Cinetica quimica y la industria farmaceutica

Presentación

El siguiente trabajo tiene como objetivo comprender del
estudio de la cinética química y la industria
farmacéutica, para lo cual es necesario realizar un
estudio sobre la relación de la cinética
química con la industria farmacéutica.

La cinética se puede subdividir en la
cinética física que estudia los fenómenos
físicos tales como la difusión y la viscosidad y la
cinética química, que estudia las velocidades de
las reacciones químicas (que incluye tanto cambios de
enlaces covalentes como no covalentes).

La presencia del tiempo como un factor en la
cinética química añade tanto interés
como dificultad a esta área de la
química.

La industria farmacéutica es hoy en día
uno de los sectores empresariales más rentables e
influyentes del mundo. Está constituida por numerosas
organizaciones públicas y privadas dedicadas al
descubrimiento, desarrollo, fabricación y
comercialización de medicamentos para la salud humana y
animal.

Su fundamento es la investigación y desarrollo de
productos químicos medicinales para prevenir o tratar las
diversas enfermedades y alteraciones. No en vano una gran parte
de la producción de la industria farmacéutica
corresponde a vacunas.

Introducción

La cinética química es una rama de la
físico química que se encarga del estudio de la
rapidez y velocidad de la reacción, por ende cambia la
reacción bajo condiciones variables. La química
cinética es un estudio empírico y
experimental.

La cinética química denominada
cinética de las reacciones estudia las velocidades y
mecanismos de las reacciones químicas. Un sistema reactivo
no está en equilibrio, por lo que la cinética de la
reacción no se considera parte de la termodinámica,
sino que es parte de la cinética.

Las reacciones pueden ser clasificadas
cinéticamente en homogéneas y heterogéneas,
la primera ocurre en una fase y la segunda en más de una
fase.

La cinética química es el estudio de la
velocidad y del mecanismo por medio de los cuales una especie
química se transforma en otra. La velocidad es la masa, en
moles, de un producto formado o de un reactante consumido por
unidad de tiempo y el mecanismo es la secuencia de eventos
químicos individuales cuyo resultado global produce la
reacción.

Por tal motivo el objetivo del curso de físico
química es que estudiante tenga la noción de la
cinética química y también comprenda la
velocidad de una reacción química.

CINÉTICA QUÍMICA Y LA
INDUSTRIA FARMACÉUTICA

OBJETIVOS GENERALES:

• Conocer el fenómeno
  cinético de las moléculas.

• Determina los usos y aplicaciones de la
  cinética química en la industria
  farmacéutica.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

• Determina la velocidad de
  reacción y los factores que influyen de la
  misma.

• Conocer las diferentes teorías
  de las reacciones químicas.

Cinética
química

El estudio de una reacción química puede
hacerse desde el punto de vista termodinámico o desde el
cinético. El estudio termodinámico permite conocer
la posición en la cual la reacción alcanzará
el equilibrio. Cuantitativamente la posición de equilibrio
viene definida por la constante de equilibrio, que representa el
cociente de las actividades de productos y
reaccionantes:

Velocidad de reacción

En una reacción química, los reactivos se
van transformando en productos, con el transcurso del tiempo.
¿Cómo se mide la rapidez de esta
transformación? Para ello se utiliza el término de
velocidad de reacción cuyo significado es análogo
al de otro tipo de velocidad.

La velocidad de reacción representa la cantidad
de uno de los reactivos que desaparece por unidad de tiempo, o
bien la cantidad de uno de los productos que se forman por unidad
de tiempo. En lugar de cantidad de sustancia (en moles), se
utilizan casi siempre concentraciones, expresada normalmente en
mol/litro. Como unidad de tiempo se emplea generalmente el
segundo. Por tanto la velocidad de reacción se expresa
normalmente en mol/litro/s.

La velocidad de las reacciones químicas
varía bastante con el tiempo. Esto hace que tengamos que
utilizar el concepto de velocidad instantánea de la
reacción para un tiempo dado, t, que se define como la
derivada de la concentración (de un reactivo o de un
producto) con respecto al tiempo en el momento
considerado.

Si nos fijamos en una reacción concreta, por
ejemplo, en la de formación del amoníaco,
según la reacción:

N2(g) + 3 H2(g) —–> 2
NH3(g)

Es evidente que la concentración de
nitrógeno disminuye con el tiempo, luego su derivada
será negativa. Por otra parte, la concentración de
hidrógeno también disminuye con el tiempo (derivada
negativa), pero como por cada mol de N2 se consumen tres de H2,
la velocidad de desaparición de H2 será tres veces
mayor que la del N2. Por último la concentración de
amoníaco aumenta con el tiempo (derivada positiva), pero,
además, por cada mol de N2 se forman dos moles de NH3,
luego la velocidad de formación de NH3 será doble
que la desaparición del N2. ¿Cuál de estas
se toma como velocidad de reacción?

Para que tenga un significado unívoco y su valor
no dependa del reactivo o producto que se elija, se toma como
velocidad de reacción la derivada de la
concentración con respecto al tiempo, de cualquier
reactivo o producto, dividida por su respectivo coeficiente este
quiométrico y convertida en un número
positivo.

Así, para la reacción de formación
del amoníaco, la velocidad de reacción
es:

En general, se suele estudiar la velocidad inicial de la
reacción directa (concepto de reacción inversa).
Para ello, escribiremos una reacción en la forma
general:

Ecuación general de la velocidad. Orden de
reacción

En general, la velocidad de reacción es
función de las concentraciones de las sustancias que
forman parte en la misma, es decir:

v = f ([R])

y a la ecuación que relaciona la velocidad y las
concentraciones de las sustancias se denomina ecuación de
velocidad.

Esta ecuación no puede predecirse a partir de la
ecuación estequiométrica, sino que es necesario
determinarla experimentalmente.

(Métodos experimentales para determinar la
velocidad de una reacción: prácticas de
cinética en el laboratorio.)

En la mayor parte de los casos, la ecuación de
velocidad puede expresarse como el producto de una constante por
las concentraciones elevadas a una cierta potencia:

Las unidades de esta constante de velocidad
dependen del orden total de la reacción:

Unidades de K:

Reacciones de primer orden

Reacciones de segundo orden

Reacciones de orden n

Para determinar experimentalmente el orden
respecto de A, en una reacción, se mantiene la
concentración [B] constante y se mide la velocidad
variando la concentración [A]. Si a es un número
entero sencillo (1, 2 ó 3) puede conocerse por simple
inspección de los datos, comparando los valores relativos
de v con los de [A]. De manera análoga se puede determinar
el valor de ß, manteniendo ahora constante [A] y midiendo v
en función de [B].

(Ejemplos en los problemas
propuestos)

En cualquier caso los valores de los
exponentes pueden determinarse por métodos
matemáticos por integración.

Teoría de las reacciones
químicas

Hasta ahora se ha desarrollado la cinética
empírica o experimental. Intentaremos ahora abordar el
tema de por qué se producen las reacciones
químicas, y por tanto de interpretar las leyes
experimentales. Para ello se ha de elaborar un modelo o
teoría que explique a nivel molecular lo que ocurre al
producirse una reacción química e interprete la
rapidez o lentitud de esa reacción. Describiremos dos
teorías:

1.- Teoría de las colisiones, basada
en la teoría cinética de la materia.

2.- Teoría del estado de
transición, formación del complejo activado o
complejo de transición.

Teoría de las colisiones

Consideremos el estado de cualquier sistema de
moléculas. Cualesquiera que sean las condiciones, el
sistema contendrá una cierta cantidad de energía.
La energía cinética de traslación
estará distribuida al azar entre todas las
moléculas del sistema, y el porcentaje de moléculas
con energía elevada aumenta rápidamente al elevar
la temperatura del sistema.

Como resultado de esta distribución variable de
energía, entre las moléculas, pueden producirse
colisiones moleculares, choques, cuya energía de impacto
está influenciada por la energía cinética de
las moléculas y sus trayectorias relativas en el momento
del choque.

Todas las reacciones químicas, tienen lugar a
través de una colisión entre partículas que
produce la formación de moléculas que no estaban
presentes antes de la colisión. Las moléculas
pueden ser nuevas porque unos enlaces se han roto, o porque se
han formado enlaces nuevos o ambas cosas a la vez.

Ahora bien, dos moléculas pueden chocar entre
sí y no verificarse reacción alguna. Para que un
choque sea eficaz, esto es, se produzca reacción, hacen
falta al menos dos condiciones:

1.- Que las moléculas posean suficiente
energía (cinética), para que al chocar puedan
romperse algunos enlaces (o relajarse mucho). Estas
moléculas se llaman moléculas activadas, y la
energía mínima requerida se llama energía de
activación.

2.- Que el choque se verifique con una
orientación adecuada. Aunque las moléculas tengan
la suficiente energía, puede suceder que el choque no sea
eficaz, por tener lugar con una orientación
desfavorable.

Teoría del estado de
transición

Una modificación muy importante de la
teoría de las colisiones es la llamada teoría del
estado de transición (Eyring 1935), en la que se supone
que la reacción transcurre a través del llamado
complejo activado (o complejo de transición). Este es un
agregado constituido por las moléculas reaccionantes, y en
el que algunos de los enlaces primitivos se han relajado (o
incluso roto) y se han empezado a formar nuevos enlaces. Debido a
su elevada energía (tiene acumulada toda la energía
cinética de las moléculas reaccionantes), es muy
inestable y se descompone inmediatamente originando los productos
de la reacción:

Factores que influyen en la velocidad de
reacción

Si la velocidad de una reacción depende del
número de choques eficaces de las moléculas
reaccionantes y queremos acelerar la reacción deberemos
aumentar el número de choques eficaces.

El número de choques eficaces es función
de:

• 1. Número de choques totales, que
  depende de las concentraciones de los reactivos y de su
  estado físico.

• 2. Eficacia de los choques, que depende
  principalmente del número de moléculas con
  energía cinética suficiente, que aumenta mucho
  con la temperatura.

• 3. Energía de activación, que
  marca el nivel energético mínimo para que los
  choques sean eficaces; depende de la estructura molecular del
  complejo activado, es decir, de la naturaleza de los
  reactivos.

Asimismo, depende también de los catalizadores.
Luego los factores que influyen en la velocidad de
reacción son:

Naturaleza de los reactivos

Consideremos la velocidad (a la temperatura ambiente) de
las siguientes reacciones: catión hierro (III) (aq) +
catión cromo (II) (aq) ——>catión hierro(II)
(aq) + catión cromo(III) (aq) ; muy rápida
monóxido de nitrógeno (g) + oxígeno (g)
——> dióxido de nitrógeno (g) ; moderada
metano (g) + oxígeno (g) —-> anhídrido
carbónico (g) + agua (l) ; muy lenta

¿Por qué esta diferencia en las
velocidades?

La primera reacción no requiere la ruptura ni
formación de enlaces, sino que consiste simplemente en un
intercambio de electrones de unos iones a otros.

La segunda requiere la ruptura del enlace, O=O, y la
formación de dos nuevos. Por último, la tercera
reacción requiere la ruptura de seis enlaces y la
formación de otros seis nuevos.

Según se aprecia en estos ejemplos, puede decirse
que, a temperatura ordinaria, las reacciones que no implican un
reajuste de enlaces suelen ser muy rápidas. Esto es lo que
ocurre en caso todas las reacciones entre iones. En cambio,
cuando se requiere la ruptura y formación de varios
enlaces, las reacciones suelen ser muy lentas. Esta regla es
sólo aproximada y no puede emplearse a
rajatabla.

Hay incluso reacciones de ecuación
estequiométrica compleja como, por ejemplo, la
reacción (en disolución acuosa):

Que parece que debería ser muy lenta; hay ruptura
de cuatro enlaces formación de ocho y, además,
intervienen 14 iones. Sin embargo, experimentalmente se ha
comprobado todo lo contrario, es decir que es muy rápida.
Esto se debe a que estas reacciones complejas transcurren a
través de varios pasos mucho más simples, como
veremos en el apartado de mecanismos de
reacción.

Concentración y estado físico de los
reactivos.

De acuerdo con la teoría de las colisiones, para
que se produzca una reacción química tienen que
chocar entre sí las moléculas reaccionantes. Ahora
bien, según la teoría cinética, el
número de choques es proporcional a la
concentración de cada uno de los reactivos.

Ejemplo.

Por tanto, la velocidad de reacción será
proporcional a la concentración de cada uno de los
reactivos esto es:

En general, la velocidad de reacción
debe ser proporcional al producto de las concentraciones de los
reactivos, elevadas a sus respectivos coeficientes este
quiométricos. Esta es la llamada ley de acción de
masas. Puede verse ahora el papel que juega el exceso de una de
las sustancias reaccionantes; el número de moles de
producto formado dependerá solo del reactivo en defecto,
es decir no lograremos aumentar la cantidad de producto formado
pero si la velocidad de la reacción.

Efecto de la temperatura

El dato experimental más inmediato que se conoce
sobre las reacciones químicas es que la velocidad de
reacción aumenta con la temperatura. Con la
excepción de algunas reacciones, al aumentar unos 10
grados C la temperatura, la velocidad varía según
un factor comprendido entre 1,5 y 5.

Lógicamente, al aumentar la temperatura
también lo hace la energía de las partículas
que reaccionan, con lo que una fracción mayor de
partículas tienen energía suficiente para superar
la barrera de energía, con lo que aumenta la velocidad de
reacción.

Catalizadores

Un catalizador es un agente que modifica la velocidad de
una reacción química sin experimentar cambio al
final de la misma. En una gran mayoría de casos los
catalizadores son sustancias, pero a veces la luz o un campo
eléctrico externo realizan también una labor
catalizadora.

De ordinario los catalizadores se recogen al final de la
reacción sin que hayan cambiado, por lo que se necesitan
muy pequeñas cantidades, pero también es cierto que
con el tiempo experimentan un proceso de "envejecimiento" o
incluso "envenenamiento" que les hace inservibles.

Un catalizador no puede provocar una reacción que
no se pueda realizar por sí misma. Su papel es influir en
la cinética de una reacción determinada (por eso
los catalizadores son específicos de cada
reacción), haciendo que la energía de
activación sea menor. A esta acción se la denomina
catálisis.

Catálisis homogénea

La reacción catalizada tiene lugar en una sola
fase. El ejemplo más frecuente es el de los catalizadores
portadores cuyo mecanismo de catálisis es:

A + B —- AB reacción sin
catalizar

A + C —- AC

AC + B —- AB + C reacción catalizada

Catálisis
heterogénea

La reacción catalizada tiene lugar en varias
fases. En muchas reacciones entre gases se utilizan catalizadores
sólidos, que se llaman de contacto. En estos
catalizadores, las moléculas reaccionantes se adsorben en
puntos activos de superficie, relajándose los enlaces,
produciéndose la reacción, al estar, además,
las moléculas adsorbidas con una orientación
adecuada. A continuación se produce la desorción de
las nuevas moléculas formadas (productos).

Las reacciones gaseosas catalizadas por un
sólido son el ejemplo más frecuente de
catálisis heterogénea consideremos la
reacción por la que el gas A se transforma en el gas
B

A ==== B

Catalizada por un sólido la reacción
tendrá lugar en la interface gas sólido, es decir,
en la superficie del sólido. La secuencia de pasos debe
tener en cuenta, además de la reacción
química superficial, los procesos de adsorción y
desorción de la sustancia inicial y del producto formado,
respectivamente, que se consideran también como reacciones
en las que forman parte las moléculas gaseosas y los
centros activos libres X de la superficie del
catalizador:

(1) A + X ==== AX (2) AX ==== BX (3) BX
==== B + X

Catálisis
enzimática

En las reacciones químicas en los
sistemas biológicos, los catalizadores se denominan
enzimas; de ahí que este tipo de catálisis se
denomine catálisis enzimática. Las enzimas son
proteinas cuyos centros activos corresponden a aquellos
aminoácidos de su estructura sobre la que se fija la
sustancia reaccionante o sustrato S.

La reacción
biológica

S ==== P

Puede transcurrir a través de la
secuencia de pasos:

(1) S + E ==== ES

(2) ES ===== EP

(3) EP ==== P + E

Usos de la
cinética química

Se utiliza para:

• El estudio de los mecanismos de
  reacción.

• Optimización de las condiciones
  de un proceso. Por ejemplo en la síntesis de la
  química orgánica.

• Determinación y control de la
  estabilidad de los productos comerciales,
  farmacéuticos, pinturas.

INDUSTRIA FARMACÉUTICA

La industria farmacéutica es un importante
elemento de los sistemas de asistencia sanitaria de todo el
mundo; está constituida por numerosas organizaciones
públicas y privadas dedicadas al descubrimiento,
desarrollo, fabricación y comercialización de
medicamentos para la salud humana y animal (Gennaro 1990). Su
fundamento es la investigación y desarrollo (I+D) de
medicamentos para prevenir o tratar las diversas enfermedades y
alteraciones. Los principios activos que se utilizan en los
medicamentos presentan una gran variedad de actividades
farmacológicas y propiedades toxicológicas
(Hardman, Gilman y Limbird 1996; Reynolds 1989). Los modernos
avances científicos y tecnológicos aceleran el
descubrimiento y desarrollo de productos farmacéuticos
innovadores dotados de mejor actividad terapéutica y menos
efectos secundarios. En este sentido los biólogos
moleculares, químicos y farmacéuticos mejoran los
beneficios de los fármacos aumentando la actividad y la
especificidad. Estos avances suscitan, a su vez, una nueva
preocupación por la protección de la salud y la
seguridad de los trabajadores en la industria farmacéutica
(Agius 1989; Naumann y cols. 1996; Sargent y Kirk 1988; Teichman,
Fallon y Brandt-Rauf 1988).

Son muchos los factores dinámicos
científicos, sociales y económicos que configuran
la industria farmacéutica. Algunas compañías
farmacéuticas trabajan tanto en los mercados nacionales
como en los multinacionales. En todo caso, sus actividades
están sometidas a leyes, reglamentos y políticas
aplicables al desarrollo y aprobación de fármacos,
la fabricación y control de calidad, la
comercialización y las ventas (Spilker 1994).
Investigadores, tanto de instituciones públicas como del
sector privado, médicos y farmacéuticos, así
como la opinión pública, influyen en la industria
farmacéutica. Los proveedores de asistencia sanitaria
(médicos, odontólogos, enfermeras,
farmacéuticos y veterinarios) de hospitales,
clínicas, farmacias y consultas privadas pueden prescribir
fármacos o recomendar cómo dispensarlos. Los
reglamentos y las políticas de asistencia sanitaria
aplicables a los productos farmacéuticos son sensibles
intereses públicos, de grupos de defensa y privados. La
interacción de todos estos complejos factores influye en
el descubrimiento, desarrollo, fabricación,
comercialización y venta de fármacos.

Muchos países tienen sistemas específicos
de protección de los fármacos y los procesos de
fabricación en el marco del sistema general de
protección de los derechos de propiedad intelectual. En
los casos en los que esta protección legal es limitada o
no existe, hay compañías especializadas en la
fabricación y comercialización de medicamentos
genéricos (Medical Economics Co. 1995). La industria
farmacéutica requiere la inversión de grandes
capitales debido a los gastos asociados a la I+D, la
autorización de comercialización, la
fabricación, la garantía y el control de calidad,
la comercialización y las ventas (Spilker 1994). Numerosos
países han adoptado reglamentos aplicables al desarrollo y
la autorización de comercialización de los
fármacos. En ellos se establecen requisitos estrictos de
buenas prácticas de fabricación que garantizan la
integridad de las operaciones industriales y la calidad,
seguridad y eficacia de los productos farmacéuticos
(Gennaro 1990).

Productos químicos
industriales

Se utilizan productos químicos industriales en la
investigación y desarrollo de principios activos y en la
fabricación de sustancias base y de productos
farmacéuticos terminados. Se trata de materias primas que
sirven de reactivos, catalizadores y disolventes. Su
utilización está determinada por los procesos y las
operaciones específicas de fabricación. Muchos de
ellos pueden ser peligrosos para los trabajadores. Por este
motivo, las organizaciones gubernamentales, técnicas y
profesionales (ACGIH) han establecido límites de
exposición profesional, como el Valor Límite Umbral
(TLV).

Sustancias relacionadas con los
fármacos

Los principios farmacológicamente activos pueden
clasificarse en dos grupos: productos naturales y fármacos
sintéticos. Los primarios derivan de fuentes vegetales y
animales, mientras que los segundos son producidos mediante
técnicas microbiológicas y químicas. Los
antibióticos, las hormonas esteroideas y
peptídicas, las vitaminas, las enzimas, las
prostaglandinas y las feromonas son productos naturales
importantes. La investigación científica se centra
cada vez más en los fármacos sintéticos
debido a los últimos avances en biología molecular,
bioquímica, farmacología e
informática.

Durante la fabricación farmacéutica se
combinan principios activos y materiales inertes para producir
diferentes formas galénicas (p. ej., comprimidos,
cápsulas, líquidos, polvos, cremas y
pomadas)

Dosificación de medicamentos

Los medicamentos deben de estar en la sangre para
distribuirse hasta los tejidos sobre los que actúan. La
dosificación intravenosa proporciona una
concentración inmediata de medicamento, que se elimina a
través de los riñones siguiendo una cinética
de orden 1.

Aplicaciones de la cinética química en
la farmacología

Permite saber en cuanto tiempo un medicamento empieza a
funcionar dentro de un organismo y también poder calcular
su fecha de vencimiento.

Conclusión

Podemos decir muy claramente que en la velocidad de
reacción existen varios factores que la pueden alterar
como la temperatura, concentración y los
catalizadores.

La cineteca química tiene una aplicación
importante en la farmacologia ya que nos ayuda a determinar en
cuanto un medicamento empieza a funcionar dentro de un
organismo.

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Autor:

Claudia