Úvod
Ve farmacii neexistuje téměř žádná účinná látka, o které by se psalo více než o kyselině acetylsalicylové (zkráceně ASA; v anglicky mluvících zemích se jako synonymum často používá i obchodní název Aspirin™). Její úspěšný příběh začal na konci 19. století, kdy Dr. Felix Hoffmann v laboratořích BAYER poprvé syntetizoval tuto látku bez příměsí. V současné době je stále jedním z nejoblíbenějších léčivých přípravků používaných v širokém terapeutickém spektru. Patří do skupiny nesteroidních protizánětlivých léčiv (NSAID) a je určen k léčbě bolesti, horečky a zánětu. Kromě toho se používá k prevenci opakování srdečního infarktu nebo mozkové mrtvice u vysoce rizikových pacientů. V roce 1977 byla ASA zařazena jako analgetikum na "seznam základních léčiv" WHO (Světové zdravotnické organizace) [1].
Toto je druhá ze čtyř aplikačních poznámek, které se podrobněji zabývají tepelným chováním kyseliny acetylsalicylové: Rozklad v různých plynných atmosférách, kinetika rozkladu a výsledné plynné formy [2] [3] [4].
Kinetická analýza termoanalytických dat
Pomocí naměřených údajů termoanalytických metod lze získat informace o úbytku hmotnosti v důsledku rozkladu, pyrolýzy nebo hoření, o energetických změnách, jako je tání nebo KrystalizaceKrystalizace je fyzikální proces tuhnutí při vzniku a růstu krystalů. Při tomto procesu se uvolňuje krystalizační teplo.krystalizace, nebo také o změnách rozměrů vzorku v důsledku tepelné roztažnosti nebo spékání, například u keramických materiálů. U těchto výroků se však informační obsah nevyužívá vyčerpávajícím způsobem. Pomocí komplexnější kinetické analýzy je možné získat také informace o časovém průběhu reakce při různých teplotách, tj. o reakční rychlosti. Pokud lze průběh reakce dostatečně dobře popsat pomocí soustavy matematických rovnic, je možné učinit i předpovědi o průběhu reakce, které jsou experimentálně nedostupné nebo jen obtížně dostupné. Toho lze následně využít k optimalizaci procesů nebo k předpovědi životnosti, oxidační stability nebo chování materiálů a výrobků při stárnutí.
Výsledky a diskuse
Za účelem lepšího pochopení tepelného chování kyseliny acetylsalicylové byl proveden kinetický přístup ve snaze najít systém matematických rovnic pro popis experimentálních dat. Tepelné chování bylo studováno pomocí přístroje NETZSCH TG 209 F1 Libra® a za použití podmínek měření shrnutých v tabulce 1. Kinetický přístup vyžaduje řadu alespoň tří různých rychlostí ohřevu, aby bylo možné popsat korelaci mezi časem a teplotou, což je obecně hlavním cílem kinetických vyhodnocení.
Tabulka 1: Parametry měření TGA
| Parametry | Kyselina acetylsalicylová |
|---|---|
| Hmotnost vzorku [mg] | 4.982 │ 5.014 │ 5.053 |
| Atmosféra | Argon |
| Kelímek | Al2O3, 85 μl, otevřený |
| Teplotní program | RT - 450 °C |
| Rychlost zahřívání [K/min] | 3 │ 10 │ 30 |
| Průtok plynu [ml/min] | 40 |
| Držák vzorku | TGA |
Obrázek 1 znázorňuje výsledky získané v analytickém softwaru NETZSCH Proteus® . Při pyrolýze kyseliny acetylsalicylové mezi 100 °C a 400 °C byly termogravimetrií zjištěny dva hlavní kroky úbytku hmotnosti. Křivky TGA se s rostoucí rychlostí zahřívání posouvají k vyšším teplotám. Převážně paralelní posun, stejně jako téměř identická konečná hmotnost, naznačují, že samotná rychlost ohřevu reakční mechanismus výrazně nemění. To také jasně naznačuje, že reakční mechanismus není v tomto případě příliš složitý. Na druhou stranu je jasně vidět, že kroky ztráty hmotnosti nejsou dokonale odděleny. Není patrná žádná plošina, která by jasně definovala konec prvního kroku ztráty hmotnosti nebo začátek druhého kroku ztráty hmotnosti. Jak potvrzují spojovací techniky, jako je TGA-FT-IR, TGA-MS nebo TGA-GC-MS, PyrolýzaPyrolýza je tepelný rozklad organických sloučenin v inertní atmosféře.pyrolýza i odpařování probíhají současně [2][4][5].
Pro kinetickou analýzu se naměřená data přenášejí do softwaru NETZSCH Kinetics Neo prostřednictvím ASCII. Importovaná data jsou znázorněna na obrázku 2.
Pro získání prvotní představy o mechanismu reakce je užitečné začít kinetickou analýzu tzv. bezmodelovými přístupy. Obrázek 3 ukazuje výsledky podle Ozawa-Flynn-Walla, kde je vynesen logaritmus rychlosti ohřevu v závislosti na inverzní teplotě. Tento přístup nejenže zohledňuje všechny naměřené datové body, ale přináší také informaci o změně aktivační energie i o preexponenciálním faktoru v celém průběhu reakce (stupeň konverze). To je zvláště užitečné u vícestupňových reakcí. Graf popisuje průběh reakce (zprava doleva) pro všechny tři rychlosti ohřevu (vodorovné symboly). Téměř svislé čáry spojují stejný stupeň konverze pro každou rychlost ohřevu, a proto se nazývají izokonverzní čáry.
Tyto izokonverzní přímky jsou víceméně rovnoběžné v rozmezích pro dva hlavní stupně pyrolýzy na začátku a na konci celého procesu. Při přibližně 50% konverzi vykazují izokonverzní přímky jiný sklon, který naznačuje změnu reakčního mechanismu. V této fázi reakce probíhá PyrolýzaPyrolýza je tepelný rozklad organických sloučenin v inertní atmosféře.pyrolýza a odpařování současně, jak bylo uvedeno dříve [2][4][5].
Obrázek 4 ukazuje, jak se aktivační energie mění s postupem reakce podle Ozawa-Flynn-Walla. To je velmi důležitá informace, protože již naznačuje tři rozsahy pro celý proces, přičemž aktivační energie se na začátku pohybuje kolem 110 kJ/mol, mezi 40 % a 50 % konverzí kolem 40 kJ/mol a na konci reakce kolem 120 kJ/mol. Změna aktivační energie se stupněm konverze potvrzuje vícestupňový reakční mechanismus. Získané hodnoty jsou v dobré korelaci s výsledky publikovanými v literatuře [6].
Převedení těchto informací do modelové analýzy vede k třístupňovému konsekutivnímu modelu (t:FnFnFn), kde A představuje výchozí materiál (kyselinu acetylsalicylovou), B a C jsou meziprodukty známé z literatury [6, 7] a D je konečný produkt. V tomto případě konečný produkt samozřejmě není ve skutečnosti látkou, ale popisuje konec reakce nebo 100% konverzi, protože zbytková hmotnost je pro všechny tři termogravimetrické křivky nulová. Všechny vzniklé produkty jsou plynné, a proto se při zahřívání na konečnou teplotu odpařují z kelímku. Obrázek 5 znázorňuje výsledek tohoto modelového přístupu. Naměřená data jsou znázorněna jako symboly a výsledky pro vypočtený třístupňový po sobě jdoucí model jsou znázorněny jako plné čáry s barvami vztahujícími se k různým rychlostem ohřevu. Vypočtený model téměř dokonale odpovídá experimentálním datům, což nakonec potvrzuje i korelační koeficient 0,99986.
Vypočtené parametry preexponenciálního faktoru, aktivační energie a reakčního řádu jsou shrnuty v tabulce 2 pro každý jednotlivý reakční krok. Všechny hodnoty aktivační energie jsou v dobré shodě s hodnotami navrženými Ozawa-Flynn-Wallovým přístupem i s hodnotami uvedenými v literatuře [6]. Příspěvek každého ze tří reakčních kroků činí 40,3 %, 13,6 % a 46,1 %, což dobře koreluje s prezentovanými kroky ztráty hmotnosti.
Tabulka 2: Parametry vyplývající z přístupu založeného na modelu s použitím třístupňového po sobě jdoucího modelu n-tého řádu
| Parametr | 1. krok (Fn) | 2. krok (Fn) | 3. krok (Fn) |
|---|---|---|---|
| Log (PreExp) | 9.88 | 0.88 | 8.02 |
| EA (kJ/mol) | 101.3 | 30.7 | 116.6 |
| Pořadí reakce | 1.01 | 0.91 | 0.77 |
| Příspěvek (%) | 40.3 | 13.6 | 46.1 |
Závěr
V literatuře se uvádí dvoustupňový mechanismus pyrolýzy kyseliny acetylsalicylové se současným OdpařováníVypařování prvku nebo sloučeniny je fázový přechod z kapalné fáze do páry. Existují dva typy vypařování: vypařování a var.odpařováním meziproduktů [6]. Gregory a kol. zjistili, že hlavní sloučeninou uvolněnou během prvního kroku ztráty hmoty je kyselina octová. Dále navrhují mechanismus pyrolýzy za vzniku různých oligomerů, jak naznačují atomové hmotnostní jednotky (amu) zjištěné hmotnostní spektrometrií (MS) [6] [7]. Spolu s potvrzením, že hlavními plynnými produkty jsou kyselina octová, kyselina salicylová, fenol a kyselina acetylsalicylová, byla použita ještě sofistikovanější technika spojování TGA-GC-MS za účelem separace a Identify dalších produktů pyrolýzy [2]. Všichni autoři uvádějí superpozici pyrolýzy a odpařování mezi 40 a 60 % průběhu reakce.
V této práci bylo možné tyto výsledky implementovat do modelového kinetického přístupu s třístupňovým konsekutivním modelem n-tého řádu. Dobrou korelaci mezi experimentálními daty a matematickým modelem potvrzuje korelační koeficient 0,99986. Například hodnoty aktivační energie jsou v dobré shodě s hodnotami uváděnými v literatuře. Nicméně zde zavedený modelový přístup třístupňového konsekutivního modelu je jistě krokem dále než izokonverzační bezmodelové přístupy založené mimo jiné na Ozawa-Flynn-Wall nebo jiných [6], protože kinetická data jsou k dispozici nezávisle pro každý jednotlivý reakční krok.