13 ВМС Набухание

1.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Тема: «Высокомолекулярные соединения
(ВМС). Классификация и свойства.
Набухание»
Дисциплина: Физическая и коллоидная химия
Специальность: Технология фармацевтического производства ,
Фармация
Лектор: ассоциированный профессор Мамбетерзина Г.К.

2. ПЛАН

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
ПЛАН
1. Понятие о ВМС. Их классификация и химическое
строение. Значение биополимеров.
2. Образование и свойства растворов ВМС. Общие
свойства растворов ВМС и коллоидных растворов.
Специфические свойства растворов ВМС.
3. Термодинамика образования растворов ВМС.
4. Механизм набухания и растворения ВМС. Ограниченное
и неограниченное набухание.
5. Влияние различных факторов на набухание и
растворение ВМС. Степень набухания.

3. Высокомолекулярные соединения (ВМС) (греч.πολύ-–много; μέρος – часть)

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Высокомолекулярные соединения
(ВМС)
(греч.πολύ-–много; μέρος – часть)
– это молекулы с высокой относительной
молекулярной массой, структура которых
включает многократно повторяющиеся звенья.
Такие
молекулы
макромолекулами.
называют
Их молярные массы находятся в пределах
104<М<106 г/моль (и выше).
Размеры молекул ВМВ в вытянутом
состоянии могут достигать 1000 нм.

4. Классификации ВМС

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Классификации ВМС
большая группа ВМС: белки и их
разновидности, крахмал, гликоген, целлюлоза,
пектиновые вещества, натуральный каучук,
гуттаперча, слюда, кварц, асбест и др.,
которые характеризуются постоянным
значением молекулярной массы;
4

5.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Классификации ВМС
1. По происхождению: природные (натуральные):
Белки
Примеры: коллаген, желатин,
альбумин
Свойства: биоразлагаемость,
биосовместимость
Применение:
Желатиновые капсулы
Коллагеновые губки
Белковые лекарства
Полисахариды
Примеры: крахмал,
целлюлоза, альгинаты,
хитозан
Свойства:
гелеобразование,
загущение
Применение:
МКЦ (наполнитель таблеток)
Гидроксипропилметилце
ллюлоза
Натрий КМЦ
(загуститель)
Нуклеиновые кислоты
Примеры: ДНК, РНК,
олигонуклеотиды
Свойства:
специфичность,
информационная ёмкость
Применение:
мРНК-вакцины
Антисмысловые
олигонуклеотиды
Генная терапия
Природные полимеры – основа многих фармацевтических вспомогательных
веществ

6.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Искусственные полимеры получают
из природных путем химической
модификации. К ним относятся
нитроцеллюлоза, ацетатное,
вискозное волокна, хлоркаучук и др.
Синтетические полимеры получают
из низкомолекулярных соединений –
мономеров. Такими являются
полиэтилен, полипропилен,
полистирол, пластмассы,
синтетические волокна и многие
другие. Всегда являются
полидисперсными системами.
6

7. Основные понятия. Классификация

НАО «Карагандинский
Медицинский Университет»
Основные понятия. Классификация
В качестве исходных веществ для
получения
полимеров
используют
низкомолекулярные,
ненасыщенные
или полифункциональные соединения –
мономеры.
Методы синтеза основаны на реакциях
полимеризации, поликонденсации и
сополимеризации.

8. Основные понятия. Классификация

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Основные понятия. Классификация
Степенью
полимеризации
n
называется число повторяющихся
звеньев в макромолекуле.
Любой
синтетический
полимер
состоит из макромолекул разной
степени
полимеризации
и
характеризуется полидисперсностью.

9.

2. По структуре цепей:
а) линейные;
б) разветвленные;
в) пространственные.
г) сшитые
а)
(крахмал (амилоза), целлюлоза,
натуральный каучук)
б)
(амилопектин)
S
S
в)
г) сшитые
(белки шерсти, кварц, алмаз)
(резина)
9

10.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
3. По числу разных видов
мономеров:
гомополимеры (все звенья
одинаковы): например, крахмал,
гликоген и т.д.
гетерополимеры (ВМС из
нескольких видов мономеров:
нуклеиновые кислоты, белки).
10

11.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
4. По значению молярной массы
Монодисперсные ВМС состоят из молекул,
имеющих
одинаковую молярную массу
(гемоглобин и др. белки);
Полидисперсные ВМС состоят из молекул
различной массы (ДНК, фибриллярные
белки, каучуки).
Для
них
рассчитывается
среднеарифметическая молярная масса:
Ì
M
n1 M 1 n2 M 2 ...
n1 n2 ...

12.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Растворы ВМС занимают промежуточное положение между
истинными и коллоидными растворами, сочетая свойства обоих
типов систем.
С коллоидными растворами их объединяют высокая
дисперсность частиц, способность к светорассеянию (эффект
Тиндаля), низкая скорость диффузии и высокая вязкость.
Однако существуют принципиальные различия: растворы
ВМС являются термодинамически стабильными однофазными
системами,
образуются
самопроизвольно,
содержат
индивидуальные макромолекулы (а не агрегаты), характеризуются
обратимыми фазовыми переходами (высаливание, а не коагуляция).
Понимание этих особенностей важно в фармацевтической
технологии для правильного выбора методов получения,
стабилизации и анализа лекарственных форм, содержащих
высокомолекулярные соединения.

13.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Особенности полимеров-:
большой молекулярной массой;
существованием двух типов связей –
химических и межмолекулярных,
удерживающих макромолекулярные цепи
около друг друга;
гибкостью цепей (гибкость – способность
макромолекул изменять пространственную
форму путем перехода от одной
конформации к другой), связанной с
внутренним вращением звеньев.
13
.

14.

Специфические свойства полимеров
1. Равновесные процессы в растворах ВМС
устанавливаются медленно.
2. Процессу растворения ВМС, как правило,
предшествует процесс набухания.
3. Растворы полимеров не подчиняются законам
идеальных растворов, т.е. законам Рауля и Вант- Гоффа.
4. При течении растворов полимеров возникает
анизотропия свойств за счет ориентации молекул в
направлении течения.
5. Высокая вязкость растворов ВМС.
6. Молекулы полимеров, благодаря большим размерам,
проявляют склонность к ассоциации в растворах.
Время жизни ассоциатов полимеров более
длительное, чем ассоциатов низкомолекулярных
веществ.

15. Набухание

НАО «Карагандинский
Медицинский Университет»
Набухание
Набухание – это увеличение объема и массы
полимера вследствие односторонней
диффузии низкомолекулярного растворителя
в высокомолекулярное вещество
При набухании молекулы растворителя
заполняют пространство между макромолекулами,
проникая в петли структур.
При набухании полимеров их объем
увеличивается в 10-15 раз и возникает давление
набухания, достигающее сотен мегапаскалей!

16.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Набухание полимера
НМР
НМР
V
Vo
ВМС
ВМС

17. Набухание

НАО «Карагандинский
Медицинский Университет»
Набухание
Различают:
неограниченное и
ограниченное набухание.
Неограниченное набухание заканчивается
растворением полимера. Например, растворение
белка в воде.
Ограниченное набухание сопровождается
увеличением объема и массы полимера без его
растворения.
Желатин в холодной воде набухает ограниченно, в
горячей - неограниченно
Каучуки ограниченно набухают в бензине
и неограниченно при добавлении бензола

18.

Кинетические кривые набухания
Объем полимера
Ограниченное
набухание
Неограниченное
набухание
Время

19. Набухание

НАО «Карагандинский
Медицинский Университет»
Набухание
Ограниченное набухание характеризуется
степенью набухания (α).
Степень
набухания
показывает
отношение
приращения
объема
или
массы набухшего полимера к
первоначальному объему или
массе.
(m m0 )
m0
(V V0 )
V0

20.

Механизм растворения ВМС
Неограниченное набухание → раствор ВМС
(гомогенная система)
1 этап:
Гидратация полярных группэкзотермический процесс
(+Q, -ΔH);
2 этап:
Осмотическое проникновение
растворителя
(ΔH=0, ΔS>0);
20

21. Термодинамика набухания

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Термодинамика набухания
Процесс неограниченного набухания
протекает в две стадии:
1. Стадия истинного набухания.
2. Стадия истинного растворения.
На первой стадии выделяется теплота,
энтальпия системы уменьшается (ΔН<0).

22. Термодинамика набухания

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Термодинамика набухания
На второй стадии энтальпия практически не
меняется (ΔН≈0). Энтропия растет (ΔS>0), т.к.
увеличивается число свободных конформаций
макромолекул.
Такая совокупность изменений снижает
энергию
Гиббса
(ΔG<0),
поэтому
в
соответствии
со
вторым
законом
термодинамики набухание и растворение ВМС
являются самопроизвольными процессами.

23. Набухание

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Набухание
На степень набухания влияют:
1)Природа полимера и растворителя
Полярные ВМВ лучше набухают в полярных
растворителях (например, белки в воде),
неполярные в неполярных (например, каучук
в бензоле).

24. 2) Температура

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
2) Температура
Процесс набухания осуществляется в 2 стадии:
I. Сольватация молекул полимера. Это экзотермический
процесс, ∆H < 0.
Поэтому на этой стадии при повышении температуры
степень набухания понижается.
II. Основная стадия набухания - увеличение объема и
массы полимера - как правило, идет без теплового
эффекта, иногда это эндотермический процесс.
Увеличение температуры на данной стадии приводит к
повышению степени набухания
полимера.

25. Набухание

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Набухание
3) Присутствие электролитов
Анионы способствуют набуханию
в большей степени, чем катионы.
По способности уменьшать набухание
анионы располагаются в так называемый
лиотропный ряд:
CNS– < I– < Br– < - NO3 < Cl– <
CH3COO– < SO42-.
Из катионов: K+ и Na+ способствуют
набуханию, Ca2+ - препятствуют.

26. Набухание

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Набухание
4) pH среды.
Влияние рН среды особенно значительно для
высокомолекулярных
электролитов
(белков,
нуклеиновых кислот, производных целлюлозы и
крахмала).
Минимум набухания отмечается в изоэлектрической
точке, поскольку в ней суммарный электрический заряд
макромолекул белков и, соответственно, степень их
гидратации минимальны.
Примером влияния рН на набухание является отек ткани
человека, вызванный пчелиным или муравьиным ядом,
имеющим кислую реакцию.

27. Изоэлектрическая точка белка

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Изоэлектрическая точка белка
Значение pH, при котором белок
находится в изоэлектрическом
состоянии, т.е. число
разноименных зарядов в белковой
молекуле одинаково и ее общий
заряд равен нулю, называется
изоэлектрической точкой данного
белка (pI).

28.

эксперимент
графическая
зависимость
Набухание (1) и коагуляция (2) желатина
(pI = 4,8) в зависимости от рН
Степень набухания минимальна в
изоэлектрической точке!
28

29.

Полиэлектролиты
(ВМС, имеющие ионогенные группы)
Классификация
1. Кислотного типа - содержащие группы –СОО–
(гуммиарабик, альгинаты, растворимый крахмал) или –
OSO3– (агар-агар).
2. Основного типа - имеющие группу –NH3+
3. Полиамфолиты – белки, содержащие группы –СОО– и –
NH3+
В зависимости от рН раствора макроионы белков заряжены :
- положительно в кислой среде за счет групп –NH3+
- отрицательно в щелочной среде за счет групп –СОО–.
Между этими состояниями белка существует состояние,
при котором число ионизированных основных групп
29
равно числу ионизированных кислотных групп.

30.

Изоэлектрическое состояние белков.
В водном растворе белков происходит диссоциация –
СООН групп и присоединение Н+ к аминогруппам за счет
их основных свойств с образованием биполярного иона
NH2 – R – COOH + H2O = NH3+ – R – COO1 . рН < рI (избыток Н+ ионов)
NH3+ – R – COO- + Н+ = NH3+ – R – COOH
белок заряжается положительно
(при электрофорезе перемещается к катоду)
2. рН > рI (избыток ОН- ионов)
NH3+ – R – COO- + OH- = NH2 – R – COO- + H2O
белок заряжается отрицательно
(при электрофорезе перемещается к аноду)
В изоэлектрической точке белка (рН=рI )
молекула белка электронейтральна и при
электрофорезе остается на старте!
30

31.

Кислотно-основное равновесие в
растворах белков
H2N – R – COOH
+H N – R – COO3
+ H+
- H2O
+H N – R – COOH
3
Катионная форма
+OH-
H2N – R – COO-
Анионная форма
Сильнокислая среда pH7,0 Сильнощелочная среда

32.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
В нейтральной среде заряд белковой молекулы
определяется соотношением количества свободных групп
–COOH и –NH2 и степенью их диссоциации.
Если число карбоксильных групп больше числа
аминогрупп, суммарный заряд иона будет отрицательный,
если больше аминогрупп – положительный. Если же
количество этих групп в ионе одинаково, то суммарный
заряд равен нулю.
В кислой среде белок заряжается положительно, в
щелочной отрицательно.

33.

Конфигурации белковой молекулы
NH3+
NH2
COOH
COO-
NH3+
NH2
COOH
COO-
рН < ИЭТ
ИЭТ
рН > ИЭТ
Молекула
линейна
Молекула
свернута в
спираль
Молекула
линейна

34.

Медикобиологическое
значение темы
В фармации ВМС (полимеры) используют для
изготовления:
• оболочек капсул;
• инструментария;
• предметов ухода за больными;
• вспомогательных веществ для создания мазей и
пластырей;
• бинтов и ваты с кровоостанавливающими свойствами
(для этого используют модифицированную целлюлозу).

35.

НАО «Карагандинский Медицинский Университет»
Спасибо за внимание!