Εισαγωγή
Το κλαβουλανικό κάλιο (εικόνα 1) είναι άλας του κλαβουλανικού οξέος, το οποίο είναι ένα σημαντικό αντιβιοτικό ß-λακτάμης που παράγεται από τον οργανισμό Streptomyces clavuligerus [1]. Από μόνο του, είναι στην πραγματικότητα ικανό μόνο για ασθενή αντιβακτηριακή δράση έναντι των περισσότερων οργανισμών, αλλά σε συνδυασμό με το αντιβιοτικό αμοξικιλλίνη, είναι αποτελεσματικό έναντι των βακτηρίων σταφυλόκοκκου που παράγουν ß-λακταμάσες και είναι ανθεκτικά στην αμοξικιλλίνη από μόνα τους [2, 3]. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αποτελεί μια καθιερωμένη ουσία στη φαρμακευτική βιομηχανία.
Η αμοξικιλλίνη και το κλαβουλανικό κάλιο παρουσιάζουν παρόμοιες οδούς αποσύνθεσης. Ωστόσο, η σταθερότητα του συνδυασμού αμοξικιλλίνης-κλαβουλανικού άλατος εξαρτάται κυρίως από το κλαβουλανικό άλας, το οποίο είναι το πιο αποικοδομήσιμο από τα δύο [4, 5].
Η αποσύνθεση του κλαβουλανικού καλίου έχει διερευνηθεί σε πολλές εργασίες [3, 4, 7, 12]. Γενικά, η ουσία μελετήθηκε σε διαλύματα με διαφορετικά επίπεδα pH και παρουσία αμοξικιλλίνης. Παρατηρήθηκε ότι η σταθερότητα του μείγματος αμοξικιλλίνης/κλαβουλανικού οξέος επηρεάζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας από τους 25°C στους 40°C [3]. Από την άλλη πλευρά, η διάρκεια ζωής του προσμείγματος αυξάνεται σημαντικά εάν το pH του διαλύματος οξυνθεί [4]. Παρατηρήθηκε επίσης ότι στα διαλύματα, η διάσπαση του κλαβουλανικού οξέος καταλύεται από τα προϊόντα της υδρόλυσης [12]. Όπως αποδεικνύεται με τη χρήση της μεθόδου HPLC σε δείγματα που αποθηκεύονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες και υπό διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, η διάσπαση του κλαβουλανικού καλίου σε στερεά κατάσταση ακολουθεί έναν άλλο μηχανισμό: Τα προϊόντα αποσύνθεσης που σχηματίζονται στη στερεά φάση δεν έχουν καταλυτική δράση [8].
Η θερμική σταθερότητα μπορεί επίσης να διερευνηθεί με τη θερμοβαρυμετρία, η οποία καθορίζει, μεταξύ άλλων, τη θερμοκρασία στην οποία ένα υλικό αρχίζει να αποσυντίθεται ή να αντιδρά [9]. Η θερμική αποσύνθεση του στερεού κλαβουλανικού καλίου χαρακτηρίστηκε με τη βοήθεια θερμοβαρύτητας συνδεδεμένης με φασματόμετρο FT-IR στο [13]. Στη συνέχεια χρησιμοποιούνται θερμοβαρυμετρικές μετρήσεις για τη διεξαγωγή κινητικών μελετών της αντίδρασης αποσύνθεσης.
Αυτό επιτρέπει την πρόβλεψη της αποικοδόμησης του κλαβουλανικού καλίου για συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και χρόνου. Η γνώση της θερμικής σταθερότητας και η κατανόηση της διαδικασίας αποσύνθεσης του κλαβουλανικού καλίου σε στερεά κατάσταση επιτρέπει τη βελτιστοποίηση των συνθηκών φύλαξής του.
Πειραματικό
Οι μετρήσεις TGA πραγματοποιήθηκαν με θερμοζυγό NETZSCH TG 209 F1 Libra® με αυτόματη αλλαγή δείγματος. Από τη μέτρηση TGA-FT-IR που περιγράφεται στο [13], μάθαμε ότι το δείγμα απελευθερώνει επιφανειακό νερό μόλις ξεκινήσει η μέτρηση. Για το λόγο αυτό, οι επόμενες μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με κλειστά χωνευτήρια αλουμινίου. Λίγο πριν από τη μέτρηση, το καπάκι του χωνευτηρίου τρυπήθηκε αυτόματα από τη συσκευή διάτρησης του ASC. Με τον τρόπο αυτό αποτρέπεται το δείγμα από το να απελευθερώσει το επιφανειακό του νερό ήδη πριν από την έναρξη της πραγματικής μέτρησης, γεγονός που θα αλλοίωνε την τιμή της αρχικής μάζας.
Οι μάζες των δειγμάτων ήταν μεταξύ 4,33 και 5,04 mg. Τα δείγματα θερμάνθηκαν μεταξύ θερμοκρασίας δωματίου και 600°C με τέσσερις ρυθμούς θέρμανσης που κυμαίνονταν από 1 K/min έως 10 K/min. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε δυναμική ατμόσφαιρα αζώτου (40 ml/min).
Οι καμπύλες TGA που ελήφθησαν αποτελούν τη βάση για την κινητική αξιολόγηση της αντίδρασης διάσπασης.
Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Kinetics Neo (της NETZSCH-Gerätebau GmbH). Επιτρέπει τη μοντελοποίηση της κινητικής αντιδράσεων ενός ή πολλών σταδίων.
Το λογισμικό αυτό μπορεί να αντιστοιχίσει κάθε επιμέρους βήμα σε διαφορετικούς τύπους αντιδράσεων με δικές τους κινητικές παραμέτρους, όπως η ενέργεια ενεργοποίησης, η τάξη αντίδρασης και ο προεκθετικός παράγοντας. Με βάση τα αποτελέσματα, το Kinetics Neo είναι σε θέση να προσομοιώσει την αντίδραση (ή τις αντιδράσεις) για προγράμματα θερμοκρασίας που καθορίζονται από τον χρήστη.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Μετρήσεις TGA
Στο Σχήμα 2 απεικονίζονται οι καμπύλες TGA και DTG (πρώτη παράγωγος) των μετρήσεων στο κλαβουλανικό κάλιο με ρυθμούς θέρμανσης 1, 3, 5 και 10 K/min. Το πρώτο βήμα απώλειας μάζας, που ανιχνεύεται μεταξύ της θερμοκρασίας δωματίου και των 120 °C, προκύπτει από την εξάτμιση του επιφανειακού νερού [13]. Επιπλέον, τα τρία βήματα απώλειας μάζας που εντοπίστηκαν μεταξύ 120°C και 600°C οφείλονται στη διάσπαση του κλαβουλανικού καλίου. Μετατοπίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες με την αύξηση των ρυθμών θέρμανσης (κινητική επίδραση). Για παράδειγμα, σε ρυθμό θέρμανσης 1 K/min, το πρώτο βήμα αποσύνθεσης εμφανίζεται στους 167°C (κορυφή DTG), ενώ σε ρυθμό θέρμανσης 10 K/min, εμφανίζεται στους 184°C (κορυφή DTG). Το τελευταίο βήμα αποσύνθεσης γίνεται πιο έντονο με την αύξηση του ρυθμού θέρμανσης: Σε ρυθμό θέρμανσης 5 K/min, παρατηρείται κορυφή DTG στους 412°C (κόκκινη διακεκομμένη καμπύλη), ενώ σε 10 K/min, εμφανίζεται στους 417°C (μαύρη διακεκομμένη καμπύλη).
Κινητική ανάλυση της θερμικής αποσύνθεσης
Η εξάρτηση της αποσύνθεσης από τον ρυθμό θέρμανσης επιτρέπει την αξιολόγηση της διεργασίας με τη βοήθεια του λογισμικού NETZSCH Kinetics Neo. Στο Σχήμα 3 παρουσιάζονται οι καμπύλες μέτρησης TGA μεταξύ 130°C και 600°C που χρησιμοποιήθηκαν για την κινητική αξιολόγηση. Η απελευθέρωση επιφανειακού νερού σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 130°C δεν λαμβάνεται υπόψη.
Οι τρεις διαδοχικές απώλειες μάζας που ανιχνεύονται υποδηλώνουν τουλάχιστον τρία στάδια αποσύνθεσης. Η καμπύλη DTG της μέτρησης σε 1 K/min που παρουσιάζεται στο σχήμα 4 δείχνει τρεις κορυφές στους 167°C, 293°C και 368°C, αλλά και δύο ώμους με θερμοκρασίες έναρξης στους 241°C και 322°C. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το Kinetics Neo προτείνει ένα κινητικό μοντέλο με πέντε διαδοχικά βήματα n-οστής τάξης.
Ο ρυθμός αντίδρασης κάθε βήματος j περιγράφεται από τη συνάρτηση: Ρυθμός αντίδρασηςj =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: προεκθετικός παράγοντας
Ej: ενέργεια ενεργοποίησης [J.mol-1]
T: θερμοκρασία [K]
R: σταθερά αερίου (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): συνάρτηση που εξαρτάται από τη συγκέντρωση του
αρχικού αντιδρώντοςej και τη συγκέντρωση του προϊόντος pj
Στο Σχήμα 5 συγκρίνονται οι μετρούμενες καμπύλες TGA (διακεκομμένες γραμμές) με τις υπολογισμένες καμπύλες (συμπαγείς γραμμές) του επιλεγμένου μοντέλου 5 βημάτων. Επιτυγχάνεται υψηλός συντελεστής συσχέτισης, >0,999, μεταξύ των μετρούμενων και των υπολογιζόμενων δεδομένων.
Ο πίνακας 1 συνοψίζει τα αποτελέσματα της κινητικής αξιολόγησης για κάθε βήμα. Η θεωρητική απώλεια μάζας υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τη συνεισφορά του βήματος αντίδρασης στην αποσύνθεση με τη συνολική απώλεια μάζας που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης.
Το πρώτο βήμα αποσύνθεσης, Α→Β, συνδέεται με υπολογισμένη απώλεια μάζας 11,9% και αντιστοιχεί στις πειραματικές τιμές 11%. Η απώλεια µάζας για το τελευταίο στάδιο, E→F, ανέρχεται σε 13,9%. Αυτό είναι ελαφρώς υψηλότερο από την πειραματική τιμή 11 - 12%. Αυτό σημαίνει ότι το τελευταίο βήμα απώλειας μάζας αρχίζει νωρίτερα (< 360°C). Η συνολική απώλεια μάζας των βημάτων B→C, C→D και D→E είναι 36,9% και αντιστοιχεί στη σύνθετη διαδικασία αποσύνθεσης γύρω στους 300°C (κορυφή DTG) στο σχήμα 2.
Πίνακας 1: Κινητικές παράμετροι της θερμικής αποικοδόμησης του κλαβουλανικού καλίου
| Στάδιο αντίδρασης | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Ενέργεια ενεργοποίησης [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Προεκθετικός παράγοντας | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Σειρά αντίδρασης | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Συνεισφορά | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Θεωρητική απώλεια μάζας | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
Η καλή συσχέτιση των μετρήσεων με τις αντιδράσεις n-οστής τάξης επιβεβαιώνει τα συμπεράσματα που εξήχθησαν στο [8] ότι, σε αντίθεση με τη συμπεριφορά της διάσπασής του σε διαλύματα, η διάσπαση του κλαβουλανικού καλίου σε στερεά κατάσταση δεν είναι αυτοκαταλυόμενη.
Η κινητική αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με υψηλό συντελεστή συσχέτισης και, συνεπώς, με υψηλό επίπεδο συμφωνίας μεταξύ των μετρούμενων και των προσομοιωμένων καμπυλών TGA, ώστε να είναι δυνατές οι προβλέψεις σχετικά με τη μακροπρόθεσμη συμπεριφορά υπό διαφορετικές θερμοκρασίες αποθήκευσης. Ως παράδειγμα, το σχήμα 6 δείχνει τη μεταβολή της μάζας σε σχέση με το χρόνο με βάση το μοντέλο 5 βημάτων με διαδοχικά βήματα- αντιπροσωπεύει την πρόβλεψη της αποσύνθεσης του κλαβουλανικού καλίου για διάφορες θερμοκρασίες μεταξύ 80°C και 150°C σε ατμόσφαιρα αζώτου. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αποσύνθεση αυξάνεται. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται ήδη σε θερμοκρασία αποθήκευσης 90°C (πράσινη καμπύλη στο άνω άκρο του διαγράμματος - σχήμα 6).
Το σχήμα 7 απεικονίζει τη σταθερότητα του φαρμάκου σε αδρανή ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια 5 ετών, για θερμοκρασίες μεταξύ 20°C και 80°C. Φαίνεται ότι δεν παρατηρείται σημαντική απώλεια μάζας στην πρόβλεψη για θερμοκρασίες έως 60°C.
Εδώ πρέπει να υπενθυμιστεί ότι η κινητική αποσύνθεσης πραγματοποιήθηκε σε ξηρό δείγμα. Ωστόσο, το νερό έχει μεγάλη επίδραση στην αποσύνθεση του κλαβουλανικού καλίου: Η αποθήκευση σε υγρή ατμόσφαιρα μετατοπίζει την αποσύνθεσή του σε χαμηλότερες θερμοκρασίες [10]. Η J. Cieleka-Piontek δείχνει ότι τα δείγματα κλαβουλανικού καλίου αποσυντίθενται ταχύτερα εάν εκτεθούν σε αυξημένη υγρασία αέρα από ό,τι όταν εκτίθενται σε ξηρό αέρα και υποδηλώνει ότι η προσβολή ενός μορίου νερού στην καρβονυλική ομάδα του δακτυλίου της β-λακτάμης προκαλεί θερμόλυση [8].
Προκειμένου να επικυρωθεί το κινητικό μοντέλο που υπολογίστηκε από το Kinetics Neo για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς αποσύνθεσης υπό ισοθερμοκρασιακές συνθήκες, ένα δείγμα κλαβουλανικού καλίου 9,23 mg θερμάνθηκε στους 200°C και στη συνέχεια διατηρήθηκε ισοθερμοκρασιακά για δύο ώρες. Η παρακολούθηση της μέτρησης ξεκίνησε στους 120°C, ώστε να αποκλειστεί η επίδραση απώλειας μάζας από την απελευθέρωση επιφανειακού νερού.
Στο Σχήμα 8 συγκρίνονται οι απώλειες μάζας που προσδιορίστηκαν μέσω μέτρησης με εκείνες που προσδιορίστηκαν μέσω πρόβλεψης (Kinetics Neo). Η σύγκριση δείχνει την καλή συμφωνία μεταξύ των δύο καμπυλών και συνεπώς την αξιοπιστία του υπολογισμού.
Συμπέρασμα
Η κινητική της θερμικής διάσπασης του κλαβουλανικού καλίου σε στερεά κατάσταση υπό άζωτο διερευνήθηκε με θερμοβαρυμετρία και Kinetics Neo. Μπορεί να επιτευχθεί υψηλό επίπεδο συσχέτισης μεταξύ των μετρούμενων και των προσομοιωμένων δεδομένων με τη χρήση ενός διαδοχικού κινητικού μοντέλου πέντε βημάτων, όπου κάθε βήμα είναι n-οστής τάξης. Αυτό επιτρέπει την πρόβλεψη της συμπεριφοράς αποθήκευσης υπό διαφορετικές θερμοκρασίες, προφίλ θερμοκρασίας και περιόδους.
Τα αποτελέσματα επικυρώνονται με τη σύγκριση της μέτρησης TGA υπό ένα συγκεκριμένο προφίλ θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένου του ισοθερμικού τμήματος, με τις προβλέψεις που υπολογίζονται από το Kinetics Neo.