Universitatea OvidiusFacultatea de Farmacie

Cinetica reactiilor fotochimice

cu aplicatii in Farmacie si Cosmetica

P r o f e s o r c o o r d o n a t o r :P r o f e s o r u n i v e r s i t a r d r . S îrbu Rodica

Cinetica chimica studiaza conditiile in care au loc reactiile chimice, viteza cu care acestea se desfasoara si factorii care influenteaza viteza de reactie. Reactiile chimice se pot desfasura in sisteme:

omogene - aceeasi stare de agregare pentru componentii sistemului de reactie; eterogene - stari de agregare diferite pentru substantele amestecului de reactie.

            Factorii care influenteaza viteza de reactie sunt diferiti, in functie de sistemul de reactie omogen sau eterogen.

In sistemele omogene viteza de reactie este influentata de: concentratie, temperatura, presiune(in sisteme gazoase).In sistemele eterogene un rol hotarator il au: suprafata de contact dintre substantele reactante si modul in care se produce difuzia substantelor rezultate din reactie.

Atat in sistemele eterogene, cat si in sistemele omogene viteza de reactie este influentata si dealti factori:

·           Natura reactantilor - influenteaza practic tipul de desfasurare a reactiei chimice;

Catalizatorul – actioneaza asupra mecanismului de reactie si asigura o noua cale de desfasurare a reactiei, de energie mai joasa; catalizatorul se regenereaza la un moment dat in cadrul mecanismului de reactie.

Pentru reactia:        R    P                                              

viteza de reactie (vr) reprezinta variatia concentratiei reactantilor (R) sau a produsilor de reactie (P) in unitatea de timp:

   [ ]                                   

            Conventional, viteza de reactie raportata la reactanti este negativa deoarece concentratia acestora scade in timp, iar cea raportata la produsii de reactie este pozitiva, deoarece concentratia lor creste in timp.

O reactie chimica poate decurge intr-o singura etapa sau intr-o serie de etape succesive. Aceasta serie de reactii se numeste mecanism de reactie. Viteza unei reactii chimice este determinata de etapa cea mai lenta a mecanismului de reactie. Variatia finita a concentratiei reactantilor sau produsilor de reactie, Δc intr-un interval de timp Δt reprezinta viteza medie de reactie:

                                                                        (2.3)

Daca Δt este foarte mic se obtine viteza instantanee sau viteza la un moment

dat:                                                                                             (2.4)

Pentru determinarea vitezei de reactie este suficient sa se urmareasca variatia in timp a concentratiei unei singure substante din sistemul de reactie.

Pentru o reactie chimica izolata, de tipul:

aA + bB cC + dD                                                                     (2.5)

dependenta vitezei de reactie de concentratie, la temepratura constanta este

data de legea vitezei:                                                        (2.6)

unde, k - reprezinta constanta de viteza, iar exponentii ,   reprezinta ordinele partiale de reactie si pot fi numeric egali cu coeficientii stoechiometrici, a si b(molecularitatea).

Ordinul total de reactie, n, este dat de relatia:           (2.7)

iar molecularitatea, m, este data de relatia:                             (2.8)

         Pentru reactiile complexe,   si   difera de coeficientii stoechiometrici a si b. In cazul reactiilor cu  mecanism complex, in expresia vitezei de reactie pot aparea chiar si substante care nu participa direct la reactia chimica, asa cum sunt solventii.

 Ordinul de reactie este o marime formala care se determina experimental din masuratori de viteza de reactie. El poate fi zero, un numar intreg sau un numar fractionar.

Fotochimia

Se ocupa cu studiul reactiilor fotochimice.Acestea sunt reactii declansate subactiunea luminii.Cinetica fotochimica se ocupa cu masurarea vitezelor cu care descurg reactiilefotochimice sub actiunea cuantelor de lumina in domeniul vizibil si ultraviolet.Radiatiileluminoase au energii comparabile cu energiile legaturilor chimice din molecula,de aceeaabdorbtia lor se face selective.In general,in fotochimie energia de activare este asigurata deabsorbtia unui foton in domeniul vizibil(λ=760+400nm) si ultra violet(λ=400+0,6nm).

 O reactive fotochimica este gurvernata de legile fotochimiei:Legea lui Grotthus-Draper-:”numai radiatiile absorbite de sistemul reactant conduc latransformari chimice”

 Legea lui Bunsen-Roscoe-:”efectul fotochimic este constant pentru o valoare data produsului dintre intensitatea luminii si timpul de expunere”sau o exprimare cantitativa a legii este data de ecuatia : m=K I t sau I1t1-I2t2=It=const

unde: m este cantitatea de produs de ractie,I este intensitatea luminii absorbite(fotoni/s),t este timpul de iradiere.

Legea Stark-Einstein-“La tranzitia unei molecule din starea electronic fundamental intr -o stare electronic excitata este necesara absorbtia unui singur foton”. A=hv=A* unde:A este molecula ce sufera tranzitia,h este constanta lui Planck,h=6,626x10-34 Js,v este frecventa luminii care provoaca excitarea electronic, hv=energia unui foton.

Excitarea molecule se face in accord cu principiul lui Franck-Condon:”tranzitia electronului este atat de rapida(10-15s)in comparatie cu miscarea nucleelor(10-12),incat in timpul acestei tranzitii nucleele nu isi modifica sensibil pozitiile lor relative sau energiile lor cinetice”. Procese fotochimice primare si secundare

In domeniul vizibil sau ultraviolet,la absorbtia unui foton se produc atat procesefotofizice cat si procese fotochimice.Molecula excitata,posedand un surplus de energie (energiacuantei absorbite),este nestabila.Ea va parcurge fie procese de stabilizare prin reactii chimice,fie procese de dezactivare fizica.Procesele fotochimice sunt clasificate in:

Procese primarece cuprins toate etapele incepand cu absorbtia fotonului si terminand cutransformarea lor in molecule excitate.

Procese secundarecare cuprind toate procesele termice suferite de moleculele excitate in procesul primar.Ele apar imediat dupa absorbtia fotonului.Eficienta acestor procese se exprima fie prin randamentul cuantic primar,fie prin randamentul cuantic total.

Randamentul cuantic primar este definit prin urmatorul raport:numarul de molecule transformate/numarul de fotoni absorbiti de molecule=1unde numerele de molecule se refera la unitatea de volum si la unitatea de timp.Experimental,insa,se masoara un randament cuantic total.El poate avea fie valori supraunitare(cum este cazul reactiilor in lant),fie valori subunitare(cum este cazul reactiilor inverse sau efectului de cusca).Randamentul total da informatii asupra proceselor ce au loc.Practic,el se poate determina prin doua metode:

O metoda pur fizica,care consta in masurarea variatiei concentratiei in raport cu numarul de reactanti si cu numarul de fotoni absorbiti.

O metoda chimica bazata pe utilizarea actinometrului chimic.De obicei se foloseste actinometrul cu ferioxalat de potasiu sic el cu oxalate de uranil pentru care se cunosc randamentele cuantice si permit evaluarea intensitatii de lumina absorbita.

Mecanismul reactiilor fotochimiceProcese monomoleculare 

Pentru explicitarea mecanismului luam in considerare o reactive simpla

monomoleculara,ce decurge astfel: A — 1abs----A*(excitarea)

A*-----k 1---- Produsi (reactia)

A*-------k d-----A (dezactivarea)

Pentru moleculele excitate,aplicam aproximatia starii stationare.Considerand intensitatea luminii absorbite Iabs,data de ecuatia:

Iabs=(k 1+k d)[A*]

Procese fotofizice de dezactivare ale starii excitate

Procesele fizice de dezactivare ale starii excitate se pot produce in doua moduri:

Prin procese monomoleculare radiative,insotite de emisie de lumina Prin procese monomoleculare neradiative,cu degajare de caldura,sau bimoleculare,prin ciocniricu o alta substanta prezenta in sistem.Dezactivarea radiativa se realizeaza prin procese ce contribuie la stabilirea sau chiar stingereaintensitatii de lumina emisa de specia exictata de starea i. Dintre procesele relative fac parte:

Fluorescenta, cand se produce o tranzactie electronic dintr-o stare excitata de singlet, S4,prinemisia spontana a unui foton, ajungand intr-o stare de singlet de joasa :A*-> A0+hvIn fluorescent nu se modifica multiplicitatea starilor. Ea apare la reactiile fotochimice ce au loc lagaze, la presiuni joase, cand intervalul dintre ciocniri intermoleculare este relative lunga. Lafluorescent lumina emisa are o frecventa mult mai mica sau cel mult egala cu lumina care aexcitat procesul.

Fosforescenta, cand tranzactia elecronica se produce dintr-o stare excitata de triplet, T1.In acest caz de schimba multiplicitatea starilor, ceea ce face ca regula de selectie a tranzactiilor electronice sa nu mai fie respectata, realizandu-se o intersectie de stari.Datorita nerespectarii regulii de selectie, probabilitatea de producer a emisiei defosforescenta este mai mica decat prin fluorescenta.

Procesele neradiative competitive cu emisia de luminescent, sunt datorate urmatoarelor tipuri detranzitii :

Tranzitie intre stari de aceeasi multiplicitate, denumita conversie interna IC ( internalconversion).

Tranzitie intre stari de multiplicitate diferita, ISC , ce se produce cu incrucisare de stari (intersystem crossing).In figura 1.1 sun prezentate procesele de dezactivare monomoleculara :

1.1Procese de fo to l i za in t ramo le cu la re

1 .2Curbe  c ine t i ce  p t reac t i i   f o toch im ice

Determinarea constantelor de viteza pentru procesele foarte rapide de dezactivaremonomoleculara se poate realize prin metoda fotolizei fulger.

Dezactivarea prin procese chimice bimoleculareCele mai frecvente procese bimoleculare de dezactivare sunt cele cu transfer de energie prin ciocnire, (de schimb). Pentru aceste tipuri de procese este valabila schema urmatoare , undeB este acceptor de energie.Din tratarea cinetica a ecuatiilor (11.4 si 11.6),luandu-se in considerare pentru ecuatia (11.6) atatdezactivarea radiativa cat sic ea neradiativa ,se obtine ecuatia Stern-Volmer.

10/I(A)=I+kSπA*[B]

Reprezentarea grafica a ecuatiei din fig 1.2 arata ca la inceputul reactiei pana la timpul t1.in domeniul valorilor mari ale absorbantelor reactia decurge cu o cinetica de ordinal zero,iar catre sfarsitul reactiei peste timpul t2,la valori mai mici ale absorbantei.cinetica este de ordinal 1in raport cu componentul care se urmareste.Pe intervalul intermediar ordinal de reactive esteintre 0 si 1.Randamentul cuantic de reactie ρi,este integrabil pentru un interval de timp. Se constata ca valorile randamentului cuantic diferential si integral coincid numai in cazulreactiilor fotochimice simple.De exemplu ,pentru reactia de izomerizare ireversibila:A*--hv->B cand molecula A*,excitata in starea de singlet.se transforma in izomerul B.Ecuatiile deduse pe baza unei tratari cinetice corespunzatoare proceselor fotochimice,arata ca dependent atat a vitezei de reactie cat si a

randamentului cuantic,deconcentratia ambilor component A si C.Este evident ca randamentul cuantic diferential este egal cu cel integral numai cad A si Cse gasesc in concentratii foarte mari,iar limita maxima este egal cu unitatea:Ρ P =QP =I  Practica arata ca reactiile fotochimice sunt in general cam de aceleasi tipuri ca si reactiiletermice :

fotoizomerizarefotoaditiefotosubstitutiefotolizafotoreducerefotooxidarefotosinteza,fotopolimerizare,etc

Cinetica reactiilor fotochimice a substantelor medicamentoase

React i i   fo tochimice d i recte  O reactive fotochimica directa poate urma o cinetica de ordinal 1daca se produce insolutie diluata cu absorbanta optica cu valori mici,cum sunt reactiile de degradare.Reactiile dedegradare fotochimicca pot da multe substante medicamentoase.Practic reactiile se desfosoara inmai multe etape ,care pot fi elucidate printr-o studiere atenta a factorilor care sunt implicati.Astfel ,numarul mediu de fotoni care sunt absorbiti in unitatea de volum pe unitatea de timp.Iλ  este proportional cu fractiunea luminii absorbite de system FS λ si cu fractiunea luminii absorbitede substanta chimica FC λ:   I λ=I λ,0( A/V)Fs, λFc λ  Unde I λ0 reprezinta intensitatea luminii incidente,A este aria suprafetei iradiate iar Vestevolumul celulei.Daca se ia in consideratie absorbanta,A λ,la lungimea de unda λ si se expliciteazaexpresiile pentru fractiunile luminii absorbite de system,FSλ si ale luminii absorbite de substanta chimica ,FCλ,se poate scrie ecuatia diferentiala a unui process de degradare fotochimica

 Aceasta ecuatie este valabila pentru o reactive fotochimica directa a unei substantemedicamentoase dizolvate intr-un solvent pur.Daca in procesul de degradare fotochimica directasunt implicate mai multe reactii,ecuatia devine:  - ∑i (d(c)/dt)=∑i λ,k d,i [C] 

Unde:k d,I reprezinta constanta de viteza a procesului de degradare directa.In solutii apoase,pentru mai multe substante, se constata ca randamentul cuantic esteindependent de lungimea de unda a radiatiei care produce reactia fotochimica directa.Rezulta ca degradarea fotochimica este o reactive de ordinal 1.In cazul in care alaturi de substanta medicamentoasa se regasesc dizolvate si altesubstante,daca Solutia are absorbanta optica A λ<0.02,cinetica foto-degradarii este tot de ordinal1.Daca insa intervin fenomene de difuziune in solutie, care modifica intensitatea radiatieiluminoase micsorand-o , fotodegradarea medicamentului nu mai este de ordinal 1.

Reactii fotochimice sensibilizate

In cazul reactiilor fotochimice sensibilizate a unui sistem farmaceutic.nu substantamedicamentoasa absoarbe radiatia luminoasa cu o lungime de unda data, λ.Cele care absorb suntsubstantele ajutatoare,sau impuritatile prezente in produsul medicamentos.Ele devin astfel particule excitate care apoi transfera energia castigate moleculelor de substanta medicamentoasacare sufera transformarea chimica.Practic si in acest caz, se constata ca procesul de disparitie prin reactive fotochimicasensibilizara a substantei medicamentoase din sistem urmeaza tot o cinetica de ordinal 1( d(c)/dt ) λ=k abs [C] 

Au fost studiate o gama mare ( peste 100 ) de substante medicamentoase care suntsensibilizate la lumina ,cum sunt de exemplu:tranchilizantele (clorpromazina) , diazepamul ,nitrazepamul , hidrocortizona , adrenalina , morfilina , atropine , codeine, apomorfima ,metrotexat , tamoxifen,etc.Studii cinetice interesante au fost realizate de exemplu asupra vitaminei B12care expusamai intai la soare,apoi la lumina artificial si in final la raze UV, determinandu-se pierderea devitamina pe ora.S-a constatat ca intensitatea luminii solare distruge vitamina B12in proportie de 34% in 2ore.Alte exemple de degradari fotochimice sunt: riboflavin care sufera fotodegradari sifotooxidari, ca si tetraciclina care da fotooxidari rapide.Unele substante medicamentoase produc prin fotodegradare compusi toxici,iar acest fapt poatedetermina reactii adverse la administrarea lor.Alaturi de reactii de fotodegradare sunt cunoscute si alte procese fotochimice cum sunt:

Sinteza hidratilor de carbin si CO2si  H2O,posibila numai in prezenta clorofilei care prezinta maxime de absorbtie la 450nm(albastru) si 650nm( rosu). Clorofila joaca rolulde fotostabilizator.

Rodospina din retina, care absoarbe fotoni din domeniul vizibil si intervine in procesulvederii.

Formare vitaminei DProcesul de provocare a cancerului pielii prin expunerea excesiva la soareIradierea ergosterolului in procesul de fotosintezaFotooxidarea tetraciclinelor a fost investigate de Wiebe si MooreFotodegradarea clorhidratului de clorpromazina a fost studiata de  Felmeister si

Dicher.

Bibliografie:Cinetica chimica a compusilor farmaceutici-Rodica Sirbu