Въведение
Калиевият клавуланат (фигура 1) е сол на клавулановата киселина, която е основен ß-лактамен антибиотик, произвеждан от организма Streptomyces clavuligerus [1]. Сам по себе си той всъщност е способен само на слаба антибактериална активност срещу повечето организми, но в комбинация с антибиотика амоксицилин е ефективен срещу стафилококови бактерии, произвеждащи ß-лактамаза, които са резистентни към самия амоксицилин [2, 3]. Ето защо той е утвърдено вещество във фармацевтичната промишленост.
Амоксицилинът и калиевият клавуланат проявяват сходни пътища на разграждане. Въпреки това стабилността на комбинацията амоксицилин-клавуланат зависи основно от клавуланата, който е по-разградимият от двата [4, 5].
Разграждането на калиев клавуланат е изследвано в много статии [3, 4, 7, 12]. Обикновено веществото е изследвано в разтвори с различни нива на рН и в присъствието на амоксицилин. Установено е, че стабилността на примеса амоксицилин/клавуланова киселина се влияе от повишаването на температурата от 25°C до 40°C [3]. От друга страна, срокът на годност на примеса се увеличава значително, ако рН на разтвора се подкисели [4]. Наблюдава се също така, че в разтворите разграждането на клавулановата киселина се катализира от продуктите на хидролизата [12]. Както се вижда от използването на HPLC метода върху проби, съхранявани при различни температури и при различни атмосферни условия, разлагането на калиевия клавуланат в твърдо състояние следва друг механизъм: Продуктите на разлагане, образувани в твърда фаза, нямат каталитичен ефект [8].
Термичната стабилност може да се изследва и с термогравиметрия, която определя, наред с други неща, температурата, при която даден материал започва да се разлага или да реагира [9]. Термичното разлагане на твърд калиев клавуланат е характеризирано с помощта на термобаланс, свързан с FT-IR спектрометър в [13]. По-долу термогравиметричните измервания се използват за провеждане на кинетични изследвания на реакцията на разлагане.
Това позволява да се предвиди разграждането на калиевия клавуланат за конкретни температурни и времеви условия. Познаването на термичната стабилност и разбирането на процеса на разлагане на калиевия клавуланат в твърдо състояние позволява оптимизиране на условията за неговото съхранение.
Експериментален
Измерванията на TGA бяха извършени с термовезна NETZSCH TG 209 F1 Libra® с автоматичен сменяч на проби. От TGA-FT-IR измерването, описано в [13], научихме, че пробата отделя повърхностна вода веднага след началото на измерването. Поради тази причина следващите измервания бяха извършени с помощта на затворени алуминиеви тигли. Непосредствено преди измерването капакът на тигела беше автоматично пробит от пробивното устройство на ASC. По този начин се предотвратява изпускането на повърхностна вода от пробата още преди началото на самото измерване, което би фалшифицирало стойността на началната маса.
Масите на пробите бяха между 4,33 и 5,04 mg. Пробите са нагрявани в интервала от стайна температура до 600 °С при четири скорости на нагряване, вариращи от 1 K/min до 10 K/min. Измерванията са проведени в атмосфера на динамичен азот (40 ml/min).
Получените TGA криви са основа за кинетичната оценка на реакцията на разлагане.
За тази цел е използван софтуерът Kinetics Neo (на NETZSCH-Gerätebau GmbH). Той позволява да се моделира кинетиката на реакции от един до няколко етапа.
Този софтуер може да причисли всяка отделна стъпка към различни типове реакции със собствени кинетични параметри, като например енергия на активация, ред на реакцията и преекспоненциален фактор. Въз основа на резултатите Kinetics Neo може да симулира реакцията(ите) за зададени от потребителя температурни програми.
Резултати и обсъждане
Измервания на TGA
На фигура 2 са показани кривите на TGA и DTG (първа производна) от измерванията на калиев клавуланат при скорости на нагряване 1, 3, 5 и 10 K/min. Първата стъпка на загуба на маса, открита между стайна температура и 120°C, е резултат от изпарението на повърхностна вода [13]. Освен това трите стъпки на загуба на маса, установени между 120°C и 600°C, се дължат на разлагането на калиев клавуланат. Те се изместват към по-високи температури с увеличаване на скоростта на нагряване (кинетично влияние). Например при скорост на нагряване 1 К/min първата стъпка на разлагане се появява при 167 °C (DTG пик), докато при скорост на нагряване 10 К/min тя се появява при 184 °C (DTG пик). Последната стъпка на разпадане става по-изразена с увеличаване на скоростта на нагряване: При скорост на нагряване от 5 K/min се наблюдава DTG пик при 412°C (червена прекъсната крива), докато при 10 K/min той се появява при 417°C (черна прекъсната крива).
Кинетичен анализ на термичното разпадане
Зависимостта на разлагането от скоростта на нагряване позволява да се оцени процесът с помощта на софтуера NETZSCH Kinetics Neo. На фигура 3 са показани кривите на TGA измерванията между 130°C и 600°C, използвани за кинетичната оценка. Освобождаването на повърхностна вода при температури, по-ниски от 130°C, не е взето предвид.
Откритите три последователни загуби на маса показват най-малко три етапа на разлагане. Кривата на DTG от измерването при 1 K/min, представена на фигура 4, показва три пика при 167°C, 293°C и 368°C, но също и две рамена с начални температури 241°C и 322°C. Това е причината, поради която Kinetics Neo предлага кинетичен модел с пет последователни стъпки от n-ти ред.
Скоростта на реакцията на всяка стъпка j се описва с функцията: Ratej =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: преекспоненциален фактор
Ej: енергия на активация [J.mol-1]
T: температура [K]
R: газова константа (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): функция, зависеща от концентрацията на
началния реагент ej и концентрацията на продукта pj
Фигура 5 сравнява измерените TGA криви (пунктирани линии) с изчислените криви (плътни линии) на избрания 5-стъпков модел. Между измерените и изчислените данни е постигнат висок коефициент на корелация от >0,999.
В таблица 1 са обобщени резултатите от кинетичната оценка за всяка стъпка. Теоретичната загуба на маса е изчислена чрез умножаване на приноса на реакционната стъпка към разлагането с общата загуба на маса, възникваща по време на разлагането.
Първата стъпка на разлагане, A→B, е свързана с изчислената загуба на маса от 11,9 % и съответства на експерименталните стойности от 11 %. Загубата на маса за последната стъпка, E→F, възлиза на 13,9 %. Това е малко повече от експерименталната стойност от 11-12 %. Това означава, че последната стъпка на загуба на маса започва по-рано (< 360 °C). Общата загуба на маса на стъпките B→C, C→D и D→E е 36,9 % и съответства на сложния процес на разлагане около 300 °C (DTG пик) на фигура 2.
Таблица 1: Кинетични параметри на термичното разграждане на калиев клавуланат
| Етап на реакция | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Енергия на активация [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Предекспоненциален фактор | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Ред на реакциите | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Принос | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Теоретична загуба на маса | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
Добрата корелация на измерванията с реакциите от n-ти порядък потвърждава заключенията, направени в [8], че противно на поведението му при разлагане в разтвори, разлагането на калиев клавуланат в твърдо състояние не е автокатализирано.
Кинетичната оценка е извършена с висок коефициент на корелация и по този начин с висока степен на съгласие между измерените и симулираните TGA криви, така че са възможни прогнози за дългосрочното поведение при различни температури на съхранение. Като пример фигура 6 показва изменението на масата в зависимост от времето въз основа на 5-стъпковия модел с последователни стъпки; тя представлява прогнозата за разлагането на калиев клавуланат за различни температури между 80°C и 150°C в азотна атмосфера. С увеличаване на температурата разлагането се увеличава. Този ефект може да се наблюдава още при температура на съхранение от 90°C (зелена крива в горния край на графиката - фигура 6).
На фигура 7 е представена стабилността на лекарството в инертна атмосфера в продължение на 5 години за температури между 20°C и 80°C. Изглежда, че не се наблюдава значителна загуба на маса при прогнозиране за температури до 60°C.
Тук трябва да се напомни, че кинетиката на разпадане е извършена върху суха проба. Водата обаче оказва голямо влияние върху разлагането на калиевия клавуланат: Съхранението във влажна атмосфера измества разлагането му към по-ниски температури [10]. J. Cieleka-Piontek показва, че пробите от калиев клавуланат се разлагат по-бързо, ако са изложени на повишена влажност на въздуха, отколкото когато са изложени на сух въздух, и предполага, че атаката на водна молекула върху карбонилната група на ß-лактамния пръстен предизвиква термолиза [8].
За да се валидира кинетичният модел, изчислен от Kinetics Neo за предсказване на поведението на разлагане при изотермични условия, проба от калиев клавуланат с тегло 9,23 mg беше нагрята до 200 °С и след това поддържана в изотермично състояние в продължение на два часа. Наблюдението на измерването започна при 120°C, за да се изключи ефектът на загуба на маса от отделянето на повърхностна вода.
Фигура 8 сравнява масовите загуби, определени чрез измерване, с тези, определени чрез прогнозиране (Kinetics Neo). Сравнението показва доброто съответствие между двете криви и по този начин надеждността на изчислението.
Заключение
Кинетиката на термичното разграждане на калиев клавуланат в твърдо състояние под азот е изследвана с помощта на термогравиметрия и кинетика Neo. Висока степен на корелация между измерените и симулираните данни може да се получи чрез използване на последователен петстепенен кинетичен модел, при който всяка стъпка е от n-ти ред. Това позволява да се прогнозира поведението при съхранение при различни температури, температурни профили и периоди.
Резултатите са валидирани чрез сравняване на измерването на TGA при определен температурен профил, включващ изотермичен сегмент, с прогнозите, изчислени от Kinetics Neo.