Introduktion
Kaliumclavulanat (figur 1) er et salt af clavulansyre, som er et vigtigt ß-lactam-antibiotikum, der produceres af organismen Streptomyces clavuligerus [1]. I sig selv er det faktisk kun i stand til en svag antibakteriel aktivitet mod de fleste organismer, men i kombination med antibiotikummet amoxicillin er det effektivt mod ß-lactamaseproducerende stafylokokbakterier, som er resistente over for amoxicillin alene [2, 3]. Derfor er det et etableret stof i den farmaceutiske industri.
Amoxicillin og kaliumclavulanat udviser lignende nedbrydningsveje. Stabiliteten af amoxicillin-clavulanat-kombinationen afhænger dog hovedsageligt af clavulanatet, som er det mest nedbrydelige af de to [4, 5].
Nedbrydningen af kaliumclavulanat er blevet undersøgt i mange artikler [3, 4, 7, 12]. Generelt blev stoffet undersøgt i opløsninger med forskellige pH-niveauer og i nærvær af amoxicillin. Det blev observeret, at stabiliteten af blandingen amoxicillin/clavulansyre påvirkes af en temperaturstigning fra 25 °C til 40 °C [3]. På den anden side øges blandingens holdbarhed betydeligt, hvis opløsningens pH-værdi gøres sur [4]. Det blev også observeret, at nedbrydningen af clavulansyre i opløsninger katalyseres af hydrolyseprodukterne [12]. Som vist ved brug af HPLC-metoden på prøver, der er opbevaret ved forskellige temperaturer og under forskellige atmosfæriske forhold, følger nedbrydningen af kaliumclavulanat i fast form en anden mekanisme: De nedbrydningsprodukter, der dannes i den faste fase, har ikke nogen katalytisk effekt [8].
Den termiske stabilitet kan også undersøges med termogravimetri, som blandt andet bestemmer den temperatur, hvor et materiale begynder at nedbrydes eller reagere [9]. Den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af fast kaliumclavulanat blev karakteriseret ved hjælp af en termobalance koblet til et FT-IR-spektrometer i [13]. I det følgende bruges termogravimetriske målinger til at udføre kinetiske undersøgelser af nedbrydningsreaktionen.
Dette gør det muligt at forudsige nedbrydningen af kaliumclavulanat under specifikke temperatur- og tidsforhold. Kendskab til den termiske stabilitet og forståelse af nedbrydningsprocessen for kaliumclavulanat i fast form gør det muligt at optimere opbevaringsbetingelserne.
Eksperimentel
TGA-målingerne blev udført med en NETZSCH TG 209 F1 Libra® termobalance med automatisk prøveskifter. Fra TGA-FT-IR-målingen beskrevet i [13] lærte vi, at prøven frigiver overfladevand, så snart målingen starter. Af denne grund blev de næste målinger udført ved hjælp af lukkede aluminiumdigler. Lige før målingen blev digellåget automatisk gennemboret af ASC's gennemboringsenhed. Dette forhindrer prøven i at afgive overfladevand, allerede inden den faktiske måling starter, hvilket ville forfalske værdien af den oprindelige masse.
Prøvernes masse var mellem 4,33 og 5,04 mg. Prøverne blev opvarmet mellem stuetemperatur og 600 °C ved fire opvarmningshastigheder, der varierede fra 1 K/min til 10 K/min. Målingerne blev udført i en dynamisk nitrogenatmosfære (40 ml/min).
De opnåede TGA-kurver er grundlaget for den kinetiske evaluering af nedbrydningsreaktionen.
Til dette blev Kinetics Neo-softwaren (fra NETZSCH-Gerätebau GmbH) brugt. Den giver mulighed for at modellere kinetikken i enkelt- og flertrinsreaktioner.
Denne software kan tildele hvert enkelt trin til forskellige reaktionstyper med deres egne kinetiske parametre, såsom aktiveringsenergi, reaktionsorden og præeksponentiel faktor. Baseret på resultaterne er Kinetics Neo i stand til at simulere reaktionen(erne) for brugerdefinerede temperaturprogrammer.
Resultater og diskussion
TGA-målinger
Figur 2 viser TGA- og DTG-kurverne (første afledte) af målingerne på kaliumclavulanat ved opvarmningshastigheder på 1, 3, 5 og 10 K/min. Det første massetabstrin, der registreres mellem stuetemperatur og 120 °C, skyldes FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af overfladevand [13]. Desuden skyldes de tre massetabstrin, der er identificeret mellem 120 °C og 600 °C, nedbrydningen af kaliumclavulanat. De forskydes til højere temperaturer med stigende opvarmningshastigheder (kinetisk indflydelse). Ved en opvarmningshastighed på 1 K/min sker det første nedbrydningstrin f.eks. ved 167 °C (DTG-toppen), mens det ved en opvarmningshastighed på 10 K/min sker ved 184 °C (DTG-toppen). Det sidste nedbrydningstrin bliver mere udtalt med stigende opvarmningshastighed: Ved en opvarmningshastighed på 5 K/min observeres en DTG-top ved 412 °C (rød stiplet kurve), mens den ved 10 K/min forekommer ved 417 °C (sort stiplet kurve).
Kinetisk analyse af den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning
Nedbrydningens afhængighed af opvarmningshastigheden gør det muligt at evaluere processen ved hjælp af NETZSCH Kinetics Neo software. Figur 3 viser TGA-målingskurverne mellem 130 °C og 600 °C, der blev brugt til den kinetiske evaluering. Afgivelsen af overfladevand ved temperaturer under 130 °C er ikke taget i betragtning.
De tre på hinanden følgende massetab indikerer mindst tre nedbrydningstrin. DTG-kurven for målingen ved 1 K/min i figur 4 viser tre toppe ved 167 °C, 293 °C og 368 °C, men også to skuldre med begyndelsestemperaturer ved 241 °C og 322 °C. Det er grunden til, at Kinetics Neo foreslår en kinetisk model med fem på hinanden følgende trin af n 'te orden.
Reaktionshastigheden for hvert trin j beskrives af funktionen: Reaktionshastighedj =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: præeksponentiel faktor
Ej: aktiveringsenergi [J.mol-1]
T: temperatur [K]
R: gaskonstant (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): funktion, der afhænger af koncentrationen af den
oprindelige reaktantej og koncentrationen af produktet pj
Figur 5 sammenligner de målte TGA-kurver (stiplede linjer) med de beregnede kurver (fuldt optrukne linjer) for den valgte 5-trins model. Der er opnået en høj korrelationskoefficient på >0,999 mellem de målte og beregnede data.
Tabel 1 opsummerer resultaterne af den kinetiske evaluering for hvert trin. Det teoretiske massetab beregnes ved at multiplicere reaktionstrinnets bidrag til nedbrydningen med det samlede massetab, der opstår under nedbrydningen.
Det første nedbrydningstrin, A→B, er forbundet med et beregnet massetab på 11,9 % og svarer til de eksperimentelle værdier på 11 %. Massetabet for det sidste trin, E→F, udgør 13,9 %. Det er lidt højere end den eksperimentelle værdi på 11-12 %. Det betyder, at det sidste massetabstrin starter tidligere (< 360 °C). Det samlede massetab i trin B→C, C→D og D→E er 36,9 % og svarer til den komplekse nedbrydningsproces omkring 300 °C (DTG-toppen) i figur 2.
Tab 1: Kinetiske parametre for den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af kaliumclavulanat
| Reaktionstrin | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktiveringsenergi [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Præeksponentiel faktor | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Reaktionsrækkefølge | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Bidrag | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Teoretisk massetab | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
Den gode korrelation mellem målingerne og n'te ordens reaktioner bekræfter konklusionerne i [8] om, at nedbrydningen af kaliumclavulanat i fast form i modsætning til nedbrydningen i opløsninger ikke er autokatalyseret.
Den kinetiske evaluering blev udført med en høj korrelationskoefficient og dermed en høj grad af overensstemmelse mellem de målte og simulerede TGA-kurver, så det er muligt at forudsige den langsigtede opførsel under forskellige opbevaringstemperaturer. Som et eksempel viser figur 6 masseændringen i forhold til tid baseret på 5-trinsmodellen med fortløbende trin; den repræsenterer forudsigelsen af nedbrydningen af kaliumclavulanat for forskellige temperaturer mellem 80 °C og 150 °C i en nitrogenatmosfære. Med stigende temperatur øges nedbrydningen. Denne effekt kan allerede observeres ved en opbevaringstemperatur på 90 °C (grøn kurve i den øverste ende af grafen - figur 6).
Figur 7 viser lægemidlets stabilitet i en inert atmosfære i løbet af 5 år ved temperaturer mellem 20 °C og 80 °C. Det ser ud til, at der ikke sker noget væsentligt massetab i forudsigelsen for temperaturer op til 60 °C.
Det skal her påpeges, at nedbrydningskinetikken blev udført på en tør prøve. Vand har dog stor indflydelse på nedbrydningen af kaliumclavulanat: Opbevaring i en fugtig atmosfære flytter nedbrydningen til lavere temperaturer [10]. J. Cieleka-Piontek viser, at kaliumclavulanatprøver nedbrydes hurtigere, hvis de udsættes for øget luftfugtighed, end når de udsættes for tør luft, og foreslår, at angrebet af et vandmolekyle på ß-lactamringens carbonylgruppe fremkalder termolyse [8].
For at validere den kinetiske model beregnet af Kinetics Neo til forudsigelse af nedbrydningsadfærden under isotermiske forhold blev en kaliumclavulanatprøve på 9,23 mg opvarmet til 200 °C og derefter holdt isoterm i to timer. Overvågningen af målingen startede ved 120 °C for at udelukke massetabseffekten af frigivelsen af overfladevand.
Figur 8 sammenligner massetabene bestemt via måling med dem, der er bestemt via forudsigelse (Kinetics Neo). Sammenligningen viser den gode overensstemmelse mellem de to kurver og dermed beregningens pålidelighed.
Konklusion
Kinetikken for den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af kaliumclavulanat i fast form under kvælstof blev undersøgt ved hjælp af termogravimetri og Kinetics Neo. En høj grad af korrelation mellem målte og simulerede data kan opnås ved at bruge en fortløbende kinetisk model med fem trin, hvor hvert trin er af n'te orden. Dette giver mulighed for at forudsige lagringsadfærden under forskellige temperaturer, temperaturprofiler og perioder.
Resultaterne valideres ved at sammenligne TGA-målingen under en specificeret temperaturprofil, herunder isotermiske segmenter, med de forudsigelser, der er beregnet af Kinetics Neo.