Свойства высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярные соединения в фармацевтической технологии используются как в качестве лекарственных (пепсин и др.), так и в качестве вспомогательных веществ (производные целлюлозы, желатин, крахмал и др.)

К ВМС относят обычно соединения с молекулярной массой от нескольких тысяч до миллиона и более. Это гигантские образования, состоящие из сотен или тысяч отдельных атомов, связанных друг с другом силами главных валентностей.

ВМС имеют сферическую (белки) или линейную (МЦ, крахмал и др.) структуру молекулы. ВМС со сферической структурой молекул растворяются в воде подобно низкомолекулярным соединениям. Они легко гидратируются и переходят в раствор, так как дисперсионная связь между такими молекулами невелика. Поскольку стадия набухания этих соединений непосредственно переходит в растворение, их относят к неограниченно набухающим ВМС.

ВМС с линейной структурой молекул имеет нитевидное строение, а длина молекул может достигать 400 – 500 нм, с поперечником 0.3 – 0.4 нм, как, например, в целлюлозе. Такие молекулы очень гибкие, могут свёртываться в спирали или вытянутые цепи. Растворение ВМС протекает в две выраженные стадии: набухание и растворение.

Молекулы воды как наиболее подвижные и имеющие небольшие размеры, диффундируют внутрь ВМС, ориентируются вокруг полярных групп, гидратируют их, образуя молекулярный слой. Ориетировочно каждая карбоксильная группа удерживает 4 молекулы воды, гидроксильная – 3, кето- и альдегидная группы по 2 молекулы воды и т.д. Гидратация полярных групп приводит к ослаблению межмолекулярных связей, разрыхлению соединений. Набухая, ВМС увеличиваются в 10 – 15 раз.

После набухания ВМС связь между их молекулами ослабляется, и они диффундируют в воду (стадия растворения), образуя истинный раствор.

Растворение в воде ВМС со сферической и линейной структурой молекул показано на рис.2.

Рис.2. Растворение в воде ВМС со сферической (а) и линейной (б) структурами

Стадия набухания не всегда переходит в стадию растворения, так как ВМС и вода способны смешиваться ограничено, например, желатин и вода при комнатной температуре. После достижения определенной степени набухания процесс прекращается. Однако при изменении условий (нагревании) желатин переходит в раствор.

Таким образом, при ограниченном набухании ВМС поглощает растворитель, а само в нем не растворяется, несмотря на продолжительность контакта. Ограниченное набухание ВМС всегда заканчивается образованием геля. Набухание ВМС носит избирательный характер. Они набухают лишь в жидкостях, которые близки им по химическому строению.

Растворимость ВМС понижается при добавлении этанола, глицерина, электролитов. При добавлении к ВМС солей электролитов возможны явления высаливания и несовместимости. Под действием низких температур и некоторых других факторов возможно так же застудневание или желатирование растворов ВМС, т.е. переход раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное (гель), которое сопровождается полной потерей текучести.

Процесс застудневания может продолжаться и в самом геле, который характеризуется явлением «синерезиса» (разделением геля на две фазы и выделением из студня воды). Эти явления необходимо учитывать как при приготовлении, так и при хранении растворов ВМС.

Огромные размеры молекул ВМС определяют своеобразие свойств их растворов. Диффузия в растворах ВМС протекает медленно, они не способны проникать через полупроницаемые мембраны. Эти особенности сближают растворы ВМС и растворы коллоидов, но не позволяют ставить между ними знак равенства. Несмотря на то, что молекулы ВМС не обнаруживаются даже при рассмотрении в ультрамикроскопе, их растворы обладают способностью светорассеивания, приводящей к опалесценции или даже мутности раствора.

Растворы ВМС характеризуются высоким осмотическим давлением, высокой вязкостью и способностью к тиксотропии. Это дает возможность отнести растворы ВМС к структурированным системам.

СХЕМА ПРОЦЕССА НАБУХАНИЯ

Растворению ВМС предшествует процесс его набухания. Набухание – самопроизвольный процесс, характеризующийся постепенным поглощением больших количеств растворителя и значительным одновременным увеличением (до 10 – 15 –кратного) объема набухающего тела. Это явление характерно для всех ВМС и никогда не наблюдается у низкомолекулярных соединений. Набухание заключается в следующем: молекулы низкомолекулярной жидкости-растворителя проникают в погруженное в нее ВМС, заполняя свободное пространство между макромолекулами. Это вполне возможно, так как цепочки макромолекул «упакованы» не плотно. Проникнув вначале благодаря капиллярным силам, растворитель начинает дальше поступать внутрь набухающего тела уже в нарастающем количестве благодаря гидратации полярных групп указанных соединений. Основное значение гидратации заключается в ослаблении межмолекулярных связей, разрыхлении этих соединений.

Образующиеся просветы заполняются новыми порциями растворителя. Раздвиганию цепей макромолекул способствуют и осмотические явления, протекающие одновременно с гидратацией полярных групп ВМС.

После того, как будут разрушены связи между макромолекулами, т.е. когда нити их будут достаточно отодвинуты друг от друга, макромолекулы получив способность к тепловому движению, начинают медленно диффундировать в фазу растворителя. Набухание переходит в растворение.

Процесс набухания указанных соединений нужно рассматривать как протекающий в две стадии. Первая стадия (сольватация – гидратация) сопровождается выделением тепла, т.е. убылью свободной энергии, и объемным сжатием (объем набухающего соединения оказывается меньше, чем суммарный объем его и поглощенного растворителя). Во второй стадии набухания жидкость поглащяется без выделения тепла. Растворитель просто диффузно всасывается в петли сетки, образуемой спутанными нитями макромолекул. В этой стадии происходит поглощение большого количества растворителя, а в связи с этим и весьма значительное (в 10 – 15 раз) увеличение объема набухающего ВМС.

Набухание такого соединения не всегда заканчивается его растворением. Набухание может быть неограниченным и ограниченным. Неограниченное набухание заканчивается растворением: соединение сначала поглощает растворитель, а затем при той же температуре переходит в раствор. При ограниченном набухании ВМС поглощает растворитель, а само в нем не растворяется, сколько бы времени оно не находилось в контакте. Ограниченное набухание такого вещества всегда заканчивается образованием эластичного геля (студня).

Набухание ВМС носит избирательный характер. Они набухают лишь в жидкостях, которые близки им по химическому строению. Так, указанные соединения, имеющие полярные группы, набухают в полярных соединениях, а углеводородные – только в неполярных жидкостях (бензин, бензол и т.п.).