بیوشیمی، مفهوم انحلال و حلالیت

مفهوم انحلال

انحلال

انحلال فرآیندی است که در آن یک املاح در فاز گاز، مایع یا جامد در یک حلال حل می‌شود و محلول تشکیل می‌دهد.

انحلال پذیری

حلالیت حداکثر غلظت یک املاح است که می تواند در یک حلال در دمای معین حل شود. در حداکثر غلظت املاح، محلول را اشباع می گویند. واحدهای حلالیت را می توان بر حسب mol/L یا g/L ارائه کرد.

عوامل موثر بر حلالیت

• غلظت املاح
• دمای سیستم
• فشار (برای گازهای موجود در محلول)
• قطبیت املاح و حلال

مبانی انحلال و حلالیت

انحلال

سرعت انحلال با معادله Noyes-Whitney نشان داده می شود:

dm/dt = D*A*(Cs – C)/h

جایی که:

• dm/dt نشان دهنده سرعت انحلال است
• D نشان دهنده ضریب انتشار برای ترکیب است
• A نشان دهنده سطح موجود برای انحلال است
• Cs حلالیت ترکیب را نشان می دهد
• C نشان دهنده غلظت املاح در محلول حجیم در زمان t است
• h نشان دهنده ضخامت لایه انحلال است

در گزارش کار آزمایشگاه شیمی عمومی یک به بررسی روابط محلول سازی جامدات و مایعات پرداخته شده است که میتوانید از طریق لینک آن را مشاهده و تهیه کنید.

انحلال پذیری

درجه حرارت

تاثیر دما بر املاح مایع و جامد

با افزایش دما، انحلال پذیری یک جامد یا مایع بسته به گرماده یا گرمازایی بودن واکنش انحلال می تواند در نوسان باشد.

1-  افزایش حلالیت با افزایش دما

در واکنش‌های انحلال گرماگیر، انرژی خالص ناشی از شکستن و تشکیل پیوندها، منجر به جذب انرژی گرمایی در سیستم با حل شدن املاح می‌شود. هنگامی که دمای سیستم افزایش می یابد، انرژی اضافی به سیستم وارد می شود.

بنابراین با توجه به اصل Le Chatelier، سیستم با افزایش واکنش انحلال برای جذب انرژی گرمایی اضافه شده، با افزایش گرما سازگار می شود. بنابراین افزایش دما باعث افزایش حلالیت املاح می شود.

نمونه ای از املاح که حلالیت آن با افزایش دما افزایش می یابد نیترات آمونیوم است که می توان از آن در بسته های سرد کمک های اولیه استفاده کرد. حل شدن نیترات آمونیوم(NH₄NO₃) در محلول یک واکنش گرماگیر است. با حل شدن نیترات آمونیوم، انرژی گرمایی از محیط جذب می شود و باعث می شود محیط اطراف احساس سردی کند.

2- کاهش حلالیت با افزایش دما

در واکنش های گرمازا، انرژی گرمایی با حل شدن املاح در محلول آزاد می شود. افزایش دما گرمای بیشتری را به سیستم وارد می کند. با پیروی از اصل Le Chatelier، سیستم با مهار واکنش انحلال با این انرژی گرمایی اضافی سازگار می شود. بنابراین افزایش دما حلالیت املاح را کاهش می دهد.

نمونه ای از املاح که حلالیت آن با افزایش دما کاهش می یابد، هیدروکسید کلسیم(Ca(OH)₂) است که می تواند برای درمان سوختگی های شیمیایی و به عنوان یک آنتی اسید استفاده شود.

تاثیر دما بر املاح گازی

به طور کلی، انرژی گرمایی با حل شدن گاز در محلول آزاد می شود، به این معنی که واکنش انحلال گرمازا است. به این ترتیب، یک گاز با افزایش گرما کمتر محلول می شود.

افزایش دما منجر به افزایش انرژی جنبشی می شود. مولکول های گاز با انرژی جنبشی بیشتر با سرعت بیشتری حرکت می کنند و در نتیجه پیوندهای بین مولکولی بین املاح گاز و حلال شکسته می شوند.

فشار: قانون هنری

حلالیت گاز تحت تأثیر تغییرات فشار روی سیستم است. گاز در مایعات حل می شود و محلول تشکیل می دهد. این منجر به تعادل در سیستم می شود که در آن نسبتی از مولکول های گاز در مایع حل می شود در حالی که بقیه در فاز گازی بالای مایع باقی می مانند.

قانون هنری بیان می کند که: “در دمای ثابت، مقدار گازی که در حجم مایع حل می شود، متناسب با فشار جزئی گاز در حالت تعادل با مایع است.”

قانون هنری معادله زیر را نتیجه می دهد:

C = kP

جایی که:

• C نشان دهنده حلالیت گاز در دمای معین در یک حلال خاص است.
• K نشان دهنده ثابت قانون هنری است.
• P نشان دهنده فشار جزئی گاز است، یعنی فشاری که گاز بر روی سیستم در یک حجم و دمای معین وارد می کند.

از این رو با افزایش فشار گاز بالای مایع در سیستم، مولکول های گاز در حلال محلول تر می شوند. به همین ترتیب، اگر فشار گاز در سیستم کاهش یابد، گاز کمتر در حلال حل می شود.[1][2][3]

مسائل مورد توجه

محدودیت های قانون هنری در مورد حلالیت گاز:

• فقط در صورتی اعمال می شود که مولکول های گاز در تعادل باشند.
• در صورت وجود واکنش شیمیایی بین حلال و املاح کاربرد ندارد.
• برای گاز در فشار بالا اعمال نمی شود.

روش های تفویت انحلال در بیوشیمی

روش‌های تقویت انحلال برای بهبود فراهمی زیستی خوراکی عبارتند از: [4][5][6]

• میکرونیزه کردن برای افزایش سطح برای انحلال
• تشکیل نمک ماده فعال
• استفاده از حلال ها و محلول های میسلی برای کمک به حل شدن
• کمپلکس شدن از طریق استفاده از سیکلودکسترین ها
• استفاده از سیستم های لیپیدیک (برای داروهای چربی دوست)

مکانیزم ها (سازوکار)

حلالیت [7][8][9]

اصل لو شاتلیه:

اگر عوامل استرس زا مانند فشار و گرما به حالت تعادل اعمال شوند، سیستم با تنظیم برای به حداقل رساندن اثرات تنش پاسخ می دهد.

به عنوان مثال، اگر به یک سیستم فشار وارد شود، واکنش انحلال برای به حداقل رساندن این تنش با کاهش فشار در سیستم پاسخ می دهد.

گرمای محلول

جامدات و مایعات در نتیجه نگه داشتن ذرات منفرد توسط پیوندهای بین ذره ای به وجود می آیند. برای تشکیل محلول، انرژی لازم است تا پیوندهای بین ذرات درون جامد یا مایع شکسته شود.

انرژی گرمایی نیز برای شکستن پیوندهای موجود در یک حلال برای وارد کردن یکی از مولکول ها به محلول مورد نیاز است. هر دوی این فرآیندها گرماگیر هستند.

انرژی گرمایی زمانی آزاد می شود که مولکول های املاح با مولکول های حلال پیوند برقرار کنند، یعنی این فرآیند گرمازا است.

بسته به اینکه انرژی بیشتری برای شکستن پیوندهای داخل املاح و حلال مصرف می شود یا زمانی که پیوندهای جدیدی بین محلول و حلال تشکیل می شود آزاد می شود، واکنش به طور کلی می تواند گرمازا یا گرمازا باشد.

• اگر برای شکستن پیوندهای درون املاح و حلال انرژی بیشتری نسبت به زمانی که پیوندهای جدید بین محلول و حلال تشکیل می شود آزاد می شود، واکنش گرماگیر در نظر گرفته می شود.
• اگر با تشکیل پیوندهای جدید بین املاح و حلال انرژی بیشتری آزاد شود، واکنش گرمازا در نظر گرفته می شود.

مقدار کل انرژی گرمایی آزاد شده یا جذب شده توسط سیستم = مجموع انرژی گرمایی جذب شده هنگام شکستن پیوندها – مجموع انرژی گرمایی آزاد شده هنگام تشکیل پیوندها

• اگر مقدار کل انرژی گرمایی آزاد/جذب شده از سیستم بیشتر از صفر باشد، واکنش گرماگیر است.
• اگر مقدار کل انرژی گرمایی آزاد/جذب شده از سیستم کمتر از صفر باشد، واکنش گرمازا است.

پاتوفیزیولوژی انحلال

کاربرد قانون هنری: بیماری رفع فشار

قانون هنری پدیده های بیماری رفع فشار را توضیح می دهد. هنگامی که غواصان خود را در عمق آب غوطه ور می کنند، فشار آب باعث افزایش فشار در بدن آنها می شود.

نیتروژنN2، گازی در خون ما، تحت فشار افزایش یافته حل می شود. نیتروژن از نظر فیزیولوژیکی بی اثر است، بنابراین در متابولیسم بافت استفاده نمی شود.

اگر غواص خیلی سریع به سطح بالا برود، افت سریع فشار، حلالیت نیتروژن را کاهش می دهد و باعث می شود حباب های نیتروژن از محلول خارج شوند. حباب های نیتروژن می توانند آمبولی های گاز دردناک و بالقوه کشنده ایجاد کنند.

اهمیت بالینی

انحلال

انحلال برای پزشکان مهم است برای اینکه داروها جذب شوند و اثر فیزیولوژیکی در بدن انسان داشته باشند، باید محلول باشند. برای آماده سازی جامد، مانند قرص ها و شیاف ها، سرعت انحلال بر سرعت جذب دارو در بدن تأثیر می گذارد.

انحلال پذیری

حلالیت در آب اغلب هنگام فرمولاسیون داروها در نظر گرفته می شود. فرمولاسیون های کم محلول مشکلاتی را در توسعه داروها ایجاد می کنند. کلرامفنیکل(Chloramphenicol) ، فنی توئین(Phenytoin) و دیگوکسین(digoxin) چند نمونه هستند.

داروها، به ویژه داروهای خوراکی، ممکن است حلالیت آبی ضعیفی داشته باشند. این ممکن است منجر به فراهمی زیستی کم شود که منجر به قرار گرفتن در معرض ناکافی و اثر فیزیولوژیکی در بدن شود.

منابع:

1. Joshi K, Chandra A, Jain K, Talegaonkar S. Nanocrystalization: An Emerging Technology to Enhance the Bioavailability of Poorly Soluble Drugs. Pharm Nanotechnol. 2019;7(4):259-278. [PMC free article] [PubMed]
2. Itai S. [Development of Novel Functional Formulations Based on Pharmaceutical Technologies]. Yakugaku Zasshi. 2019;139(3):419-435. [PubMed]
3. Karaźniewicz-Łada M, Bąba K, Dolatowski F, Dobrowolska A, Rakicka M. The polymorphism of statins and its effect on their physicochemical properties. Polim Med. 2018 Jul-Dec;48(2):77-82. [PubMed]
4. Sujka M, Pankiewicz U, Kowalski R, Nowosad K, Noszczyk-Nowak A. Porous starch and its application in drug delivery systems. Polim Med. 2018 Jan-Jun;48(1):25-29. [PubMed]
5. Modica de Mohac L, Keating AV, de Fátima Pina M, Raimi-Abraham BT. Engineering of Nanofibrous Amorphous and Crystalline Solid Dispersions for Oral Drug Delivery. Pharmaceutics. 2018 Dec 24;11(1) [PMC free article] [PubMed]
6. Couillaud BM, Espeau P, Mignet N, Corvis Y. State of the Art of Pharmaceutical Solid Forms: from Crystal Property Issues to Nanocrystals Formulation. ChemMedChem. 2019 Jan 08;14(1):8-23. [PubMed]
7. Ribeiro ACF, Esteso MA. Transport Properties for Pharmaceutical Controlled-Release Systems: A Brief Review of the Importance of Their Study in Biological Systems. Biomolecules. 2018 Dec 17;8(4) [PMC free article] [PubMed]
8. Radivojev S, Zellnitz S, Paudel A, Fröhlich E. Searching for physiologically relevant in vitro dissolution techniques for orally inhaled drugs. Int J Pharm. 2019 Feb 10;556:45-56. [PubMed]
9. Kadokawa JI. Dissolution, derivatization, and functionalization of chitin in ionic liquid. Int J Biol Macromol. 2019 Feb 15;123:732-737. [PubMed]