Úvod
Při kontaktu vody s krystalickou látkou dochází k různým typům interakcí: Molekuly vody se mohou na povrchu jednoduše adsorbovat, na pevné látce se může objevit kondenzovaná kapalná voda (v případě deliquescence nebo kapilární kondenzace) nebo se voda může dokonce začlenit do struktury krystalu (absorpce) a vytvořit stechiometrické nebo nestechiometrické hydráty [1]. Při zahřívání je zase zapotřebí různého množství energie k překonání těchto interakcí a přerušení vzniklých vazeb. Proto při zahřívání hydrátu někdy pozorujeme několik kroků úbytku hmoty; nejprve se desorbují molekuly vody adsorbované na povrchu a poté voda, která je silněji vázaná.
Pro návrh dehydratačního procesu je proto velmi důležité znát tepelné vlastnosti konkrétního vzorku. Termogravimetrická analýza v kombinaci s kinetickým vyhodnocením je zde velmi užitečná, protože může pomoci výrazně zkrátit dobu potřebnou k vypracování vhodného teplotního programu. Pokud se termická měření provádějí pomocí hyphenovaných systémů, např. pomocí TGA nebo STA ve spojení se systémem pro analýzu plynů, jako je FT-IR, pak je navíc možné zjistit, zda plyn vznikající při zahřívání je skutečně pouze voda, nebo zda se jedná o další těkavé látky.
Magnesiumstearát jako modelová látka -Experimentální
Stearan hořečnatý je jednou z nejpoužívanějších pomocných látek ve farmacii. Obvykle se používá jako lubrikant přidávaný do pevných lékových forem, jako jsou tablety. Mnoho komerčních typů stearanu hořečnatého se skládá ze směsi různých hydrátů: monohydrátu (uspořádaného nebo neuspořádaného), dihydrátu a/nebo trihydrátu. [2] Pro tuto sérii experimentů bylo přibližně 6,5 mg práškového stearanu hořečnatého, tak jak byl přijat, zahříváno při rychlostech ohřevu mezi 2 K/min a 20 K/min pomocí zařízení NETZSCH TG 209 F1 . Kompletní soubor parametrů měření je uveden v tabulce 1.
Tabulka 1: Parametry měření
| Parametry | Stearan hořečnatý |
|---|---|
| Hmotnost vzorku | Přibližně 6,5 mg |
| Atmosféra | Dusík |
| Kelímek | Al, otevřený |
| Teplotní program | RT až 180 °C |
| Rychlost zahřívání | 2, 5, 10 a 20 K/min |
| Průtoková rychlost | 40 ml/min |
| Držák vzorku | TGA, typ P |
Výsledky a diskuse
Pozorovaný úbytek hmotnosti vzorku stearanu hořečnatého začíná poměrně brzy. Na křivce provedené při 2 K/min je patrná odchylka již při teplotě přibližně 50 °C.
Čím vyšší je použitá rychlost ohřevu, tím více jsou křivky posunuty k vyšším teplotám, což je charakteristické pro kinetické efekty. Kromě toho křivky při vyšších rychlostech ohřevu vykazují zřetelnější strukturu. Na modré křivce (provedené při 20 K/min) lze jasně detekovat tři kroky úbytku hmoty. To naznačuje, že snížení rychlosti ohřevu ne vždy zlepšuje oddělení překrývajících se efektů - někdy je tomu naopak, jako v tomto příkladu. Rozhodující je tedy kinetika, která stojí za účinky úbytku hmotnosti.
Abychom se dozvěděli více o kinetice, která stojí za efekty úbytku hmoty, byl následně použit software NETZSCH Kinetics Neo . Pomocí tohoto softwaru bylo možné dobře přizpůsobit experimentální data použitím třístupňového po sobě jdoucího modelu reakcí n-tého řádu (t:FnFnFn, viz obr. 2)
A → B → C → D
Odpovídající korelační koeficientR2, který je ukazatelem kvality přizpůsobení, byl stanoven na 0,99993.
Kinetics Neo je formální kinetický software, který dokáže analyzovat různé druhy chemických procesů závislých na teplotě, ať už jsou spojeny - kromě jiných možností - se změnou hmotnosti, délky nebo entalpie. Kinetics Neo může pracovat na základě bezmodelových a modelových metod. Kinetický přístup založený na modelu je schopen poskytnout informace o každém reakčním kroku spolu se souvisejícími parametry, jako je aktivační energie, pořadí reakce nebo příspěvek k celkovému procesu. Vypočtené parametry pro tento případ jsou uvedeny v tabulce 2.
Na základě těchto poznatků lze vypočítat předpovědi pro teplotní profily, které nebyly dříve měřeny nebo které dokonce nejsou experimentálně vůbec dostupné.
To bylo provedeno pro následující dva scénáře:
1. Prvním z nich je simulace klasického postupu ztráty při sušení v sušicí komoře, která je nastavena na 105 °C. [3], [4]
Pro simulaci přímého vložení vzorku do horké sušící komory byla jako počáteční rychlost ohřevu zvolena hodnota 100 K/min, po níž následoval izotermický úsek při teplotě 105 °C (viz obr. 3).
Úbytek hmotnosti začíná během fáze rychlého ohřevu, ale nemůže být zcela ukončen. Než dojde k přechodu na izotermický segment, dojde pouze k 3,3 % hmotnostních ztrát. Přibližně po 18 minutách je dosaženo hmotnostního úbytku 4,03 %, což se dobře shoduje s hodnotou 4,02 % uvedenou na analytickém certifikátu použitého stearanu hořečnatého.
Tabulka 2: Formální kinetické parametry procesu dehydratace stearanu hořečnatého
| Parametry | A → B Fn | B →C Fn | C →D Fn |
|---|---|---|---|
| Aktivační energie [kJ/mol] | 122.34 | 129.25 | 217.42 |
| Logaritmický preexponenciální faktor | 16.15 | 16.46 | 27.59 |
| Řád reakce | 0.853 | 0.948 | 3.007 |
| Příspěvek | 0.553 | 0.349 | 0.009 |
2. Druhým scénářem je simulace IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického zpracování vzorku stearanu hořečnatého při teplotě 50 °C (obr. 4).
V tomto případě pozorovaný úbytek hmotnosti začíná okamžitě a trvá dlouho. Po přibližně 32 hodinách (1920 minutách) činí 3,75 %. Zbývá pouhých 0,27 % (na základě referenční hodnoty hmotnostního úbytku 4,02 %; viz výše). Tato hodnota se víceméně zachová, i když se doba prodlouží na 80 nebo 160 hodin. To naznačuje, že stearan hořečnatý má tendenci ztrácet většinu - ale ne všechnu - své (hydrátové) vody, pokud je delší dobu skladován v suchých a horkých podmínkách. Zdá se však, že pro úplnou dehydrataci není teplota 50 °C dostatečná.
Závěr
Kinetické hodnocení pomocí aplikace NETZSCH Kinetics Neo nabízí možnost stanovit matematický model, který popisuje experimentální chování vzorků během tepelného zpracování. Ačkoli se jedná o formální popis pro technické účely a obvykle neodráží úplný chemický mechanismus procesu, může poskytnout cenné vodítko k tomu, co se ve vzorku děje. Pokud jde o procesy dehydratace, umožňuje nám to snadno určit, který teplotní profil se zdá být perspektivnější - a to vše bez pracného postupu metodou pokus-omyl.