DEGRADACION FOTOCATALITICA DEL METOPROLOL TARTRATE Resumen La oxidación avanzada del metoprolol tartrate de alta pureza, extraído de un medicamento comercial, con Tio y luz UV (365 nm) se investigó para determinar el efecto de la concentración inicial de reactivo y la velocidad de reacción en papel de la fotolisis directa con el proceso fotocatalítico. Análisis de las muestras de reacción por espectroscopía UV-Vis indicó que tarrate metoprolol es degradado eficientemente mediante fotocatálisis a través de la hidroxilación del anillo aromático estudios cinéticos indican que la degradación fotocatalítica de tartrato de metoprolol sigue un mecanismo de Langmuir, Hinshelwood, Hou Gen y Watson (LHHW) donde la reacción cambia de orden cero a una de primer orden a medida que baja la concentración de reactivo. Experimentos adicionales mostraron que la fotólisis directa juega un papel menor en la oxidación fotocatalítica de tarrate metoprolol. El carbono orgánico total (TOC) estudios demostraron que el tartrato de metoprolol se transforma en otros productos de reacción intermedios orgánicos antes completa min-ralización a CO2. La fracción de reactivo transformadas en productos orgánicos intermedios se evaluó por un balance de materia utilizando los resultados del análisis de las muestras de reacción por cromatografía líquida de alto rendimiento y la tabla de contenido. Palabras clave metoprolol Tartrate, p-Blocker, Farmacéuticos, fotocatálisis, Tio Reacción cinética. Lista de símbolos L de concentración tartrato cm Metoprolol (mmol L 'Cmo Metoprolol tartrato concentración inicial (mmol Concentración de tartrato de metoprolol transformado a productos orgánicos intermedios (mmol L-1) metoprolol tartrato relativa concentración acm , (sin dimensiones) TOC concentración total (mmol L-1) de carbono orgánico A, la concentración inicial de carbono orgánico total (mmol L-1) la concentración de carbono orgánico total COTA relativa (sin dimensiones) Fracción FCO2 de mineralización tartrato de metoprolol a co2 (sin dimensiones) Fracción POI de tartrato de metoprolol transformado a productos orgánicos intermedios (sin dimensiones) Tiempo de reacción (min) t rm tasa de reacción de degradación fotocatalítica (mmol L-1 min-1) r, o la degradación fotocatalítica velocidad de reacción inicial (1-1 mmol min-1) kap, Pseudo primer orden constante de velocidad de reacción (min-1) ki
cinética constante de velocidad de reacción (min adsorción constante (mmol L-1)
1 Introducción En la actualidad, una gran variedad de medicamentos tales como analgésicos, antibióticos, anticonceptives, antidepresivos, anticoagulantes, antihipertensivos, reguladores de lípidos, vasodilatadores, antagonistas H2 y las hormonas son ampliamente prescritos en todo el mundo [1]. Los compuestos farmacéuticos son absorbidos por los seres humanos o los animales para satisfacer sus funciones terapéuticas. Entonces, se metabolizan a otros compuestos orgánicos. Una de fracción significativa de cualquier medicamento a menudo se excreta en forma no metabolizada o metabolitos activos a través de la orina o las heces [2]. Por lo tanto la mayor parte de las corrientes de aguas residuales contienen una gran variedad de aquellos compuestos químicos orgánicos [3-5]. Desafortunadamente, muchos medicamentos y sus metabolitos no son completamente min mineralizado por procesos fisicoquímicos naturales como la luz del sol fotólisis u oxidación microbiana [6]. Varios estudios han puesto de manifiesto la presencia de una amplia variedad de medicamentos como el ibuprofeno, el paracetamol, la aspirina, amoxiline, cloranfenicol ciprofloxacina, Bestradiol, estrona y la carbamazepina en los ríos, lagos, aguas dulces superficiales e incluso el agua potable [3,5-9] Entre los compuestos farmacéuticos más frecuentemente detectados. que también se encuentran entre los medicamentos prescrito mejores en todo el mundo, son los B-bloqueantes, utilizados en el tratamiento de la hipertensión, arritmias e insuficiencia cardíaca 12, 10) Por esta razón, no debe haber un monitoreo continuo de los micro-contaminantes en todas las aguas residuales planta de tratamiento para minimizar el vertido de compuestos nocivos. Además, sotalol, propranolol, metoprolol y atenolol no se eliminan de manera eficiente en las plantas de tratamiento de aguas residuales mediante fangos activados [11. 12. Para lograr esto, el funcionamiento de estas plantas de tratamiento debe incluir un proceso de oxidación avanzada (AOP), donde los contaminantes orgánicos como los compuestos farmacéuticos son mineralizado a CO2 y agua. Un importante A0P consiste en la degradación fotocatalítica de los contaminantes orgánicos por el uso de un catalizador de semiconductores que tras la irradiación con luz UV se somete a una reacción en la superficie en la que los electrones se mueven
desde la banda de valencia a la banda de conducción (-e dejando huecos positivos detrás H+(13]. Ambos CIES especies altamente reactivas (e y Hy iniciar reacciones de oxidación y reducción sobre la superficie de un catalizador de TiO2. compuestos orgánicos se oxidan por los radicales Ho. generada en la superficie de los catalizadores de semiconductores. Tartrato de metoprolol (C15H25NO3) 2.C4H, 06, CAS 37350-58-6) es el ingrediente activo de varios medicamentos comerciales que se utilizan en el tratamiento de algunos DIS facilita asociados con el sistema cardiovascular, especialmente la hipertensión. Su presencia en el medio ambiente ha atraído interés como un contaminante potencial de aguas 12, 5, 8, 10]. Por lo tanto, la degradación fotocatalítica de tartrato de metoprolol en presencia de TiO2 se ha investigado en nuestros laboratorios para determinar el efecto de la concentración inicial de reactivo en la velocidad de reacción y el papel de la fotolisis directa en el proceso fotocatalítico. La degradación se siguió por espectroscopía UVVis y la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). La mineralización de tartrato de metoprolol fue seguido por análisis de carbono total (TOC). 2 Experimental 2. I Materiales de alta pureza metoprolol tartrato (Fig. D se obtuvo de un medicamento genérico de marca comercial. Cápsulas Sesenta se quedaron en tierra en un mortero de cerámica para obtener un bien homogéneo que se mezcló con 150 ml de metanol al polvo, extraiga el activo ingrediente. Otros ingredientes de la formulación comercial de la medicina se separaron por fil tración. Entonces, la solución de alcohol se transfirió a un evaporador rotatorio para eliminar el disolvente por evaporación a vacío a 35 ° C. El extracto se secó en un horno a 40 º C durante 24 h para dar cristales de color blanco que se purificó por cromatografía en columna usando una mezcla de disolventes orgánicos. tartrato de metoprolol se caracterizó por RMN, UV Vis y espectroscopia de IR. Ácidos y sales orgánicas e inorgánicas fueron adquiridos de JT Bayer. Espectroscópicos y cromatográficos grado adquirido de Mallinckrodt. Doble dis-disolventes se cultivaban filtrada a través de 0,45 um de celulosa HA agua de etilo, se utilizaron membranas (Millipore Corp. Bedford, MA, EE.UU.) en todo. El dióxido de titanio (P25) proporcionado por Degussa, un conocido de 80 anatasa y rutilo 20 con un tamaño de partícula mezcla 30, un material no poroso con un promedio de 50.10
nm m g-1 de fotodegradación.
superficie,
se
utilizó
para
los
experimentos
de
EXPERIMETOS DE LA DEGRADACION FOTOCATALITICA Un sistema de reactor ya se ha descrito [14]. Esta unidad es CON experimentos de degradación fotocatalítica se llevaron a cabo en figurado con un reactor de tubo de vidrio Pyrex (400 ml) irradiado 365 nm, con cuatro largos lámparas de luz UV de onda (AMAF Cole-Parmer AE-09815-55). También tiene un ventilador colocado bajo el reactor de vidrio a enfriar la mezcla de reacción. Dado que las reacciones de degradación fotocatalítica en realidad son activados por la luz y no requieren calentamiento [15], todos los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente. Para cada conjunto de experimentos, 250 ml de solución de agua de tartrato de metoprolol se colocaron en el interior del reactor de vidrio y se mezclaron con 0,5 g de TiO2. Se burbujeó oxígeno a través del sistema a una velocidad constante de 100 ml min Bajo estas condiciones, el pH inicial de la solución fue de 6,9 * 0,2 Se tomaron muestras de vez en cuando para controlar el progreso de la reacción por espectroscopía UV-Vis, HPLC y Toc. Antes del análisis, las muestras de reacción se fil cados por 0,22 GV membrana de celulosa un acetato um Millipore Corp. EE.UU.). Fotoquímico Bedford, MA.
Experimentos de degradación se realizaron de la misma manera sin la adición de ningún catalizadores a la mezcla de reacción. mezcla 2.3 Métodos Analíticos punto de tartrato de metoprolol obtenida de medicamento comercial de fusión se determinó con un instrumento de punto de fusión Fisher Scientific. El ingrediente activo medicina y algunas de las muestras de reacción de los experimentos de degradación fotocatalíticas se analizaron por espectroscopía UV-Vis en un UV-2401 PC instrumento Shimadzu utilizando cubetas de cuarzo estándar. La exploración se llevó a cabo 190 a 400 nm. Infrarrojos espectro de tartrato de metoprolol se obtuvo en un Nicolet modelo Isio Thermo Scientific espectrómetro de FT-IR opere en modo de
transmitancia. También se analizaron los cristales de tartrato de metoprolol en un espectrómetro de RMN Varian MHz 300 utilizando CDC13 como disolvente. Todos los cambios H RMN fueron repo-tiva relación a TMS como un estándar externo La concentración de tartrato de metoprolol en las muestras de la reacción se determinó por análisis HPLC utilizando un instrumento Waters 1525 equipado con un detector de aguas UV 2487 Una columna Agilent Technologies C18 (100 mm x 4,6 mm x 3,5 um) se utilizó para la separación de reactivos y de productos intermedios. La fase móvil fue una mezcla de 10 mM de solución de agua de fosfato monobásico de potasio (60 y metanol (40 La fase móvil fue entregado a una velocidad de 1,0 ml min-1 y la longitud de onda de detección fue de 220 nm. El carbono orgánico total (COT) contenido en las muestras de reacción se midió con un modelo de analizador de carbono Shimadzu 5000 A. 3 Resultados y Discusión 3.1 fisicoquímica Caracterización de Metoprolol Tartrato El sólido cristalino blanco de tartrato de metoprolol obtenido por extracción con metanol de un medicamento comercial dieron un punto de fusión definido a 120 ° C. Este valor está muy cerca
el Pont de fusión (118 de un amplio de metoprolol tartrato de SigmaAldrich. UV-Vis espectro de una solución acuosa de tartrato de metoprolol (fig. 2) tiene una bandaPRIMARIA DE 222 nm y una banda secundaria a 274 nm que corresponden a PI-PI * transiciones característica de un ANILLO aromático [16]. Desde un grupo de electrones (O-R) está conectado al anillo aromático. ambas bandas se desplazan a mayor longitud de onda. Además, una banda adicional se observó a 282 nm. Esta última banda podría ser asignado a un nR * transición de los electrones no enlazantes presentes en un grupo éter de arilo. FT-IR espectros de tartrato de metoprolol (Fig. 3) muestra los grupos funcionales característicos de esta molécula orgánica. La banda OH con enlaces de hidrógeno es un pico ancho entre 3,000 a 3,600 cm-1 N61. Una cadena de alcano se evidencia por varias bandas CH sp entre 2,840 a 3,000 cm Un carácter aromático en la muestra se evidencia por varias bandas. Un CH débil banda de estiramiento se observa a 3,030 cm y dos bandas fuertes C c estiramiento a 1.513 y 1.607 cm "La PARA-sustitución está indicado por un fuerte CH flexión en 820 cm-1 y las bandas características en la región de trom ovettone 1,700 a 1,900 cm -1. El carácter alquil éter de fenilo de la muestra se evidencia por dos bandas fuertes a 1246 y 1110 cm debido a los dos tipos de bonos de CO. Dado que este compuesto farmacéutico es una sal carboxilato, dos bandas fuertes se observaron en 1590 y 1397 cm-1 debido a la asimétrica y simétrica estiramiento de este carboxilato. Una amina secundaria presenta un tramo NH a 2913 cm y una banda ancha a 2066 cm La estructura de tartrato de metoprolol se ha inves-cerradas por un estudio de RMN meticulosa. Las señales de RMN fueron asignados de forma inequívoca sobre la base de-bidimensional HSQC y que fueron confirmados por HRCOSY y HMBC. El espectro en la figura. 4 obtenido experimental-mente es bastante similar a la que se informó anteriormente [17], con diferencias muy pequeñas en la posición de algunas señales de hidrógeno, ya que se obtuvo en CDCl3. A diferencia vale la pena mencionar es que bH y b'-H son equivalentes químicamente y dieron una señal singlete a 4,39 en CDCl3 mientras ellos daban la misma singlete a 3,99 en DMSO [17]. La asignación total de señales de RMN H para tartrato de metoprolol se da en la Tabla Los resultados de las tres técnicas de caracterización indicaron que el compuesto orgánico extraído de un medicamento genérico corresponde a una muestra de alta pureza de tartrato de metoprolol. 3.2 Degradación fotocatalítica de Metoprolol Tartrato espectros UV-Vis (Fig. 5) de las muestras de reacción tras la degradación fotocatalítica de una solución metoprolol con una concentración de 100 ppm muestran algunos cambios importantes en la estructura química
del medicamento con el tiempo de reacción. Al principio del experimento, la intensidad de la banda secundaria del anillo aromático situado a 278 nm y la intensidad de la banda de los electrones no enlazantes de
el éter de arilo situado en 282 aumentó con el tiempo. Este efecto nm indica la inserción de radicales Ho en la posición orto y la posición meta del anillo aromático. Los estudios anteriores [18] también han informado de que el tartrato de metoprolol se degrada a través de la formación de dihidroxil y trihidroxilados intermedios aro-máticos. Sin embargo, la intensidad de la banda primaria del anillo aromático disminuye con el tiempo que indica la destrucción de esta parte del tartrato de metoprolol molécula. Después de 30 minutos de reacción, la intensidad de las bandas a 278 y 284 nm también comienza a disminuir. Como la reacción.
ingresos, todas las bandas tienden a desaparecer de confirmar la perdida de aromaticidad. Varios experimentos para estudiar la degradación fotocatalítica de soluciones acuosas de metoprolol tartrato de
diferentes concentraciones con 2 g L de catalizador, la luz ultravioleta y un caudal constante de oxígeno también se llevaron a cabo los resultados de los análisis químicos de las muestras de la reacción por HPLC (Fig. 6) confirman que las soluciones tartrato prolol meto baja concentración se degrada en de una manera rápida [19, 20]. Como era de esperar, soluciones de alta concentración requieren tiempos de reacción más largos para degradar las moléculas originales Estudios anteriores [18, 2123] han demostrado que las reacciones de degradación-pho tocatalytic siguen un pseudo primer orden Ley cinética, según la ecuación:
La constante de velocidad de reacción aparente para cada uno de los experimentos se calculó por regresión lineal de una gráfica del logaritmo natural de la concentración de tartrato de
metoprolol como función del tiempo de reacción [21-24]. El valor de la constante de velocidad aparente (Tabla 2) disminuye con la concentración inicial tartrato de metoprolol lo que indica que la reacción de degradación fotocatalítica sigue un mecanismo de Langmuir, Hinshelwood, Hougen y Watson (LHHW). En este caso, los cambios de orden de reacción de orden cero a primera orden que las gotas de concentración reactivo [18, 21, 25]. En tiempos de reacción muy cortos la concentración de reactivo orgánico es casi igual a su concentración inicial y la ecuación de velocidad de reacción LHHW se puede escribir de la siguiente manera:
Velocidades de reacción iniciales de tartrato de metoprolol que son presentados en la última columna de la Tabla 2 y se representan en la figura. 7 se calcularon con la ecuación. l en t 0 y CEC. Entonces, el ki constante cinética) y la constante de adsorción se calcularon mediante regresión lineal de una parcela de Eq-3 que rep-Eq. utilizando todos los puntos de datos se resiente del doble recíproco de 2 presentado en la Tabla 2.
Los valores para la k1 y k2 son constantes de 03.005 min-y 34.5812 mM de L-1. respectivamente. Con el fin de validar el modelo de velocidad de reacción cinética. las velocidades de reacción iniciales calculados con la ecuación 2 utilizando los valores numéricos de ki y k2 también se representaron como una línea continua en la figura. 7. Hay un acuerdo razonable entre el calculado y los puntos experimentales. Estudios previos han demostrado que las soluciones de tartrato de metoprolol baja concentración pueden ser degradados por fotólisis directa de radiación solar natural o artificial l26. 271 o la radiación UV-C 1201. Los resultados de los estudios sugeridas que fotólisis directa de tartrato de metoprolol también siguen seudo cinética de primer orden. Por lo tanto, varios pho experimentos de degradación tochemical eran CAMED a cabo para investigar la contribución de la fotolisis directa en la oxidación fotocatalítica de tartrato de metoprolol Las constantes de velocidad de reacción aparentes y las velocidades de reacción iniciales para los experimentos de fotólisis se calcularon de acuerdo con el procedimiento matemático descrito en los párrafos anteriores . Un resumen de los resultados experimentales se presentan en la Tabla 3. Las velocidades de reacción iniciales de los experimentos de
degradación fotoquímica representan en la figura 7 muestran que la fotólisis directa juega un papel menor en la oxidación fotocatalítica de tartrato de metoprolol. Expenments de degradación fotocatalítica fueron controlados también por el análisis de TOC (fig. 8). Esta técnica de analítica cuantifica la cantidad de carbono en unreated
artrato de metoprolol más el carbono en todos los productos orgánicos intermedios. La comparación de las curvas de HPLC en la figura. 6 y Toc en la fig. 8 es claro tartrato de metoprolol se curvas transformadas para otros productos de reacción intermedios orgánicos antes de la mineralización completa a CO2. Esos productos intermedios orgánicos se degradan a una velocidad más lenta que el
medicamento de partida. Puesto que la concentración de todos los productos de reacción intermedios orgánicos para la degradación fotocatalítica de tartrato de metoprolol no se puede determinar fácilmente, es conveniente para determinar la fracción del reactivo original de transformada a los productos intermedios orgánicos por un balance de materiales basado en HPLC y el COT análisis [21, 28]. En primer lugar, las concentraciones de tartrato de metoprolol sin dimensiones y Toc relativas se calculan utilizando las siguientes ecuaciones:
Los resultados de el balance de materiales para el experimento de degradación fotocatalítica de la solución con una solución acuosa de 100 ppm (0,1542 mM) de tartrato de metoprolol se muestran en la figura. 9.
Es la concentración adimensional de regalos sin reaccionar tartrato de metoprolol detectado por HPLC, el adimensional Toc concentración presente en la mezcla de reacción, la fracción del medicamento transforma en productos de reacción orgánicos intermedios y CO2. También es posible calcular los milimoles por litro de al tartrato de metoprolol que se transforman intermedia a tiempo de reacción orgánica utilizando los si-guiente productos en cualquier ecuación dada:
La formación y el consumo de los productos de reacción orgánicos intermedios para todos los experimentos de degradación fotocatalíticas se presentan en la figura. 10. Es
importante mencionar que el analizador de carbono Shimadzu tiene un límite inferior de detección de 4 ppm de Toc. La línea inferior de la figura. 10 parece indicar que algunos de los productos intermedios orgánicos permanecen en la mezcla de reacción. Se ha informado de que los compuestos aromáticos son mineralizado a través de la formación de ácidos carboxílicos de cadena corta [29]. Por lo tanto, cuando estos compuestos orgánicos son en la mezcla de reacción de la tasa de mineralización presente disminuye notablemente [30]. A fin de reducir completamente el carbono orgánico. los experimentos de degradación fotocatalíticas se deben realizar durante períodos de tiempo más largos.
4 Conclusiones de alta pureza tartrato de metoprolol obtenida de un medicamento social comercialmente se puede degradar de manera eficiente por talysis photoca a través de la hidroxilación del anillo aromático. El análisis por HPLC de las muestras de la reacción indicó que esta reacción de degradación foto-catalítica sigue un mecanismo de LHHW donde los cambios de orden de reacción de orden cero a primera orden que la concentración de reactante gotas. El Ki constante cinética y la constante K2 adsorción de la ecuación de velocidad de reacción inicial son igual a 0,3005 min y 34.5812, respectivamente. Experimentos adicionales mostraron que la fotólisis directa juega un papel menor en la oxidación-PHOTOCAT alytic de tartrato de metoprolol porque sólo una pequeña fracción del reactivo inicial se transforma a otros compuestos orgánicos CH líquido rendimiento y Toc ISS de las muestras de reacción confirmó que el metoprolol mnsformed a otras reacciones productos intermedios orgánicos antes de mineraization completa a CO facción de reactivo transformado a los productos orgánicos intermedios en cualquier tiempo de reacción se puede determinar mediante un balance de materia utilizando los resultados de el análisis de las muestras de la reacción por HPLC y la tabla de contenido.
