La cinética química y la industria farmacéutica

Introducción

El presente trabajo tiene como objetivo comprender del estudio de la cinética química y la industria farmacéutica, para lo cual es necesario realizar un estudio sobre la relación de la cinética química con la industria farmacéutica.

La presencia del tiempo como un factor en la cinética química añade tanto interés como dificultad a esta área de la química.

Como anoté en la introducción, la Industria farmacéutica es el sector dedicado a la fabricación y preparación de productos químicos medicinales para la prevención o tratamiento de las enfermedades.

Otros preparados pueden chuparse como los dulces ó caramelos, tomarse oralmente (como los jarabes) ó administrarse en forma de inhalaciones con aerosoles dosificados, de gotas para la nariz, oídos u ojos, ó de cremas, pomadas y lociones aplicadas sobre la piel.

Algunas empresas también fabrican anestésicos y medios de contraste utilizados para visualizar estructuras corporales mediante rayos X ó resonancia magnética nuclear (RMN).

No en vano una gran parte de la producción de la industria farmacéutica corresponde a vacunas.

De esta manera presentamos este trabajo la relación que guarda la cinética química y la industria farmacéutica.

DESARROLLO DEL TEMA

LA CINETICA Y LA INDUSTRIA QUIMICA

La cinética química o llamada también cinética de las reacciones esta estudia las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas .Las aplicaciones de la cinética son múltiples .En la síntesis industrial de sustancias , las velocidades de reacción son tan importantes como las constantes de equilibrio .Las velocidades de reacción son fundamentales en el funcionamiento de los organismos vivos .Los catalizadores biológicos controlan el funcionamiento de un organismo acelerando ciertas reacciones .En suma , para comprender y predecir el comportamiento de un sistema químico, deben considerarse conjuntamente la termodinámica y la cinética .

Cinética química

CONCEPTO:

Es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general (Difusión, ciencia de superficies, catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; el área química que permite indagar en las mecánicas de reacción se conoce como dinámica química.

Estudia las velocidades de las reacciones químicas los factores que determinan la velocidad y el mecanismo que incluyen cambios de enlaces covalentes como no covalentes

Los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan de los productos de reacción de los catalizadores los medios disolventes de la temperatura y todos los demás variables pueden afectar a la velocidad de reacción

OBJETIVO DE LA CINETICA QUIMICA:

Es medir las velocidades de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relacionen la velocidad de una reacción con variables experimentales.

Se encuentra experimentalmente que la velocidad de una reacción depende mayormente de la temperatura y las concentraciones de las especies involucradas en la reacción. En las reacciones simples, sólo la concentración de los reactivos afecta la velocidad de reacción junto con la temperatura, pero en reacciones más complejas la velocidad también puede depender de la concentración de uno o más productos. La presencia de un catalizador también afecta la velocidad de reacción; en este caso puede aumentar su velocidad. Del estudio de la velocidad de una reacción y su dependencia con todos estos factores se puede saber mucho acerca de los pasos en detalle para ir de reactivos a productos. Esto último es el mecanismo de reacción.

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 reacción heterogénea depende del área de una superficie ya sea la de las paredes del vaso o de un catalizador sólido. En este capítulo se discuten reacciones homogéneas.

Velocidad de reacción

Cuando se produce una reacción química, las concentraciones de cada uno de los reactivos y productos va variando con el tiempo, hasta que se produce el equilibrio químico, en el cual las concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes.

La velocidad de una reacción es la derivada de la concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo tomada siempre como valor positivo.

Es decir, es el cociente de la variación de la concentración de algún reactivo o producto por unidad de tiempo cuando los intervalos de tiempo tienden a 0.

Ecuación de velocidad

En general, la velocidad depende de las concentraciones de los reactivos siguiendo una expresión similar a la siguiente para la reacción estándar:

Es importante señalar que "m" y "n" no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos "a" y "b", sino que se determinan experimentalmente.

A la constante "k" se le denomina constante de velocidad (No confundir con KC o KP)

Mecanismos de reacción. Molecularidad

La reacción: H2 (g) + I2 (g) ? 2 HI (g), cuya ecuación de velocidad tiene la forma: v = k [H2] [I2], es una reacción elemental (que sucede en una sola etapa) y para que suceda es necesario el choque de dos moléculas (una de H2 y otra de I2). Se dice que es una reacción "bimolecular".

Se llama molecularidad al número de moléculas de reactivos que colisionan simultáneamente para formar el complejo activado en una reacción elemental. Se trata de un número entero y positivo. Así hablamos de reacciones unimoleculares, bimoleculares, trimoleculares, etc… Generalmente, en reacciones elementales, coincide con el orden de reacción. Sin embargo, existen casos en los que no coinciden, como las reacciones de hidrólisis en los que interviene una molécula de agua ya que al ser [H2O] prácticamente constante la velocidad es independiente de ésta.

Es raro que una reacción intervenga más de tres moléculas, pues es muy poco probable que chocan entre sí simultáneamente con la energía y orientación adecuadas.

Por dicha razón, la mayoría de las reacciones suceden en etapas. El conjunto de estas etapas se conoce como "mecanismo de la reacción". Las sustancias que van apareciendo y que no son los productos finales se conocen como "intermedios de reacción".

La velocidad de la reacción dependerá de las sustancias que reaccionen en la etapa más lenta. Ejemplo de mecanismo de reacción :

Teoría de las colisiones. Energía de activación (EA)

El número de moléculas de productos es proporcional al número de choques entre las moléculas de los reactivos. De éstos, no todos son efectivos, bien porque no tienen la energía necesaria para constituir el "complejo activado", (asociación transitoria de moléculas muy inestable, porque su energía es mayor a la de reactivos y productos por separado, pero por el cual debe transcurrir necesariamente la reacción), o bien porque no tienen la orientación adecuada.

La energía de activación es la necesaria para formar el "complejo activado", a partir del cual la reacción transcurre de forma natural.

• 1. FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA.

Existen varios factores que afectan la rapidez de una reacción química: la concentración de los reactivos, la temperatura, la existencia de catalizadores y la superficie de contactos tanto de los reactivos como del catalizador. Los catalizadores pueden aumentar o disminuir la velocidad de reacción.

·      Naturaleza de las sustancias.

·      Estado físico.

·      Superficie de contacto o grado de pulverización (en el caso de sólidos)

·      Concentración de los reactivos.

·      Temperatura.

·      Presencia de catalizadores.

TEMPERATURA

Por norma general, la rapidez de reacción aumenta con la temperatura porque al aumentarla incrementa la energía cinética de las moléculas. Con mayor energía cinética, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia y con más energía.

donde K es la constante de la rapidez, A es el factor de frecuencia, EA es la energía de activación necesaria y T es la temperatura, al linealizarla se tiene que el logaritmo neperiano de la constante de rapidez es inversamente proporcional a la temperatura, como sigue: ln(k1 / k2) la hora de calcular la energía de activación experimentalmente, ya que la pendiente de la recta obtenida al graficar la mencionada ley es: -EA/R, haciendo un simple despeje se obtiene fácilmente esta energía de activación, tomando en cuenta que el valor de la constante universal de los gases es 1.987cal/K mol. Para un buen número de reacciones químicas la rapidez se duplica aproximadamente cada diez grados centígrados.

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.

Al encontrarse los reactivos en distintas fases aparecen nuevos factores cinéticos a analizar. La parte de la reacción química, es decir, hay que estudiar la rapidez de transporte, pues en la mayoría de los casos estas son mucho más lentas que la rapidez intrínseca de la reacción y son las etapas de transporte las que determinan la cinética del proceso.

No cabe duda de que un mayor área de contacto reduce la resistencia al transporte, pero también son muy importantes la difusividad del reactivo en el medio, y su solubilidad, dado que este es el límite de la concentración del reactivo, y viene determinada por el equilibrio entre las fases.

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.

Existen catalizadores homogéneos, que se encuentran en la misma fase que los reactivos (por ejemplo, el hierro III en la descomposición del peróxido de hidrógeno) y catalizadores heterogéneos, que se encuentran en distinta fase (por ejemplo la malla de platino en las reacciones de hidrogenación).

Los catalizadores también pueden retardar reacciones, no solo acelerarlas, en este caso se suelen conocer como retar dantes o inhibidores, los cuales impiden la producción.

Los catalizadores no modifican la entalpia, la entropía o la energía libre de Gibbs de los reactivos. Ya que esto únicamente depende de los reactivos.

CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS

La mayoría de las reacciones son más rápidas en presencia de un catalizador y cuanto más concentrados se encuentren los reactivos, mayor frecuencia de colisión.

Si los reactivos están en disolución o son gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea su concentración, más alta será la velocidad de la reacción en la que participen, ya que, al haber más partículas en el mismo espacio, aumentará el número de colisiones.

El ataque que los ácidos realizan sobre algunos metales con desprendimiento de hidrógeno es un buen ejemplo, ya que este ataque es mucho más violento cuanto mayor es la concentración del ácido.

La obtención de una ecuación que pueda emplearse para predecir la dependencia de la rapidez de reacción con las concentraciones de reactivos es uno de los objetivos básicos de la cinética química. Esa ecuación, que es determinada de forma empírica, recibe el nombre de ecuación de rapidez.

De este modo, si consideramos de nuevo la reacción hipotética la rapidez de reacción "r" puede expresarse como 

Los términos entre corchetes son las molaridades de los reactivos y los exponentes m y n son coeficientes que, salvo en el caso de una etapa elemental no tienen por que estar relacionados con el coeficiente estequiométrico de cada uno de los reactivos. Los valores de estos exponentes se conocen como orden de reacción.

Hay casos en que la rapidez de reacción no es función de la concentración, en estos casos la cinética de la reacción está condicionada por otros factores del sistema como por ejemplo la radiación solar, o la superficie específica disponible en una reacción gas-sólido catalítica, donde el exceso de reactivo gas hace que siempre estén ocupados todos los centros activos del catalizador.

PRESIÓN

En una reacción química, si existe una mayor presión en el sistema, ésta va a variar la energía cinética de las moléculas. Entonces, si existe una mayor presión, la energía cinética de las partículas va a aumentar y la reacción se va a volver más rápida; al igual que en los gases, que al aumentar su presión aumenta también el movimiento de sus partículas y, por tanto, la rapidez de reacción es mayor. Esto es válido solamente en aquellas reacciones químicas cuyos reactantes sean afectados de manera importante por la presión, como los gases. En reacciones cuyos reactantes sean sólidos o líquidos, los efectos de la presión son ínfimos.

LUZ

La luz es una forma de energía. Algunas reacciones, al ser iluminadas, se producen más rápidamente, como ocurre en el caso de la reacción entre el cloro y el hidrógeno. En general, la luz arranca electrones de algunos átomos formando iones, con lo que aumenta considerablemente la velocidad de reacción.

Véase también: Principio de Le Châtelier

ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

En 1888, el químico sueco Svante Arrhenius sugirió que las moléculas deben poseer una cantidad mínima de energía para reaccionar. Esa energía proviene de la energía cinética de las moléculas que colisionan. La energía cinética sirve para originar las reacciones, pero si las moléculas se mueven muy lento, las moléculas solo rebotarán al chocar con otras moléculas y la reacción no sucede.

Para que reaccionen las moléculas, éstas deben tener una energía cinética total que sea igual o mayor que cierto valor mínimo de energía llamado energía de activación (Ea). Una colisión con energía Ea o mayor, consigue que los átomos de las moléculas alcancen el estado de transición. Pero para que se lleve a cabo la reacción es necesario también que las moléculas estén orientadas correctamente.

La constante de la rapidez de una reacción (k) depende también de la temperatura ya que la energía cinética depende de ella. La relación entre k y la temperatura está dada por la ecuación de Arrhenius:

Donde A es el factor de frecuencia de la materia prima con la presión.

Industria química

Son sectores empresariales que están constituidas pòr organizaciones publicas y privadas dedicadas ala investigacion,desarrollo, fabricación y comercialización de medicamentos para la salud humana .para la prevención de enfermedades y alteraciones producidas por el organismo de los seres vivos .La gran parte de las industria farmacéutica se encarga de la fabricación de fármacos dosificados como pastillas y capsulas; etc.

Y también se encarga de fabricar productos químicos de productos primarios mediante métodos colectivamente como producción secundaria. Analiza y estudia relativamente la importancia de la cinética química y la relación que existe entre la industria farmacéutica ya que con esta se determina la velocidad de reacciones en el organismo de los seres vivos.

Aplicación de la cinética química en la industria farmacéutica y la industria alimentaria

La aplicación de la cinetica química se realiza en diferentes actividades en las que existe una reacción química. Por ejemplo en la síntesis de productos como el ácido sulfúrico, ácido nítrico y otros. Así como también en los productos farmacéuticos ejemplo en la larifinacion de petróleo y petroquímica.

Otras de sus aplicaciones es en el medio ambiente, las aguas naturales adquieren su composición que está controlado por los principios termodinámicos del equilibrio químico y de la cinética

Los procesos utilizados en la industria alimentaria , es un factor importante en la condiciones de vida y en soluciones que nos permitan preservar los alimentos en largos periodos utilizando adecuadamente la aplicación de sustancias químicas en nuestros alimentos tales como la congelación , el enfriamiento ,pasteurización, secado, ahumado y otros .

Utilización de catalizadores en procesos de interés industrial

La mayoría de los procesos industriales utilizan catalizadores sólidos. Estos sólidos, de composición altamente compleja (en ocasiones llegan a tener 10 o más elementos en su fórmula), pueden ser sin embargo descritos en forma de tres componentes elementales: la fase activa, el soporte y el promotor.

La fase activa, como su nombre lo indica, es la directamente responsable de la actividad catalítica. Esta fase activa puede ser una sola fase química o un conjunto de ellas, sin embargo, se caracteriza porque ella sola puede llevar a cabo la reacción en las condiciones establecidas. Sin embargo, esta fase activa puede tener un costo muy elevado, como en el caso de los metales nobles (platino, paladio, rodio, etc.) o puede ser muy sensible a la temperatura (caso de los sulfuros de molibdeno y cobalto), por lo cual se requiere de un soporte para dispersarla, estabilizarla y proporcionarle buenas propiedades mecánicas.

El soporte es la matriz sobre la cual se deposita la fase activa y el que permite optimizar sus propiedades catalíticas. Este soporte puede ser poroso y por lo tanto presentar un área superficial por gramo elevada.

El promotor es aquella sustancia que incorporada a la fase activa o al soporte en pequeñas proporciones, permite mejorar las características de un catalizador en cualquiera de sus funciones de actividad, selectividad o estabilidad.

Investigación y ensayos clínicos

La innovación prosigue su veloz curso a medida que la investigación básica en universidades, hospitales y laboratorios, financiada tanto por contribuciones de la industria como por otras fuentes, realiza nuevos descubrimientos sobre los tejidos y órganos de los seres vivos.

En la actualidad la investigación de los laboratorios de las compañías farmacéuticas centra su interés en el hallazgo de tratamientos mejorados para el cáncer, las enfermedades del sistema nervioso central, las enfermedades virales como el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA), la artritis y las enfermedades del aparato circulatorio.

El descubrimiento de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN) a principios de la década de 1950 hizo posible el desarrollo de nuevas técnicas que han llevado a la producción de prostaglandinas, interferón, nuevas vacunas, el factor de coagulación sanguínea y muchos otros compuestos bioquímicos complejos que antes eran difíciles ó imposibles de fabricar.

Los directivos de las compañías farmacéuticas comprenden plenamente la importancia de la ingeniería genética para el desarrollo de nuevos fármacos en la actualidad y en el futuro.

El uso de animales vivos en la investigación médica es fuente de polémica. Aunque los farmacólogos han desarrollado y siguen desarrollando técnicas para evitar su uso, los animales vivos (fundamentalmente ratas y ratones) siguen siendo cruciales para muchos procedimientos. Los organismos de control médico insisten en que se deben utilizar dos especies distintas para comprobar la posible toxicidad de una nueva sustancia antes de conceder el permiso para comenzar ensayos clínicos.

La primera fase de estos ensayos implica la cooperación voluntaria de personas sanas que reciben un breve tratamiento del nuevo fármaco. Si no aparecen problemas, el organismo oficial que otorgó la autorización permite el inicio de la segunda fase de los ensayos, en la que unos pocos asesores especializados prueban el producto con un grupo seleccionado de pacientes. Basándose en sus recomendaciones, la compañía puede solicitar permiso para llevar a cabo la tercera fase de los ensayos, de carácter más amplio. Si esta última fase produce resultados satisfactorios, se solicita la autorización del fármaco. En algunos casos es necesario repetir un procedimiento similar en aquellos países donde se quiera comercializar.

Generalmente los ensayos se llevan a cabo en hospitales, donde es posible organizar ensayos denominados 'de doble ciego'. Los pacientes se dividen en dos ó tres grupos. Uno de ellos recibe el fármaco que se quiere probar, otro recibe un placebo (una sustancia inactiva) y a veces un tercer grupo recibe otro producto con el que se quiere comparar el nuevo fármaco. Los tres compuestos se presentan de forma que ni el paciente ni el médico puedan diferenciarlos.

Sólo el farmacéutico del hospital sabe qué grupo recibe cada compuesto y no divulga los resultados hasta el final del ensayo, cuando los médicos hayan evaluado los resultados clínicos. En el caso de medicinas para animales, se realizan ensayos similares que son llevados a cabo por veterinarios.

En la actualidad la mayoría de los gobiernos occidentales considera que un requisito para la producción y distribución de fármacos seguros y eficaces es que la industria farmacéutica continúe en manos de la empresa privada. Otro requisito es el establecimiento de organismos gubernamentales de vigilancia compuestos por expertos y con poderes para conceder o negar la autorización a las compañías farmacéuticas para comercializar sus productos, según criterios de calidad de los mismos y seguridad para los pacientes. Estos organismos de control son los responsables de impedir abusos ó irresponsabilidades por parte de los fabricantes, con lo que reducen la posibilidad de que aparezcan peligros para la salud y se produzcan desastres como el de la talidomida.

MODO DE ACCION DE LOS FARMACOS

Ciertos fármacos funcionan por interacción con los receptores, lugares especiales en la superficie de las células del cuerpo. Los fármacos pueden unirse a un receptor específico, impidiendo que las sustancias químicas se unan con normalidad al receptor. De ese modo, si un fármaco intensifica la actividad celular, se llama agonista; si bloquea la actividad celular, se llama antagonista.

FARMACOLOGIA

Farmacología, ciencia de la interacción entre las sustancias químicas y los tejidos vivos.

Si la sustancia química es ante todo beneficiosa, su estudio se llama terapéutica; si ante todo es perjudicial, su estudio se denomina toxicología. En cualquier caso, la farmacodinámica define cómo se absorbe el material en el organismo, dónde actúa, cuál es su efecto, y cómo se metaboliza y elimina.

Los farmacólogos establecen la clasificación terapéutica de los fármacos, es decir, el beneficio relativo que proporcionan frente a su toxicidad a dosis diferentes.

Esto ayuda a definir la dosis de un fármaco que más beneficiará a una persona enferma. También estudian cómo afectan las distintas situaciones a la excreción del fármaco. Por ejemplo, muchas drogas se metabolizan con más lentitud en los ancianos, por lo que es necesario administrarlas con menor frecuencia.

Debido a que muchos fármacos se excretan por el riñón, quienes sufren enfermedades renales pueden presentar una alteración de la excreción del fármaco.

Los médicos especializados en farmacología se llaman farmacólogos clínicos.

Los farmacéuticos que desempeñan su labor en un hospital también están especializados en farmacología, y asesoran a los médicos sobre el uso adecuado de los fármacos.

Conclusión

Después de estudiar detalladamente esta investigación llegamos a las siguientes conclusiones:

• La cinética química estudia la velocidad de reacción.

• Es necesario conocer la velocidad de reacción para la fabricación de fármacos.

• La fabricación de medicamentos no se llevaría a cabo sin el estudio de la química.

• Las industrias farmacéuticas aplican la cinética química en sus laboratorios especializados.

• Los profesionales farmacéuticos investigan más aplicaciones de la cinetica química.

• La química es una ciencia muy importante para la medicina y en especial para la industria farmacéutica.

• La Industria Farmacéutica no puede existir sin la química. Van ligadas de la mano.

• Cabe resaltar el interés de muchas personas por lograr cada día avances en el descubrimiento de químicos que ayudan a la farmacología para lograr la prevención y la sanidad de muchas enfermedades.

• Es importante conocer que los estudios siguen progresando a gran carrera, para desarrollar químicos que puedan -en un futuro, ojalá no muy lejano-, lograr curar enfermedades tan mortales como las que hoy vemos: El Cáncer, El SIDA, sólo por citar algunas.

• Resalto muchísimo a las Empresas Farmacéuticas que creen y dan apoyo a todas esas personas que dedican su tiempo en la investigación. Sin ellas, no podría el investigador lograr llegar a su meta, porque necesita mucho apoyo económico para lograrlo.

Bibliografía

Gilbert W. Castellan Pearson Educación, 1987 – 1057

Fisicoquimica, 6ta Edicion – Peter William Atkins.

Fisicoquímica Vol. 1, 5ta Edición – Ira N. Levine.

LINKOGRAFIA

http://es.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tica_qu%C3%ADmica

http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/concurso2005/06/quimbach/apuntes_cinetica.pdf

http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/ArchivosHTML/Teo_3_princ.htm

http://www.ing.unp.edu.ar/asignaturas/quimica/teoria/cinetica.pdf

Autor:

Dery Veronica Barrantes Pacori

CIENCIAS DE LA SALUD

FARMACIA Y BIOQUIMICA

UNIVERSIDAD ANDINA NESTOR CACERES VELASQUEZ