CURS V

Coloizi micelari de asociaţie

Balanțțțța Hidrofil – Liofilă (HLB) Balanța hidrofil – lipofil a unui agent tensioactiv este o măsură a gradului la care este

hidrofilă sau lipofil, determinată prin calcularea valorilor pentru diferite regiuni ale moleculei, așa cum este descris de către Griffin în 1949 și 1954.

Au fost sugerate şi alte metodele, în special de către Davies – în 1957.

Metoda Griffin Metoda lui Griffin pentru agenții tensioactivi neionici sunt descrise în 1954:

20 Mh

HLBM

⋅=

unde: � Mh – masa moleculară a porțiunii hidrofile a moleculei; � M – masa moleculară a întregii molecule.

Valoarea HLB are ca rezultat o valoare pe o scară de la 0 la 20. O valoare HLB egală cu 0 corespunde unei molecule complet lipofile (hidrofobe). O valoare HLB egală cu 20 corespunde unei molecule complet hidrofile (lipofobe). Valoarea HLB poate fi folosită pentru a prezice proprietățile tensioactive ale unei molecule: HLB < 10: substanţe liposolubile (insolubile în apă) HLB > 10: substanţe solubile în apă (insolubile în lipide) HLB = 4 – 8 indică un agent antispumant HLB = 7 – 11 indică un emulgator A / U (apă în ulei) HLB = 12 – 16 indică un emulgator U / A (ulei în apă) HLB = 11 – 14 indică un agent de umectare HLB = 12 – 15 indică un detergent HLB = 16 – 20 indică un solvent sau hidrotrop (substanţa care solubilizează o substanţă

hidrofobă în soluţie apoasă). Valoarea HLB reflectă o serie de caractere ale tensioactivului: solubilitatea în apă sau ulei,

constanta dielectrică, tensiunea interfacială. La valori ale HLB cuprinse între 1 – 3, tensioactivul nu se dispersează în apă; între 3 – 6 este o dispersie slabă; între 6 – 8, la agitare puternică se obţine o dispersie lăptoasă care devine mai stabilă la valori 8 – 10; între 10 – 13, aspectul este translucid până la lichid limpede, iar peste 13 rezultă o soluţie clară.

Unele tenside sunt utilizate ca antiseptice în preparate pentru piele, mucoase şi ca dezinfectante pentru materialele chirurgicale. În general, substanţele tensioactive influenţează viteza şi durata efectului terapeutic, modificând viteza de penetrare a substanţei active. În anumite cazuri, ele pot mări eficacitatea unui medicament, dar este posibilă o reducere a efectului terapeutic.

Metoda Davies În 1957, Davies sugerează o metodă bazată pe calcularea unei valori în funcţie de grupe

funcţionale ale moleculei. Avantajul acestei metode este că ia în considerare efectul grupelor slab dar şi puternic hidrofile:

7HLB m HH n HL= ⋅ − ⋅ + în care:

� m – numărul de grupe hidrofile din moleculă � HH – valoarea datorată grupurilor hidrofile

� n – numărul de grupe lipofile din moleculă � HL – valoarea datorată grupurilor lipofile Dacă se notează cu “a” contribuția grupărilor hidrofile:

a m HH= ⋅ se obţine:

7HLB a n HL= − ⋅ +∑

unde: ∑a este un parametru ce se referă la contribuţia grupărilor hidrofile

n = numărul grupărilor metilen b = termen ce se referă la contribuţia grupării metilen – CH2 –

Tabelul I. Date privind termenii ∑� şi b din ecuaţia lui Davies

Grupa hidrofilă �� Grupa lipofilă b

– OSO3Na 38,7 – CH3 0,475

– COOK 21,1 – CH2 – 0,475

– COONa 19,1 = CH – 0,475

– SO3Na 11,0 – CF2 – 0,870

– N+R3 9,4

– COOH 2,1

– OH 1,9

– O – 1,3

– CH2– CH2– O – 0,33

Relaţia lui Griffin (aplicată în cazul unor esteri ai acizilor graşi cu alcooli superiori):

20 1S

HLBA

= ⋅ −

în care: S = indicele de saponificare al esterului; A = indicele de aciditate al acidului gras;

În cazul unor esteri ai acizilor graşi pentru care nu se poate determina cu precizie indicele de

saponificare se poate utiliza relaţia:

5

E PHLB

+=

în care: E = greutatea procentuală în grupări etoxi (– CH2– CH2– O –); P = greutatea procentuală a conţinutului în alcool polihidroxilic (hexitol, glicerol);

Pentru o serie de compuşi tensioactivi neionici se utilizează relaţia:

020 1M

HLBM

= ⋅ −

în care: M0 = masa grupării lipofile din moleculă; M = masa moleculară a moleculei amfifile.

Tabelul II. Valori HLB ale unor compuşi amfifilici tensioactivi

Nr. crt. Compus amfifilic Denumirea comercială HLB

1. Acid oleic

1,0 2. Alcool cetilic

1,3

3. Trioleat de sorbitan Span 85; Arlacel 85 1,8 4. Monostearat de gliceril Tegin 515 3,8 5. Monostearat de sorbitan Span 60; Arlacel 65 4,7 6. Monolaurat de sorbitan Span 20; Arlacel 20 8,6 7. Monostearat de PEG 400 Myrj 45 11,11 8. Oleat de trietanolamină

12,0

9. Polisorbat 60 Tween 60 14,9 10. Polisorbat 80 Tween 80 15,0 11. Polisorbat 20 Tween 20 16,7 12. Oleat de sodium

18,0

13. Oleat de potasiu

20,0 14. Lauril sulfat de sodiu Duponol 40,0

Figura 1. Comportarea substanţelor tensioactive

Utilizarea noţiunii de balanţă hidrofil lipofilă (HLB)

Conceptul de balanţă hidrofil lipofilă (HLB – Hydrophil Lyophil Balance) a fost introdusă

de Griffin în 1949. Aşa cum sugerează numele, HLB reprezintă un raport empiric bazat pe procentul relativ al părţilor hidrofile şi cele lipofile din surfactant.

Există o serie de relaţii de calcul pentru determinarea HLB, relaţii bazate pe compoziţia chimică.

Davies extinde aceste relaţii de calcul prin atribuirea unui număr la diferite grupuri hidrofile şi lipofile din surfactant.

În conformitate cu studiile lui Davies, Valoarea HLB se calculează folosind relaţia:

( ) ( )H LHLB n H n L 7 = ⋅ − ⋅ +

unde: H, L – numere atribuite pentru grupările hidrofile respectiv lipofile; nH, nL – numărul grupărilor hidrofile respectiv lipofile dintr-o moleculă de surfactant.

Totodată, s-a arătat că pentru structurile discontinue, care au o rază de curbură nulă, HLB

este aproximativ egal cu 10. Pentru valori HLB < 10, respectiv valori ale factorului de împachetare supraunitari, apar raze de curbură negativă (de exemplu la microemulsiile A/U) în timp ce pentru HLB > 10, respectiv valori ale factorului de împachetare subunitari, apar raze de curbură pozitivă (de exemplu la microemulsiile U/A) aşa cum se prezintă în tabelul III.

Tabelul III. Curburi la interfaţa apă / ulei pentru diverse valori ale HLB (respectiv P)

Micele solubile în ulei. Emulsii A /U.

P 1> HLB 10<

Curbură negativă (inversă)

Structuri discontinui. P 1∼

Curbură nulă (structură plană)

Micele solubile în apă. Emulsii U / A.

P 1< HLB 10>

Curbură pozitivă (normală)

Exemple de calcul pentru HLB

Conform metodei Griffin, pentru determinarea valorii HLB se calculează masa moleculară a

părţii hidrofile şi se împarte la 5; se obţine o scală HLB mai mică şi mai uşor de utilzat. Scara de lucru este cuprinsă între 0,5 şi 19,5. Numărul astfel obţinut se atribuie surfactantului neionic. Atenţie – astfel nu se ţine cont de natura părţii (părţilor) hidrofile.

Exemplu:

BRIJ 98: conţine 20 moli etoxilat al alcoolului oleic. Masa moleculară a celor 20 moli de etilen oxid (METO = 44) este:

20 x 44 = 880. Se adaugă masa moleculară a restului provenind de la alcoolul etilic (270):

880 + 270 = 1150; Raportul procentual dintre masa moleculară a părţii hidrofile (880) şi întreaga moleculă

(1150) este: 880

100 76,5%1150

⋅ =

Se împarte valoarea obţinută (76,5) la 5 şi se obţine HLB pentru BRIJ 98:

BRIJ 98

76,5HLB 15,3

5− = =

Dacă este necesar să se calculeze HLB pentru amestecuri ce conţin doi sau mai mulţi surfactanţi se ţine cont de faptul că balanţa hidrofil lipofilă este o funcţie aditivă.

Exemple: 1. Care este raportul dintre doi surfactanţi cu valorile HLB = 8 şi 12 într-un amestec, dacă

este necesară prepararea sistem dispers cu HLB = 9? Calculul se face astfel: � valoarea HLB pentru surfactantul A = 8; � valoarea HLB pentru surfactantul B = 12,

� se consideră fracţia de masă a surfactantului A = x; rezultă fracţia de masă pentru surfactantul B = (1 – X):

( )8 X 12 1 X 9⋅ + ⋅ − = sau 8 X 12 12 X 9⋅ + − ⋅ = sau 4 X 3⋅ =

Deci: 3

X4

= respectiv 3 1

1 X 14 4

− = − =

Pentru prepararea amestecului este deci necesar să se amestece cei doi surfactanţi în raportul:

3 1A / B / 3 / 1

4 4= =

O altă modalitate de calcul implică utilizarea regulii dreptunghiului:

2. Valoarea HLB pentru Tween 80 = 15 iar valoarea HLB pentru Span 80 = 4,3. Trebuie să se prepare 2 g amestec Tween 80 şi Span 80 cu valoarea HLB = 10,6. Ce cantităţi de Tween 80 şi Span 80 sunt necesare?

Pentru aceasta se consideră fracţia de masă pentru Tween 80 = x; rezultă fracţia de masă

pentru Span 80 = (1 – X):

( )15 X 4,3 1 X 10,6⋅ + ⋅ − = sau 10,6 4,3

X 0,5915 4,3

−= =

− deci 1 X 1 0,59 0,41− = − =

Fracţia de Tween 80 = 0,59 şi respectiv fracţia de Span 80 = 1- 0,59 = 0,41. Cantităţile în grame

vor fi: Tween 80 = 2 x 0,59 = 1,18 g Span 80 = 2 x 0,41 = 0,82 g

În unele situaţii (de exemplu la prepararea unei emulsii) este necesar să se introducă un emulgator. Întrebarea este: ce valoare a HLB trebuie să aibă acesta în faza uleioasă? Dacă există mai multe ingrediente care formează faza uleioasă valoarea HLB finală se calculează ca fiind suma valorile fiecărui component obţinută prin raportul dintre cantitatea din fiecare component în parte şi cantitatea totală a acestora multiplicată cu valoarea HLB a fiecărui component.

Exemplu:

Care este valoare HLB necesară pentru faza uleioase a emulsiei U/A formată din 15 g alcool

cetilic, 1 g grăsime, 2 g lanolină, emulgator (q.s.), 5 g glicerină şi apă la 100 g? Conform cantităţilor de substanţe grase ce trebuiesc introduse (alcool cetilic, grăsime şi

lanolină) rezultă o cantitate finală de substanţe grase de 18 g.

HLB teoretic Fracţie component HLB real

Alcool cetilic 15 x 15 / 18 = 12,5 Grăsime 12 x 1 / 18 = 0,7 Lanolină 10 x 2 / 18 = 1,1

14,3

Există unele reguli generale în ceea ce priveşte valoarea HLB pentru diferite emulsii de tip U / A, anume:

Clasa HLB necesar

Ulei vegetal 6 Ulei siliconic 8 – 12 Ulei de petrol 10

Emolienţi esteri tipici 12 Acizi graşi şi alcooli 14 – 15

Calculul HLB pentru amestecuri diverse

Pentru determinarea valorii HLB la amestecuri (de exemplu la prepararea unor reţete)

trebuie aplicaţi următorii paşi: � se determină formula ce trebuie preparată (reţeta): ce compuşi se amestecă şi în ce

cantitate; � se determină ingredienţii solubili în faza uleioasă (nu se includ emulgatorii); � se cântăresc procentele de masă din ingredientele solubile în faza uleioasă şi se împarte

valoarea respectivă la masa totală; � se multiplică rezultatele cu valoarea HLB necesară pentru faza uleioasă individuală; � se adună valorile obţinute pentru a obţine valoarea HLB cerută pentru amestecul final.

Exemplu:

O emulsie de tip ulei în apă (U / A) conţine:

Ulei mineral 8% Trigliceridă caprilică / caprică 2% Izostearat de izopropil 2% Alcool cetilic 4% Emulgator 4% Polioli 5% Substanţa activă solubilă în apă 1% Apă 74% Substanţe de aromă (parfum) q.s. Conservanţi q.s.

Calculul HLB:

Se reunesc ingredientele solubile în ulei:

Ulei mineral 8% Trigliceridă caprilică / caprică 2% Izostearat de izopropil 2% Alcool cetilic 4% Total ingrediente solubile în faza uleioasă: 16%

Emulgator 4% Polioli 5% Substanţa activă solubilă în apă 1% Apă 74% Substanţe de aromă (parfum) q.s. Conservanţi q.s. Se împarte fiecare contribuţie procentuală la valoarea totală: Ulei mineral 8 / 16 = 50% Trigliceridă caprilică / caprică 2 / 16 = 12,5% Izostearat de izopropil 2 / 16 = 12,5% Alcool cetilic 4 / 16 = 25%

Se calculează valoarea HLB pentru fiecare component în parte, suma valorilor reprezintă HLB final (pentru amestecul cerut de formula preparată):

Ingredient fază uleioasă

Procent contribuţie

HLB necesar pentru ingredient (teoretic)

Valoarea HLB

Ulei mineral 50% 10,5 5,250

Trigliceridă caprilică / caprică

15,5% 5 0,625

Stearat de izopropil 12,5% 11,5 1,437

Alcool cetilic 25% 15,5 3,875

HLB total = 11,2

Valoarea finală HLB obţinută este deci 11,2. Cum se utilizează această valoare? La ce ajută?

Ştim deci de la început că trebuie ales un sistem de surfactanţi care să aibă o valoare HLB = 11,2. Pentru alegerea sistemului de surfactanţi se recomandă să se utilizeze un amestec de cel

puţin doi surfactanţi deoarece: � experienţa practică arată că în acest mod se obţin unele beneficii; � un amestec a unui surfactant cu o valoare HLB mică cu un surfactant cu valoare HLB

mare conduce la o acoperire mai bună a interfeţei.

Diagrame de fază Sistemele disperse obţinute conţin mai multe tipuri de micele, ca răspuns la modificarea

dimensiunii şi formelor acestora, ceea ce conduce la o modificare sensibilă a proprietăţilor sistemelor disperse.

Structura sistemului dispers devine mai complexă dacă se intervine din afară modificând tipul de compuşi amfifili, dacă se utilizează un amestec de solvenţi sau dacă se modifică pH-ul, temperatura etc.

În figura 2 se prezintă o diagramă de fază (modul în care se modifică structura sistemului dispers) a unui compus amfifil în apă, funcţie de temperatură iar în figura 3 se prezintă o diagramă de fază funcţie de modificarea conţinutului în apă a sistemului dispers.

Figura 2. Diagrama de fază a unui copolimer amfifil în apă funcţie de temperatură

Astfel de modificări în structura sistemului dispers conduc la modificări de faze, de exemplu

formarea micoemulsiilor. Unul dintre factorii asociaţi cu formarea microemulsiilor este prezenţa unor medii diferite

discontinue (de exemplu picături de ulei în apă), amestecuri lamelare etc. Acestea formează suprafeţe de separaţie cu diferite raze de curbură, datorită modificării salinităţii, temperaturii etc. Este evident că o astfel de varietate a structurii microemulsiilor este dependentă de compoziţia sistemului dispers. Studiile efectuate pe diagramele de fază pun în evidenţă prezenţa mai multor faze diferite ce există în anumite regiuni funţie de procentulîn care se află în compoziţie. O particularitate a acestor microemulsii constă în faptul că aceste structuri sunt interschimbabile.

Figura 3. Diagrama de fază funcţie de modificarea conţinutului în apă

Construcţia diagramelor de fază ajută la determinarea modului în care se pot efectua unele

diluţii precum şi intervalul de concentraţie ce formează o regiune monofazică (figura 4).

Figura 4. Formarea regiunilor monofazice

Acest lucru constă în prezenţa unor structuri diferite, clasificate de către Winsor în 1948:

Winsor I (ulei în apă), Winsor II (apă în ulei), Winsor III (structură discontinuă, fază medie sau microemulsie) şi Winsor IV (formată prin modificarea razelor de curbură la interfaţă prin intermediul unor factori externi, cum ar fi prezenţa electroliţilor, temperatura etc.

� structura Winsor I indică o fază apoasă bogată în surfactant (faza de jos) ce coexistă cu

faza uleioasă săracă în surfactant. � structura Winsor II indică o fază uleioasă bogată în surfactant (faza de sus) ce coexistă cu

faza apoasă săracă în surfactant.

� structura Winsor III indică o fază medie bogată în surfactant ce coexistă cu mediul apos (jos) şi uleios (sus) ambele sărace în surfactant.

� structura Winsor IV indică o singură fază, formată dintr-un amestec omogen. Pe baza compoziţiei sistemului dispers, pot deci exista mai multe tipuri de faze (apă în ulei –

A/U sau ulei în apă – U/A) respectiv ale micelelor de asociaţie (lamelare, discontinui, hexagonal, hexagonal inversă etc.) aşa cum se prezintă în figura 5.

Winsor I Winsor II Winsor III Winsor IV

Fază uleioasă bogată în surfactant Microemulsie

Fază uleioasă bogată în surfactant

Microemulsie

Microemulsie

Microemulsie

Fază apoasă bogată în surfactant

Fază apoasă bogată în surfactant

Figura 5. Tipuri de faze ale sistemelor disperse

În conformitate cu cele arătate, după ce se formează o microemulsie (de tip Winsor IV) prin unirea monomerilor amfifili dintr-o soluţie, microemulsie în care micelele de asociaţie pot prezenta forme diferite, prin modificarea condiţiilor de mediu se poate realiza separarea fazelor lichide între ele (structuri de tip Winsor I, Winsor II sau Winsor III), aşa cum se arată în figura 6.

Figura 6. Tipuri de faze ale sistemelor disperse

Numărul optim de agregare Numărul optim de agregare (M) reprezintă numărul optim de molecule care se găsesc într-o

micelă. Dacă micelele conţin un număr de molecule (N) mai mic decât numărul optim de agregare

(M) atunci vor prezenta o suprafaţă prea mare pentru fiecare capo polar ceea ce cauzează interacţiuni nefavorabile între apă (mediul de dispersie) şi coada hidrocarbonată. Pentru un număr de molecule (N) mai mare decît numnărul optim de agregare (M) atunci unele capuri polare sunt forţate să treacă în interiorul cozii hidrofile, mai exact în interiorul micelei.

N < M N = M N > M

Figura 7. Forme ale micelei pentru valori diferite ale numărului de agregare

Micelele sferice prezintă o dimensiune finită deci o valoare minimă a energiei libere şi în

acelaşi timp un număr optim de agregare. În cazul micelelor cilindrice dimensiunea acestora este finită dar energia liberă nu este

minimă, adică energia unei molecule din micela cilindrică este independentă de dimensiunea micelei. Se formează astfel micele de dimensini mari, cu energii mari, dar cu pierdere de entropie.

Figura 8. Micelă cilindrică

Pentru a izola interiorul hidrofob de apă (mediul de dispersie), este necesară o suprafaţă

hemisferică mult mai mică la cele două capete ale micelei cilindrice gigant. În cazul micelelor lamelare, energia la capetele lamelelor depinde de dimensiune, astfel

încât se pot forma straturi infinite. Veziculele reprezintă o suprafaţă închisă a unei micelle lamelare, reprezintă un model pentru

studiul membranelor celulare, a sistemelor de eliberare a medicamentelor şi a comportării coloidale.

Figura 9. Veziculă

În ceea ce priveşte numărul de agregare, în principiu, pentru surfactanţi ionici, acesta ia

valori cuprinse între 10 şi 170 iar pentru surfactanţi neionici numărul de agregareeste cuprins în intervalul 30 – 10000.

În tabelul IV se prezintă sumar unele relaţii între geometria micelei, factorul de împachetare şi numărul de agregare.

Tabelul IV. Relaţii între geometria micelei, factorul de împachetare şi numărul de agregare

Variabilă Tip micelă

sferică cilindrică lamelară

Volumul moleculei v v v

Volumul micelei

( )V M v= ⋅

34 r

3

π⋅ ⋅ 2

rπ ⋅ 2 r⋅

Suprafaţa optimă a capului polar

( )S M a= ⋅ 2

4 rπ⋅ ⋅ 2 rπ⋅ ⋅ 2

Suprafaţa moleculei 3 v

r

⋅

2 v

r

⋅

v

r

Factor de împachetare

c 0

vP

l a

=

⋅

c 0

v 1P

l a 3= ≤

⋅

c 0

1 v 1

3 l a 2≤ ≤

⋅

c 0

1 v1

2 l a≤ ≤

⋅

Număr de agregare maxim (Mmax) 3

c4 l

3 v

π⋅ ⋅

⋅

2

cl

v

π ⋅ c2 l

v

⋅

Număr de agregare (M)

3

max

c 0

3 vM

l a

⋅⋅

⋅

2

max

c 0

2 vM

l a

⋅⋅

⋅ max

c 0

2 vM

l a

⋅⋅

⋅

Concentraţia critică micelară (CCM)

Concentraţia critică micelară (CCM) reprezintă concentraţia la care apar primele micele de

asociaţie.

C1 C2 C3 C4 = CCM

C1 < C2 < C3 < C4 = CCM

Figura 10. Formarea micelelor la CCM

Factori de care depinde CCM sau capacitatea de micelizare

� structura moleculei amfifile:

� creşterea lungimii cozii hidrofobe conduce la creşterea CCM; � creşterea gradului de ramificaţie a cozii hidrofobe conduce la creşterea CCM � prezenţa nucleelor benzenice sau a dublei legături – creşterea gradului de nesaturare

conduce la creşterea CCM; � creşterea numărului de grupări ionice în capul polar conduce la creşterea CCM; � tipul grupului hidrofil: un grup hidrofil ionic va avea un efect egal pentru aceeaşi

sarcină electrică iar un grup hidrofil neionic va scade valoarea CCM; � poziţia grupului hidrofil: un grup hidrofil terminal conduce la o valoare CCm mai mică

decât în cazul unui grup hidrofil intermediar.

� natura mediului de dispersie � prezenţa în mediul de dispersie a alcoolilor în concentraţie nai mare sau cu o coadă

hidrofobă mai lungă conduce la o scădere a CCM; � prezenţa în mediul a unor hidrocarburi ajută la solubilizarea surfactanţilor, scăzând

astfel forţele de repulsie implicit valoarea CCM; � temperatură

� în cazul surfactanţilor neionici, creşterea temperaturii conduce la o creştere a dimensiunilor micelei şi astfel la scăderea CCM;

� prezenţa electroliţilor în sistemul dispers: � substanţele neionice nu afectează CCM; � substanţele ionice fac să scadă repulsia electrostatică şi astfel să scadă CCM.

Modificarea unor proprietăţi fizico – chimice odată cu CCM

Atunci când într-un sistem creşte concentraţia în surfactanţi de la zero şi până la CCM, se

aplică regulile soluţiilor, adică proprietăţile fizico – chimice se modifică proporţional cu concentraţia. De la valori ale concentraţiei începînd cu CCM, proprietăţile fizico – chimice se modifică brusc.

Exemple de proprietăţi care se modifică la CCM: � tensiunea superficială (γ); � coeficientul osmotic (g); � conductibilitatea echivalentă (λ); � indicele de refracţie (n); � coeficientul de turbiditate (τ) etc. În figura 11 este prezentată variaţia unor parametri fizico – chimici funcţie de concentraţia

coloizilor micelari de asociaţie.

Figura 11. Variaţia unor parametri fizico-chimici în funcţie de concentraţia coloizilor micelari de

asociaţie

Din figura 11 se observă că la CCM au loc modificări bruşte ale valorilor unor proprietăţi

fizico – chimice, şi anume: � scăderea presiunii osmotice, respectiv a coeficientului osmotic (g) şi a conductibilităţii

echivalente (λ); � creşterea coeficientului de turbiditate (τ); � creşterea tensiunii superficiale (γ).

De asemenea, în jurul concentraţiei critice micelare se înregistrează variaţia bruscă a absorbţiei şi difuziei luminii, cât şi scăderea denivelărilor crioscopice şi ebulioscopice.

La măsurarea conductibilităţii echivalente a soluţiilor apoase ale unor săruri ale acizilor graşi (figura 12) se observă o variaţie anormală a acestei mărimi în funcţie de concentraţie.

Figura 12. Conductibilitatea echivalentă a soluţiilor apoase

de caprilat (a), laurat (b) şi oleat (c) de potasiu

Aceste soluţii ar trebui să se supună legii lui Kohlrausch – Onsager a cărei expresie

matematică este:

0A cλ λ= − +

în care: λ = conductibilitatea echivalentă; λ0 = conductibilitatea echivalentă limită; A = constantă; c = concentraţia;

La reprezentarea grafică a variaţiei λ = f (√) ar trebui să se obţină o dreaptă cu panta negativă (figura 13).

Figura 13. Variaţia conductibilităţii echivalente în funcţie de concentraţie ( )( )f cλ =

În realitate se constată apariţia unui minim foarte plat la sarea de potasiu a acidului caprilic

(curba a din figura 12), tot mai profund şi deplasat spre valori mai mici în cazul sării de potasiu a acidului lauric (curba b) şi în cazul sării de potasiu a acidului oleic (curba c).

Această scădere a valorilor √� este legată de creşterea catenei hidrocarbonate pentru compuşii amfifilici.

Valoarea CCM este cu atât mai mică cu cât este mai lung radicalul lipofil întrucât forţele de dispersie ce determină asocierea catenelor hidrocarbonate sunt aditive şi sunt aproximativ proporţionale cu volumul acestora.

Echilibrul iiA A� este deplasat spre dreapta cu atât mai pronunţat cu cât este mai lungă

catena hidrocarbonată.

Figura 14. Variaţia tensiunii la suprafaţă (A), tensiunii la interfaţă (B), presiunii osmotice (C),

conductibilităţii echivalente (D) şi solubilităţii în apă a compuşilor greu solubili sau insolubili

Până la atingerea CCM are loc o scădere continuă a tensiunii la suprafaţă şi a tensiunii la

interfaţă iar după CCM cele două mărimi devini constante deoarece moleculele surfactantului sunt adsorbite la suprafaţă şi la interfaţă.

Presiunea osmotică, ca şi toate celelalte proprietăţi coligative, scad presiunea de vapori şi punctul de solidificare, cresc mult mai încet odată cu creşterea concentraţiei surfactantului la concentraţii mai mari decât CCM deoarece aceste proprietăţi depind de numărul de particule dizolvate.

Pentru surfactanţii ionici, conductibilitatea echivalentă scade aabrupt după CCM, deoarece numai contraionii moleculeleor surfactant neasociate pot transporta sarcină electrică.

Solubilitatea multor substanţe creşte după CCM. Alte proprietăţi care se modifică la CCM sunt: vâscozitatea intrinsescă şi turbiditatea cresc,

coeficientul de difuziune scade.

Aplicaţii în domeniul farmaceutic ale coloizilor micelari de asociaţie

Cele mai importante aplicaţii în domeniul farmaceutic ale coloizilor micelari de asociaţie sunt:

� udarea; � solubilizarea; � emulsionarea; � detergenţa (spălarea).

Aceste aplicaţii se bazează pe capacitatea compuşilor amfifilici tensioactivi: � de a se adsorbi la interfeţe; � de a scădea tensiunea superficială, � de a determina modificări energetice ale sistemului dispers eterogen (emulsii, suspensii,

soluri etc.) Coloizii de asociaţie se caracterizează printr-o accentuată acţiune de suprafaţă; ei scad

apreciabil tensiunea superficială a apei sau în general, tensiunea la interfeţe într-un sistem dispers eterogen.

Combinaţiile amfifile se concentrează la suprafaţa de separaţie dintre fazele nemiscibile, unde se orientează cu grupările lor hidrofile şi lipofile spre fazele cu acelaşi caracter. În funcţie de

fazele la suprafaţa cărora apare această activitate vorbim despre tensioactivi: antispumanţi, emulgatori, umectanţi, detergenţi, solubilizanţi.

Capacitatea de stabilizare a dispersiilor, combinată cu cea de solubilizare şi emulsionare determină proprietăţile de spălare sau detergenţa compuşilor amfifili.

Aceste substanţe pot modifica natura suprafeţelor solide, transformând suprafeţele hidrofile în hidrofobe şi invers, prin adsorbţia lor la interfaţa solid – lichid, fapt care explică utilizarea lor în industria de medicamente.

Alegerea unui compus amfifilic pentru utilizarea lui în practica farmaceutică s-a bazat pe similitudini sau o serie de încercări empirice.

Principalele aplicaţii ale compuşilor tensioactivi se bazează pe capacitatea lor de adsorbţie la toate interfeţele şi pe procesul de solubilizare.

Adsorbţia la intefeţe şi modificările energetice pe care le produc substanţele tensioactive, fac ca acestea să îndeplinească rolul de stabilizatori ai sistemelor disperse (emulsii, soluri, suspensii, spume etc).

În formularea unor medicamente se întrebuinţează coloizi de asociaţie ca agenţi tensioactivi la dispersarea particulelor de lichid sau solid în lichid, prin reducerea tensiunii interfeţelor lichid/lichid sau solid/lichid. Coloizii de asociaţie ionogeni, pe lângă faptul că reduc tensiunea la interfeţe, conferă particulelor dispersate sarcină electrică, iar stratul de solvatare din jurul particulelor fazei dispersate va contribui la stabilitatea dispersiilor.

Coloizii de asociaţie sunt utilizaţi ca agenţi solubilizanţi, datorită posibilităţii micelelor de a trece în soluţie apoasă diferiţi compuşi greu solubili sau insolubili, fără modificarea structurii lor chimice şi fără modificarea, în general a acţiunii farmacodinamice. Coloranţii sintetici cu structuri amfifile se dizolvă coloidal şi formează micele.

Fluoresceina sodică, indigocarminul, roşu de Congo, benzopurpurina 4B, albastrul Evans, albastrul de metilen şi lactatul de etacridină sunt exemple de micele, cu număr mai redus de molecule. Unii dintre coloranţi se utilizează sub formă de soluţii apoase de uz extern (soluţia de albastru de metilen, rivanol sau violet de genţiană în concentraţie de 1 – 2 %) sau soluţii injectabile.

Udarea (umectarea)

Udarea este un fenomen fizic ce are loc la suprafaţa de contact dintre un solid şi un lichid şi

se realizează în trei etape: � adeziune (alipire); � imersie (afundarea corpului în lichid); � dispersie (împrăştiere, râspândire). Măsura udării unui solid de către un lichid este unghiul de racord (θ), făcut de tangenta la

suprafaţa lichidului în punctul de contact cu solidul.

Figura 15. Tipuri de udare a particulelor solide de un lichid: a – udare perfectă; b – udare

parţială; c – udare dificilă; d – udare foarte dificilă; e – udare practic nulă

Energia de adeziune depinde de valoarea tensiunii superficiale a lichidului umectant. Cu cât tensiunea superficială are o valoare mai mică, cu atât se va micşora valoarea unghiului de racord (contact), θ, şi umectarea (udarea) se va realiza mai uşor.

Exemple de umectanţi: • surfactanţi cu HLB = 7 – 9 • etanol, glicerol, propilenglicol, sorbitol • polimeri hidrofili

Mecanism de acţiune: orientarea cu partea hidrofilă a compusului amfifi înspre faza apoasă şi cu partea lipofilă înspre suprafaţa solidă (hidrofobă).

Solubilizarea

Solubilizarea este un proces prin care o substanţă insolubilă sau greu solubilă este adusă în

soluţie (dispersie moleculară) prin intermediul unui agent solubilizant, adică după încorporarea într-o micelă.

Figura 16. Solubilizarea compuşilor greu solubili sau insolubili prin intermediul micelelor

Dizolvarea este un proces prin care o substanţă aflată în stare gazoasă, lichidă sau solidă este

trecută în soluţie (dispersie moleculară). Solubilizarea se realizează prin patru căi: � includerea în micelele de asociaţie, a substanţei insolubile sau greu solubile (solubilizare cu agenţi tensioactivi = solubilizare micelară); � hidrofilizare (introducerea unor grupări hidrofile în molecula substanţei insolubile sau greu solubile); � formare de complecşi; � formare de săruri. Includerea în micelel de asociaţie, a substanţei insolubile sau greu solubile (solubilizare în

prezenţa tensidelor) depinde de următorii factori: � natura substanţei insolubile sau greu solubile şi natura substanţei tensioactive; � temperatură (creşterea ei influenţează pozitiv solubilizarea); � prezenţa electroliţilor (influenţează pozitiv solubilizarea); � concentraţia substanţei tensioactive (o anumită cantitate de substanţă insolubilă nu poate

fi dizolvată decât de o anumită cantitate de tensid, numită concentraţie maximă aditivă). Moleculele surfactantului se acumulează la interfaţa dintre compusul insolubil şi apă. Coada

hidrofobă a surfactantului penetrează stratul exterior al compusului insolubil şi se combină cu acesta. Micelele normale se formează în jurul moleculelor hidrofobe şi le aduc pe acestea în soluţie în mediu apos. Acest fenomen este numit solubilizare micelară.

Micelele inverse formate dintr-un surfactant liposolubil dizolvat într-un solvent hidrocarbonat pot solubiliza compuşi hidrosolubili prin înglobarea acestora în centrul micelei, în afara contactului cu solventul.

(a)

(b)

Figura 17. Mecanismul solubilizării: (a) în absenţa surfactanţilor, (b) în prezenţa surfactanţilor

Solubilizarea este însoţită de micşorarea energiei interfaciale şi implicit de o creştere a

stabilităţii sistemului nou obţinut. În figura 18 se prezintă modul în care are loc solubilizarea unei substanţe hidrofile insolubile

în mediul de dispersie (nepolar).

Figura 18 . Formarea micelelor la substanţele hidrofile: a – micela tensioactivului bipolar;

b – molecule de substanţă hidrofilă polară; c – micela substanţei hidrofile (nucleu crescut)

Emulsionarea

Emulsiile = sisteme disperse microeterogene de tip L1/L2 cu grad de dispersie cuprins între

105 – 107 m-1, în care cele două lichide nemiscibile între ele sunt dispersate unul în celălalt prin intermediul unui emulgator. Rolul de emulgator îl pot îndeplini surfactanţii ce se adaugă în scopul micşorării lucrului mecanic solicitat de mărirea suprafeţei interfazice.

Surfactanţii vor acţiona prin adsorbţia la interfeţe şi micşorarea tensiunii superficiale. La adăugarea fazei apoase, surfactanţii se va orienta, prin procesul de adsorbţie, cu partea lipofilă spre lichidul nepolar şi cu partea hidrofilă spre apă formându-se o emulsie stabilă de tip U/A.

� când surfactanţii sunt solubili în apă → emulsie U/A. � când surfactanţii sunt solubil în lichidul nepolar → emulsie A/U.

Regula lui Bancroft: faza lichidă care dizolvă mai bine emulgatorul devine mediu de dispersie.

� surfactanţi cu HLB = 8 – 18 → obţinerea şi stabilizarea emulsiilor U/A. � surfactanţi cu HLB = 3 – 16 → obţinerea şi stabilizarea emulsiilor A/U.

Detergenţa (spălarea)

Detergenţa = proces prin care sunt eliminate particulele solide, respectiv, uleiul (impurităţi) de pe ţesături şi alte suprafeţe prin intermediul surfactanţilor (săpunuri şi detergenţi).

Detergenţa constă în adsorbţia şi orientarea moleculelor amfifile (surfactanţilor) la suprafaţa supusă curăţării, în scopul hidrofilizării acesteia, urmată de îndepărtarea impurităţilor. În cazul apelor cu duritate mare (conţinut mare în ioni Ca2+ şi Mg2+) săpunurile obişnuite vor fi înlocuite cu detergenţi (alchilsulfonaţi, alchilsulfaţi şi alchilarilsulfonaţi de sodiu) care sunt solubili în apă.

- surfactanţi cationici se utilizează în cazul apelor acide. - surfactanţi neionici se utilizează în orice domeniu de pH. Acţiunea de curăţare a săpunurilor

Acţiunea de curăţare a săpunurilor se datorează structurior sale polare şi nepolare, coroborat

cu o aplicarea principiilor solubilităţii. Catenă lungă a unui săpun este nepolară şi hidrofobă (respins de apă). Un capăt al moleculei de săpun are caracter ionic şi este hidrofil (solubil în apă).

Când se adaugă un săpun în apă, la capul polar al moleculei este atras de apă şi săpunul se dizolvă. Coada hidrofoba a moleculei de săpun este respinsă de apă. Una – două picături de săpun în apă formează un monostrat pe suprafaţa apei aşa cum se arată în figura 19. Moleculele de săpun sunt atrase cu grupul polar carboxilic la interfaţa cu apa.

Figura 19. Săpun aşezat în monostrat

Apa singură nu este capabilă să pătrundă printr-un strat de grăsime sau ulei, deoarece

acestea sunt nepolare. Când grăsimea sau uleiul (hidrocarburi nepolare) sunt amestecate cu o soluţie de săpun – apă, moleculele de săpun funcţionează ca o "punte " între moleculele de apă polare şi moleculele de ulei nepolare. Moleculele de săpun au atât proprietăţi nepolare cât şi polare la capetele opuse ale moleculei.

Uleiul este o hidrocarbură pură deci este nepolar. Coada hidrofobă a moleculei de săpun se dizolvă în ulei, părăseşte astfel ionii polari carboxilici care rămân în afara picăturii de ulei astfel încât suprafaţa fiecărei picături de ulei este încărcată negativ. Ca rezultat, picăturile de ulei se resping reciproc şi rămân suspendate în soluţie: se formează deci o emulsie care poate fi îndepărtată cu apă. Partea exterioară a picăturii este, de asemenea, acoperită cu un strat de molecule de apă.

Figura 20. Formarea micelei la îndepartarea unei picături de ulei

Îndepartarea petelor de mizerie (sol gras) de pe o suprafaţă solidă se poate realiza prin trei

mecanisme: � emulsionare � aglomerarea � solubilizare.

Emulsionarea

Figura 21. Mecanismul emulsionării la îndepărtarea solului gras de pe o suprafaţă solidă

Este necesar ca energia adsorbţiei surfactantului să fie ami mare decât energia noii suprafeţe

lichide create. Aglomerarea

Figura 22. Mecanismul de aglomerare la îndepărtarea solului gras de pe o suprafaţă solidă

Este necesar ca surfactantul să scadă noua interfaţă lichid / solid astfel încât să fie mai mică

decât interfaţa ulei / solid (cu alte cuvinte este neceasar ca unghiul de contact să crească).

Solubilizarea

Figura 23. Mecanismul solubilizării la îndepărtarea solului gras de pe o suprafaţă solidă

Acest tip de mecanism necesită absorbţia spontană a uleiului în interiorul micelei.

Indiferent de tipul de mecanism prin cae se îndepărtează petele de mizerie prin spălare are

loc în mai multe etape. Astfel, moleculele de surfactant din apele de spălare, înconjoară pata de mizerie (picătura de ulei) cu formarea unei micele normale, care apoi este îndepărtată uşor cu apă (figura 24.)

Cantitatea de substanţă solubilizată, respectiv îndepărtată prin spălare depinde, evident, de concentraţia săpunului folosit. S-a constatat că, la aceeaşi concentraţie în săpun, cantitatea de substanţă solubilizată, respectiv îndepărtată prin spălare, creşte odată cu creşterea numărului de atomi de carbon din coada hidrofobă (figura 25).

Una din problemele care apar este cauzată de aciditatea slabă a acizilor graşi (pKa aproximativ 4,9). Soluţiile de săpunuri ale metalelor alcaline sunt uşor alcaline (pH = 8 – 9), datorită hidrolizei. Dacă pH-ul unei soluţii de săpun este scăzut de prezenţa unor contaminanţi acizi, acizii graşi insolubili încep să precipite şi să formeze o spumă.

O a doua problemă este cauzată de prezenţa de săruri de calciu şi magneziu în alimentarea cu apă (apă dură). Aceşti cationi bivalenţi cauzează agregarea micelelor, care apoi devin un depozit solid (figura 26).

A

B

C

D

E

F

Figura 24. Etapele spălării

Figura 25. Variaţia cantităţii de substanţă solubilizată funcţie de concentraţia săpunului

apă moale apă deionizată apă de la robinet apă dură

apare spumă iar săpunul este în soluţie

unele săpunuri formează spumă; se obţine o

soluţie bună de săpun

practic nu se formază spumă, apar bucăţi mici

de săpun plutitoare

nu apare spumă, nu există săpun în soluţie ci doar un

strat gros de săpun în partea superioară

Figura 26. Depozite solide obţinute pentru diferite calităţi ale apei

Dacă săpunul se utilizează în apă dură, acesta va precipita datorită ionilor de calciu sau

magneziu prezenţi în apa dură, reducând astfel eficienţa săpunului.

anion acid stearic stearat de calciu

Figura 27. Obţinerea stearatului de calciu

Înseamnă că în cazul în care apa de spălare este dură trebuie să se folosească agenţi de

curăţare speciali numai că aceştia sunt scumpi, trebuie să fie aplicaţi şi trebuie eliminaţi la canalizare. Soluţia? Îndepărtarea ionilor de Ca2+ şi Mg2+ din apă. Uneori însă este prea costisitor sau chiar imposibil. Aşă că varianta ce poate fi aleasă constă în obţinerea unui tip diferit de săpun sintetic (detergent) în care capul polar negativ din săpun să fie înlocuit cu unul pozitiv – detergent cationic.

Detergenţii sintetici

� au structuri moleculare similare şi proprietăţi ca şi a săpunurilor; � este mai putin probabil sau chiar improbabil de a precipita şi forma astfel reziduuri solide

cu apa dură (ionii de Ca2+ şi Mg2+); � mulţi detergenţi sintetici au un cap polar încărcat negativ, sunt detergenţi anionici.

Detergenţii cationici

� sunt agenţi de curăţare buni; � posedă proprietăţi germicide; � mulţi dintre ei sunt derivaţi de ammoniac; � adeasea sed găsesc în şampon sau în agenţi de clătire pentru haine; � sunt capabili să neutralizeze sarcinilie electrice static din moleculele detergenţilor

anionici reziduali.

Figura 28. Detergent cationic

CO

O-

+ Ca2+

CO

O( )

2Ca

CH3(CH2)15 NCH3

CH3ClCH3

+ _

Detergenţii neionici

� nu reacţionează cu ionii metalici din apa dură; � se utilizează ca lichid pentru spălarea vaselor; � formează mai puţina spumă comparativ cu detergenţii ionici.

Efectul ionilor de calciu şi magneziu din apa dură este redus prin adăugare de dedurizanţi,

cel mai folosit fiind trimetafosfatul de sodiu. Fosfaţii reacţionează cu ionii de calciu asu magneziu pe care îi precipită şi astfel se evită contactul acestora cu moleculele de săpun. Săpunul poate fi astfel folosit fără a mai exista interferenţe. Alţi dedurizanţi folosiţi în detergenţi sunt: carbonatul de sodiu, boraxul, silicatul de sodiu.

Aceste probleme au fost ameliorate prin dezvoltarea de substanţe amfifle sintetice numite detergenţi. Prin folosirea unui acid mult mai puternic pentru grupul format din capul polar, soluţiile apoase de compuşi amfifili sunt mai puţin sensibile la schimbările de pH. De asemenea, grupările sulfonat folosite pentru aproape toţi detergenţii anionici conferă solubilitate mai mare a micelelor ce încorporează cationii alcalino pământoşi găsiţi în apa dură. Detergenţii cationici prezintă adesea proprietăţi germicide, iar capacitatea lor de a schimba pH-ul suprafeţei i-au făcut utili în balsamuri de rufe şi şampon de păr.

Figura 29. Tipuri de detergenţi

Proprietăţi importante ale detergenţilor

� natura chimică şi mărimea cozii hidrofobe; � natura chimică şi dimensiunea capului polar; � concentraţia critică micelară (CMC) şi numărul de agregare< � efectul variabilelor soluţie (de exemplu, concentraţia sărurilor, temperatura, etc.) asupra

CCM şi a numărului de agregare; � puterea de solubilizare – valoarea HLB este un ghid util; � micelele detergenţilor poli-ionici pot precipita poli-ionii încărcaţi cu sarcină opusă; � capurile polare ale detergenţilor dictează interacţiunile de la suprafaţă. Capetele polare ale

detergenţilor cationici se leagă de suprafeţele de sticlă anionice lăsând suprafaţa "grasă". Din motive similare detergenţi neionici au tendinţa de a face materiale plastice "grase";

� ATENŢIE – nu uitaţi influenţa legării proteinelor şi lipidelor de detergentul liber. Proteinele pot lega detergent în cantitate egală cu de două ori greutatea lor iar lipidele de zece ori greutatea lor;

� puritate – mulţi dintre detergenţii comerciali sunt amestecuri. Detergentul ca atare poate fi componentă minoră. ATENŢIE - 99% înseamnă, de obicei, 99% detergent, ceea ce este încă destul de vag. Detergenţii poli oxi etilenici conţin adesea fier şi peroxizi care pot inactiva enzimele. Două loturi dintr-un singur detergent comercial pot diferi mai mult decât doi detergenţi diferiţi, dar similari.

Utilizări în practica farmaceutică

� Coloizi micelari de asociaţie tensioactivi

� agenţi de solubilizare � agenţi umectanţi � agenţi de stabilizare la prepararea suspensiilor � emulgatori � agenţi de spălare

� Coloizi micelari de asociaţie tensioinactivi � soluţii apoase de coloranţi utilizate pentru:

• explorarea funcţională a corneei sau a rinichiului (soluţia de fluoresceină, soluţia de indigo-carmin)

• acţiune antiseptică (soluţia de violet de genţiană 1%, soluţia de rivanol 0,1%, soluţia de metilen 1%)

� soluţii apoase ale taninurilor (acţiune astringentă) � soluţii ale alcaloizilor (acţiune analgezică, spasmolitică, stimulent al SNC, acţiune

antitusivă, etc.) Coloizii micelari de asociaţie au acţiune majoră asupra sărurilor biliare, prin emulsionarea

grăsimilor şi uleiurilor în picături mici. Enzimele pot apoi elimina grăsimile şi uleiurile.

Glicolat de sodiu

Figura 30. Săruri biliare (exemplu: glicolatul de sodiu)

HO OH

OH CH

CH3

(CH2)2 C

O

N

H

CH2 C O-O

Na+