Dybere indsigt i pyrolysen af acetylsalicylsyre ved hjælp af termogravimetriske målinger i forskellige gasatmosfærer, del 3

Introduktion

Inden for farmaci er der næppe nogen aktiv ingrediens, der er blevet skrevet mere om end acetylsalicylsyre (eller ASA i forkortet form; i engelsktalende lande bruges selv mærkenavnet Aspirin™ ofte som synonym). Dens succeshistorie begyndte i slutningen af det 19. århundrede, da Dr. Felix Hoffmann syntetiserede stoffet i BAYERs laboratorier for første gang uden urenheder. I dag er det stadig et af de mest populære lægemidler, der anvendes over en bred terapeutisk vifte. Det hører til gruppen af ikke-steroide antiinflammatoriske lægemidler (NSAID) og er indiceret til behandling af smerter, feber og betændelse. Desuden bruges det til at forebygge tilbagefald af hjerteanfald eller slagtilfælde hos højrisikopatienter. I 1977 blev ASA tilføjet som et smertestillende middel til WHO's (Verdenssundhedsorganisationen) liste over "essentielle lægemidler". [1]

Dette er en af fire anvendelsesnoter, der mere detaljeret undersøger acetylsalicylsyres termiske opførsel: NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning i forskellige gasatmosfærer, nedbrydningskinetik og de resulterende gasarter.

Tabel 1: Måleparametre

Eksperimentel

Prøvematerialet, acetylsalicylsyre (CAS: 50-78-2), blev indkøbt fra Sigma Aldrich med en renhed på > 99 %. Det er et hvidt, krystallinsk pulver, som findes i tre krystalmodifikationer [2]. Form I, med et Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltepunkt på ca. 137 °C [4], er den mest stabile ved omgivelsestemperatur og derover [3].

Pyrolyseeksperimenter udføres normalt i en nitrogenatmosfære på grund af tilgængeligheden og den relativt lave pris. Dette afspejles også i flere publikationer, for eksempel [5] og [6]. For at besvare spørgsmålet om, hvorvidt resultaterne opnået under nitrogen også kan generaliseres til andre atmosfærer, blev der udført en eksperimentel serie til undersøgelse af den termiske opførsel af acetylsalicylsyre som en funktion af rensegassens natur. Ud over nitrogen blev der også anvendt helium og argon som inerte gasser. De tilsvarende måleparametre er opsummeret i tabel 1.

Til karakterisering af den termiske adfærd blev der anvendt et NETZSCH TG 209 F1 instrument.

Figur 1 viser den typiske to-trins nedbrydningsprofil for acetylsalicylsyre, som opstår ved opvarmning af stoffet i en strømmende argonatmosfære. Det første trin, med en DTG-toptemperatur på ca. 190 °C, udviser et massetab på 47 %; det andet trin, ved 361 °C (igen DTG-toptemperatur), udviser næsten 53 %. Der opstår dog ikke noget egentligt plateau mellem de to massetabstrin. Det første smelter mere eller mindre sammen med det andet. Dette indikerer, at der måske er mere end to nedbrydningstrin involveret. Muligheden for, at en mere kompleks mekanisme som denne er tilfældet her, understøttes desuden af, at den anden DTG-top har en tydeligt synlig skulder ved ca. 320 °C i den nedadgående hældning.

Når man sammenligner situationen i en argonatmosfære med eksperimenter udført ved identiske opvarmningshastigheder i både nitrogen- og heliumatmosfærer (figur 2), er opførslen under nitrogenforhold omtrent den samme som i argon, mens den ændrer sig markant under en flydende heliumatmosfære. Der ses en stigning i det første massetabstrin på ca. 18 procentpoint (fra 47 % til næsten 65 %) og følgelig et fald i det andet massetabstrin af samme størrelse (fra 53 % til 35 %). Desuden er begge massetabstrin flyttet til noget lavere temperaturer, hvilket fremgår af faldet i de særlige DTG-toptemperaturer (4 K til 7 K for den første DTG-top og 11 K til 15 K for den anden). Det tyder på, at der foregår noget andet i en heliumatmosfære end i argon- og nitrogenatmosfærer.

I litteraturen foreslås en totrinsmekanisme med samtidig FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af mellemprodukter som pyrolysemekanisme for acetylsalicylsyre [7]. Målinger udført af NETZSCH i en nitrogen- såvel som i en heliumatmosfære ved hjælp af bindestregsteknikker, mere præcist TGA/STA i kombination med FT-IR [6] og GC-MS [8], understøtter denne hypotese. Dette indikerer, at nedbrydningsprodukternes natur er uafhængig af gasatmosfæren.

Den største forskel mellem alle disse eksperimenter er densiteten af den anvendte spulegas (se tabel 2). Den afviger maksimalt med en faktor 10.

Det tyder på, at en højere densitet af udrensningsgassen skaber et højere modtryk, hvilket resulterer i en reduceret overførsel af de flygtige prøvekomponenter til gasatmosfæren. Denne effekt er særlig synlig, når man bruger helium, som har en meget lavere massefylde end nitrogen eller argon. Da ægte NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydningsreaktioner er uafhængige af den omgivende inerte gasatmosfære [10], er det måske den parallelle FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning, der påvirkes mest.

Det faktum, at nedbrydningen finder sted ved lidt lavere temperaturer i helium (f.eks. DTG-toppen ved 183 °C sammenlignet med 187 °C i nitrogen og ca. 190 °C i argon), skyldes den højere Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i denne gas (se tabel 3). I det temperaturområde, hvor termisk stråling kun spiller en mindre rolle, når prøven reaktionstemperaturen i en spulegas med højere Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne noget tidligere.

Tabel 2: Densitetsværdier ved 0 °C og normalt tryk for forskellige spulegasser

Tabel 3: Værdier for Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne under standardbetingelser for de forskellige spulegasser

Konklusion

Dette eksempel viser, at den valgte gasatmosfære kan have stor indflydelse på de termogravimetriske måleresultater, selv om rensegassen ikke fungerer som reaktionspartner. En meget varierende gastæthed kan have en effekt på overførslen af gasformige forbindelser fra prøveoverfladen til den omgivende gasatmosfære - især hvis der er tale om FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning.