溶质溶解度表达方式及溶质-溶剂相互作用机制

Solubility Expressions and Mechanisms of Solute Solvent Interactions

2020年4月17日Ankur Choudhary (noreply@blogger.com)AI 专业翻译
作为一种定量性质,物质的溶解度由其在该温度下饱和溶液中的浓度决定;而作为一种定性性质,溶解度被视为分子之间产生均匀分子分散的必然相互作用结果。溶解过程是一个外在属性,受到多种化学、物理和晶体学因素的影响,包括配位作用等复杂因素。 粒径化合物的溶解度受多种因素影响,包括水分含量、温度、压力、pH值以及其他的化学和物理性质。为了提高溶解度,可以对化合物的固态性质或制剂配方进行调整和优化。

在平衡状态下,药物最稳定的晶体形式能够在给定温度和压力下溶解于一定体积的溶剂中。当系统达到能量最低的状态时,就处于热力学平衡。固体的平衡溶解度仅取决于其溶液状态与其最低能量晶体形式之间的作用力平衡。

溶解度表达方式

溶度的测量方法有很多种。根据《美国药典》(USP)的定义,药物的溶解度表示为每单位溶质所需的溶剂量。此外,溶解度还可以通过摩尔浓度(molality)、摩尔浓度(molarity)以及溶剂的百分比来量化。如表所示,溶解度被分为七类。欧洲药典(EP)则提供了六类分类(而没有将药物分为“实际不溶”的类别)。

溶剂-溶质相互作用

正如药剂师所知,水是盐、糖及类似化合物的优良溶剂,而石油则常用于溶解那些几乎不溶于水的物质。“相似相溶”这一原则很好地概括了这些实验观察结果。

极性溶剂

药物的溶解度在很大程度上取决于其所溶解溶剂的极性,即溶剂的偶极矩。具有极性的溶剂能够溶解离子型溶质和其他极性物质。因此,水可以以任意比例溶解糖类和其他多羟基化合物;然而,仅凭偶极矩是无法解释为什么极性物质能够溶解在水中的。此外,酸性或碱性成分也会从路易斯电子供体-受体相互作用的角度影响溶液中的具体溶解过程。与偶极矩相比,氢键对溶质的溶解性起着更为重要的作用。

作为液体,水能够溶解酒精、醛类、酮类、胺类以及其他含有氮和氧的化合物,这些化合物能够与水形成氢键。正如我们已经提到的,溶解度是由物质分子中非极性基团与极性基团的相对比例决定的。在脂肪族醇中,随着非极性链的长度增加,该化合物在水中的溶解度会降低。当单羟基醇、醛类、酮类或酸中的碳原子数超过四个或五个时,它们就无法穿透水的氢键结构。当像丙二醇、甘油或酒石酸这样的水溶性分子中加入极性基团时,其溶解度会显著提高。如果碳链被分割,非极性效应会减弱,从而增加在水中的溶解度。然而,正丁醇在20°C时的溶解度约为8克/100毫升水,而叔丁醇则可以以任意比例溶解于水中。

非极性溶剂

非极性溶剂(如碳氢化合物)与极性溶剂的不同之处在于其分子结构。非极性溶剂的介电常数较低,因此它们无法减弱强电解质和弱电解质中离子之间的吸引力。由于这些溶剂属于非质子性溶剂,它们既不能使弱电解质离子化,也不能破坏共价键,也无法与非电解质形成氢键。非极性溶剂几乎不溶解离子型或极性溶质,或者只能微弱地溶解它们。通过诱导偶极相互作用,非极性化合物本质上只能溶解具有相似结构的非极性化合物。分子间的排斥力阻止了溶质分子进入溶液。所有这些溶剂都能溶解油脂和脂肪,例如四氯化碳、苯和矿物油。非极性溶剂也适用于溶解生物碱类物质和脂肪酸。

半极性溶剂

在非极性溶剂分子(如苯)中,半极性溶剂可以赋予这些分子一定的极性,从而使它们能够溶解在半极性溶剂分子(如酮类和醇类)中。通常,半极性化合物作为中间溶剂使用,可以消除非极性液体的极性,使其具有互溶性。例如,丙酮有助于提高醚在水中的溶解度。Loran和Guth研究了水与蓖麻油的混合物作为中间溶剂的效果。研究表明,薄荷油与丙二醇的结合可以增强这两种物质的互溶性。同样的研究也针对苯甲酸苄酯和水进行了。

液体在液体中的溶解度

一种药物溶液通常需要两种或更多种液体来达到其所需的特性。例如:各种酒精溶液可以通过混合水和酒精来制备;将挥发油加入水中可以制成芳香水;酒精和挥发油混合可以制成烈酒和酏剂;多种固定油可以被加入乳液、喷雾剂和药膏中。根据这些液体之间的相互溶解性,液-液系统可以分为两类:完全互溶和部分互溶。当两种成分都能完全溶解在彼此中时,这种液-液系统就属于完全互溶的类别。

完全互溶

被视为完全互溶的溶剂,例如水和酒精、甘油和酒精以及酒精和丙酮,被认为是极性和半极性的,因为它们可以以任意比例混合。除了苯和四氯化碳之外,这些溶剂都是非极性的,并且能够完全互溶。

部分互溶性

当加入醚或苯酚后,某些液体混合体会形成两层液体。另一种液体的一部分以溶解分子的形式存在于每一层中。需要再次强调的是,部分互溶液体的相互溶解度会受到温度的影响。一旦苯酚和水达到它们的临界溶解温度(或固溶温度),它们的相互溶解度就会变得相同,此时形成的正常相分离的温度被称为“均匀温度”。

我们知道,某些液体混合物的溶解度可能会随着温度的降低而增加。在这个系统中,两种成分能够以任意比例混合的温度范围会存在一个上限和下限,低于这个范围时会出现两层分离的现象;而另一种类型的液体混合物(如尼古丁和水)则会在不同的温度下达到溶解平衡,这些温度分别位于较低和较高的范围内,还存在一个中间温度区间,在这个区间内两种成分只能部分混合。最后一种类型的溶液没有所谓的“临界溶解温度”。例如,乙醚和水在高温和低温下都是不溶的;当这两种液体在任何温度下混合时,只有极少量的混合物能够溶解。


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