Растворы высокомолекулярных соединений

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называются вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до миллиона и более. Молекулы ВМС - это гигантские образования, состоящие из сотен и даже тысяч отдельных атомов, с преобладанием полярных групп. Молекулы ВМС обычно имеют линейное, нитевидное строение. Длина молекулы целлюлозы, например, может достигать 400-500 нм, в то время как в поперечнике ее размер составляет всего 0,3-0,5 нм, т. е. меньше 1 нм. Поэтому молекулы ВМС при соприкосновении с соответствующим растворителем образуют истинные (молекулярные) растворы.

Растворы ВМС, как и истинные растворы низкомолекуляркых веществ, являются гомогенными и равновесными системами. Они образуется самопроизвольно, агрегативно устойчивы без добавления третьего компонента и обладают свойствами обратимости. Так, например, если 1% раствор желатина выпарить на водяной бане, то свойства раствора, полученного из сухого остатка (вязкость, осмотическое давление, электропроводность), останутся прежними. Гомогенность растворов ВМС доказана оптическим исследованием: в электронном микроскопе линейные макромолекулы не обнаруживаются. Из-за больших размеров молекул ВМС диффузия их в растворах протекает медленно, и они не способны по этой же причине проникать через полупроницаемые мембраны. Эти особенности растворов ВМС сближают их с коллоидными растворами, но не дают основания ставить между ними знак равенства.

Огромные размеры молекул являются причиной значительного своеобразия в свойствах и поведении растворов ВМС. Несмотря на то что макромолекулы не обнаруживаются в электронном микроскопе, растворы ВМС обладают способностью светорассеяния, приводящей к опалесценции или некоторой мутности раствора. Растворы ВМС отличаются высокой вязкостью.

Отдельные звенья гигантских цепочкообразных молекул ВМС неоднородны. Часть звеньев состоят из атомных групп, имеющих полярный характер. К числу полярных атомных групп, как уже отмечалось выше, принадлежат: -СООН, -NH2, -ОН и т. д. Эти радикалы хорошо взаимодействуют с водой как полярной жидкостью, гидрируются. Иначе говоря, они гидрофильны. Наряду с полярными макромолекула может содержать неполярные гидрофобные радикалы (-СН3, -СН2, -C6H5 и т. п.), которые сольватируются неполярными жидкостями (бензол, петролейный эфир и т. п.), но они не могут гидратироваться. Таким образом, молекула ВМС дифильна, т. е. содержит атомные группы обоих типов. Однако в ней всегда значительно преобладают полярные группы, в связи с чем, попадая в воду, молекулы ВМС ведут себя как высокогидрофильные вещества.

Растворению ВМС предшествует его набухание. Это явление характерно для всех ВМС и никогда не наблюдается у низкомолекулярных веществ. Набухание заключается в следующем: молекулы растворителя проникают в погруженное в него ВМС, заполняя свободные пространства между макромолекулами. Это вполне возможно, так как цепочки макромолекул «упакованы» неплотно. Вначале растворитель проникает в ВМС благодаря капиллярным силам, а затем начинает поступать внутрь набухающего тела уже в нарастающем количестве вследствие гидратации полярных групп ВМС. Основное значение гидратации заключается в ослаблении межмолекулярных связей, разрыхлении ВМС. Образующиеся просветы заполняются новыми молекулами растворителя. В этой стадии происходит поглощение большого количества растворителя, а в связи с этим и весьма значительное увеличение объема набухающего ВМС (в 10-15 раз). После того как будут разрушены связи между макромолекулами, т. е. когда нити их будут достаточно отодвинуты друг от друга, они, получив способность к тепловому движению, начинают медленно диффундировать в фазу растворителя. Набухание переходит в растворение.

Набухание ВМС не всегда заканчивается его растворением. Набухание может быть неограниченным и ограниченным. Неограниченное набухание заканчивается растворением: ВМС вначале 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 они ни находились в контакте. Ограниченное набухание ВМС всегда заканчивается образованием эластического геля (студня). Набухание ВМС носит избирательный характер. Они набухают лишь в жидкостях, которые им близки по химическому строению. Так, ВМС, имеющие полярные группы, набухают в полярных растворителях, а углеводородные ВМС (например, каучук) - только в неполярных жидкостях (бензин, бензол и т. п.).

В аптечной практике растворы ВМС используются очень часто. Обычно это растворы природных ВМС - животные и растительные белки, крахмал, пектины, камеди, растительные слизи и т. д. Самые разные сочетания ВМС содержатся в экстракционных лекарственных формах, галеновых препаратах (настойки, экстракты), которые вводятся в разнообразные микстуры.

Растворы неограниченно набухающих ВМС

Микстуры с пепсином. Пепсин является специфическим белком, молекулы которого имеют массу порядка 35 000. Это высокогидрофильное вещество, хорошо растворимое в воде. В связи с этим сам процесс растворения препарата не вызывает затруднений. Особенностью технологии микстур с пепсином является лишь соблюдение последовательности смешивания компонентов микстуры.

10.1. Rp.: Pepsini 4,0
Acidi hydrochlorici diluti 4 ml
Aquae destillatae 180 ml
MDS. По 1 столовой ложке во время еды.

В склянку для отпуска отмеривают 144 мл воды дистиллированной и 40 мл раствора кислоты хлористо-водородной 1:10. В подкисленной воде растворяют 4 г пепсина.

Необходимо во всех случаях вначале к воде добавлять кислоту хлористоводородную и только после этого в подкисленной воде растворять пепсин. Встречающийся иногда прием предварительного растворения пепсина в кислоте неверен, так как при содержании 8% хлористого водорода кислота в значительной степени инактивирует фермент. Микстура с пепсином имеет вид опалесцирующей жидкости, содержащей иногда взвешенные частички примеси нерастворимых белков. Она может быть процежена, но в этом нет особой надобности.

Растворы камедей. Растворы камедей (абрикосовая камедь) относятся к жидким лекарственным формам, объединяемым общим названием слизи (Mucilagines). Своеобразием этой лекарственной формы являются характерная для ВМС высокая вязкость и благодаря этому высокие обволакивающие свойства. Покрывая слизистые оболочки, слизи замедляют всасывание введенных с ними лекарственных веществ, удлиняя тем самым действие последних. Слизи уменьшают также местное раздражающее действие некоторых лекарственных веществ (например, хлоралгидрата). Вкусовые ощущения (кислого, сладкого) уменьшаются, если вкусовые вещества вводятся в слизи. Благодаря защите от внешних влияний слизи уменьшают воспалительные явления (боль, болезненные рефлексы, спазмы, отечность в тех органах, куда они введены, например в желудке, кишечнике и др.).

Макромолекулы камедей совершенно не всасываются или же всасываются очень медленно в полуразрушенном виде.

Раствор (слизь) абрикосовой камеди (Mucilago Gummi Armeniacae) приготавливается в соотношении 1:3 путем постепенного добавления порошка камеди к отмеренному количеству горячей воды или смешиванием в ступке с холодной водой.

Микстуры с экстрактами. В составе густых и сухих экстрактов находятся в большем или меньшем количестве слизистые и камедистые вещества, растительные белки, клейстеризованный крахмал.

Пример микстуры с большим количеством густого экстракта:

10.2. Rp.: Ammonii chloridi
Extracti Glycyrrhizae spissi aa 4,0
Aquae destillatae 180 ml
MDS. По 1 столовой ложке 3-4 раза в день

Аммония хлорид растворяют в половинном количестве воды и процеживают. Другую часть воды используют для растворения густого солодкового экстракта. Для этого прописанное количество густого экстракта отвешивают на кусочек фильтровальной бумаги и прилепляют его к закругленной части пестика бумагой кверху. Последнюю отделяют от экстракта, смачивая ее снаружи водой или спиртом. После этого экстракт смешивают в ступке сначала с небольшим количеством горячей воды, затем добавляют постепенно новые порция воды до полного растворения экстракта; процеживая, сливают раствор из ступки во флакон с раствором хлорида аммония, ополаскивая ступку несколько раз остатком растворителя.

Пример микстуры с весьма малым содержанием густого экстракта:

10.3. Rp.: Aethylmorphyni hydrochloridi 0,2
Solutionis Calcii chloridi 10% 180 ml
Extracti Belladonnae spissi 0,15
MDS. По 1 столовой ложке 3 раза в день

Можно исходить из сухого экстракта красавки. В этом случае двойное его количество растирают в ступке с водой до полного растворения и примешивают к заранее приготовленной солевой части микстуры, многократно обмывая ступку. Очень удобно применять в этом случае раствор густого экстракта красавки 1:2 (Extractum Belladonnae solutium), который добавляют каплями к раствору солей в двойном количестве по сравнению с прописанным.

Растворы ограниченно набухающих ВМС

Растворы желатина. Растворы желатина прописываются в высоких концентрациях для остановки кровотечений (желудочных, кишечных, легочных и гемофилии). Желатин содержит соли кальция, чем и обусловлена его способность повышать свертываемость крови. Желатин - ограниченно набухающее ВМС белковой природы. Благодаря наличию химических связей («мостиков») цепи макромолекул желатина «сшиваются» между собой и лишаются возможности оторваться друг от друга и перейти в раствор. В результате набухание приводит к образованию упругого студня. Однако студень можно перевести в раствор, если нагреть растворитель, в который он погружен. Студни при этом легко плавятся и неограниченно смешиваются с растворителем. Нагревание активизирует тепловое движение макромолекул и ослабляет связи между ними и их звеньями.

10.4. Rp.: Gelatinae medicinalis 10,0
Aquae destiliatae 200 mi
MDS. По 1 столовой ложке через каждые 1-2 ч (при желудочных кровотечениях)

Измельченный желатин заливают в фарфоровой чашке 4-5-кратным количеством воды и дают набухнуть (для этого требуется 1-2 ч). После этого добавляют остальное количество воды и нагревают на водяной бане при 40-50° С; при помешивании желатин легко переходит в раствор. Раствор в горячем виде процеживают через марлю в цилиндр, доводят водой до 200 мл. В случае прописывания растворов с высоким содержанием желатина (10% раствор для клизм) происходит его застудневание. В этом случае дается указание, чтобы перед приемом флакон погрузили в теплую воду, так как под влиянием тепла каркас студня разрушается и опять образуется легкоподвижная жидкость.

Раствор крахмала (клейстера). Его иногда неправильно называют отваром. Приготавливают из официнальных видов крахмала. Крахмал состоит из двух полисахаридов: амилозы (до 20%) и амилопектина (основная масса). Молекула амилозы представляет собой длинную нитеобразную частицу, состоящую из многих (до 1000) связанных между собой звеньев глюкозы. Амилопектин имеет еще более сложное строение и состоит из гигантских разветвленных молекул, содержащих до 1 000 000 остатков глюкозы. Степень полимеризации оказывает существенное влияние на физические свойства крахмала (растворимость, вязкость и т. д.). Чем короче цепь молекулы, тем она лучше растворима в воде. Этим объясняется растворимость амилозы в теплой воде, в то время как амилопектин в ней только набухает. Отсюда ясна роль более низкополимерной фракции: макромолекулы амилозы, вклиниваясь между более крупными молекулами амилопектина, за счет сольватации и других факторов разъединяют их, разрушают структуру и тем самым способствуют при нагревании растворению.

10.5. Rp.: Mucilaginis Amyli Tritici 100,0
Natrii bromidi 2,0
MDS. Ha 2 клизмы

Слизь крахмала прописывается обычно в концентрации 2%. Вначале крахмал смешивают с 8 мл холодной воды. Полученную тонкую взвесь выливают в 90 мл кипящей воды и доводят до кипения при помешивании. При таком приеме приготовления исключается образование комков. После охлаждения растворяют натрия бромид и процеживают через марлю во флакон для отпуска.

Сложные растворы ВМС

Растворы ВМС большей частью прописываются в сочетании с разными лекарственными веществами и далеко не безразличны к последним, поэтому нужно каждый раз учитывать их взаимосовместимость. Уже небольшое добавление лекарственных веществ, представляющих собой нейтральные электролиты, к водным растворам ВМС может вызывать помутнение растворов и изменение их вязкости. Происходит это вследствие химического взаимодействия между отдельными группами ВМС и ионами электролита. Последние, кроме того, способствуют ассоциации и структурированию в растворах ВМС.

Если же к водным растворам ВМС будут добавлены большие количества нейтральных электролитов, то явление примет более глубокий характер - произойдет высаливание ВМС. Высаливание вызывается тем, что ионы добавляемых нейтральных солей, гидратируясь, отнимают воду у молекул ВМС. Чем выше гидратируемость ионов, тем сильнее их высаливающее действие. В наших примерах не исключена возможность высаливания, поскольку ион Сl- обладает относительно сильным высаливающим действием; высаливание начинает наблюдаться обычно на второй день. Однако хлопьевидная муть при взбалтывании микстур легко диспергируется. С целью предупреждения немедленного высаливания рекомендуется растворитель делить на 1 части, использовав одну для растворения ВМС, другую - для растворения солей. Такой прием был применен в рецепте 10.2. Высокомолекулярные вещества нужно обязательно растворять в чистом растворителе; в растворе солей растворение ВМС происходит трудно. Если количество солей незначительное, то можно их растворять сразу в приготовленном растворе ВМС.

Дегидратация растворенного ВМС, а следовательно и высаливание его, может быть вызвана и неионизированными веществами, например этанолом. Высаливающе действуют также концентрированные растворы сахара (сиропы). Поэтому сиропы и спиртовые препараты могут вводиться только в ограниченных количествах, их добавляют к раствору ВМС частями при взбалтывании.