1.3. Литературные данные по энергиям Гиббса растворения/сольватации в водно-органических смесях

Несмотря на широкое применение водно-органических смесей, работ, посвященных определению сольватационных свойств в таких средах, немного. Чтобы охватить весь диапазон составов растворителя, нужно провести довольно большое количество экспериментов. Определение коэффициентов активности интересующих нас в наибольшей степени малополярных соединений затруднено из-за их низкой растворимости в богатой водой области составов растворителя. Наибольшее число работ посвящено изучению растворимости лекарственных соединений. Точность определения растворимости при этом часто невысока, что бывает наглядно видно из ее зависимости от состава растворителя, имеющей резкие скачки.

В литературе имеются данные о растворимости или коэффициентах активности таких неполярных соединений, как бензол, нафталин, антрацен, метан, аргон в водно-спиртовых растворах [11–18]. Можно отметить наблюдаемую во всех случаях нелинейность зависимости энергии Гиббса сольватации от состава растворителя (рис. 2). При этом точки данных всегда лежат ниже прямой, соединяющей значения в чистых растворителях. Отклонение от прямой для смесей вода+метанол минимально (не более 1.9 кДж/моль), что объясняют близостью структур метанола и воды. При увеличении длины углеводородного радикала от метанола к изопропанолу величина отклонения растет и достигает 6 кДж/моль.

Н аличие этих отклонений используется как доказательство предпочтительной сольватации молекулы бензола органическим компонентом смеси. Это означает, что локальный состав раствора вокруг растворенного вещества отличается от среднего состава растворителя. Это приводит к снижению энергии Гиббса по сравнению с чисто случайным распределением молекул растворителей вокруг растворенной молекулы.

Работа [19] посвящена определению значений функций переноса из воды в смеси воды с диметилсульфоксидом, ацетонитрилом и диоксаном. Для различных органических соединений – сложных эфиров, 1,1-диэтоксиэтана, ацетона, бензола, триметилфосфата – определены энергии Гиббса переноса из воды в смесь ДМСО-вода. Если для большинства соединений, рассмотренных авторами, наблюдается уменьшение энергии Гиббса переноса (растворения) с увеличением концентрации органического растворителя, то для триметилфосфата зависимость противоположная. Авторы объясняют это образованием водородных связей между атомами водорода воды и кислородом триметилфосфата, что всегда снижает энергию Гиббса. Нелинейность зависимости энергии Гиббса переноса от состава наиболее ярко выражена для наименее полярного вещества – бензола.

Datta и сотр. [20] определили энергии Гиббса переноса п-нитроанилина из воды в смеси воды с изопропиловым спиртом, пропиленгликолем, глицерином, 1,4-диоксаном, содержащие органический растворитель от 0 до 35% по молям. Во всех случаях при увеличении доли органического растворителя в смеси значении энергии Гиббса переноса уменьшается.

Как уже было сказано выше, большое число работ посвящено изучению растворимости лекарств и биологически активных веществ в различных водно-органических смесях [21–29]. При этом изучались системы как с реально используемыми в фармацевтике сорастворителями, так и с токсичными органическими соединениями, которые не могут использоваться для солюбилизации лекарств на практике и представляют чисто теоретический интерес. Вид зависимости растворимости от содержания органического сорастворителя определяется наличием полярных и неполярных фрагментов в молекуле растворенного вещества. Если вещество содержит большое количество гидроксильных и карбоксильных групп или имеет заряженные группы, то растворимость обычно уменьшается с увеличением доли органического сорастворителя. Это наблюдается для оксфеницина (4-гидрокси-L-фенилглицин) в смеси воды с органическими сорастворителями. Для большинства же рассмотренных соединений, например, для пара-гидроксибензойной кислоты в смеси диоксан-вода, наблюдается обратная картина. Их растворимость растет с увеличением доли органического сорастворителя. Как правило, растворимость начинает резко увеличиваться при достижении определенной концентрации сорастворителя, что хорошо видно для алкил-п-амино- и п-гидроксибензоатов в смесях пропиленгликоль- вода (рис. 3).

При пересчете в шкалу энергий Гиббса растворения (ур-я 4,15) сохраняется нелинейность ее зависимости от мольной доли растворителя. Как и в вышеописанном случае для раствора бензола, энергии Гиббса растворения в смесях лежит ниже прямой, соединяющей значения в чистых растворителях.

Для некоторых систем также наблюдается выраженный максимум при определенной концентрации органического сорастворителя. Например, для сульфаниламидов в смесях воды с диоксаном [30] и парацетамола [31], сульфаниламида [32] и оксалиновой кислоты [33] в смесях воды с этанолом максимум растворимости наблюдается при примерно 80%-ном по объему содержании органического компонента. Это означает, что растворимость в смеси с таким составом превышает не только растворимость в чистой воде, но и растворимость в чистом органическом растворителе.