждан К.В., Душина С.В. // Там же. 2006. Т. 80 № 8. С. 1445.

  10. Рудаков О.Б., Селеменев В.Ф. Физико-химические системы сорбат–сорбент–элюент в жидкостной хроматографии. Воронеж: Изд-во ВорГУ, 2003. 240 с.

  11. Райхард Х. Растворители в органической химии. Л.: Химия, 1973. 152 с.

  12. Фиалков Ю.Я. Не только в воде. Л.: Химия, 1989. 88 с.

  13. Усачева Т.Р., Леденков С.Ф., Шарнин В.А., Гжейдзяк А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2000. Т. 43. № 5. С. 87.

  14. Barannikov V.P., Guseynov S.S., Vyugin A.I. // Russ. J. Coord. Chem. 2002. V. 28. № 3. P. 153.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал