Estudo da mobilidade de fármacos em água - uma abordagem experimental e teórica

Abstract

A presença de compostos biologicamente ativos provenientes da indústria farmacêutica tem sido crescente em matrizes ambientais e em estações de tratamento de águas resíduas. Métodos de prevenção, legislação específica, e métodos de remediação têm sido desenvolvidos para minimizar os danos ambientais inerentes. Entretanto, muitos dos fármacos atualmente utilizados ainda não têm as suas propriedades de transporte bem descritas na literatura. Tendo em conta a sua importância para o desenvolvimento de modelos de dispersão e distribuição no ambiente e também para a conceção e dimensionamento de métodos de remoção das águas residuais, o conhecimento da mobilidade desses fármacos em soluções aquosas assume uma enorme relevância do ponto de vista científico e técnico. Neste trabalho, foi estudada a mobilidade em solução aquosa de dois fármacos anti-inflamatórios não esteroides (cetoprofeno e ibuprofeno), um antipirético (acetaminofeno), um antiepilético (carbamazepina), um beta-bloqueador (atenolol) e vitamina B3 (nicotinamida) através da medição dos seus coeficientes de difusão mútua em água, a diluição infinita e, em alguns casos, a outras concentrações, em função da temperatura, usando o método de dispersão de Taylor. Os coeficientes de intra-difusão dos mesmos solutos em água na mesma gama de temperatura e concentração também foram determinados por simulação pelo método de Dinâmica Molecular (Molecular Dynamics). A análise das trajetórias de simulações permitiu o estudo da estrutura das moléculas de solventes em torno do soluto e sua interação mútua, o que também foi abordado pelos cálculos da mecânica quântica (DFT). A Carbamazepina apresenta valores de coeficientes de difusão superiores ao esperado, considerando o seu peso molecular e dimensão, enquanto o ibuprofeno, o cetoprofeno e o atenolol apresentam tendências opostas, sendo esses factos criticamente influenciados pelas diferentes interações soluto-solvente envolvendo cada soluto. A carbamazepina parece ter uma interação particularmente fraca com água, enquanto o cetoprofeno, o ibuprofeno e o atenolol são capazes de interagir fortemente com o solvente. Tanto a simulação de dinâmica molecular como os resultados de DFT confirmam essa hipótese; - ABSTRACT Studying the mobility of pharmaceuticals in water - an experimental and theoretical approach - The presence of biologically active compounds from the pharmaceutical industry has been increasing in environmental matrices and wastewater treatment plants. Prevention methods, specific legislation, and remediation methods have been developed to minimize the inherent environmental damage. However, many of the drugs currently used do not yet have their transport properties well described in the literature. Considering their importance for the development of dispersion and distribution models in the environment and also for the design and scaling of wastewater removal methods, knowledge of the mobility of these drugs in aqueous solutions is extremely important from a scientific and technical point of view. In this study, the mobility in aqueous solution of two non-steroidal anti-inflammatory drugs (ketoprofen and ibuprofen), an antipyretic (acetaminophen), an antiepileptic (carbamazepine), a beta-blocker (atenolol) and vitamin B3 (nicotinamide) by measuring their mutual diffusion coefficients in water, at infinite dilution and, in some cases, at other concentrations, as a function of temperature, using the Taylor dispersion method. The intra-diffusion coefficients of the same solutes in water in the same temperature and concentration range were also determined by simulation using the Molecular Dynamics method. Analysis of the simulation trajectories allowed the study of the structure of the solvent molecules surrounding the solute and their mutual interaction, which was also addressed by quantum mechanics (DFT) calculations. Carbamazepine shows higher than expected diffusion coefficient values, considering its molecular weight and size, while ibuprofen, ketoprofen and atenolol show opposite trends, these facts being critically influenced by the different solute-solvent interactions involving each solute. Carbamazepine seems to have a particularly weak interaction with water, while ketoprofen, ibuprofen and atenolol are able to interact strongly with the solvent. Both the molecular dynamics simulation and the DFT results confirm this hypothesis.