Introducción
La cinética química se encarga del estudio del cambio que a su vez se ve reflejado en la ciencia farmacéutica, ya que es una ciencia que estudia, el cómo obtener un determinado producto bajo condiciones apropiadas.
Las reacciones se pueden clasificar cinéticamente en Homogéneas y Heterogéneas, la primera ocurre en una fase y la segunda en más de una fase.
La cinética química viene siendo relacionada con el ámbito farmacéutico debido a que gracias a estos cambios se obtiene un producto fármaco químico con fines terapéuticos. Su fundamento es la investigación y desarrollo de productos químicos medicinales para prevenir o tratar las diversas enfermedades y alteraciones.
OBJETIVO:
Permitir que el lector entienda la importancia de esta ciencia en diferentes campos con mayor énfasis para la transformación de sustancias farmacéuticas con fines terapéuticos.
Medir la velocidad de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relación en la velocidad de una reacción con variables experimentales.
Cinética química y la industria farmacéutica
Es la determinación experimental de la rapidez de las reacciones y depende de la concentración, temperatura, efecto de los catalizadores, naturaleza de los reactivos y superficie de reactivos.
VELOCIDAD DE REACCION
La velocidad de una reacción se expresa como el cambio en la concentración de los reactivos con el tiempo.
Uno de los factores más importantes es la concentración de los reactivos. Cuantas más partículas existen en un volumen, mas colisiones hay entre las partículas por unidad de tiempo. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den colisiones entre las moléculas, y la rapidez es mayo. A medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de colisión y con ella la rapidez de la reacción.
La medida de la rapidez de la reacción implica la medida de la reacción de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la rapidez de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, o bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo.
LA LEY DE LA RAPIDEZ DE FORMACION ES LA SIGUIENTE.
ORDEN DE REACCION:
Reacciones de orden cero:
El orden de reacción específica y la dependencia empírica de la rapidez con las concentraciones puede ser cero, un número fraccionario. Se puede usar la ley de rapidez para determinar la concentración de los reactivos en cualquier momento durante el trascurso de la reacción.
L n CA = – K t
Reacciones de primer orden:
Es la velocidad de la reacción que depende solo de la concentración del reactivo, elevado a la primera potencia.
[A]= [A]0 e – k t
Vida media de una reacción:
Se define como el tiempo que trascurre para que la concentración del reactivo disminuya a la mitad de su valor original.
La vida media de una reacción de primer orden es independiente de la concentración inicio.
[A] / M
Reacciones de segunda orden.
Existen dos tipos:
En el primero solo hay un reactivo. El segundo implica dos reactivos diferentes. El primer tipo se representa por la reacción general.
Existen varios factores que afectan la rapidez de una reacción química:
Temperatura: la aplicación de calor para aumentar la velocidad de una reacción química es un procedimiento habitual de laboratorio. En 1889 Arrhenius observo que la variación de la constante de velocidad de las reacciones químicas con la temperatura podía expresarse por:
K=Ae[-E/RT]
Estado físico de los reactivos: Si en una reacción interactúan reactivos en distintas fases, su área de contacto es menor y su rapidez también es menor. En cambio, si el área de contacto es mayor, la rapidez es mayor.
Presencia de un catalizador: Los catalizadores aumentan o disminuyen la rapidez de una reacción sin transformarse. Suelen empeorar la selectividad del proceso, aumentando la obtención de productos no deseados. La forma de acción de los mismos es modificando el mecanismo de reacción, empleando pasos elementales con mayor o menor energía de activación.
Catálisis: El termino catalizador se refiere a las sustancias que aceleran la velocidad de la reacción.
Cuando el catalizador no aparece en la ecuación de la reacción es porque se regenera en el transcurso de la reacción. El catalizado aumenta la velocidad de la reacción de vida a que disminuye la energía de activación.
Los catalizadores se clasifican en:
HOMOGENEOS: el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos.
HETEROGENEOS: El catalizador se encuentra en una fase diferente de la de los reactivos
MOLECULARIDAD DE UNA REACCION:
La reacción global es la suma de varias etapas o pasos, cuya secuencia se denomina mecanismo de reacción. El conocimiento del mecanismo de una reacción permite saber cómo se aproximan entre si las moléculas durante una colisión, se rompen y se forman los enlaces químicos, como se trasfieren las cargas y lo que sude cuando se aproximan las moléculas de los reactivos.
Ejemplos:
Aquí apreciamos un pequeño ejemplo:
PRODUCCIÓN DE LACTITOL, PRODUCTO DERIVADO DE LA LACTOSA
Alternativa viable para aprovechamiento del suero de queso.
Este poliól se obtiene a través de la hidrogenación catalítica de lactosa y muy usada en la industria química, alimenticia y farmacéutica, debido a ventajas tales como su bajo poder calórico, no cariogénico y es apto para diabéticos.
En el esquema presentado a continuación, se describen las etapas de adsorción, reacción química y desorción, representando el mecanismo que involucra interacción en sitios activos (S) vecinos, con formación de productos.
Siendo L, OL, H2, S, H2.S, L.S y OL.S representan, respectivamente, las especies lactosa, lactitol, hidrógeno, sitios libres y sitios ocupados del catalizador.
La cinética de cada reacción heterogénea, que incluye etapas de adsorción, desorción y reacción química, se identifican con los modelos del tipo Langmuir-Hinshelwood. Para las cuatro etapas presentadas con anterioridad, las velocidades de adsorción, desorción y reacción son destacadas a continuación:
Siendo kn y k.n las constantes de velocidad de adsorción, desorción y reacción, y ?L, ?H2 y ?ol las fracciones de sitios ocupados por los componentes de la reacción.
Desarrollando los balances molares para cada especie presente en el sistema de reacción se obtiene, para lactosa:
Para el H2 enlazado al sitio:
Siendo [L.S], [OL.S] y [H2.S] las concentraciones de sitios ocupados, respectivamente, por las especies lactosa, lactitol e hidrógeno.
El modelo matemático fue desarrollado basándose en el sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDOs) formado por las ecuaciones. Se admiten cinéticas de reacción, dadas por las ecuaciones anteriores. Las condiciones iniciales del sistema de EDOs son dadas acorde consideraciones presentadas a continuación. La reacción ocurre a partir de una concentración inicial dada de lactosa:
CL(0) = CL¡ (14)
Se admite que la concentración inicial de lactitol es igual al valor experimental inicial:
Col(0) = Col¡ (15)
La concentración inicial de hidrógeno fue calculada basándose en la concentración de gases reales:
Siendo P la presión del gas en el sistema, la cual es mantenida constante, T la temperatura de reacción, que también es constante, Z es el factor de compresibilidad del H2 y R es la constante universal de los gases.
Para resolver el modelo matemático propuesto, a partir de las condiciones iniciales presentadas, se implemento un código en Fortran y se empleó el método de Runge-Kutta de 4° orden. Los parámetros cinéticos del modelo (k1/k-1, k2/k_2, k3, k4/k-4) fueron evaluados minimizando la suma de los cuadrados de la función objetivo, presentada a continuación:
Siendo nexp es el número de datos experimentales; CL es la concentración de lactosa; Col es la concentración de lactitol. Los índices sobrescritos "exp" y "cale" representan, respectivamente, los datos experimentales y los valores calculados por el modelo. Para minimizar la función objetivo (Fo), se empleó el método estocástico basado en enjambre de partículas (Particle Swarm Optimization -Pso), propuesto por (Kennedy et. al., 1995).
Hidratación alrededor del anión y posteriormente se favorece la interacción del anión con el catalizador.
Además, con bajos valores de pH hay una tendencia al aumento en la densidad de cargas positivas en la superficie del catalizador y bajo éstas condiciones, la adsorción en metales es dificultada debido a la competencia con los iones H+. Con el aumento del pH, la densidad de carga negativa de la superficie del adsorbente aumenta, resultando en una menor repulsión electrostática entre la superficie y el ion metálico, así como hay un decrecimiento en la competencia entre el protón y el metal por el mismo grupo funcional y, en consecuencia, aumentando la adsorción.
Hidrogenación de la lactosa con Mo2C y pH = 3,5.
Hidrogenación de la lactosa con Mo2C y pH = 8,0
Hidrogenación de la lactosa con Mo2N y pH = 4,5
Hidrogenación de la lactosa con Ni-Mo/C y pH = 7
Además, con el objetivo de evaluar la influencia de los iones cloruros y de las proteínas en la actividad del catalizador, se hidrogenaron catalíticamente muestras de suero bruto y muestras de suero desproteinizado (con un 26,11% de proteínas residuales) y desalinizado (con un 21,3 % de iones cloruros residuales presentes en la fase líquida), en presencia del Ni-Mo/C, siguiendo la misma metodología empleada para la solución de lactosa. En las Figuras se presentan los resultados de la conversión de la lactosa del suero en lactitol con valores experimentales y calculados por el modelo cinético.
Desalinizado Esa reducción puede ser atribuida, en principio, a la presencia de proteínas e iones cloruros remanentes que ocupan áreas activas, conduciendo a una reducción de la actividad del catalizador. Constantes cinéticas de adsorción, desorción y reacción.
Valores de los parámetros del modelo cinético.
Siendo:
1 – Mo2C (pH 3,5) 2- Mo2C (pH = 8,0) 3- Mo2N (pH = 4,5) 4-Ni-Mo/C – Lactosa (pH = 7). 5- Ni-Mo/C – suero de queso bruto (pH = 6,3). 6- Ni-Mo/C – suero desproteinizado (pH = 6,5).
Se observa a través de la constante cinética k1 empleando el carburo Mo2C, que el pH del medio reactivo influye significativamente en la adsorción de la lactosa en la zona catalítica. La adsorción se favorece en pH básico, reflejando también en la fuerte adsorción y mayor consumo de H2 (mayor valor de k2) en la zona catalítica es decir, que aumentando el pH de reacción, aumenta la adsorción de lactosa en la superficie del catalizador, aumentando la velocidad de reacción y aumentando el consumo de hidrógeno.
NOMENCLATURA
C = Concentración (mmol/L). EP (%) = porcentaje de extracción de proteínas k1, k2 = constante de adsorción (L/min.g) k3 = constante de producción de lactitol (mmol/min. g) k4= constante de desorción (L/min. g) mcat = masa del catalizador (g). P = presión (atm). r = tasa de reacción (mmol/g.min). ST = concentración de zonas. t = tiempo (minuto). V = volumen (Litro). ? = sitio catalítico.
Bibliografía
Fisicoquímica ……………………………………………… Raymond Chang
Fisicoquímica…………………………………………………..Jorge Raúl Valdeigleias J.
Autor:
Delia Flores