Thermodynamic analysis and preferential solvation of gatifloxacin in DMF + methanol cosolvent mixtures / Análisis termodinâmico y solvatación preferencial de gatifloxacina en mezclas cosolventes DMF + metanol

SUMMARY This paper presents the thermodynamic analysis of solubility of gatifloxacin in the N,N-Dimethylformamide (DMF) + methanol (MeOH) cosolvent system at 10 temperatures. From the solubility data, the thermodynamic functions of solution, mixing, and transfers are calculated and analyzed using the Perlovich graphical method. On the other hand, an enthalpy-entropy compensation analysis is performed and the preferential solvation parameters are calculated using the inverse Kirkwood-Buff integral (IKBI) method. The result of the performed calculations indicates that the gatifloxacin solution process is endothermic with entropic favor, where the addition of DMF has a positive cosolvent effect in all cases. Regarding preferential solvation, the results are not entirely conclusive, since in all cases the values of the preferential solvation parameter are less than 0.01, so that, negligible preferential solvation takes place.

RESUMEN Este artículo presenta el análisis termodinâmico de la solubilidad de gatifloxacina en el sistema cosolvente de A,A-Dimetilformamida (DMF) + metanol (MeOH) a 10 temperaturas. A partir de los datos de solubilidad se calculan las funciones termodinámicas de solución, mezcla y transferencia. Para el análisis además se utiliza el método gráfico Perlovich. Por otro lado, se realiza un análisis de compensación entalpía-entropía y se calculan los parámetros de solvatación preferencial utilizando el método de las integrales inversas de Kirkwood-BufF (IIKB). Los resultados del análisis termodinámico indican que el proceso de solución de gatifloxacina es endotérmica con favorecimiento entrópico, donde la adición de DMF tiene un efecto cosolvente positivo en todos los casos. En cuanto a la solvatación preferencial, los resultados no son del todo concluyentes, debido a que en todos los casos los valores del parámetro de solvatación preferencial son menores a 0,01 indicando una solvatación insignificante.

Preferential solvation of tricin in {ethanol (1) + water (2)} mixtures at several temperatures / Solvatación preferencial de tricin en mezclas etanol + agua a varias temperaturas

SUMMARY The preferential solvation parameters of tricin in {ethanol (1) + water (2)} binary mixtures were obtained from their thermodynamic properties by means of the inverse Kirkwood-Buff integrals method. Tricin is very sensitive to specific solvation effects, so the preferential solvation parameter by ethanol (1), δx 1,3 is negative in the water-rich mixtures but positive in all the other compositions at temperatures from 293.15, to 313.15 K. It is conjecturable that in water-rich mixtures the hydrophobic hydration around the aromatic and methyl groups of the drug plays a relevant role in the solvation. The higher drug solvation by ethanol in mixtures of similar solvent proportions and in ethanol-rich mixtures could be due mainly to polarity effects. In these mixtures, the drug would be acting as Lewis acid with the ethanol molecules because this co-solvent is more basic than water.

RESUMEN Los parámetros de solvatación preferencial del tricina en mezclas {etanol (1) + agua (2)} se obtuvieron a partir de las propiedades termodinámicas de solución, mediante el método de las integrales inversas de Kirkwood-Buff. La tricina es muy sensible a los efectos de solvatación específicos, por lo que el parámetro de solvatación preferencial, δx 1,3 es negativo en las mezclas ricas en agua, pero positivo en todas las otras composiciones a temperaturas desde 293,15 hasta 313,15 K. Se puede establecer que en mezclas ricas en agua la hidratación hidrofóbica alrededor de los grupos aromáticos y metilo del fármaco tiene un papel relevante en la solvatación. La mayor solvatación del fármaco por etanol se presenta en mezclas de proporción intermedia y en mezclas ricas en etanol, esto podría deberse principalmente a los efectos de la polaridad. En estas mezclas, el fármaco actuaría como ácido de Lewis con las moléculas de etanol, puesto que este codisolvente es más básico que el agua.

Solution thermodynamics and preferential solvation of 3-chloro-N-phenyl-phthalimide in acetone + methanol mixtures / Termodinámica de soluciones y solvatación preferencial de 3-cloro-N-fenil-ftalimida en mezclas acetona + metanol

The thermodynamic properties of the 3-chloro-N-phenyl-phthalimide in acetone + methanol cosolvent mixtures were obtained from solubility data report in literature. The solubility was higher in near acetone and lower in pure methanol at all temperatures studied. A non-linear plot of ∆solnH° vs. ∆solnG° shows a negative slope from pure acetone up to x1 = 0.691. Beyond this composition, a variable positive slope is obtained with the exception of mixtures with x1 = 0.121, x1 = 0.272 and x1 = 0.356 which is a not common trend in these systems. The preferential solvation of 3-chloro-N-phenyl-phthalimide by the components of the solvents was estimated by means of the inverse Kirkwood-Buff integral method, showing the 3-chloro-Nphenyl-phthalimide is preferential solvated by methanol in more polar mixtures and by acetone in less polar ones.

Las propiedades termodinámicas de 3-cloro-N-fenil-ftalimida en mezclas cosolventes acetona + metanol fueron obtenidas a partir de los datos de solubilidad reportados en la literatura. La mayor solubilidad se presentó en acetona y la menor en metanol puro en todas las temperaturas estudiadas. La grafica ΔsolnH° vs. ΔsolnG° presenta una tendencia no lineal, con una pendiente negativa desde la acetona pura hasta x1 = 0,691 a partir de esta composición hasta el metanol puro se obtiene una pendiente positiva variable con la excepción de las mezclas con x1 = 0,121, x1 = 0,272 y x1 = 0,356, la cual es una tendencia poco común en estos sistemas. La solvatación preferencial de 3-cloro-N-fenil-ftalimida por cada uno de los solventes de la mezcla se estimó por medio del método de las integrales inversas de Kirkwood-Buff mostrando que la 3-cloro-N-fenil-ftalimida se solvata preferencialmente por metanol en las mezclas más polares y por acetona en las menos polares.

Some numerical analyses on the solubility of vanillin in Carbitol® + water solvent mixtures / Algunos análisis numéricos sobre la solubilidad de la vainillina en mezclas cosolventes Carbitol® + agua / Alguns análises numéricas da solubilidade de vanilina em misturas de solventes carbitol® + água

In this communication some reported solubility values of vanillin (component 3) in 2-(2-ethoxyethoxy)ethanol (Carbitol®, component 1) + water (component 2) mixtures at five temperatures from 298.15 to 318.15 K were correlated with the Jouyban-Acree model combined with van't Hoff or Apelblat equations, obtaining models in second degree regarding the mixtures compositions. Mean percentage deviations were near to 6.0%. On the other hand, by means of the inverse Kirkwood-Buff integrals it was demonstrated that vanillin is preferentially solvated by water in water-rich mixtures (with a minimum δx1,3 value in the mixture x1 = 0.05, i.e. -4.29 x 10-2) but preferentially solvated by the cosolvent in mixtures with compositions 0.12 < x1 < 1.00 (with a maximum δx1,3 value equal to 3.61 x 10-2 in the mixture x1 = 0.25). It is conjectural that hydrophobic hydration plays a relevant role in the first case, whereas, in the second case, vanillin would be acting as Lewis acid with Carbitol®.

Nesta pesquisa alguns valores de solubilidade da vanilina (componente 3) em misturas 2-(2-etoxietoxi)etanol (Carbitol®, componente 1) + água (componente 2) em várias temperaturas (298,15-318,15 K) foram correlacionados com o modelo Jouyban-Acree combinado com as equações do van't Hoff ou Apelblat obtendo modelos de ordem dois. Os desvios médios percentuais foram cercanos a 6,0%. Por outro lado, por meio das integrais inversas do Kirkwood-Buff demonstrou-se que a vanilina é preferencialmente solvatada pela água em misturas ricas em agua (com um valor mínimo de δx1,3 igual a -4,29 x 10-2 obtido na mistura de composição x1 = 0,05), mas, preferencialmente, solvatada pelo cosolvente, em misturas com composições 0,12 < x1 < 1,00 (com um valor máximo de δx1,3 igual a 3,61 x 10-2 obtido na mistura de composição x1 = 0,25). É conjecturável que a hidratação hidrofóbica desempenha um papel relevante no primeiro caso, enquanto que, no segundo caso a vanilina está atuando como ácido de Lewis com moléculas do Carbitol®.

En esta comunicación se presenta la correlación de algunos valores de solubilidad de vainillina (componente 3) en mezclas 2-(2-etoxietoxi)etanol (Carbitol®, componente 1) + agua (componente 2) reportados previamente en la literatura a cinco temperaturas desde 298,15 hasta 313,15 K mediante el modelo de Jouyban-Acree combinado con las ecuaciones de van't Hoff y de Apelblat. En el análisis se obtuvieron modelos de segundo orden respecto a la composición de las mezclas disolventes. Las desviaciones porcentuales promedio fueron cercanas al 6,0%. Por otro lado, mediante las integrales inversas de Kirkwood-Buff se demostró que la vainillina es solvatada preferencialmente por el agua en mezclas ricas en agua (con un valor mínimo de δx1,3 igual a -4,29 x 10-2 obtenido en la mezcla de composición x1 = 0,05) pero preferencialmente solvatada por el cosolvente en mezclas con composiciones 0,12 < x1 < 1,00 (con un valor máximo de δx1,3 igual a 3,61 x 10-2 obtenido en la mezcla de composición x1 = 0,25). Se podría conjeturar que la hidratación hidrofóbica juega un papel relevante en el primer caso, mientras que en el segundo caso, la vainillina estaría actuando como ácido de Lewis frente a las moléculas de Carbitol®.

Solvatación preferencial de la naringina en mezclas cosolventes etanol + agua mediante el método de las integrales inversas de Kirkwood-Buff / Preferential solvation of naringin in ethanol + water cosolvent mixtures according with the inverse Kirkwood-Buff integrals

Los parámetros de solvatación preferencial, es decir, las diferencias entre la fracción molar local y de la solución de los solventes en solución de naringina se derivan de su solubilidad en mezclas cosolventes mediante el método de las integrales inversas de Kirkwood-Buff. Según el método IKBI, la naringina es sensible a los efectos específicos de solvatación según la composición cosolvente, por lo que el parámetro de solvatación preferencial por δx1,3, es negativo en mezclas ricas en agua y en mezclas ricas en etanol, pero positivo en composiciones entre 0,24 y 0,40 en fracción molar de etanol. Esto podría demostrar el papel relevante de hidratación hidrofóbica alrededor de los grupos no polares en la solvatación de fármacos en mezclas ricas en agua. Por otro lado, en mezclas de composiciones cosolventes intermedias, el fármaco es solvatado principalmente por etanol, posiblemente debido al comportamiento básico de la mezcla cosolvente; mientras que en mezclas ricas en etanol, la solvatación preferencial por el agua podría deberse al carácter ácido del agua.

The preferential solvation parameters, i.e., the differences between the local and bulk mole fractions of the solvents in solutions of naringin is derived from their solubility in binary solvent mixtures by means of the inverse Kirkwood-Buff integral (IKBI) method. According to IKBI method it is found that naringin is sensitive to solvation effects, so the preferential solvation parameter by ethanol δx1,3, is negative in waterrich and ethanol-rich mixtures but positive in compositions from 0.24 to 0.40 in mole fraction of ethanol. This could demonstrate the relevant role of hydrophobic hydration around the non-polar groups in the drug solvation in water-rich mixtures. Otherwise, in mixtures of intermediate co-solvent compositions, the drug is mainly solvated by ethanol, probably due to the basic behavior of the co-solvents; whereas, in ethanol-rich mixtures, the preferential solvation by water could be due to the acidic behavior of water.

Preferential solvation of acetaminophen in ethanol + water solvent mixtures according to the inverse Kirkwood-Buff integrals method / Solvatación preferencial del acetaminofeno en mezclas cosolventes etanol + agua según el método de las integrales inversas de Kirkwood-Buff

The preferential solvation parameters, i.e., the differences between the local mole fraction of solvents around the solute and those for the bulk co-solvent mixtures in solutions of acetaminophen in ethanol + water binary mixtures were derived from their thermodynamic properties by means of the inverse Kirkwood-Buff integrals (IKBI) method. It is found that acetaminophen is sensitive to solvation effects, so the preferential solvation parameter δxE,A, is negative in water-rich and ethanol-rich mixtures but positive in co-solvent compositions from 0.24 to 0.73 in mole fraction of ethanol. It is conjecturable that in water-rich mixtures the hydrophobic hydration around the aromatic ring and methyl group present in the drug plays a relevant role in the solvation. The more solvation by ethanol in mixtures of similar co-solvent compositions could be due mainly to polarity effects. Finally, the preference of this drug for water in ethanol-rich mixtures could be explained in terms of the bigger acidic behavior of water molecules interacting with the hydrogen-acceptor groups present in acetaminophen such as the carbonyl group.

Con base en algunas propiedades termodinámicas clásicas de solución en este trabajo, se calcularon los parámetros de solvatación preferencial del acetaminofeno (δxE,A) en mezclas etanol + agua mediante las integrales inversas de Kirkwood-Buff. Los parámetros δxE,A corresponden a las diferencias entre las fracciones molares locales de los solventes alrededor del soluto y en el grueso de la solución. Con base en estos valores, se puede observar que este fármaco es altamente sensible a efectos específicos de solvatación que varían según la composición cosolvente. Así, los valores de δxE,A son negativos en mezclas ricas en agua y en mezclas ricas en etanol, pero positivos en composiciones desde 0,24 hasta 0,73 en fracción molar de etanol. Es probable que la hidratación hidrofóbica alrededor del anillo aromático y el grupo metilo del acetaminofeno pueda tener un papel relevante en la solvatación del fármaco en mezclas ricas de agua. En mezclas de composición intermedia, la mayor solvatación por las moléculas de etanol podría deberse principalmente a efectos de polaridad. Finalmente, la preferencia que este fármaco manifiesta por el agua en mezclas ricas en etanol podría explicarse en términos del mayor comportamiento ácido de las moléculas del agua, que estarían interactuando con los grupos aceptores de hidrógeno presentes en el acetaminofeno, tales como el carbonilo.

Preferential solvation of xylitol in ethanol + water co-solvent mixtures according to the IKBI and QLQC methods / Solvatación preferencial del xilitol en mezclas cosolventes etanol + agua según los métodos IKBI y QLQC / Solvatação preferencial do xilitol no misturas cosolventes etanol + água acordo o métodos IKBI e QLQC

The preferential solvation parameters, i.e., the differences between the local around the solute and bulk mole fractions of the solvents in solutions of xylitol in ethanol + water binary mixtures are derived from their thermodynamic properties by means of the inverse Kirkwood-Buff integrals (IKBI) and quasi-lattice quasi-chemical (QLQC) methods. According to IKBI method it is found that xylitol is sensitive to solvation effects, so the preferential solvation parameter δxE,S, is slightly positive in water-rich and negative in mixtures beyond 0.25 in mole fraction of ethanol. In different way, according to QLQC method, negative values of δxE,S are found in all the compositions evaluated. The more solvation by ethanol observed in water-rich mixtures could be due mainly to polarity effects. Otherwise, the preference of this compound for water in ethanol-rich mixtures could be explained in terms of the bigger acidic behavior of water interacting with hydrogen-acceptor hydroxyl groups in xylitol.

Partiendo de algunas propiedades termodinámicas clásicas se calcularon los parámetros de solvatación preferencial del xilitol (dxE,S) en mezclas etanol + agua mediante el método de las integrales inversas de Kirkwood-Buff (IKBI) y el método cuasi-enrejado-cuasi-químico (QLQC). Los parámetros dxE,S corresponden a las diferencias entre las fracciones molares locales alrededor del soluto y en el grueso de la solución. Con base en estos valores, se encuentra que este compuesto es altamente sensible a los efectos específicos de solvatación según la composición cosolvente. Así, según el método IKBI, los valores de dxE,S son positivos en mezclas ricas en agua pero negativos en composiciones desde 0.25 en fracción molar de etanol hasta el etanol puro. Sin embargo, según el método QLQC, los valores de dxE,S son negativos en todas las composiciones co-solventes analizadas. En mezclas ricas en agua la mayor solvatación por las moléculas de etanol podría deberse principalmente a efectos de polaridad. De otro lado, la preferencia que manifiesta este compuesto por el agua en mezclas ricas en etanol podría explicarse en términos del mayor comportamiento ácido del agua que estaría interactuando con los grupos aceptores de hidrógeno presentes en el soluto.

Começando a partir de algumas propriedades termodinâmicas clássicos neste trabalho, foram calculados os parâmetros de solvatação preferenciais de xilitol (δxE,S) em misturas etanol + água pelo método de integrais inversas de Kirkwood-Buff (IKBI) e o método quase-reticulado quase-químicas (QLQC). Parâmetros δxE,S correspondem às diferenças entre as fracções molares locais ao redor do soluto na solução e a granel. Com base nestes valores se verifique que este composto é extremamente sensível aos efeitos específicos de solvatação por composição de cosolvente. Assim, de acordo com o método IKBI, valores δx E,S são positivas em misturas ricas em água, mas negativas em composições 0,25 de fracção mole de etanol a etanol puro. No entanto, de acordo com o método QLQC, os valores de δxE,S são negativas em todas as composições testadas. Solvatação de xilitol por moléculas de etanol em misturas ricas em água pode ser devido por polaridade. Por outro lado, a preferência de este composto por água em misturas em etanol pode ser explicada em termos de comportamento ácido de água com os grupos aceitadores de hidrogénio presentes no soluto.