Dybere indsigt i pyrolysen af acetylsalicylsyre ved hjælp af kinetisk analyse, del 2

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 den anden af fire anvendelsesnoter, der mere detaljeret undersøger acetylsalicylsyres termiske opførsel: Nedbrydning i forskellige gasatmosfærer, nedbrydningskinetik og de resulterende gasarter [2] [3] [4].

Kinetisk analyse af termoanalytiske data

Med måledata fra termoanalytiske metoder kan der opnås information om massetab på grund af NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse eller forbrænding, om energimæssige ændringer såsom 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).smeltning eller KrystalliseringKrystallisering er den fysiske hærdningsproces under dannelse og vækst af krystaller. Under denne proces frigives krystallisationsvarme.krystallisering eller også om ændringer i prøvedimensionen på grund af termisk udvidelse eller SintringSintring er en produktionsproces, hvor man danner et mekanisk stærkt legeme ud af et keramisk eller metallisk pulver. sintring, for eksempel i keramiske materialer. Med disse udsagn udnyttes informationsindholdet dog ikke udtømmende. Ved hjælp af en mere omfattende kinetisk analyse er det også muligt at få oplysninger om det tidsmæssige forløb af en reaktion ved forskellige temperaturer, dvs. reaktionshastigheden. Hvis reaktionsforløbet kan beskrives tilstrækkeligt godt ved hjælp af et system af matematiske ligninger, er det også muligt at komme med forudsigelser om reaktionsforløbet, som eksperimentelt ikke eller kun vanskeligt er tilgængelige. Dette kan igen bruges til at optimere processer eller til at forudsige levetiden, den oxidative stabilitet eller ældningsadfærden for materialer og produkter.

Resultater og diskussion

For bedre at forstå acetylsalicylsyrens termiske opførsel blev der udført en kinetisk tilgang i et forsøg på at finde et system af matematiske ligninger til beskrivelse af eksperimentelle data. Den termiske opførsel blev undersøgt ved hjælp af en NETZSCH TG 209 F1 Libra^® og under anvendelse af de målebetingelser, der er opsummeret i tabel 1. En kinetisk tilgang kræver en serie på mindst tre forskellige opvarmningshastigheder for at beskrive tid-temperatur-korrelationen, som er hovedformålet med kinetiske evalueringer i almindelighed.

Tabel 1: TGA-måleparametre

Figur 1 viser de resultater, der er opnået i analysesoftwaren NETZSCH Proteus^® . Mellem 100 °C og 400 °C registrerer termogravimetri to store massetabstrin for pyrolysen af acetylsalicylsyre. TGA-kurverne forskydes til højere temperaturer med stigende opvarmningshastighed. Det stort set parallelle skift samt den næsten identiske slutmasse indikerer, at opvarmningshastigheden i sig selv ikke ændrer reaktionsmekanismen væsentligt. Dette er også en klar indikation af, at reaktionsmekanismen ikke er særlig kompleks i dette tilfælde. På den anden side kan man tydeligt se, at massetabstrinnene ikke er perfekt adskilte. Der er ikke noget synligt plateau, der klart definerer slutningen af det første massetabstrin eller begyndelsen af det andet massetabstrin. Som bekræftet af koblingsteknikker som TGA-FT-IR, TGA-MS eller TGA-GC-MS forekommer både PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse og FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning samtidigt [2][4][5].

Til kinetisk analyse overføres målte data til NETZSCH Kinetics Neo-softwaren via ASCII. Importerede data er afbildet i figur 2.

For at få en indledende idé om reaktionsmekanismen er det nyttigt at starte den kinetiske analyse med såkaldte modelfrie tilgange. Figur 3 viser resultaterne i overensstemmelse med Ozawa-Flynn-Wall, hvor logaritmen til opvarmningshastigheden er plottet i forhold til den omvendte temperatur. Denne tilgang tager ikke kun hensyn til alle målte datapunkter, men giver også oplysninger om ændringen i aktiveringsenergien samt den præeksponentielle faktor under hele reaktionsforløbet (omdannelsesgrad). Dette er især en hjælp ved flertrinsreaktioner. Plottet beskriver reaktionsforløbet (fra højre mod venstre) for alle tre opvarmningshastigheder (vandrette symboler). De næsten lodrette linjer forbinder den samme omdannelsesgrad for hver opvarmningshastighed og kaldes derfor iso-konverteringslinjer.

Disse isokonverteringslinjer er mere eller mindre parallelle i intervallerne for de to vigtigste pyrolysetrin i begyndelsen og slutningen af hele processen. Ved ca. 50 % konvertering viser isokonverteringslinjerne en anden hældning, der indikerer en ændring i reaktionsmekanismen. På det tidspunkt i reaktionen sker PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse og FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning samtidigt som tidligere nævnt [2][4][5].

Figur 4 viser, hvordan aktiveringsenergien ændrer sig med reaktionens forløb i overensstemmelse med Ozawa-Flynn-Wall. Dette er meget vigtig information, da det allerede indikerer tre områder for hele processen, med en aktiveringsenergi på omkring 110 kJ/mol i begyndelsen, omkring 40 kJ/mol mellem 40 % og 50 % omdannelse og omkring 120 kJ/mol ved reaktionens afslutning. En ændring i aktiveringsenergien med konverteringsgraden bekræfter en flertrinsreaktionsmekanisme. De opnåede værdier er i god overensstemmelse med de resultater, der er offentliggjort i litteraturen [6].

Overførsel af disse oplysninger til en modelbaseret analyse fører til en fortløbende model i tre trin (t:FnFnFn), hvor A repræsenterer udgangsmaterialet (acetylsalicylsyre), B og C er mellemprodukter kendt fra litteraturen [6, 7], og D er slutproduktet. I dette tilfælde er slutproduktet naturligvis ikke et egentligt stof, men det beskriver afslutningen på reaktionen eller 100 % omdannelse, da restmassen for alle tre termogravimetriske kurver er nul. Alle dannede produkter er gasformige og fordampes derfor ud af diglen, mens den opvarmes til sluttemperaturen. Figur 5 viser resultatet af denne modelbaserede tilgang. De målte data præsenteres som symboler, og resultaterne for den beregnede tretrins konsekutive model præsenteres som fuldt optrukne linjer med farverne relateret til de forskellige opvarmningshastigheder. Den beregnede model passer næsten perfekt til de eksperimentelle data, hvilket i sidste ende bekræftes af korrelationskoefficienten på 0,99986.

De beregnede parametre præeksponentiel faktor, aktiveringsenergi og reaktionsorden er opsummeret i tabel 2 for hvert enkelt reaktionstrin. Alle værdier for aktiveringsenergien er i god overensstemmelse med de værdier, der er foreslået af Ozawa-Flynn-Wall-metoden, samt med de værdier, der er rapporteret i litteraturen [6]. Bidraget fra hvert af de tre reaktionstrin er henholdsvis 40,3 %, 13,6 % og 46,1 %, hvilket stemmer godt overens med de præsenterede massetabstrin.

Tabel 2: Parametre som følge af den modelbaserede tilgang ved hjælp af en tretrins fortløbende model af ⁿ 'te orden

Konklusion

Den pyrolysemekanisme for acetylsalicylsyre, der foreslås i litteraturen, er 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 [6]. Gregory et al. fandt, at eddikesyre var den vigtigste forbindelse, der blev frigivet under det første massetabstrin. Desuden foreslår de en pyrolysemekanisme, der danner en række oligomerer, som angivet af atommasseenheder (amu), der er påvist med massespektrometri (MS) [6][7]. Sammen med bekræftelsen af, at de vigtigste gasformige produkter er eddikesyre, salicylsyre, phenol og acetylsalicylsyre, blev der anvendt en endnu mere sofistikeret TGA-GC-MS-koblingsteknik for at adskille og identificere yderligere pyrolyseprodukter [2]. Alle forfattere rapporterer en overlejring af PyrolysePyrolyse er den termiske nedbrydning af organiske forbindelser i en inert atmosfære.pyrolyse og FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning på mellem 40 og 60 % af reaktionens forløb.

I dette arbejde var det muligt at implementere disse resultater i en modelbaseret kinetisk tilgang med en tretrins fortløbende model af n'te orden. Den gode korrelation mellem eksperimentelle data og den matematiske model bekræftes af korrelationskoefficienten på 0,99986. Værdierne for aktiveringsenergien er f.eks. i god overensstemmelse med de værdier, der er rapporteret i litteraturen. Ikke desto mindre er den modelbaserede tilgang til en fortløbende tretrinsmodel, der er introduceret her, helt sikkert et skridt videre end de iso-konverterende modelfrie tilgange baseret på Ozawa-Flynn-Wall eller andre [6], blandt andet, da kinetiske data er tilgængelige uafhængigt af hvert enkelt reaktionstrin.