cinetica reactiilor paralele
TRANSCRIPT
Universitatea “Ovidius”
Facultatea de Farmacie
Cinetica reactiilor paralele
Indrumator: Prof. univ. dr. SÎRBU RODICA
CONSTANTA1
2012
Cuprins
1. Cinetica reactiilor gemene (jumelate).....................................3
1.a.Reactii paralele la compusii farmaceutici...........................5
2. Cinetica reactiilor concurente sau competitive.......................8
2.a. Reactii paralele competitive in sinteza unor medicamente
................................................................................................10
Bibliografie:...............................................................................15
2
Cinetica reactiilor paralele
Reactiile chimice in care simultan se produc mai multi compusi se numesc in general paralele.
Reactiile paralele pot fi de doua tipuri:
1) Reactii gemene sau jumelate, cand reactantii sunt aceeasi iar produsii sunt diferiti:
A->D; A-> F sau A + B->D; A + B ->F
2)Reactii concurente sau competitive, cand nu toti reactantii sunt comuni:
A+B->D; A+D->F sau A + A->D A + C->F
Reactiile paralele necesita un studiu aprofundat, fiind conditionate de importanta alegerii
conditiilor de desfasurare a reactiei (temperatura, catalizator).
In sinteza de medicamente, existenta reactiilor paralele pot produce neajunsuri mari: pe
de o parte scaderea randamentelor de reactie pentru produsul dorit si pe de alta parte, apar
probleme la separarea compusilor obtinuti care au proprietati fizico-chimice asemanatoare.
3
1. Cinetica reactiilor gemene (jumelate)
Schema reactiei chimice in cazul unui reactant unic este:
(1)
Sau in cazul unui amestec stoechiometric este :
(2)
unde: k si k’ sunt constantele de viteza iar n si n’ sunt ordinele de reactie.
Viteza de transformare a reactantului este suma vitezelor reactiilor gemene:
(3)
Viteza de formare a produsilor este:
4
(4)
Fractiunea de reactant transformat In orice moment in produs de reactie se reda prin
ecuatia urmatoare:
(5)
(6)
Cand n = n ‘(reactia steoechiometrica) avem:
(7)
Sau (8)
Ecuatiile (7) si (8) arata ca produsii de reactie sunt formati in orice moment, In raport dat
de constantele lor de viteza, iar proportia dintre produsi nu depinde de timpul de desfasurare al
procesului global. In aceste cazuri randamentul in produsul dorit nu poate fi marit prin 5
prelungirea timpului de reactie, sau modificarea concentratiei, ci prin activarea unor catalizatori
specifici.
Cand n ≠n' ordinul reactiilor nu este acelasi, atunci fractiunea dintr-un anumit produs
depinde de durata reactiei. Ecuatia (7) se poate integra pentru orice valoare a ordinelor de reactie,
insa functia ce rezulta este mult mai complexa. Pentru exemplificare, daca n = I sj n' = 2 ecuatia
(7) devine:
Sau (9)
Prin integrarea ecuatiei se obtine:
Daca n=l si n'= 3 atunci ec. (7) devine:
1.a.Reactii paralele la compusii farmaceutici
In industria de sinteza a medicamentelor sunt multiple exemple de reactii paralele:
Reactiile de substitute la nucleul aromatic, cum ar fi clorurarea catalitica a toluenului
(cu urme de iod) cand se obtine orto-clortoluen si para-clortoluen.
Reactii de nitrare, reactia dintre fenol si acid azotic, obtindndu-se orto-si para-nitrofenol.
6
Reactii de aditie la dubla legatura ale HCl.
Un alt exemplu de reactii paralele jumelate dupa o cinetica de ordinul 1 il constituie
degradarea in mediu alcalin al trimetadionei, [8].
Trimetadiona sau Trepalul, este un produs cu miros camforat, so!ubil in apa, alcooli si
solvent! obisnuiti. A fost introdus in terapeutica ca anticonvulsivant, utilizat si in
epilepsiile ,,petit mal".
Un alt exemplu este descompunerea in cataliza bazica a prednisolonului ce
decurge ca un proces tipic de reactii paralele, [9]. Prednisolonul este un steroid
7
(glucocorticoid sintetic) cu acjiune antiinflamatoare, indicat in reumatism acut
§i cronic, in poliartrita reumatoida, in forme severe de hepatita acuta virala, in
meningita tuberculoasa, in Ieucemie acuta, in afectiuni inflamatorii si alergice aie
ochiului.
Gunman si Meister, [10], au investigat
degradarea prednisolonului in solujii apoase ce contin drept catalizator NaOH. Procesul se
desfasoara la 35 °C, dupa doua reactii paralele de pseudo-ordin 1. Mecanismul reactiei poate fi
reprezentat dupa schema:
unde: P reprezinta concentratia prednisolonului, A si TV reprezinta
concentratiile produsului acid si respectiv neutru.
Ecuatiile cinetice sunt de pseudo-ordin 1, [9], iar valorile constantelor cinetice ale
reactiilor de degradare in cataliza bazica la 35 °C sunt redate in tabelul 4.1 .
8
Tabelul 1. Constantele cinetice de degradare tn cataliza bazica a prednisolonului
NaOH
normalitate
k ore"1 k,
ore"1
k2
0,01 0,108 0,090 0,018
0,02 0,171 0,137 0,034
0,03 0,233 0,181 0,052
0,04 0,258 0,200 0,058
0,05 0,293 0,230 0,063
2. Cinetica reactiilor concurente sau competitive
Reactiile concurente sau competitive se desfasoara dupa schema:
(10)
Unde reactantii A, B, C au co
Concentratiile initiale a, b, c. Reactia (I) are constanta k ordinul n in raport cu A si
ordinul m in raport cu B. Reactia (II) are constanta k' ordinul n' in raport cu A si ordinul m' in
raport cu C. Vitezele de formare ale produsilor de reactie sunt:
(11)
9
(12)
Gradul de avansare a celor doua reactii concurente este dat de raportul celor doua viteze:
(13)
Ecuatia (13) se poate simplifica, daca se considera cazul n=n' (adica reactiile sunt de
acelasi ordin in raport cu A). In acest caz se separa variabilele si se integreaza separat:
(14)
pentru tn= m '= 1
sau (15)
Pentru m=1 sim’=2 avem:
(16)
10
In general,
(17)
Analizand, se poate concluziona faptul ca reactiile concurente pot degenera in reactii
paralele sau independente, in functie de ce constituienti sunt in exces:
1. daca b>>a si c>>a, adica concentratiile lui B si C raman practice constant, uneori avem:
(18)
Ecuatia este asemanatoare cu cea a reactiilor gemene.
2. daca a>>b si a>>c, adica concentratia lui A ramane practice constanta, atunci:
(19)
In ecuatia (19) se constata transformarea in reactii practice independente.
Din analiza ecuatiei (3), daca se neglijeaza unul din termenii membrului 2, se constata ca in
cazul reactiilor paralele,fie ele gemene,fie ele concurente,cinetica globala este determinate de
reactia mai rapida.
11
2.a. Reactii paralele competitive in sinteza unor medicamente
Un exemplu din practica farmaceutica industriala il constituie cinetica procesului de
clorosulfonare a acetanilidei din sinteza compusului CAS (clorura de acetilsulfanil sau p-acetil
aminobenzensulfonic). CAS-ul constituie materia prima la sinteza industriala a sulfamidelor.
Obtinerea CAS-lui se realizeaza prin actiunea acidului clorosulfonic asupra acetanilidei. Aceasta
este o reactie de substitute care are loc in doua faze:
-in prima faza, acidul clorosulfonic are rol de agent de sulfonare si se formeaza acidul
N-acetilsulfanilic;
-in faza a doua, acidul clorosulfonic are rol de agent de ciorurare si se formeaza CAS-ul, In
aceasta etapa, V. Zotta, [4], sustine necesitatea unui exces de acid clorosulfonic, considerand
procesul reversibil:
Oniscu analizeaza insa atent cinetica procesului de clorosulfonare ce se petrece in sistem
omogen, [7]. El il descrie ca pe un proces bazat pe o serie de reactii paralele competitive si
consecutive care conduc la obtinerea acizilor sulfonici si a sulfoclorurilor. Pe langa aceste
produse se mai formeaza si derivati polisulfonati, produse de oxidare si de substitute in catena
laterala. Aceste produse fiind in cantitati rnici, s-au putut negiija in analiza cinetica. Procesul este
complex,dar notand cu ArH reactiile principale ce au loc,pot fi schematizate astfel:
12
Aceste reactii sunt descries de urmatorul set de ecuatii de viteza:
Unde: v este viteza de reactie, k1, k2, k3, k4, sunt constantele de viteza pentru setul de reactii, CAO
este concentratia initials a acetanilidei, CBO este concentratia initiala a acidului clorosulfonic, Cc0
este concentratia initials a acidului sulfuric, CAS este concentratia momentana a acidului sulfonic,
Csci este concentratia momentana a sulfoclorurii.
Din tratarea cinetica se poate obtine viteza totala de aparitie a acidului sulfonic,v5, care
este redata prin ecutia:
iar a sulfoclorurii, v6, este redata prin ecuatia:
Pana la consumarea intregii cantitati de acetanilida procesele decurg dupa o cinetica de
reactii paralele, in momentul in care toata acetanilida a fost transformata in acid sulfonic si
13
sulfoclorura (CAO=0) primele doua reactii inceteaza (v1 = 0, v2 = 0), si vor continua sa se
desfasoare numai ultimele doua reactii daca se lucreaza in exces de acid clorosulfonic, adica
CBo > 2CAo- In aceasta noua situatie vitezele de acumulare a acidului suifonic si a sulfoclorurii
vor fi:
Pe parcursul proceselor se ajunge la o stare de pseudo-echilibru cand v5 = 0 si v6 = 0 (in
masa de reactie se acumuleaza la inceput acid sulfonic, iar concentratia acestuia scade pe
masura ce creste concentratia in sulfoclorura).
Pentru caracterizarea echilibrului intereseaza raportul concentratiilor sulfoclorurii si a
acidului suifonic, care este determinat de raportul constantelor de viteza a ultimelor doua reactii
din setul studiat:
Aceasta ecuatie descrie distributia calitativa a produselor de reactie in procesul de
clorosulfonare a acetanilidei cu acid clorosulfonic. Pentru a deplasa sistemul spre formarea de
sulfoclorura ( raportul Csci/CAs sa fie mai mare, deci Csa mare) este necesar ca M sa fie mare
(M= CBo/CAo), adica CBo»2CAo, iar acidul clorosulfonic utilizat sa contina cat mai putin acid
sulfuric (CCo-> 0). Practica arata ca pentru diminuarea efectelor nedorite produse de acidul
sulfuric se recomanda adaugarea de anhidrida sulfurica sau de clorura de pirosulfuril. Oniscu
arata ca in analizele cinetice ale proceselor industriale au fost si ecuatii cantitative de calcul a
concentratiei maxime a sulfoclorurii, daca sunt satisfacute anumite conditii si anume:
- raportul M sa aiba valoarea optima;
- temperatura sa asigure inegalitatea k3 >>k4
14
- procesul sa fie optim in momentul atingerii pseudoechilibrului.
Ecuatia cantitativa stabilita de C. Oniscu [7], este:
unde: K = k3/k4, este constanta de pseudoechilibru format.
Randamentul in CAS este influentat de o serie de factori, cum sunt adaugarea de anhidrida
sulfurica sau de clorura de pirosulfuril, raportul M = CBo/CAo, parametrul temperatura. S-au
realizat si reprezentari grafice a procesului de clorosulfonare - vezi figurile 2 si 3. In figura 2
apar pe axa timpului cateva puncte caracteristice si anume:
1) punctul τ1, in care viteza de acumulare a acidului sulfonic se anuleazS, iar viteza de
acumulare a sulfoclorurii este diferita de zero, el corespunde cantitatii maxime de acid sulfonic
format (curba b), in practica se determina greu;
2)punctul τ2, corespunzator transformarii totale a acetaldehidei, nu prezinta importanta in
practica;
3) punctul τ3, corespunde momentului in care in masa de reactie se gaseste cantitatea maxima de
sulfoclorura. Este punctul de pseudoechilibru si de echilibru real, deoarece dupa acest punct
predomina reactia de transformare a sulfoclorurii in acid sulfonic. Pentru practica determinarea
acestui punct (partea hasurata pe grafic) prezinta importanta deosebita deoarece dupa acest timp
se consuma sulfoclorura formata. iar sistemul se deplaseaza spre un echilibru stabil in care se va
gasi acid sulfonic.
15
Fig. 2 vitezele de reactii in procesul de clorosulfoare(I). Curbele cinetice obtinute prin integrarea
grafica(II)
Din figura 3 reiese clar valoarea optima a timpului de reactie(corespunzator conversiei
maxime) depinde de temperature.
Astfel, din analizele cinetice s-a tras conciuzia ca la temperatura de 60+65 °C durata
optima a procesului este de 2 ore, iar randamentul procesului, pentru un raport molar acid
clorosulfonic: acetanilida de 4,5:1, este de 70%. Acest fapt a fost confirmat si in practica.
16
Fig.3 Influenta timpului
de reactie asupra
randamentului in CAS la
25°C(l),40°C(2 )si65°C(3),
Bibliografie:
Rodica Sirbu, Cinetica chimica a compusilor
farmaceutici, Editura Printech, Bucuresti, (2004),
p.113-126
17