Общая фармацевтическая химия

Задание 2 Определение фактора показателя преломления

Для практического определения осмолярности могут быть использованы три метода: криоскопический, мембранная и паровая осмометрия.

1 осмоль на килограмм воды понижает точку замерзания на 1,86 °С и понижает давление пара на 0,3 мм рт. ст. при температуре 25 °С. Измерение этих изменений лежит в основе криоскопического метода и метода паровой осмометрии.

1. Криоскопический метод

Метод основан на понижении точки замерзания растворов по сравнению с точкой замерзания чистого растворителя. Данный метод нашел самое широкое практическое применение как достаточно универсальный и точный.

1. Определение осмолярности с использованием термометра Бекмана. Определение температуры замерзания проводят на установке, изображенной на рис. 13.1. Установка состоит из сосуда А диаметром 30-35 мм и длиной около 200 мм, куда помещается испытуемый раствор (или растворитель); верхняя часть сосуда расширена и закрывается пробкой с двумя отверстиями для погружения термометра Б и мешалки В; сосуд А вставлен в более широкую емкость (Г) так, что не касается ее стенок или дна; термометр также не должен касаться стенок или дна сосуда А; уровень охлаждающей смеси в емкости Г должен быть не ниже уровня испытуемого раствора в сосуде А. При проведении эксперимента раствор (или растворитель) должен прикрывать основной ртутный резервуар термометра. Температура охлаждающей смеси должна быть на 3-5 °С ниже температуры замерзания растворителя (для бидистиллированной воды: от минус 3 до минус 5 °С); контроль минусовой температуры осуществляется минусовым термометром Д с ценой деления 0,5 °С. Состав охладительной смеси: лед + натрия хлорид кристаллический. Установку термометра Бекмана на криометрические исследования производят путем подбора количества ртути в основном резервуаре так, чтобы при замерзании чистого растворителя (бидистиллированной воды) мениск ртути в капилляре находился у верхней части шкалы измерения. При этом возможна регистрация ожидаемого понижения температуры замерзания водного раствора.

Рис. 13.1. Устройство прибора Бекмана

А - сосуд для испытуемого раствора; Б - термометр Бекмана; В - мешалка; Г - емкость с охлаждающей смесью; Д - термометр для измерения температуры охлаждающей смеси

Методика. Для определения температуры замерзания чистого растворителя пользуются следующим приемом: дают жидкости переохладиться (охлаждают без перемешивания), и когда термометр показывает температуру на 0,2-0,3 °С ниже ожидаемой точки замерзания, перемешиванием вызывают выпадение кристаллов растворителя; при этом жидкость нагревается до точки замерзания. Максимальную температуру (средний результат трех измерений, отличающихся не более чем на 0,01 °С), которую показывает термометр после начала выпадения кристаллов, регистрируют как температуру замерзания растворителя (Т±).

В высушенный сосуд А наливают достаточное количество испытуемого водного раствора; определение точки замерзания проводят, как описано выше для чистого растворителя; средний результат трех опытов регистрируют как температуру замерзания испытуемого раствора лекарственного вещества (Т2).

Осмолярность раствора рассчитывают по формуле:

(Т2-Т{)

Сосм.= х 1000 (мОсм/кг), (4)

К

где: Т2 - температура замерзания чистого растворителя, градусы Цельсия; Т\ - температура замерзания испытуемого раствора, градусы Цельсия (°С); К - криометрическая постоянная растворителя (для воды: 1,86).

2. Определение осмолярности растворов с использованием автоматического криоскопического осмометра. Данный вариант предусматривает применение автоматических осмометров, например, МТ-2, МТ-4 (производитель НПП «Буревестник», Санкт-Петербург). Испытуемый раствор (обычно 0,2 мл) помещают в стеклянный сосуд, погруженный в ванну с контролируемой температурой. Термопару и вибратор помещают под испытуемым раствором; температуру в ванной снижают до переохлаждения раствора. Включают вибратор и вызывают кристаллизацию воды в испытуемом растворе; выделившееся тепло поднимает температуру раствора до точки замерзания. По зафиксированной точке замерзания раствора рассчитывают осмолярность. Прибор калибруют с помощью стандартных растворов натрия или калия хлорида, которые перекрывают определяемый диапазон осмолярности (табл. 13.1).

Таблица 13.1

Стандартные справочные значения понижения температуры замерзания и эффективности осмотической концентрации водных растворов хлоридов натрия и калия

2. Метод мембранной осмометрии

Метод основан на использовании свойств полупроницаемых мембран избирательно пропускать молекулы веществ.

Движущей силой процесса является процесс осмоса. Растворитель проникает в испытуемый раствор до установления равновесия; возникающее при этом дополнительное гидростатическое давление приближенно равно осмотическому давлению и может быть рассчитано по формуле:

осмотическое давление;

гидростатическое давление;

плотность жидкости;

ускорение свободного падения;

высота столба жидкости.

Осмолярность может быть рассчитана по формуле:

где: R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/мольК); Т- абсолютная температура, Кельвин.

Примечание. Данный метод применим только для растворов высокомолекулярных веществ (104-106 г/моль). При анализе растворов, содержащих электролиты и другие низкомолекулярные вещества, будет определяться только осмотическое давление, создаваемое высокомолекулярными компонентами раствора.

Методика. Испытуемый раствор с помощью шприца (рис. 13.2) с длинной иглой вносят в специальное отверстие измерительной ячейки. Калибровку проводят с помощью устройства, находящегося в приборе. Проводят не менее трех измерений. Для получения воспроизводимых результатов необходима проба объемом не менее 1,2 мл.

Рис. 13.2. Устройство мембранного осмометра

- испытуемый раствор;

- магистраль подвода/удаления испытуемого раствора (переключатель потоков установлен в положение «измерение»);

- мембрана;

- растворитель, подводимый по отдельной магистрали;

- термостатированные блоки;

- корпус ячейки;

- датчик давления.

3. Метод паровой осмометрии

Метод основан на измерении разности температур термисторами (чувствительными к температуре сопротивлениями) вследствие различия между давлением пара над раствором вещества и чистым растворителем. При нанесении на оба термистора капли растворителя разность температур равна нулю. Если одну из капель заменяют каплей испытуемого раствора, то на поверхности этого тер-мистора происходит конденсация паров растворителя, так как давление пара растворителя над этой поверхностью меньше. При этом температура капли раствора повышается за счет экзотермического процесса конденсации до тех пор, пока давление пара над каплей раствора и давление чистого растворителя в ячейке не сравняются. Наблюдаемая разница температур измеряется. Разность температур практически пропорциональна моляльной концентрации раствора.

Методика. В предварительно термостатированную при температуре не ниже 25 °С и насыщенную парами растворителя (воды) ячейку на оба термистора наносят по капле воды (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Устройство парового осмометра

- измерительный зонд;

- шприц;

- окна для контроля за состоянием ячейки

и термисторов (присутствуют не во всех моделях паровых осмометров);

- термисторы;

- измерительная ячейка;

- блоки для термостатирования.

Полученные показания прибора фиксируют. Далее проводят калибровку прибора по эталонным растворам нескольких концентраций. Перед каждым измерением один из термисторов промывают чистым растворителем и наносят каплю раствора. Объемы наносимых капель раствора и чистого растворителя должны быть одинаковы; объемы капель калибровочных растворов также должны быть равны.

По результатам калибровки строится график зависимости разницы температур от осмоляльности. Нулевая точка - показания прибора по чистому растворителю. Далее проводят анализ испытуемых растворов. Осмоляльность находят по калибровочному графику.

3.3 ИОНОМЕТРИЯ (ОФС 42-0048-07)

Метод ионометрии основан на определении активности (концентрации) определяемых ионов с помощью ионоселективных электродов (ИСЭ). Ионоселек-тивный электрод обладает избирательной чувствительностью к определенным ионам, от содержания которых зависит его потенциал. В основу определения положен принцип потенциометрического анализа, заключающийся в измерении разности потенциалов (электродвижущей силы - ЭДС) измерительного (ионо-селективного) электрода и электрода сравнения, потенциал которого постоянен.

Зависимость электродвижущей силы электродной системы от активности по-тенциалопределяющего иона описывается уравнением Нернста:

где: Е - разность потенциалов между измерительным и вспомогательным электродами (ЭДС), мВ;

Е0 - значение ЭДС электродной системы в начальной точке диапазона

измерений (стандартное значение ЭДС), мВ;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура;

F - число Фарадея;

z - заряд определяемого иона;

а - активность или эффективная концентрация свободных ионов в растворе, связанная с концентрацией соотношением:

a = fxC, (2)

где: С - молярная концентрация; f - коэффициент активности.

Для очень разбавленных растворов коэффициент активности близок к единице и активность ионов равна концентрации.

Если коэффициент активности поддерживается постоянным, уравнение Нернста

принимает вид:

Температурный коэффициент к при любой температуре может быть рассчитан по формуле:

к - 0,05916 + 0,000198 * (t - 25 °С) (4)

и приведен в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Значения к при различных температурах

Коэффициент активности (f) считается постоянным, если при измерениях во всех анализируемых и калибровочных растворах поддерживается одинаковая ионная сила. Для создания высокой ионной силы к раствору добавляют раствор индифферентного электролита (фоновый раствор) с тем, чтобы различные количества анализируемого иона не влияли на ионную силу раствора и коэффициент активности определяемого иона оставался постоянным.

Таким образом, при постоянной ионной силе раствора и постоянной температуре наблюдается линейная зависимость ЭДС электродной системы от концентрации определяемого иона.

ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ

Ионометрические измерения осуществляют с использованием иономера (вы-сокоомного потенциометра с входным сопротивлением по крайней мере в 100 раз большим, чем сопротивление используемых электродов), который включает в себя электродную систему и измерительный преобразователь.

В качестве ионселективных электродов могут использоваться электроды с кристаллической или некристаллической мембраной или с твердой матрицей (например, стеклянные электроды), электроды с заряженными (положительно или отрицательно) или незаряженными подвижными носителями, сенсибилизированные электроды (электроды с ферментативной подложкой, газ-индикаторные электроды). Электродом сравнения служит, главным образом, хлорееребряный электрод или каломельный электрод с соответствующими индифферентными соединительными жидкостями.

Прибор градуирован в милливольтах или в единицах рХ. Подготовка иономера к работе и проведение измерений производятся согласно инструкциям, прилагаемым к прибору. Измерения выполняют при постоянной температуре ± 0,5 °С и постоянной ионной силе раствора. Помещают электроды в испытуемый раствор и снимают установившееся показание при медленном и постоянном перемешивании.

При частых измерениях периодически проверяют стабильность отклика и линейность калибровочной кривой в диапазоне концентраций испытуемого раствора. В противном случае проверку проводят перед каждыми измерениями.

1. Метод градуировочного графика

Рис. 14.1. Градуировочный график зависимости ЭДС электродной системы от концентрации потенциалопределяющего иона

Поскольку в разбавленных растворах рХ = -lgC, значение молярной концентрации (моль/л) вычисляют по уравнению:

Значение массовой концентрации иона (г/л) рассчитывают, исходя из уравнения:

где М - молярная масса иона, г/моль.

При наличии влияния других компонентов испытуемого раствора на потенциал ионоселективного электрода используют метод стандартных добавок.

2. Метод стандартных добавок

Метод применим в линейных областях калибровочной кривой. 2.1. Метод многократных добавок

В испытуемый раствор, приготовленный, как указано в частной фармакопейной статье, вводят несколько (по крайней мере три) порций объемом VCT раствора с известной концентрацией определяемого иона, соблюдая условие неизменной ионной силы в растворе. Измеряют потенциал до и после каждой добавки и вычисляют разность ДЕ между измеренным потенциалом и потенциалом испытуемого раствора. Полученная величина связана с концентрацией определяемого иона уравнением:

или

где: V - объем испытуемого раствора;

С - молярная концентрация определяемого иона в испытуемом растворе; VCT - добавленный объем стандартного раствора; Сст - концентрация определяемого иона в стандартном растворе; S - крутизна электродной функции, определяемая экспериментально при постоянной температуре измерением разности потенциалов двух стандартных растворов, концентрации которых отличаются в 10 раз и соответствуют линейной области калибровочной кривой.

АЕ

Строят график зависимости 10s от объема добавки VCT и экстраполируют полученную прямую до пересечения с осью X. В точке пересечения концентрация испытуемого раствора определяемого иона выражается уравнением:

2.2. Метод однократной добавки

К объему V испытуемого раствора, приготовленного, как описано в частной фармакопейной статье, прибавляют объем VCT стандартного раствора известной концентрации Сст. Готовят холостой раствор в тех же условиях. Измеряют потенциалы испытуемого раствора и холостого раствора до и после добавления стандартного раствора. Вычисляют концентрацию С анализируемого иона, используя следующее уравнение и делая необходимые поправки на холостой раствор:

где: V - объем испытуемого или холостого раствора;

С - концентрация определяемого иона в испытуемом растворе;

VCT - добавленный объем стандартного раствора;

Сст - концентрация определяемого иона в стандартном растворе;

ДЕ - разность потенциалов, измеренных до и после добавки;

S - крутизна электродной функции, определяемая экспериментально

при постоянной температуре измерением разности потенциалов двух

стандартных растворов, концентрации которых отличаются в 10 раз и

соответствуют линейной области калибровочной кривой.

3. Потенциометрическое определение рН

Водородным показателем рН, характеризующим концентрацию ионов водорода в водных растворах, называется отрицательный десятичный логарифм активности ионов водорода

pH = -lgaH+. (12)

Потенциометрическое определение рН заключается в измерении ЭДС электродной системы, где в качестве ионоселективного электрода используют чувствительный к ионам водорода электрод (обычно стеклянный), в качестве электрода сравнения - стандартный электрод с известной величиной потенциала (насыщенный каломельный или хлорсеребряный электроды). На практике для измерения рН применяют метод градуировочного графика. рН испытуемого раствора связан с рН стандартного раствора следующим уравнением:

где: Е - потенциал электрода в испытуемом растворе;

Es - потенциал того же электрода в растворе с известным значением рН (стандартном растворе).

Прибор. В качестве прибора для потенциометрического определения рН используют иономеры или рН-метры с чувствительностью не менее 0,05 единиц рН или 3 мВ. Калибровка приборов производится по стандартным буферным растворам, приведенным в общей фармакопейной статье «Буферные растворы».

Методика. Все измерения проводят при одной и той же температуре в интервале от 20 до 25 °С, если нет других указаний в частной статье. В табл. 14.2 приведена зависимость значений рН от температуры для различных стандартных буферных растворов, используемых для калибровки прибора. Для приготовления указанных растворов могут быть использованы фиксаналы по ГОСТ.

Таблица 14.2

рН стандартных буферных растворов при различных температурах

1 Изменение рН на градус Цельсия.

Если необходимо, учитывают температурные поправки в соответствии с инструкцией предприятия-производителя. Прибор калибруют при помощи буферного раствора калия гидрофталата (первичный стандарт) и одного из буферных растворов с другим значением рН (предпочтительно одного из приведенных в табл. 14.2). Показания прибора для третьего буферного раствора с промежуточным значением рН не должны отличаться больше чем на 0,05 единиц рН от табличного значения рН этого раствора. Электроды погружают в испытуемый раствор и измеряют рН в тех же условиях, что и для буферных растворов.

Все испытуемые растворы и стандартные буферные растворы должны быть приготовлены на воде, свободной от диоксида углерода, для чего ее необходимо прокипятить перед употреблением. Вода, свободная от диоксида углерода, должна иметь рН 5,8-7,0.

Приготовление стандартных буферных растворов

0,05 Мраствор калия тетраоксалата. 12,61 г КС4Н308 * 2Н20 растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл.

Насыщенный при 25 °С раствор калия гидротартрата. Избыток КС4Н506 энергично встряхивают с водой при температуре 25 °С. Фильтруют или декантируют. Раствор используют свежеприготовленным.

0,05 Мраствор калия дигидроцитрата. 11,41 г КС6Н707 растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл. Раствор используют свежеприготовленным.

0,05 Мраствор калия гидрофталата. 10,13 г КС8Н504, предварительно высушенного при температуре от 110 до 135 °С до постоянной массы, растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл.

0,025 М раствор калия дигидрофосфата и 0,025 М раствор натрия гидрофосфата. 3,39 г КН2Р04 и 3,53 г Na2HP04, предварительно высушенных в течение двух часов при температуре от ПО до 130 °С до постоянной массы, растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл.

0,0087 М раствор калия дигидрофосфата и 0,0303 М раствор натрия гидрофосфата. 1,18 г КН2Р04 и 4,30 г Na2HP04, предварительно высушенных при температуре от 110 до 130 °С, растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл.

0,01 Мраствор натрия тетрабората. 3,80 г Na2B407 * 10Н2О растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл. Хранят, защищая от диоксида углерода.

0,025 Мраствор натрия карбоната и 0,025 Мраствор натрия гидрокарбоната. 2,64 г Na2C03 и 2,09 г NaHC03 растворяют в воде и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000,0 мл.

При измерении рН в неводных и смешанных растворителях, а также в некоторых коллоидных системах, следует иметь в виду, что полученные значения рН являются условными.

В табл. 14.3 приведены термины, используемые для характеристики реакции растворов в зависимости от рН, и цвет раствора при использовании некоторых наиболее распространенных индикаторов.

Таблица 14.3

Реакция раствора, значение рН и цвет индикатора

3.4 ПРЕДЕЛЕНИЕ СПИРТА ЭТИЛОВОГО В ЖИДКИХ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТАХ (ОФС 42-0039-07)

Спирт этиловый в жидких фармацевтических препаратах в зависимости от состава и физико-химических свойств присутствующих в препарате компонентов может быть определен одним из методов: дистилляцией или газовой хроматографией. Метод количественного определения спирта должен быть указан в частной фармакопейной статье.

Метод дистилляции

Данный метод заключается в отгонке спирта этилового от растворенных в нем веществ.

В круглодонную колбу (1) вместимостью 200-250 мл вносят точно отмеренное количество препарата. При содержании спирта в препарате до 20 % для определения берут 75 мл препарата, при содержании от 20 до 50 % - 50 мл, при содержании от 50 % и выше - 25 мл; перед перегонкой препарат разбавляют водой до 75 мл.

Колбу присоединяют через каплеотбойник (2) к вертикально расположенному шариковому холодильнику с отводной трубкой (3), направляющей дистиллят в приемник - мерную колбу вместимостью 50 мл (4), помещенный в стакан с водой (5) (рис. 9.1).

Нагревают перегонную колбу с помощью электроплитки с сеткой. Для равномерного кипения в колбу с раствором препарата помещают капилляры, пемзу или кусочки прокаленного фарфора. Если раствор препарата при перегонке сильно пенится, то прибавляют 2-3 мл концентрированных фосфорной или серной кислот, кальция хлорид, парафин, воск (2-3 г).

Собирают около 48 мл отгона, охлаждают его до температуры 20 °С, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Отгон может быть прозрачным или слегка мутным.

Определяют плотность отгона пикнометром и по алкоголеметрическим таблицам находят содержание спирта в процентах объемных.

Содержание спирта в препарате в процентах объемных (X) вычисляют по формуле:

где: 50 - объем отгона, в миллилитрах;

а - содержание спирта в отгоне, в процентах объемных; b - объем испытуемого препарата, взятый для перегонки, в миллилитрах.

Если препарат содержит летучие вещества - эфирные масла, хлороформ, этиловый эфир, камфору, летучие кислоты или основания, свободный йод и т.д., его предварительно обрабатывают.

При содержании в препарате эфирных масел, хлороформа, этилового эфира, камфоры к нему добавляют в делительной воронке равные объемы насыщенного раствора натрия хлорида и петролейного эфира. Смесь взбалтывают в течение 3 мин. После разделения слоев спиртоводный слой сливают в другую делительную воронку и обрабатывают таким же образом половинным количеством петролейного эфира. Спиртоводный слой сливают в колбу для перегонки, а объединенные эфирные извлечения взбалтывают с половинным количеством насыщенного раствора натрия хлорида, потом присоединяют к жидкости, находящейся в колбе для перегонки.

Если препарат содержит менее 30 % спирта, то высаливание проводят не раствором, а 10 г сухого натрия хлорида. При содержании в препарате летучих кислот их нейтрализуют раствором щелочи, а при содержании летучих оснований - фосфорной или серной кислотами.

Рис. 9.1. Прибор для определения содержания спирта этилового

Размеры указаны в миллиметрах 1 - перегонная колба; 2 - каплеотбойник; 3 - холодильник; 4 - приемник; 5 - сосуд с холодной водой

Препараты, содержащие свободный йод, перед дистилляцией обрабатывают до обесцвечивания цинковой пылью или рассчитанным количеством сухого натрия тиосульфата. Для связывания летучих сернистых соединений к препарату прибавляют несколько капель 10 % раствора натрия гидроксида.

Метод газовой хроматографии

Данный метод основан на сорбционном хроматографическом отделении спирта от растворенных в нем веществ.

Для проведения анализа используют газовый хроматограф с пламенно-ионизационным детектором и с хроматографической колонкой размером 150x0,4 см, заполненной полимерным сорбентом Porapak Q с размером частиц 100-120 меш. Температура колонки - 150 °С; температура испарителя - 170 °С; температура детектора - 170 °С. Скорость газа-носителя (азот или гелий) - 30 мл/мин.

Испытуемый раствор. В мерную колбу вместимостью 100 мл помещают точно отмеренное количество испытуемого препарата, достаточное для получения раствора, содержащего 4-6 % этанола по объему, прибавляют 5,0 мл пропанола (внутренний стандарт), перемешивают, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. 10 мл полученного раствора помещают в мерную колбу вместимостью 100 мл, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают.