Article Information

Article Information

EFFECT OF ACIDIC, NEUTRAL AND BASIC pH ON SOLUBILITY AND PARTITION-COEFFICIENT OF BENZOIC ACID BETWEEN WATER-BENZENE SYSTEM

HTML Full Text

EFFECT OF ACIDIC, NEUTRAL AND BASIC pH ON SOLUBILITY AND PARTITION-COEFFICIENT OF BENZOIC ACID BETWEEN WATER-BENZENE SYSTEM

Gita Chaurasia

Department of Pharmaceutics, Siddhant College of Pharmacy, Sudumbare, Pune – 412109 Maharashtra India.

ABSTRACT: Solubilizacja zależy od interakcji rozpuszczalnik-rozpuszczalnik, dysocjacji rozpuszczalnika w rozpuszczalniku do postaci jonowej, temperatury, ciśnienia, wiązania wodorowego, stałej dielektrycznej, polarności i niepolarności substancji, pH, itp. Współczynnik podziału wyznaczono w dwóch niemieszających się rozpuszczalnikach w warstwie wodnej i organicznej. Kwas benzoesowy wybrano do badań ze względu na jego rozpuszczalność w roztworach buforowych o różnym pH (kwaśnym, obojętnym i zasadowym) oraz ze względu na badanie współczynnika podziału w temperaturze pokojowej. Rozpuszczalność kwasu benzoesowego w roztworach buforowych o różnym pH analizowano metodą miareczkową. Do badania współczynnika podziału wybrano najczęściej występujące dwa niemieszające się rozpuszczalniki: wodę jako rozpuszczalnik hydrofilowy i benzen jako rozpuszczalnik hydrofobowy. Lek – kwas benzoesowy – rozdzielono pomiędzy te rozpuszczalniki metodą kolb wstrząsowych i zbadano stężenie leku w obu rozpuszczalnikach metodą miareczkowania kwasowo-zasadowego. Określono rozpuszczalność i dystrybucję kwasu benzoesowego pomiędzy buforowym roztworem benzenu o pH 4,0, 7,0, 9,0 i wodą destylowaną. Zaobserwowano, że w warstwie wodnej kwas benzoesowy pozostaje w postaci niezdysocjowanego monomeru molekularnego, a w warstwie organicznej – w postaci związanej z dimerem. Rozpuszczalność kwasu benzoesowego w wodzie destylowanej wynosiła 0,142 + 0,033 g/100 g wody, a w różnych pH 4,0, pH 7,0 i pH 9,0 wynosiła odpowiednio 0,153+0,01, 0,148+0,708 i 0,186 +0,145. Graficznie zaobserwowano, że rozpuszczalność w roztworach buforowych pH w środowisku kwaśnym była nieco wyższa niż w pH zasadowym. Współczynnik podziału kwasu benzoesowego w układzie benzen-woda wynosił 0,636, a w roztworach buforowych o pH 4,0, pH 7,0 i pH 9,0 wynosił odpowiednio 0,841, 0,624 i 0,589. Graficznie zaobserwowano, że współczynnik podziału kwasu benzoesowego w środowisku kwaśnym był wyższy niż w środowisku obojętnym i zasadowym.

Słowa kluczowe:

Rozpuszczalność, Współczynnik podziału, Wpływ pH, Czynniki wpływające na rozpuszczalność, Współczynnik podziału Nernsta

WPROWADZENIE: Ilościowo rozpuszczalność definiuje się jako stężenie solutu w roztworze nasyconym w określonej temperaturze, a jakościowo można ją zdefiniować jako spontaniczne oddziaływanie dwóch lub więcej substancji w celu utworzenia jednorodnej dyspersji molekularnej. Jest on wyrażony jako liczba mililitrów rozpuszczalnika, w którym rozpuści się jeden gram solutu. W naukach chemicznych i farmaceutycznych.

Współczynniki podziału są przydatne w szacowaniu dystrybucji leków w organizmie. Leki hydrofobowe o wysokim współczynniku podziału oktanol/woda są dystrybuowane głównie do obszarów hydrofobowych, takich jak dwuwarstwy lipidowe komórek i krwi. I odwrotnie, leki hydrofilowe (o niskim współczynniku podziału oktanol/woda) znajdują się głównie w obszarach wodnych, takich jak surowica krwi. 1 Jeśli do mieszaniny dwóch niemieszających się cieczy doda się nadmiar cieczy lub substancji stałej, rozprowadzi się ona pomiędzy dwiema fazami, tak że każda z nich stanie się nasycona. Jeżeli substancja zostanie dodana do niemieszających się rozpuszczalników w ilości niewystarczającej do nasycenia roztworów, to i tak zostanie rozprowadzona pomiędzy dwiema warstwami w określonym stosunku stężeń. Jeżeli C1 i C2 są stężeniami równowagowymi substancji w rozpuszczalniku1 i rozpuszczalniku2, wyrażenie równowagi przyjmuje postać C1/C2 = K. K jest znane jako „współczynnik podziału lub współczynnik dystrybucji lub stosunek podziału lub równanie prawa podziału Nernsta”. 2 Jeżeli jeden z rozpuszczalników jest gazem, a drugi cieczą, można wyznaczyć współczynnik podziału gaz/ciecz. Na przykład współczynnik podziału krew/gaz dla środka znieczulenia ogólnego określa, jak łatwo środek znieczulający przechodzi z gazu do krwi. 3 Współczynniki podziału mogą być również określone, gdy jedna z faz jest stała, na przykład, gdy jedna faza jest stopionym metalem, a druga stałym metalem, 4 lub gdy obie fazy są ciałami stałymi. 5

W wyniku podziału substancji w ciele stałym powstaje roztwór. Współczynniki podziału mogą być mierzone doświadczalnie w różny sposób (metodą shake-flask, HPLC, itp.) lub szacowane poprzez obliczenia oparte na różnych metodach (opartych na fragmentach, atomach, itp.). Bezbarwny, krystaliczny kwas benzoesowy o słabym, przyjemnym zapachu został wybrany do niniejszej pracy ze względu na jego rozpuszczalność w acetonie, benzenie, CCl4, CHCl3, alkoholu, eterze etylowym, heksanie, fenylach, ciekłym amoniaku, octanach itp. Terapeutycznie kwas benzoesowy pomaga zapobiegać infekcjom wywołanym przez bakterie. Kwas benzoesowy i kwas salicylowy stosowany miejscowo (na skórę) jest lekiem skojarzonym stosowanym w leczeniu podrażnień i stanów zapalnych skóry spowodowanych oparzeniami, ukąszeniami owadów, zakażeniami grzybiczymi lub egzemą.

Sole kwasu benzoesowego są stosowane jako środki konserwujące żywność oraz jako ważny prekursor w syntezie przemysłowej wielu innych substancji organicznych. Typowe poziomy stosowania kwasu benzoesowego jako środka konserwującego w żywności wynoszą od 0,05- 0,1%. Żywność, w której może być stosowany kwas benzoesowy oraz maksymalne poziomy jego stosowania są kontrolowane przez międzynarodowe prawo żywnościowe. 6, 7 Na początku XX wieku był stosowany jako środek wykrztuśny, przeciwbólowy i antyseptyczny. 8 W laboratoriach dydaktycznych jest powszechnie stosowanym wzorcem do kalibracji kalorymetru bombowego. 9 Kwas benzoesowy został wybrany do badań ze względu na jego rozpuszczalność w roztworach buforowych o różnym pH (kwaśnym, obojętnym i zasadowym) oraz badanie współczynnika podziału w temperaturze pokojowej. Rozpuszczalność kwasu benzoesowego w roztworach buforowych o różnym pH analizowano metodą miareczkową. Do badania współczynnika podziału wybrano najczęściej występujące dwa niemieszające się rozpuszczalniki: wodę jako rozpuszczalnik hydrofilowy i benzen jako rozpuszczalnik hydrofobowy. Lek kwas benzoesowy został podzielony pomiędzy te rozpuszczalniki metodą wytrząsania w kolbie i analizowano stężenie leku w obu rozpuszczalnikach metodą miareczkowania kwasowo-zasadowego.

MATERIAŁY I METODY:

Materiały: Lek Kwas benzoesowy dostarczony przez Research lab fine chem. Industries, Mumbai i roztwory buforowe o różnym pH (4,0, 7,0 i 9,0) zostały dostarczone przez Merck specialties Private Ltd., Mumbai. Wszystkie chemikalia i rozpuszczalniki były używane z analitycznej klasy odczynnika i świeżo przygotowanej wody destylowanej był używany w całej pracy.

Metody:

Określanie rozpuszczalności: Rozpuszczalność kwasu benzoesowego (S) w roztworze buforowym o różnym pH oceniano metodą miareczkowania kwasowo-zasadowego w temperaturze pokojowej (25 0C). W pracy pobrano 100 ml roztworu buforowego o różnym pH (4,0, 7,0 i 9,0) do różnych zlewek i do każdej z nich dodano po 200 mg kwasu benzoesowego, mieszano szklaną bagietką do uzyskania roztworów nasyconych (część ciała stałego musi pozostać nierozpuszczona). W razie potrzeby roztwory te ogrzewano. Przygotowane roztwory chłodzono w temperaturze pokojowej i pobierano po 5 ml do wcześniej odważonych suchych kolb stożkowych (W1). Kolby stożkowe z 5 ml ponownie zważono (W2) i roztwory te miareczkowano wobec 0,05 N roztworów NaOH (świeżo przygotowanych) używając fenoloftaleiny jako wskaźnika. Punktem końcowym było zabarwienie różowe, a odczyty zapisywano (V). Rozpuszczalność kwasu benzoesowego w g/100 g rozpuszczalnika oznaczono według wzoru opisanego poniżej i porównano rozpuszczalność z wodą destylowaną jako próbą ślepą. Sporządzono wykres zależności rozpuszczalności w g/100 g rozpuszczalnika od roztworów buforowych o różnym pH. Wpływ pH na rozpuszczalność kwasu benzoesowego badano graficznie.

Jeżeli W1= Masa pustej kolby stożkowej

W2= Masa kolby stożkowej z 5 ml roztworu

W3 = Masa roztworu = (W2 – W1) gram

W4= Masa rozpuszczalnika (kwasu benzoesowego) = 0.122 x 0,05 x odczyt z biurety (V)

W5 = = Masa rozpuszczalnika = (W3 – W4)

S = Rozpuszczalność kwasu benzoesowego w g/100 g rozpuszczalnika

= Masa rozpuszczalnika (W4) ×100

Waga rozpuszczalnika (W5)

Określenie współczynnika podziału: Współczynnik podziału przy różnym pH oszacowano metodą miareczkowania kwasowo-zasadowego w kolbie wstrząsowej. W zlewce przygotowano 10-procentowy roztwór kwasu benzoesowego w benzenie (roztwór bb). W czterech różnych rozdzielaczach przygotowano cztery różne roztwory w następujący sposób-

1. 40 ml roztworu buforowego pH 4,0 + 40 ml roztworu bb.
2. 40 ml roztworu buforowego pH 4,0 + 30 ml roztworu bb + 10 ml benzenu.
3. 40 ml roztworu buforowego PH 4,0 + 25 ml roztworu bb + 15 ml benzenu.
4. 40 ml roztworu buforowego pH 4,0 + 20 ml roztworu bb + 20 ml benzenu.

Kolby te wytrząsano na wytrząsarce inkubatora z łaźnią wodną przez 24 godziny w temperaturze pokojowej (25 0C). Wszystkie roztwory pozostawiono na 30 minut na statywie, aby osiągnąć równowagę. Zawierały one dolną warstwę wodną i górną warstwę benzenową. Dolne warstwy wodne z każdej kolby usunięto do suchej zlewki, zatrzymując warstwę benzenową w kolbie rozdzielającej. Odpipetowano 10 ml warstwy wodnej do suchej kolby stożkowej i miareczkowano wobec 0,01 N NaOH używając fenoloftaleiny jako wskaźnika. Punktem końcowym był różowy kolor i ten odczyt został zapisany. Do innej suchej kolby stożkowej odmierzono pipetą 5 ml warstwy benzenu i dodano 10 ml wody destylowanej. Roztwór miareczkowano 0,1 N roztworem NaOH z użyciem fenoloftaleiny jako wskaźnika. Punktem końcowym był różowy kolor i ten odczyt został zapisany. Analogicznie postępowano z roztworem buforowym o pH 7,0 i pH 9,0 oraz z wodą destylowaną jako próbką ślepą. Oszacowanie współczynnika podziału (K) obliczono dla takiego układu za pomocą następującego wzoru-

a) Dla warstwy wodnej stężenie kwasu benzoesowego w molach/litr obliczono poprzez oznaczenie normalności jako równanie 1, 2 i 3.

N1V1 = N2V2 ……………….(1)

Gdzie N1= Normalność warstwy wodnej = Naq

Naq = 0.01 V2 / 10 ……(2)

N2= Normalność NaOH dla miareczkowania = N org = 0.01 N

Naq = Caq ………………(3)

V1 = Objętość pobranej warstwy wodnej = 10 ml

V2 = Objętość zużytego NaOH (odczyt z biurety)

1. Dla warstwy organicznej stężenie kwasu benzoesowego w molach/litr oblicza się poprzez oznaczenie normalności jak w równaniach 4, 5 i 6.

1. b) N3V3 = N4V4 …………(4)

Gdzie N3 = Normalność warstwy organicznej = Norg

Norg = 0,1 V4 / 5 ………(5)

N4 = Normalność NaOH dla miareczkowania = 0.1 N

N org = C org …… (6)

V3 = Objętość pobranej warstwy organicznej = 5ml

V4 = Objętość zużytego NaOH (odczyt z biurety)

1. c) Współczynnik podziału dla układu benzen-woda został określony za pomocą równania 7 w następujący sposób-

K = Caq / Corg 1/2 …. ..(7)

K = Stężenie w warstwie wodnej (CW)

{Stężenie w warstwie organicznej (CO)}1/2

Wykreślono wykres zależności współczynnika podziału (k) od roztworów buforowych o różnym pH. Wpływ pH na K kwasu benzoesowego badano w układzie benzen-woda.10

WYNIKI I DYSKUSJA: Solubilizacja zależy od interakcji rozpuszczalnik-rozpuszczalnik, dysocjacji rozpuszczalnika do postaci jonowej, temperatury, ciśnienia, wiązania wodorowego, stałej dielektrycznej, polarności i niepolarności substancji itp. W tabeli 1 przedstawiono analizę rozpuszczalności kwasu benzoesowego w temperaturze 25 0C. Zaobserwowano, że rozpuszczalność kwasu benzoesowego (S) w wodzie destylowanej wynosiła 0,142 + 0,033 g/100 g wody w temperaturze pokojowej (25 0C) i była maksymalna w neutralnym roztworze buforowym o pH 7,0.

TABELA 1: ANALIZA SOLUBILNOŚCI W 25 °C

Sno.	Rozpuszczalniki	Rozpuszczalność*(S) (g/100 g rozpuszczalnika) (Średnia+SD)
1	Woda destylowana	0.142 + 0,033
2	Roztwór buforowy benzenu pH 4.0	0,153 + 0,012
3	Roztwór buforowy benzenu pH 7.0	0,186 + 0,145
4	Roztwór buforowy benzenu pH 9.0	0,148 + 0,708

* Wynik wyrażony jako (Średnia + SD) (n = 3) w 25 0C

Graficznie na Rys. 1 stwierdzono, że rozpuszczalność w roztworach buforowych pH w środowisku kwaśnym była nieco wyższa niż w pH zasadowym z powodu dysocjacji jonowej.

FIG.1WPŁYW pH NA SOLUBILNOŚĆ

Rozkład kwasu benzoesowego pomiędzy wodą i benzenem po zbadaniu pokazuje, że stosunek CW/CO nie pozostaje stały, ale stosunek CW/CO1/n pozostaje stały. Jest to spowodowane asocjacją dwóch cząsteczek (dimeryzacją|) poprzez wiązanie wodorowe pomiędzy cząsteczkami kwasu benzoesowego w warstwie benzenowej i pozostaniem jako monomer w warstwie wodnej. 11 W tabeli 2 przedstawiono wpływ pH na współczynnik podziału i przeanalizowano, że współczynnik podziału kwasu benzoesowego w układzie benzen-woda wynosił 0,636, a w roztworach buforowych o pH 4,0, pH 7,0 i pH 9,0 wynosił odpowiednio 0,841, 0,624 i 0.589 odpowiednio.

TABELA 2: ANALIZA WPŁYWU pH NA WSPÓŁCZYNNIK UDZIAŁU

S no.	Rozpuszczalniki	Współczynnik podziału (K)
1	Układ benzen-woda	0.636
2	Roztwór buforowy benzenu pH 4,0	0.841
3	Roztwór buforowy benzenu pH 7.0	0.624
4	Roztwór buforowy benzenu pH9.0	0,589

Graficznie zaobserwowano, że współczynnik podziału kwasu benzoesowego w pH kwaśnym był wyższy niż w środowisku obojętnym i zasadowym (Rys. 2).

FIG. 2: EFFECT OF pH ON PARTITION COEFFICIENT

CONCLUSION: It was concluded that study of solubilization and partition coefficient of benzoic acid in different solvents have greater value in preformulation design of any dosage form. Za pomocą tych metod ocenia się stopień dysocjacji lub asocjacji solutu w danym rozpuszczalniku, ilość solutu wyekstrahowanego z jego roztworu, wyznaczanie wzoru kompleksów, wyznaczanie współczynnika rozprzestrzeniania dla preparatu miejscowego, ilość leku dystrybuowanego do krwi i innych płynów ustrojowych itp: Autor dziękuje wydziałowi farmaceutycznemu i bibliotece Siddhant College of Pharmacy, Sudumbare, Pune za udzielenie pomocy i cenne dane.

1. Shargel L, Susanna W i Yu AB: Chapter 10: Physiological Drug Distribution and Protein Binding. Biofarmaceutyka stosowana & Farmakokinetyka..: McGraw-Hill Medical, New York, Edition 6, Vol, II, 2012: 211.
2. Martin A, Swarbrick J and Cammaratu A: Physical pharmacy. verghese publishing house, Bombay, Edition 3, 1991: 303-309.
3. Golan DE, Tashjian AH, Armstrong EJ and Armstrong AW: Chapter 15: General Anesthetic Pharmacology. Principles of Pharmacology: The Pathophysiologic Basis of Drug Therapy. Secondary, Pa.: Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, Edition 2, 2008: 243.
4. Stallman R and Ngan A: Chapter 3: Solidification. Nowoczesna metalurgia fizyczna. Secondary, Elsevier/Butterworth-Heinemann, Amsterdam, Wydanie 8, 2014: 93-120.
5. Machlin ES: Chapter 3: Free Energy and Phase Diagrams. An Introduction to Aspects of Thermodynamics and Kinetics Relevant to Materials Science. Secondary, Elsevier, Amsterdam, Wydanie 3, 2007: 98.
6. GSFA Online Food Additive Group Details: Benzoesany. 2006.
7. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady nr 95/2/WE z dnia 20 lutego 1995 r. w sprawie dodatków do żywności innych niż barwniki i substancje słodzące (Consleg-wersje nie zawierają najnowszych zmian w prawie)
8. Lillard, Benjamin: Praktyczny aptekarz i farmaceutyczny przegląd recenzji. 1919.
9. Experiment 2: Using Bomb Calorimetry to Determine the Resonance Energy of Benzene.
10. Hadkar U.B: A Handbook of Practical Physical Pharmacy and Practical Pharmaceutics, Nirali prakashan, Pune, Edition 7, 2012: 82-87.
11. Hadkar U.B: Physical Pharmacy, Nirali prakashan, Pune, Edition 8, 2007: 252-254.

    How to cite this article:

    Chaurasia G: Effect of acidic, neutral and basic pH on solubility and partition-coefficient of benzoic acid between water-benzene system. Int J Pharm Sci Res 2017; 8(6): 2637-40.doi: 10.13040/IJPSR.0975-8232.8(6).2637-40.

    All © 2013 are reserved by International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research. This Journal licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.

.