Úvod
Klavulanát draselný (obrázek 1) je sůl kyseliny klavulanové, která je hlavním ß-laktamovým antibiotikem produkovaným organismem Streptomyces clavuligerus [1]. Sám o sobě je ve skutečnosti schopen pouze slabé antibakteriální aktivity proti většině organismů, ale v kombinaci s antibiotikem amoxicilinem je účinný proti ß-laktamázu produkujícím stafylokokům, které jsou rezistentní vůči samotnému amoxicilinu [2, 3]. Proto je ve farmaceutickém průmyslu zavedenou látkou.
Amoxicilin a klavulanát draselný vykazují podobné cesty rozkladu. Stabilita kombinace amoxicilinu a klavulanátu však závisí především na klavulanátu, který je z obou látek rozložitelnější [4, 5].
Rozklad klavulananu draselného byl zkoumán v mnoha pracích [3, 4, 7, 12]. Obecně byla látka studována v roztocích s různou úrovní pH a v přítomnosti amoxicilinu. Bylo zjištěno, že stabilita příměsi amoxicilin/kyselina klavulanová je ovlivněna zvýšením teploty z 25 °C na 40 °C [3]. Na druhou stranu se doba skladovatelnosti příměsi výrazně zvyšuje, pokud se pH roztoku okyselí [4]. Bylo také zjištěno, že v roztocích je Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad kyseliny klavulanové katalyzován produkty hydrolýzy [12]. Jak se ukázalo při použití metody HPLC na vzorcích skladovaných při různých teplotách a za různých atmosférických podmínek, Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad klavulananu draselného v pevném stavu probíhá jiným mechanismem: Produkty rozkladu vznikající v pevné fázi nemají žádný katalytický účinek [8].
Tepelnou stabilitu lze zkoumat také pomocí termogravimetrie, která mimo jiné určuje teplotu, při níž se materiál začíná rozkládat nebo reagovat [9]. Tepelný Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad pevného klavulananu draselného byl charakterizován pomocí termováhy spojené s FT-IR spektrometrem v [13]. V následujícím textu jsou termogravimetrická měření použita k provedení kinetických studií Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozkladné reakce.
To umožňuje předpovědět Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad klavulananu draselného pro konkrétní teplotní a časové podmínky. Znalost tepelné stability a pochopení procesu rozkladu klavulananu draselného v pevném stavu umožňuje optimalizovat podmínky jeho skladování.
Experimentální
Měření TGA bylo provedeno na termováze NETZSCH TG 209 F1 Libra® s automatickým měničem vzorků. Z měření TGA-FT-IR popsaného v [13] jsme se dozvěděli, že vzorek uvolňuje povrchovou vodu ihned po zahájení měření. Z tohoto důvodu byla další měření prováděna s použitím uzavřených hliníkových kelímků. Těsně před měřením bylo víko kelímku automaticky propíchnuto propichovacím zařízením ASC. Tím se zabránilo tomu, aby vzorek uvolnil povrchovou vodu již před zahájením vlastního měření, což by zkreslilo hodnotu počáteční hmotnosti.
Hmotnosti vzorků se pohybovaly mezi 4,33 a 5,04 mg. Vzorky byly zahřívány v rozmezí od pokojové teploty do 600 °C při čtyřech rychlostech zahřívání od 1 K/min do 10 K/min. Měření byla prováděna v dynamické atmosféře dusíku (40 ml/min).
Získané TGA křivky jsou základem pro kinetické vyhodnocení Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozkladné reakce.
K tomu byl použit software Kinetics Neo (od společnosti NETZSCH-Gerätebau GmbH). Umožňuje modelovat kinetiku jednostupňových až vícestupňových reakcí.
Tento software dokáže přiřadit každý jednotlivý krok k různým typům reakcí s vlastními kinetickými parametry, jako je aktivační energie, pořadí reakce a preexponenciální faktor. Na základě výsledků je Kinetics Neo schopen simulovat reakci (reakce) pro teplotní programy zadané uživatelem.
Výsledky a diskuse
Měření TGA
Na obrázku 2 jsou znázorněny křivky TGA a DTG (první derivace) měření klavulananu draselného při rychlostech ohřevu 1, 3, 5 a 10 K/min. První stupeň úbytku hmotnosti, zjištěný mezi pokojovou teplotou a 120 °C, je důsledkem odpařování povrchové vody [13]. Další tři kroky úbytku hmotnosti zjištěné mezi 120 °C a 600 °C jsou způsobeny rozkladem klavulananu draselného. S rostoucí rychlostí zahřívání se posouvají k vyšším teplotám (kinetický vliv). Například při rychlosti ohřevu 1 K/min nastává první krok rozkladu při 167 °C (DTG pík), zatímco při rychlosti ohřevu 10 K/min nastává při 184 °C (DTG pík). Poslední krok rozkladu se stává výraznějším se zvyšující se rychlostí ohřevu: Při rychlosti ohřevu 5 K/min je pík DTG pozorován při 412 °C (červená čárkovaná křivka), zatímco při 10 K/min se objevuje při 417 °C (černá čárkovaná křivka).
Kinetická analýza termického rozkladu
Závislost rozkladu na rychlosti ohřevu umožňuje vyhodnotit proces pomocí softwaru NETZSCH Kinetics Neo . Na obrázku 3 jsou uvedeny křivky měření TGA mezi 130 °C a 600 °C použité pro kinetické vyhodnocení. Uvolňování povrchové vody při teplotách nižších než 130 °C není zohledněno.
Zjištěné tři po sobě jdoucí úbytky hmotnosti ukazují na nejméně tři rozkladné kroky. Křivka DTG měření při 1 K/min uvedená na obrázku 4 ukazuje tři píky při 167 °C, 293 °C a 368 °C, ale také dvě ramena s teplotami nástupu 241 °C a 322 °C. To je důvod, proč Kinetics Neo navrhuje kinetický model s pěti po sobě jdoucími kroky n-tého řádu.
Reakční rychlost každého kroku j je popsána funkcí: Reaction Ratej =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: preexponenciální faktor
Ej: aktivační energie [J.mol-1]
T: teplota [K]
R: plynová konstanta (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): funkce závislá na koncentraci
počátečního reaktantu ej a koncentraci produktu pj
Obrázek 5 porovnává naměřené křivky TGA (tečkované čáry) s vypočtenými křivkami (plné čáry) zvoleného 5krokového modelu. Mezi naměřenými a vypočtenými údaji je dosaženo vysokého korelačního koeficientu >0,999.
Tabulka 1 shrnuje výsledky kinetického vyhodnocení pro každý krok. Teoretický hmotnostní úbytek se vypočítá vynásobením příspěvku reakčního kroku k rozkladu celkovým hmotnostním úbytkem, ke kterému dojde během rozkladu.
První krok rozkladu, A→B, je spojen s vypočtenou ztrátou hmotnosti 11,9 % a odpovídá experimentálním hodnotám 11 %. Hmotnostní ztráta v posledním kroku, E→F, činí 13,9 %. To je o něco více než experimentální hodnota 11 - 12 %. Znamená to, že poslední krok ztráty hmotnosti začíná dříve (< 360 °C). Celkový úbytek hmotnosti kroků B→C, C→D a D→E je 36,9 % a odpovídá procesu komplexního rozkladu kolem 300 °C (pík DTG) na obrázku 2.
Tab. 1: Kinetické parametry tepelného rozkladu klavulananu draselného
| Reakční krok | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktivační energie [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Předexponenciální faktor | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Pořadí reakce | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Příspěvek | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Teoretická ztráta hmotnosti | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
Dobrá korelace měření s reakcemi n-tého řádu potvrzuje závěry učiněné v [8], že na rozdíl od chování klavulananu draselného při rozkladu v roztocích není jeho Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad v pevném stavu autokatalyzován.
Kinetické vyhodnocení bylo provedeno s vysokým korelačním koeficientem, a tedy s vysokou mírou shody mezi naměřenými a simulovanými křivkami TGA, takže je možné předpovídat dlouhodobé chování při různých teplotách skladování. Jako příklad je na obrázku 6 znázorněna změna hmotnosti v závislosti na čase na základě pětistupňového modelu s postupnými kroky; představuje předpověď rozkladu klavulananu draselného pro různé teploty mezi 80 °C a 150 °C v dusíkové atmosféře. S rostoucí teplotou se Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad zvyšuje. Tento efekt lze pozorovat již při teplotě skladování 90 °C (zelená křivka na horním konci grafu - obrázek 6).
Obrázek 7 znázorňuje stabilitu léčiva v inertní atmosféře v průběhu 5 let pro teploty mezi 20 °C a 80 °C. Zdá se, že pro teploty do 60 °C nedochází v predikci k žádným významným hmotnostním ztrátám.
Zde je třeba připomenout, že kinetika rozkladu byla provedena na suchém vzorku. Voda má však na Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad klavulananu draselného velký vliv: Skladování ve vlhkém prostředí posouvá jeho Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad do nižších teplot [10]. J. Cieleka-Piontek ukazuje, že vzorky klavulananu draselného se rozkládají rychleji, pokud jsou vystaveny zvýšené vlhkosti vzduchu, než když jsou vystaveny suchému vzduchu, a předpokládá, že atak molekuly vody na karbonylovou skupinu ß-laktamového kruhu vyvolává termolýzu [8].
Za účelem ověření kinetického modelu vypočteného pomocí Kinetics Neo pro předpověď chování při rozkladu za IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických podmínek byl vzorek klavulananu draselného o hmotnosti 9,23 mg zahřát na 200 °C a poté udržován v izotermii po dobu dvou hodin. Sledování měření začalo při 120 °C, aby se vyloučil vliv úbytku hmotnosti uvolněním povrchové vody.
Obrázek 8 porovnává hmotnostní ztráty stanovené měřením s hmotnostními ztrátami stanovenými předpovědí (Kinetics Neo). Srovnání ukazuje dobrou shodu mezi oběma křivkami, a tedy spolehlivost výpočtu.
Závěr
Kinetika tepelného rozkladu klavulananu draselného v pevném stavu pod dusíkem byla zkoumána pomocí termogravimetrie a Kinetics Neo. Vysoké míry korelace mezi naměřenými a simulovanými údaji lze dosáhnout použitím postupného pětistupňového kinetického modelu, kde každý krok je n-tého řádu. To umožňuje předpovídat chování při skladování za různých teplot, teplotních profilů a období.
Výsledky jsou ověřeny porovnáním měření TGA při zadaném teplotním profilu včetně IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického úseku s předpověďmi vypočtenými pomocí Kinetics Neo.