1

เอกสารประกอบค าสอน วชาเคมฟสกส (Physical Chemistry) SC1121 ภาคการเรยนท 2 ปการศกษา 2561

อาจารย ดร. ภก. กตตพงศ สทธสนธ PhD (Pharmaceutical Science Research)

MSc (Analytical Chemistry) ภบ (เภสชศาสตร)

พนผว (surface) ของสสารในสถานะของแขงหรอของเหลวมความสาคญตอสมบตและกระบวนทางเคม (properties and chemical process reaction) สวนใหญการศกษาเคมพนผวในปจจบนนยมศกษาในสถานะของแขง โดย ลกษณะเฉพาะ (specificity) และความวองไวในการเกดปฏกรยา (rate of chemical reaction) ของพนผวของแขงพจารณาไดจากโครงสรางของผลก (lattice structure of crystal) หรอ ผวของผลกทอยในสงแวดลอมทตางกน ซงมผลตอสมบตทางกลศาสตรเคมและไฟฟาของสสาร (mechanical chemistry and electrochemistry) จากความเขาใจพนฐานในเรอง โครงสรางของแขง ศกยพลงงานพนผว การจดเรยงตวของพนผว สมบตพนผวของผลกและอนภาคบนพนผว รวมถงเรองของแรงตงผวในของเหลวซงเปนความรพนฐานของเคมพนผวในของเหลวทไดเคยกลาวไวในบทท 1 มากอนหนา จะทาใหนสตไดเขาใจถงความสาคญของเคมพนผวทม เพอสามารถนาไปประยกตใชในทางเภสชกรรมตอไป

การศกษาการดดซบโมเลกลบนพนผวเปนสงสาคญททาใหเกดความเขาใจกระบวนการทางเคม พนผว เชน ปฏกรยาคะตะไลซส (Catalysis reaction) ทพนผวมกระบวนการตางๆ ทเปนวฏจกร คอ การแพรของสารตงตนไปยงตาแหนงทวองไวบนพนผว (Active surface) การดดซบของสารตงตนบนพนผว ปฏกรยาทพนผวทเกดการดดซบ (Surface reaction) การคายของผลตภณฑตางๆจากพนผว และการแพรของผลตภณฑออกจากพนผว นอกจากกระบวนการดดซบตองคานงถงกระบวนการคายโมเลกลทถกดดซบดวยเพอศกษาผลการดดซบของโมเลกลนนๆบนพนผว คานยามทสาคญในการศกษาการดดซบโมเลกลบนพนผวของเอกสารน มดงน

1) ซบสเตรต (Substrate) บางครงเรยกวาตวดดซบ (Absorbent) หมายถง พนผวของแขง (หรอของเหลว) ทเกดการดดซบอะตอมหรอโมเลกลของสารตางๆ

2) ตวถกดดซบ (Adsorbate) หมายถง อะตอมหรอโมเลกลของสารตางๆ ทถกดดซบบนพนผวของซบสเตรต

2

3) การดดซบ (Adsorption) หมายถง กระบวนการทอะตอมหรอโมเลกลของสารตางๆ ถกดดซบบนพนผวของซบสเตรต

4) การปกคลม (Coverage) หมายถง การตรวจวดการดาเนนไปของการดดซบของอะตอม หรอโมเลกลตางๆ บนพนผวของซบสเตรต

5) การสมผส (Exposure) หมายถง การตรวจวดปรมาณแกสบนพนผวทสงเกตได ซงเปน ผลคณของความดนและเวลาในการสมผส (หนวยปกตจะเรยกวา ลงมวร (Langmuir, L) ซง 1 L มคา 10-6 Torr/s)

กระบวนการดดซบโมเลกลบนพนผว วธการศกษากระบวนการดดซบทาไดโดย ใชเทคนคทางสเปคโทรสโกปทเหมาะสม ยกตวอยาง เชน เทคนคอนฟาเรดสเปกโทรสโกป (Infrared Spectroscopy, IR) โดยพจารณาจากความถทเกด จากการสนของพนธะในซบสเตรตหรอตวดดซบ เทคนคอลตราไวโอเลตโฟโตอเลกตรอนสเปกโทรสโกป (Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) ใชตดตามการเปลยนแปลงของความเขมและพลงงานในออรบทลของวาเลนซอเลกตรอน (Valence orbital) ของซบสเตรตหรอตวดดซบ โดยการดดซบโมเลกลบนพนผวแบงออกเปน 2 ประเภท คอ

1) การดดซบทางกายภาพ (Physical adsorption) หมายถง การดดซบทเกยวของกบแรงแวนเดอรวาลส (Van der Waals) ซงเปนแรงแบบออนๆ ซงจะไมเกยวของกบการเปลยนแปลงความหนาแนนของอเลกตรอนทงในโมเลกลของตวถกดดซบหรอทพนผวของซบสเตรต

2) การดดซบทางเคม (Chemical adsorption) หมายถง การดดซบทเกยวของกบพนธะทางเคมซงเกยวของกบการจดตวใหมของความหนาแนนของอเลกตรอน ทเกดจากการสรางพนธะระหวางโมเลกล ตวถกดดซบ และพนผวของซบสเตรต โดยธรรมชาตของพนธะทางเคมน จะเกยวของกบลกษณะความเปนไอออนค (Ionic character) หรอลกษณะความเปนโควาเลนต (Covalent character)

จากความรพนฐานในบทท 1 ในสวนของผลกของแขง โครงสรางผลก รปราง การจดเรยงตวรปแบบตางๆของผลก และอนๆ รวมไปถงแรงตงผวของของเหลว สงเหลานคอเคมพนผวซงมความสาคญอยางมากกบคณสมบตทางกายภาพและเคมของสาร ซงจะมบทบาทสาคญมากและมผลกระทบในทางเภสชกรรม ดงตวอยางตอไปน

1. การตงตารบยาทเหมาะสม (Recipe formulation; Physical and chemical properties of matter influencing Pharmaceutical ingredients selection)

เพอเลอกตวยา และสารเตมแตงทางยาใหเหมาะสมกบตารบ หมายถงเมอทราบคณสมบตทางเคมและฟสกสของสาร ทจะนามาใชในทางเภสชกรรม ทงสารสาคญในตารบ (active pharmaceutical ingredients, APIs) และสารเตมแตง (additives or drug excipients) มผลตอการเลอกใชสารทเหมาะสมตามตองการทางเภสชตารบ ซงหมายความถงการตงตารบยา เชน รปรางผลกของสารททาหนาทชวยไหล (glidants) ในการเตรยมผงยาเพอใชผสมในตารบยาเมดและแคปซลหรอตอกเปนเมดยา ตองมความสามารถในการไหลทด ไมทาใหผงยาและสารอนๆตดกน จงจะทาใหไดความสมาเสมอของตวยาในตารบทมสวนประกอบของสารมากมายได นนคอรปรางตองไมเปนอปสรรคตอการกลง หรอมรปผลกทไหลไดด เปนตน

3

2. ความคงตวของตารบยาเตรยมหรอเภสชภณฑ (Stability of recipe or pharmaceutical preparations)

ในตารบยาเตรยมรปแบบตางๆทงยาผง ยาเมด ยานา ยาแขวนตะกอน ยาของกงแขงกงเหลว ยาฉด ยาพน และยารปแบบอนๆ ความคงตวของตวยา และสารอนๆในตารบเกดจากปฏกรยาเคมทเกดขน เคมพนผว เชน ตวเรงปฏกรยา (catalyst) ทอาจมอยในตารบยาตางๆนนจะเปนสาเหตทาใหตวยาสลายตว หรอเกดปฏกรยาเคมกบสารอนแลวทาใหมการเปลยนแปลงไปของสารเกดเปนสารใหม และจะมผลตอลกษณะทงกายภาพและเคมของตารบยานนๆทนท ทาใหตารบยานนเสอมเสยสภาพไป เชน มส กลน รสชาต และลกษณะทวไปเปลยนแปลงไป ยานาอาจตกตะกอน แยกชน หรออนๆ นอกจากนยงมผลกระทบตอปรมาณตวยาสาคญทเปลยนแปลงไปอกดวย

3. ฤทธการรกษาหรอเภสชวทยาทเปลยนแปลงไปหรอเกดพษและสงทไมตองการ (Therapeutic changing effects and toxicity or undesired effects)

ผลกระทบทตามมาจากปฏกรยาเคมในขอ 2 อาจทาใหตวยาสาคญลดลงหรออาจเกดสารใหมขนซงมผลตอการรกษาของยานนหรออาจเกดพษขนไดในทกๆตารบยาเตรยมหรอเภสชภณฑ กรณปรมาณสารสาคญหรอตวยาทออกฤทธลดลงมผลตอการรกษาของยานน ทาใหการรกษาดวยยานนของตารบยานไมมประสทธภาพตามตองการ หรอกรณหรอเกดพษหรอเกดสงทไมตองการขน จะทาใหเกดอนตรายตอผปวยอยางมากและอาจทาใหเสยชวตได

4. การพฒนารปแบบระบบการขนสงยาเพอใหไดยาเตรยมและเภสชภณฑรปแบบใหม (Drug delivery system development for novel pharmaceutical products)

ปจจบนนตารบยาเตรยมรปแบบตางๆทงยาผง ยาเมด ยานา ยาแขวนตะกอน ยาของกงแขงกงเหลว ยาฉด ยาพน และยารปแบบอนๆทมอยมการพฒนาไปมาก การใชระบบขนสงยาเขาสรางกายและอวยวะเปาหมายโดยตรงในมนษย จะทาใหไดรบตวยาสาคญไดอยางรวดเรว มประสทธภาพ ลดความเสยงตอผลขางเคยงของยาได เคมพนผวมบทบาทสาคญ เชน Nanotechnology เปนการใชวทยาการใหมพฒนาอนภาคของสารในระดบทเลกมากๆ (เสนผานศนยกลางอนภาคในระดบ 10-9 meter, nanoparticles) ทาใหเกดเภสชภณฑรปแบบใหมๆเพอใชในการนาพาหรอขนสงสารสาคญหรอตวยาไปสอวยวะเปาหมายไดโดยตรง เปนตน

4

โมเลกลขนาดใหญ (Macromolecule)

ความหมาย คอ โมเลกลขนาดใหญของสารทมมวลโมเลกลเกนกวา 10,000 ขนไป เชน โมเลกลของโปรตน โมเลกลของพอลเมอรบางชนด เปนตน ดงนน พอลเมอรจงเปนสวนหนงของ macromolecule

พอลเมอร (Polymer) ความหมาย มาจากรากศพทกรกสาคญ 2 คา คอ Poly (จานวนมาก) และ Meros (สวน หรอ หนวย)

พอลเมอรเปนสารโมเลกลขนาดใหญ (Macromolecule) พอลเมอรจะประกอบไปดวยหนวยซากน (repeating unit) ของมอนอเมอร (Monomer) หลายๆหนวยมาทาปฏกรยากน มอนอเมอรนจดเปนสารไมโครโมเลกล (Micromolecule) ชนดหนง พอลเมอรทประกอบดวยหนวยยอยหรอมอนอเมอรชนดเดยวกนทงหมด จดเปนโฮโมพอลเมอร (Homopolymer) แตถามมอนอเมอรตางกนตงแต 1 ชนดขนไป จดเปนโคพอลเมอร (Copolymer) สารบางอยางทมสมบตอยางพอลเมอร เชน สารพวกไขมนทมแตละหนวยทไมซากนนนจะเปนเพยงแคสารแมคโครโมเลกลเทานน ไมจดเปนพอลเมอร

พอลเมอรทเปนทนยมใชมากทสดคอพลาสตก ซงเปนคาทใชอางถงกลมของวสดธรรมชาตและสงเคราะหกลมใหญทมคณสมบตและการใชงานตางกน พอลเมอรมทงทเกดเองในธรรมชาต (Natural polymer) และพอลเมอรสงเคราะห (Synthetic polymer) ตวอยางของโพลเมอรธรรมชาต ไดแก ขนสตว ไหม ยางธรรมชาตและอาพนเปนตวอยางสาหรบวสดพอลเมอธรรมชาต เซลลโลส (cellulose) เปนอกพอลเมอรธรรมชาตทสามารถพบไดในไมและกระดาษ โพลเมอรชวภาพ (biopolymer) ทพบในระบบของสงมชวตไดแก โปรตน (polyamides) กรดนวคลอก (polynucleotides) และคารโบไฮเดรต แปง สวนพอลเมอรสงเคราะห เชน พลาสตก เสนใย โฟม และกาว พอลเมอรสงเคราะหทเปนทรจกกนด ไดแก นโอพรน (neoprene), ไนลอน (nylon), พวซ (PVC), พอลสไตรน (polystyrene), พอลอครโลไนไตรล (polyacrylonitrile) และพวบ (PVB) พอลเมอรทงสองชนดนเขามามบทบาทมากในชวตประจาวน เราตองใชประโยชนจากพอลเมอร และพอลเมอรแตละชนดมสมบตตางกน จงนาหนาทหรอนาไปใชงานทตางกนได

พอลเมอรสงเคราะหในปจจบนมการประยกตใชในอตสาหกรรมเกอบทกชนด พอลเมอรมการใชในการยดเกาะและการหลอลนอยางกวางขวาง เชนเดยวกบการใชเปนโครงสรางตงแตของเดกเลนจนถงยานอวกาศ พอลเมอรเชน พอลเมทลเมทาครเลต (polymethylmethacrylate) ทใชในกระบวนการโฟโตเรซส (photoresis) ในอตสาหกรรมกงตวนา และสารไดอเลกทรกโปแทสเซยมตา (dielectric potassium) สาหรบใชในคอมพวเตอรสมรรถนะสง ปจจบนยงมการพฒนาพอลเมอรทยดหยนไดสาหรบอเลกทรอนกส

5

ประโยชนในทางเภสชกรรมพอลเมอรมความสาคญมากในหลายสวน เชน มการใชพอลเมอรเปนยาทางชวภาพ (biological medicine) ใชในฐานะเปนตวขนสงยา (drug delivery system) ในสงมชวต ใชเปนวสดในการเปนบรรจภณฑสาหรบเภสชภณฑ (packaging) เชนขวดพอลเมอรใชบรรจยานา ยาเมด กระบอกยาฉด (polypropylene, polycarbonate) ถงบรรจนาเกลอ (polyvinyl chloride) vial ทใชบรรจยาบางชนดทาจาก polystyrene จกยาฉดททาจากยางชนดตางๆ บรรจภณฑในรปแผง (strip หรอ blister) ซงเปนการ laminate ของ polyethylene กบ aluminium หรอ cellophane เปนตน

นอกจากนในแงของการเปนองคประกอบในตารบยาหรอเภสชภณฑนน พอลเมอรถกนามาใชไดหลายรปแบบ ดงจะไดกลาวในรายละเอยดตอไป

ความแตกตางระหวางพอลเมอรกบโมเลกลขนาดใหญนนเกดขนจากขอเทจจรงทวา พอลเมอรเปนอนภาคหรอสวนประกอบของโมเลกลขนาดใหญ (macromolecule) โดยแมคโครโมเลกล เปนโมเลกลขนาดใหญมากทมนาหนกโมเลกลสง Macromolecules สามารถแบงออกเปนสองประเภทหลกตามโครงสรางของมน บางสวนมโมเลกลโพลเมอร และบางสวนเปนโมเลกลทไมท าปฏกรยา พอลเมอรเกดขนจากปฏกรยา พอลเมอไรเซชน (polymerization reaction) ของโมเลกลขนาดเลกซงเรยกวาโมโนเมอร (monomer)

สมบตของพอลเมอรแตกตางกนไปขนอยกบโครงสรางและชนดพนธะของโมเลกล การเตมโพลเมอรมกเกดขนระหวางพนธะคคารบอน - คารบอน (carbon-carbon bonding) นอกจากนยงมระบบเปดแหวน (opened ring system) ตวอยางเชน โพลเมอรไวนล (vinyl polymer) เปนตน

สารละลายโมเลกลขนาดใหญมกจะมลกษณะทสาคญดงตอไปน

1. มความหนดสง (High viscosity) เปนททราบดวา สารโมเลกลขนาดใหญมกจะมมวลโมเลกลสง โครงสรางมกจะประกอบดวยโครงสรางพนฐานซาๆกนทเรยกวา polymers ดงทกลาวมา เมอละลายในตวทาละลายไดแลว โดยเฉพาะอยางยงถาเปนนา โมเลกลของสารจะอยใกลชดกนมาก และมแรงดงดดระหวางกนมาก ทาใหมผลเดนชดวาจะมความหนดสง

2. มความโปรงใส (Transparent) เนองจากการเตรยมสารละลายโมเลกลขนาดใหญนนคอการละลายของสารในตวทาละลาย ถาตวถกละลายละลายไดหมดในตวทาละลาย ไมวาจะใชวธใดๆในการชวยละลาย กลายเปนสารละลายเนอเดยว (homogeneous) สารละลายทไดจะมความโปรงใส เพราะอนภาคของตวถกละลายเมอละลายแลวจะมขนาดเลกมากเกนกวาตามนษยจะสามารถมองเหนได

3. มคณสมบตเปนคอลลอยด (Colloidal property) ขนาดอนภาคของสารโมเลกลขนาดใหญจะอยระหวาง 10-7 ถง 10-4 cm ทาใหอนภาคของโมเลกลขนาดใหญดงกลาวนนลอยกระจดกระจายอยในตวทาละลาย (disperse) แตขนาดเลกเกนกวาสายตามนษยจะมองเหนได เมอผานลาแสงใดๆ เชนไฟฉายเขาไปในสารละลายโมเลกลขนาดใหญดงกลาว จะทาใหเกดเหนการหกเหของแสงเกดเปนลาแสงภายในสารละลายดงกลาว ซงเรยกวา Tyndall effect ได

6

ในแงของการเปนองคประกอบในตารบยาหรอเภสชภณฑนน พอลเมอรหรอสารโมเลกลขนาดใหญถกนามาใชไดหลายรปแบบ ดงตอไปน

1. ใชเปนสารยดเกาะ (binder) ในตารบยาเมด ไดแก starch, gelatin, povidone 2. ใชเปนสารชวยกระจายตว (disintegrant) ในตารบยาเมด ไดแก starch, sodium starch

glycolate, sodium carboxymethylcellulose, cross-linked povidone 3. ใชเปนสารกอฟลม (film former) ในตารบยาเมด ไดแก ethyl cellulose, hydroxypropyl

methylcellulose, polyethylene glycol, povidone, polyvinyl acetate, copolymer ของ methacrylic acid กบ ester ของมน

4. ใชเปนสารเพมความหนด (viscosity enhancing agent) ในตารบยานา ไดแก carbopol, glucomannan, pectin, gum, carboxy methyl cellulose, starch, modified starch, carrageenan, hydroxyl propyl methylcellulose (HPMC)

5. ใชเตรยมเปนแคปซล (capsule preparation) ทใชบรรจตวยาในตารบยาทงแคปซลชนดออนและชนดแขง ไดแก gelatin

6. ใชเพมความคงสภาพของตารบยา (stability of recipe enhancement) ทงในยานาใส (solution) ยานาแขวนตะกอน (suspension) ยาอมลชน (emulsion) ตวอยางเชน polyvinyl pyrrolidone (PVP), carboxymethyl cellulose (CMC), sodium polyacrylate, polyacrylic acid (PAA), methacrylate, carbopol

7. ใชเปนสารกอเจล (gelling agent) ในตารบยากงแขง (semisolid) มกเปนสารพวกไฮโดรคอลลอยด (hydrocolloid) ไดแก carrageenan, gelatin, agar, allgenate, pectin

8. ใชเปนสารทชวยพฒนาระบบขนสงยาในอนาคต (drug delivery system) ทงในแงการควบคมอตราการปลดปลอยยา (time-controlled agent) ระบบนายาสเปาหมาย (drug targeting) ซงมกจะนาพอลเมอรมาใชในตารบ