Eliminarea produselor farmaceutice în condiții oxicale față de cele anoxice

În absența MnO2, nu se observă nicio eliminare pentru toate cele șapte produse farmaceutice în decurs de 24 de ore, atât în condiții oxicale, cât și anoxicale, în toate experimentele (tabelul S3). În prezența MnO2, metoprolol, propranolol și diclofenac sunt eliminați în decurs de 24 h atât în demiwater (Fig. 1a, b), cât și în tamponul de fosfat (Fig. 1c), în timp ce pentru celelalte patru produse farmaceutice nu se observă nicio eliminare (Fig. S3). În plus, rezultatele arată că eficiența de eliminare a diclofenacului este mai mare în condiții anoxice, în timp ce o eliminare mai mare este observată în condiții oxicale pentru metoprolol și propranolol. Au fost observate eficiențe de eliminare a diclofenacului de 78% în condiții anoxice și de 59% în condiții oxicale după 24 h, incubând o soluție de produse farmaceutice mixte în apă demineralizată (Fig. 1a). Cu toate acestea, doar 33% metoprolol a fost eliminat în condiții anoxice, comparativ cu 69% în condiții oxicale. În mod similar, 51% propranolol a fost eliminat în condiții anoxice, comparativ cu 84% în condiții oxicale (Fig. 1a). Eficiența de eliminare a diclofenacului într-un amestec împreună cu alte șase produse farmaceutice (Fig. 1a) s-a dovedit a fi mai mică decât cea dintr-un sistem demiwater în care era prezent doar diclofenac (Fig. 1b). În condiții anoxice, 92% diclofenac este eliminat cu MnO2, în timp ce în condiții oxicale se observă o eliminare de 69% a diclofenacului (Fig. 1b).

Îndepărtarea medicamentului cu MnO2 în apă demiwater cu amestec farmaceutic (a), apă demiwater doar cu soluție de diclofenac (b), tampon de fosfat doar cu soluție de diclofenac în condiții oxicale (pătrat negru) și anoxicale (triunghi negru cu vârful în sus) (c). Condiții experimentale: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, pH ~ 8,5. În tamponul de fosfat cu soluție de diclofenac, = 50 mM, = 0,1 M. Barele de eroare reprezintă abaterile standard determinate

Pentru a elimina efectele pH-ului și tăriei ionice asupra eliminării produselor farmaceutice cu MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), controlăm pH-ul (~ 7) cu tampon de fosfat 50 mM și menținem tăria ionică (0,1 M) cu NaCl. În experimentele ulterioare cu tampon de fosfat, 90% din diclofenac este eliminat în condiții anoxice, în timp ce eliminarea aproape completă a diclofenacului este observată în condiții oxicale (Fig. 1c). Eficiența de eliminare a diclofenacului este similară în condiții anoxice și oxicale. În studiile anterioare, eficiența de eliminare a materiilor organice, inclusiv a produselor farmaceutice, în condiții anoxice este fie similară, fie mai mică decât în condiții oxicale (Barrett și McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang și Huang 2005a). Cu toate acestea, observăm în mod deosebit că eficiența de eliminare a diclofenacului în condiții anoxice poate fi mai mare decât în condiții oxicale. Acest rezultat unic direcționează studiile noastre ulterioare privind mecanismul de eliminare a produselor farmaceutice în condiții anoxice cu MnO2.

Pentru a analiza cinetica de eliminare a fost aplicat un model de pseudo-ordine întâi cu o perioadă inițială de incubare (tabelul 1), așa cum s-a realizat în studiile anterioare în condiții oxicale (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang și Huang 2005a). Compararea ratei inițiale de eliminare (robs, init) și a constantei ratei inițiale de eliminare (kobs, init) a diferitelor produse farmaceutice arată că oxigenul afectează eliminarea produselor farmaceutice cu MnO2. În demiwater cu amestec farmaceutic și doar cu diclofenac, eliminarea diclofenacului este accelerată în condiții anoxice; ratele de eliminare a metoprololului și propranololului sunt mai mici în condiții anoxice. Mai mult, diclofenacul a fost eliminat la cea mai mare rată atunci când a fost dizolvat ca unic compus în tamponul fosfat oxic care conține MnO2.

Influența pH-ului și a morfologiilor MnO2 asupra eliminării diclofenacului

pH este un parametru important care afectează eliminarea produselor farmaceutice cu MnO2. Studiile anterioare arată că morfologiile MnO2 influențează, de asemenea, eliminarea farmaceutică (Shin și Cheney 2004). Cu toate acestea, observația noastră nouă privind eliminarea diclofenacului în condiții anoxice cu MnO2 indică faptul că mecanismele de eliminare a produselor farmaceutice cu MnO2 în condiții anoxice ar putea fi diferite de mecanismele de eliminare în condiții oxicale. Prin urmare, este important să se investigheze efectul pH-ului și al morfologiilor MnO2 asupra eliminării diclofenacului pentru a înțelege mecanismul de eliminare. Investigăm efectul pH-ului și al morfologiilor MnO2 folosind atât MnO2 amorf, cât și MnO2 cristalin în condiții anoxice la pH ~ 4,5, pH ~ 7,0 și pH ~ 8,5 stabilite cu un tampon de fosfat 50 mM.

Eficiențele de eliminare a diclofenacului cu MnO2 în condiții anoxice sunt invers legate de pH (Tabelul 2). În 48 de ore, eliminarea diclofenacului în condiții anoxice variază de la 100% în jurul valorii de pH ~ 4,5 și pH ~ 7,0, la 70% la pH ~ 8,5 cu MnO2 amorf. În schimb, eliminarea diclofenacului este considerabil mai mică în cazul MnO2 cristalin. Doar 21% din diclofenac este eliminat cu MnO2 cristalin la pH ~ 4,5. În experimentele efectuate la pH ~ 7,0 și pH ~ 8,5, nu se observă nicio eliminare a diclofenacului cu MnO2 cristalin.

Discuție

În general, eliminarea materiilor organice cu MnO2 este un proces în două etape care include adsorbția și oxidarea (Remucal și Ginder-Vogel 2014). Contribuția celor două etape este variată de la diferiți compuși (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang și Huang 2005b). În condiții oxicale, eliminarea produselor farmaceutice poate fi accelerată de oxigen (Gao et al. 2012). Cu toate acestea, acest lucru nu reușește să explice de ce condițiile anoxice sunt adecvate pentru îndepărtarea diclofenacului în apă demi, atunci când oxigenul nu este prezent pentru a participa la procesul de îndepărtare (Fig. S4). Există intermediari diferiți formați în condiții oxicale și anoxicale în timpul eliminării diclofenacului cu MnO2 (Fig. S4, S5). Acești intermediari au afinități de adsorbție diferite pentru situsurile reactive de pe suprafața MnO2, ceea ce este posibil să fie cheia pentru a explica diferențele dintre condițiile oxic și anoxic. Pe baza rezultatelor, doi factori par să influențeze eficiența eliminării produselor farmaceutice și sunt detaliați mai jos: (1) structura moleculară și proprietățile chimice ale produselor farmaceutice și (2) proprietățile MnO2.

Structura moleculară și proprietățile chimice ale produselor farmaceutice

Structura moleculară și proprietățile chimice ale produselor farmaceutice sunt importante în eliminarea compușilor organici cu MnO2. Studiile anterioare arată că oxidarea cu MnO2 în prezența oxigenului implică scindarea legăturii C-N a compusului organic. Metoprololul și propranololul au legături C-N, în care atomul de N este legat de o grupare alchil. Acești compuși sunt similari cu cei testați în studiile anterioare (tabelul S1, S2), în care condițiile oxicale favorizează eliminarea. Această scindare a legăturii C-N poate duce la formarea de radicali în prezența oxigenului (Barrett și McBride 2005; Gao et al. 2012). Oxidarea diclofenacului implică hidroxilarea și decarboxilarea în loc de scindarea legăturii C-N (Huguet et al. 2013), ceea ce reprezintă un mecanism diferit de cel al metoprololului și propranololului. Acest lucru arată că mecanismul de eliminare este strâns legat de structura moleculară farmaceutică și de proprietățile chimice.

Proprietățile farmaceutice sunt, de asemenea, afectate de pH. Datorită pKa scăzut al diclofenacului (pKa = 4,15), un nivel mai scăzut al pH-ului are ca rezultat un compus mai puțin încărcat negativ. Acest lucru duce la o repulsie electrostatică mai mică între diclofenac și MnO2, care este, de asemenea, încărcat negativ (Murray 1974). Se speculează că un nivel mai scăzut al pH-ului va duce la o afinitate mai mare a diclofenacului de a se adsorbi pe suprafața MnO2 și, prin urmare, are un prim pas mai favorabil în eliminarea cu MnO2.

Proprietățile MnO2

Proprietățile MnO2 sunt, de asemenea, afectate de pH. La un pH acid, MnO2 este, de asemenea, mai puțin încărcat negativ datorită punctului său izoelectric, rezultând o repulsie electrostatică mai mică și o adsorbție mai bună a compușilor organici. În plus, potențialul redox al MnO2 crește de la 0,76 V la pH 8,0 la 0,99 V la pH 4,0 (Lin et al. 2009). Astfel, reacția de degradare este mai favorabilă din punct de vedere energetic la un pH mai scăzut. Ambii factori pot duce la o degradare mai rapidă, așa cum se arată în studiul nostru (Tabelul 2). Acest experiment utilizează un pH neutru, care a fost considerat nefavorabil pentru oxidarea produselor farmaceutice în studiile anterioare (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). În plus, există mai puțini protoni la potențialul redox scăzut al MnO2 la un pH mai ridicat, care este crucial pentru transferul de electroni de la Mn(IV) la Mn(II). Ca urmare, în acest studiu nu s-a observat nicio eliminare a cafeinei, carbamazepinei, ibuprofenului și naproxenului (Fig. S3), în timp ce eficiența de eliminare a metoprololului și propranololului este scăzută atât în condiții oxicale, cât și anoxicale.

Diferitele morfologii de MnO2 au proprietăți diferite care afectează eliminarea diclofenacului. În cercetarea noastră, eliminarea diclofenacului este mai bună cu MnO2 amorfă decât cea cu MnO2 cristalină, ceea ce este în concordanță cu constatările raportate anterior (Remucal și Ginder-Vogel 2014; Shin și Cheney 2004; Ukrainczyk și Mcbride 1992). Particulele amorfe de MnO2 sunt, de obicei, mai mici decât cele cristaline. Astfel, particulele amorfe de MnO2 au o suprafață mai mare, ceea ce sporește eliminarea produselor farmaceutice. Din păcate, din cauza limitelor analitice, analiza dimensională a MnO2 amorf nu a părut fezabilă din punct de vedere tehnic (Fig. S6). În plus, MnO2 amorf conține cantități mici de Mn(III) care pot crește reactivitatea MnO2 și capacitatea de oxidare (Remucal și Ginder-Vogel 2014), promovând astfel și mai mult eliminarea produselor farmaceutice.

În prezența fosfatului, eliminarea diclofenacului cu MnO2 este ușor îmbunătățită în condiții oxicale față de cea în condiții anoxicale. Utilizarea O2 pentru a oxida Mn(II) în Mn(III) este o reacție favorabilă din punct de vedere termodinamic. În prezența tamponului de fosfat, fosfatul poate forma Mn3(PO4)2 cu Mn(II) din oxidarea diclofenacului (Ecuația 1) (Jin et al. 2014).

Calculele arată că structura chimică a Mn3(PO4)2 poate stabiliza Mn(III) și, astfel, poate facilita oxidarea Mn(II) la Mn(III) în condiții oxicale (Jin et al. 2014). Analiza Mn2+ arată prezența unor concentrații mai mari de Mn(II) în tamponul de fosfat decât în demiwater, pe care o explicăm ca urmare a unor cantități mai mari de Mn(III) formate în condiții oxicale. Concentrația mai mare de Mn(III) este probabil motivul pentru care se elimină mai mult diclofenac decât în condiții anoxice, așa cum am observat (Fig. 1) și prezentăm în mod mecanic în Fig. 2.

Sitere reactive pe suprafața MnO2

Absorbția moleculelor organice pe o suprafață reactivă de oxid metalic se dovedește a fi parametrul cheie care dictează eliminarea multor compuși organici și, în mod specific, a site-urilor reactive de pe suprafața MnO2 (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang și Huang 2005b). Rezultatele noastre cu soluția mixtă de produse farmaceutice din apa de demisol sugerează o concurență pentru situsurile reactive între diclofenac și celelalte produse farmaceutice diferite. Acest lucru este evidențiat de eliminarea mai mică a diclofenacului în prezența altor produse farmaceutice (Fig. 1a, b).

Pe baza rezultatelor noastre FTIR, nu a existat o dispariție evidentă a situsurilor reactive în timpul eliminării diclofenacului cu MnO2 atât în condiții oxicale, cât și anoxicale (Fig. S5), posibil datorită unei concentrații relativ ridicate de MnO2 în experiment. Cu toate acestea, este clar că spectrele FTIR sunt diferite între MnO2 înainte și după reacția cu diclofenac, în special în condiții anoxice. Acest lucru indică faptul că intermediarii din diclofenac modifică structura MnO2. Această modificare poate contribui la o mai bună eliminare a diclofenacului cu MnO2 în condiții anoxice.

În tamponul de fosfat, fosfatul poate reduce eliminarea diclofenacului prin adsorbția pe suprafața MnO2 și prin competiția cu DFC pentru situsurile reactive ale MnO2 (Yao și Millero 1996). În consecință, deși nivelul mai scăzut al pH-ului din tamponul de fosfat ar trebui să favorizeze eliminarea diclofenacului (pH 7 în tampon față de pH 8~9 în apă demi), eliminarea diclofenacului este mai bună în apă demi, deoarece situsurile reactive ale MnO2 nu sunt blocate de fosfat (tabelul 1). Cu toate acestea, se observă o eficiență și o cinetică de eliminare similare în demiwater și în tamponul de fosfat în condiții anoxice (Fig. 1). Acest lucru indică faptul că există un mecanism care promovează eliminarea diclofenacului în tamponul de fosfat, care concurează cu inhibiția datorată fosfatului care se absoarbe și ocupă situsurile reactive de pe suprafața MnO2. Din studiile anterioare, se știe că Mn(II) poate ocupa situsurile reactive de pe suprafața MnO2 și apoi poate inhiba eliminarea produselor farmaceutice (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Rezultatele noastre privind eliminarea în tamponul de fosfat arată că 1,54 μM Mn2+ a fost generat în condiții oxicale, în timp ce 2,16 μM a fost generat în condiții anoxice. Mai puțin Mn(II) în condiții oxicale a dus, probabil, la o formare mai mică de Mn3(PO4)2 prin Ecuația 1, ceea ce a condus, probabil, la mai multe situsuri reactive disponibile pentru eliminarea diclofenacului. În condiții anoxice, echilibrul dintre aceste efecte de promovare și de inhibare prin adsorbția fosfatului conduce la o eliminare similară a diclofenacului în demiwater și în tamponul de fosfat.

.