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Acerca del comportamiento térmico del ácido acetilsalicílico y la aspirina

Introducción

Las primeras culturas elevadas ya utilizaban la corteza de sauce como remedio contra la fiebre y el dolor [1]; el erudito romano Plinio el Viejo consideraba la corteza de sauce como un medicamento y los teutones y celtas producían extractos cociendo la corteza de sauce, cuyos ingredientes estaban químicamente relacionados con el ácido acetilsalicílico sintético [2]. Aunque varios químicos lograron producir salicina y ácido salicílico en el siglo XIX, no fue hasta 1897 cuando Felix Hoffmann consiguió sintetizar el ácido acetilsalicílico sin impurezas en la sede de BAYER en Wuppertal-Elberfeld (Alemania). Kurt Wittauer (figura 2) probó este fármaco en pacientes durante los años siguientes hasta que BAYER (figura 1) solicitó finalmente la patente correspondiente en 1921. El analgésico comenzó su éxito triunfal en todo el mundo y, en la actualidad, BAYER produce más de 50.000 toneladas de ácido acetilsalicílico al año [4].

1) Aspirina® BAYER
2) Documento original de Kurt Wittauer [3] en alemán (1899), traducido al inglés por D. Steidl/N. Huss para esta nota de aplicación

Los medicamentos que contienen el principio activo ácido acetilsalicílico están disponibles en diversas formas farmacéuticas y se emplean no sólo por su efecto analgésico, sino también por sus propiedades antiinflamatorias, antipiréticas y antiagregantes plaquetarias.

El ácido acetilsalicílico puro es un polvo blanco que es poco soluble en agua, tiene un Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión de 136°C y se descompone a temperaturas más altas. En este trabajo se emplearon diversos métodos de análisis térmico, espectroscopia infrarroja y combinaciones de ambos para investigar los productos gaseosos de descomposición.

Métodos y preparación

El ácido acetilsalicílico (CAS: 50-78-2) se adquirió a Sigma Aldrich con una pureza > 99%. Para la investigación de la sustancia original, se utilizó el BRUKER TENSOR II para medir las muestras con reflexión total atenuada (ATR). Para la determinación del comportamiento de fusión, se utilizó el NETZSCH DSC 214 Polyma. Para la caracterización térmica de los gases liberados, se acopló una termobalanza a un espectrómetro infrarrojo - el NETZSCH TG 209 F1 Libra® al Bruker Equinox 55/S. Las condiciones de medición para las investigaciones termoanalíticas y espectroscópicas se resumen en las tablas 1 a 3.

Tabla 1: Condiciones de medición para la investigación DSC del ácido acetilsalicílico

Ácido acetilsalicílico
Masa de la muestra2.08 mg
Material del crisolAluminio, perforado
Masa del crisol52.75 mg
Rango de temperatura25 ... 160°C
Velocidad de calentamiento7 K/min
AtmósferaNitrógeno (50 ml)

Tabla 2: Condiciones de medición para la investigación termogravimétrica de un comprimido de Aspirina® mediante TGA-FT-IR

Aspirina
Masa de la muestra9.141 mg
Material del crisolAlúmina, abierto
Masa del crisol162.75 mg
Gama de temperaturas25 ... 600°C
Velocidad de calentamiento10 K/min
AtmósferaNitrógeno (40 ml)
Exploraciones32
Resolución4 cm-1
Gama espectral650 - 4500 cm-1

Tabla 3: Condiciones de medición para la investigación espectroscópica de (ATR) del ácido acetilsalicílico

Ácido acetilsalicílico
DetectorDTGS
Exploraciones32
Resolución4 cm-1
Rango espectral650 - 4500 cm-1

Resultados y debate

La investigación del principio activo ácido acetilsalicílico con ayuda de la espectroscopia FT-IR arroja un espectro infrarrojo a temperatura ambiente que concuerda bien con el espectro de la biblioteca (Bruker ATR-LIBPolymers-1-472-2) (figura 3). El fabricante indica que el intervalo de fusión del ácido acetilsalicílico se sitúa entre 134°C y 136°C. La investigación mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) proporciona una entalpía de fusión de 178 J/g y una temperatura para el inicio extrapolada de 138,5°C. Como también puede verse claramente en la figura 4, la señal de flujo de calor indica el inicio del proceso de fusión de la muestra ya a temperaturas significativamente más bajas que las determinadas por la evaluación conforme a la norma para el inicio extrapolado. En la literatura se describen dos formas polimórficas del ácido acetilsalicílico: La forma I con una Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión de 144,9°C y la forma II con una Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión de 135,5°C [5, 6].

3) Espectro FT-IR del ácido acetilsalicílico (rojo) mediante reflectancia total atenuada (ATR) y comparación con un espectro de biblioteca (Bruker ATR-LIB-Polymers-1-472-2) del ácido o-acetoxibenzoico (ácido acetilsalicílico, azul)
4) Resultados DSC del ácido acetilsalicílico

Por encima de unos 150°C, comienza la degradación térmica del ácido acetilsalicílico. Por lo tanto, la termogravimetría (TGA) es más adecuada para la caracterización por encima del Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión (figura 5).

Para la caracterización de la degradación térmica, se investigó un trozo de un comprimido de aspirina con ayuda del acoplamiento TGA-FT-IR. Aunque los resultados termogravimétricos entre 150°C y 450°C muestran una reacción de degradación térmica en dos etapas y se pueden cuantificar las cantidades de gases liberados, no es posible determinar qué gases son responsables de la pérdida de masa detectada sin un análisis espectroscópico. Si se lleva a cabo una medición en la que la termobalanza se acopla a un espectrómetro de infrarrojos, la fase gaseosa puede investigarse continuamente durante toda la medición. En la figura 6 se presentan todos los espectros infrarrojos en una disposición tridimensional, a escala de temperatura. Los resultados de la medición termogravimétrica también pueden verse en la zona posterior izquierda.

5) Resultados termogravimétricos de un comprimido de Aspirina
6) Presentación tridimensional en función de la temperatura de todos los espectros de la medición en la tableta Aspirina® con la curva TGA (roja) en la zona posterior del cubo

Si se extraen espectros individuales de esta presentación a las temperaturas con las mayores intensidades de absorción, se pueden identificar los gases liberados con ayuda de espectros de comparación de bibliotecas de fase gaseosa. El espectro individual para el primer paso de pérdida de masa a 180°C, que es característico, concuerda muy bien con el espectro para el ácido acético de la biblioteca de fase gaseosa EPANIST (figura 7). Las flechas rojas indican bandas de absorción que no coinciden con el ácido acético, pero se corresponden muy bien con las bandas de absorción para el ácido salicílico (EPA-NIST). Esto lleva a suponer que el ácido acetilsalicílico, como en la ecuación de reacción 1, se degrada térmicamente en ácido salicílico y ácido acético (ecuación 1). A 180°C, el ácido acético formado ya es gaseoso, mientras que el ácido salicílico, con un Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).punto de fusión de 159°C, empieza a evaporarse. Sin duda, ésta es también la razón por la que el primer paso de pérdida de masa pasa directamente al siguiente. La combinación de descomposición y evaporación confirma el mecanismo de degradación propuesto por Rebeiro et al. [7]. En relación con la forma de comprimido del principio activo ácido acetilsalicílico, se destaca la influencia de la humedad en los productos de reacción de la degradación térmica junto con aditivos como el almidón y el estearato de magnesio monohidratado. Sin embargo, Gupchup et al. señalan que el principio activo seco ácido acetilsalicílico puede garantizar por sí mismo la presencia de agua a través de la dimerización en el sentido de la condensación [8].

Al comparar los dos espectros para el ácido acético y el ácido salicílico, se observa que las bandas de absorción en el rango entre 1760 cm-1 y 1820 cm-1 sólo pueden atribuirse al ácido acético, mientras que las bandas de absorción entre 1460 cm-1 y 1500 cm-1 representan al ácido salicílico. Si se calcula el curso de intensidad de las bandas de absorción en función de la temperatura, se obtienen "trazas" para cada sustancia; éstas son proporcionales a las cantidades correspondientes liberadas en función de la temperatura.

7) Espectro individual extraído de un comprimido de Aspirina® a 180°C (rojo) y comparación con los espectros de la biblioteca en fase gaseosa (EPA-NIST) para el ácido acético (negro) y el ácido salicílico (azul)

(Ecuación 1)

En la figura 8 se muestra una comparación de estas trazas dependientes de la temperatura para el ácido acético y el ácido salicílico con la traza de Gram-Schmidt (suma de las intensidades que no dependen de la longitud de onda) y la señal TGA. Como en el caso de la señal TGA, la traza de Gram-Schmidt revela que el primer paso de pérdida de masa pasa directamente y sin meseta al segundo paso de pérdida de masa. La razón de ello se encuentra en las trazas de los dos productos, que muestran que la liberación de ácido acético puede detectarse hasta unos 300°C y, además, la evaporación del ácido salicílico comienza ya a temperaturas más bajas.

Junto con el ácido salicílico, también puede detectarse la formación de dióxido de carbono mediante el curso dependiente de la temperatura de las intensidades de absorción. Así lo confirma el espectro individual extraído a 360°C (figura 9).

8) Resultados TGA de un comprimido de Aspirina® (negro) con la traza de Gram-Schmidt (azul), así como la traza del ácido salicílico (verde discontinuo), el ácido acético (rojo discontinuo) y el dióxido de carbono (negro discontinuo)

En el intervalo comprendido entre los números de onda 2424 y 2224, las bandas de absorcióndel CO2 son claramente visibles. Además, hay indicios de que se ha formado fenol. Las posiciones de las bandas de absorción más intensas del fenol están marcadas con flechas rojas. Por lo tanto, cabe suponer que -junto con la evaporación del ácido salicílico- también tiene lugar un proceso de descomposición; esto sugiere la formación de fenol yCO2, como se muestra en la ecuación 2.

9) Espectro individual extraído de un comprimido de Aspirina® a 360°C (rojo) y comparación con el espectro de biblioteca del ácido salicílico (verde)

(Ecuación 2)

Resumen

El ácido acetilsalicílico se investigó mediante espectroscopia FT-IR a temperatura ambiente (ATR), y los espectros FT-IR obtenidos se utilizaron para la identificación mediante comparación con una biblioteca de espectros. El DSC se utilizó para investigar el comportamiento de fusión. Además, se caracterizó el comportamiento térmico de Aspirin® mediante TGA-FT-IR. Los espectros de los gases liberados durante el tratamiento térmico se compararon con una biblioteca de fases gaseosas para la identificación de los productos. De este modo fue posible confirmar los mecanismos de degradación conocidos en la literatura y se demostró además que los aditivos comunes utilizados en el tableteado de Aspirin® no parecen tener influencia detectable en la formación de productos gaseosos de descomposición.

Literature

  1. [1]
    K.-C. Bergmann, J. Ring (Hrsg.), Historia de la alergia. Verlag Karger Medical and Scientific Publishers, 2014, S. 132
  2. [2]
    O. Lafont, "Del sauce a la aspirina", Rev Hist Pharm. (París). 55 (354), Jul 2007, S. 209-216.
  3. [3]
    K. Wittauer, "Aspirin, ein neues Salicylpräparat", Therapeutische Monatshefte 13, S. 330 (1899)
  4. [4]
    BAYER, Chemie der Medikamente, Unterrichtsmaterialien Galenik, 4a
  5. [5]
    P. Peksa, J. Trzmiel, M. Ptak, M. Kostrzewa, R. Szatanik, A. Barascu, D. Enke, A. Sieradzki, "Confinement-induced polymorphism in acetylsalicylic acid-nanoporous glass composites", J. Mater Sci, 54 (2019) 404 doi.org/10.1007/s10853-018-2853-8
  6. [6]
    A.G. Shtukenberg, C.T. Hu, Q. Zhu, M.U. Schmidt, W. Xu, M. Tan, B. Kahr, "The Third Ambient Aspirin Polymorph", Cryst. Growth Des., 17 (2017) 3562-3566, DOI: 10.1021/acs.cgd.7b00673
  7. [7]
    Y.A. Ribeiro, A.C.F. Caires, N. Boralle, M. Ionashiro, "Thermal Reacción de DecomposiciónA decomposition reaction is a thermally induced reaction of a chemical compound forming solid and/or gaseous products. decomposition of acetylsalicylic acid (aspirin)" [Descomposición térmica del ácido acetilsalicílico (aspirina)] Thermochimica Acta 279 (1996) 177-181.
  8. [8]
    G. Gupchup, K. Alexander, D, Dollimore, "The use of thermal analysis and mass spectrometry to study the solid state behavior in pharmaceutical tablet mixtures" Thermochimica Acta 196 (1992) 267-278