Profundización en la pirólisis del ácido acetilsalicílico mediante análisis cinético, 2ª parte

Introducción

En farmacia, apenas hay un principio activo sobre el que se haya escrito más que sobre el ácido acetilsalicílico (o AAS para abreviar; en los países anglosajones incluso la marca Aspirin™ se utiliza a menudo como sinónimo). Su historia de éxito comenzó a finales del siglo XIX, cuando el Dr. Felix Hoffmann sintetizó la sustancia en los laboratorios BAYER por primera vez sin impurezas. Hoy en día, sigue siendo uno de los fármacos más populares utilizados en una amplia gama terapéutica. Pertenece al grupo de los antiinflamatorios no esteroideos (AINE) y está indicado para el tratamiento del dolor, la fiebre y la inflamación. Además, se utiliza para prevenir la recurrencia de infartos de miocardio o ictus en pacientes de alto riesgo. En 1977, el AAS se añadió como analgésico a la "lista de medicamentos esenciales" de la OMS (Organización Mundial de la Salud) [1].

Esta es la segunda de cuatro notas de aplicación que examinan con más detalle el comportamiento térmico del ácido acetilsalicílico: Descomposición en diferentes atmósferas gaseosas, cinética de descomposición y especies gaseosas resultantes [2] [3] [4].

Análisis cinético de los datos termoanalíticos

Con los datos de medición de los métodos termoanalíticos se puede obtener información sobre la pérdida de masa debida a la descomposición, la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis o la combustión, sobre cambios energéticos como la fusión o la CristalizaciónCrystallization is the physical process of hardening during the formation and growth of crystals. During this process, heat of crystallization is released.cristalización o también sobre cambios en la dimensión de la muestra debidos a la expansión térmica o la SinterizaciónLa sinterización es un proceso de producción para formar un cuerpo mecánicamente resistente a partir de un polvo cerámico o metálico. sinterización, por ejemplo, en materiales cerámicos. Sin embargo, con estas afirmaciones no se aprovecha exhaustivamente el contenido informativo. Con la ayuda de un análisis cinético más exhaustivo, también es posible obtener información sobre el curso puntual de una reacción a diferentes temperaturas, es decir, la velocidad de reacción. Si el curso de una reacción se puede describir suficientemente bien con la ayuda de un sistema de ecuaciones matemáticas, también es posible hacer predicciones sobre el curso de la reacción que experimentalmente no son accesibles o sólo con dificultad. Esto, a su vez, puede utilizarse para optimizar procesos o para predecir la vida útil, la estabilidad oxidativa o el comportamiento ante el envejecimiento de materiales y productos.

Resultados y debate

Para comprender mejor el comportamiento térmico del ácido acetilsalicílico, se llevó a cabo un enfoque cinético en un intento de encontrar un sistema de ecuaciones matemáticas para la descripción de los datos experimentales. El comportamiento térmico se estudió utilizando un NETZSCH TG 209 F1 Libra^® y aplicando las condiciones de medida resumidas en la tabla 1. Un enfoque cinético requiere una serie de al menos tres velocidades de calentamiento diferentes para describir la correlación tiempo-temperatura, que es el principal objetivo de las evaluaciones cinéticas en general.

Tabla 1: Parámetros de medición TGA

La figura 1 muestra los resultados obtenidos en el software de análisis NETZSCH Proteus^® . Entre 100 °C y 400 °C, la termogravimetría detecta dos etapas principales de pérdida de masa en la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del ácido acetilsalicílico. Las curvas TGA se desplazan hacia temperaturas más altas con el aumento de la velocidad de calentamiento. El desplazamiento en gran medida paralelo, así como la masa final casi idéntica, indican que la velocidad de calentamiento en sí no cambia significativamente el mecanismo de reacción. Esto es también una clara indicación de que el mecanismo de reacción no es muy complejo en este caso. Por otro lado, puede verse claramente que los pasos de pérdida de masa no están perfectamente separados. No hay una meseta visible que defina claramente el final del primer paso de pérdida de masa o el comienzo del segundo paso de pérdida de masa. Como confirman técnicas de acoplamiento como TGA-FT-IR, TGA-MS o TGA-GC-MS, tanto la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis como la evaporación se producen simultáneamente [2][4][5].

Para el análisis cinético, los datos medidos se transfieren en el software NETZSCH Kinetics Neo a través de ASCII. Los datos importados se representan en la figura 2.

Para tener una idea inicial sobre el mecanismo de reacción, es útil comenzar el análisis cinético con los llamados enfoques sin modelo. La figura 3 muestra los resultados de acuerdo con Ozawa-Flynn-Wall, donde el logaritmo de la velocidad de calentamiento se representa gráficamente frente a la temperatura inversa. Este enfoque no sólo tiene en cuenta todos los puntos de datos medidos, sino que también proporciona información sobre el cambio en la energía de activación y el factor preexponencial a lo largo de toda la reacción (grado de conversión). Esto resulta especialmente útil en el caso de reacciones de varios pasos. El gráfico describe la progresión de la reacción (de derecha a izquierda) para las tres velocidades de calentamiento (símbolos horizontales). Las líneas casi verticales conectan el mismo grado de conversión para cada velocidad de calentamiento, por lo que se denominan líneas iso-conversionales.

Estas líneas iso-conversionales son más o menos paralelas en los rangos para los dos pasos principales de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis al principio y al final de todo el proceso. En torno al 50% de conversión, las líneas iso-conversionales muestran una pendiente diferente que indica un cambio en el mecanismo de reacción. En esa etapa de la reacción, la PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis y la evaporación se producen simultáneamente, como se ha mencionado anteriormente [2][4][5].

La figura 4 muestra cómo cambia la energía de activación con el progreso de la reacción de acuerdo con Ozawa-Flynn-Wall. Se trata de una información muy importante, ya que indica tres rangos para todo el proceso, con una energía de activación en torno a 110 kJ/mol al principio, en torno a 40 kJ/mol entre el 40% y el 50% de conversión, y en torno a 120 kJ/mol al final de la reacción. El cambio de la energía de activación con el grado de conversión confirma un mecanismo de reacción de varios pasos. Los valores obtenidos están en buena correlación con los resultados publicados en la literatura [6].

La transferencia de esta información a un análisis basado en modelos conduce a un modelo consecutivo de tres pasos (t:FnFnFn), en el que A representa el material de partida (ácido acetilsalicílico), B y C son productos intermedios conocidos en la bibliografía [6, 7] y D es el producto final. En este caso, el producto final no es, por supuesto, realmente una sustancia, sino que describe el final de la reacción o el 100% de conversión, ya que la masa residual para las tres curvas termogravimétricas es cero. Todos los productos formados son gaseosos y, por tanto, se evaporan fuera del crisol mientras se calienta a la temperatura final. La figura 5 muestra el resultado de este enfoque basado en modelos. Los datos medidos se presentan como símbolos y los resultados para el modelo consecutivo de tres pasos calculado se presentan como líneas sólidas con los colores relacionados con las diferentes velocidades de calentamiento. El modelo calculado se ajusta casi perfectamente a los datos experimentales, lo que queda confirmado en última instancia por el coeficiente de correlación de 0,99986.

Los parámetros calculados factor pre-exponencial, energía de activación y orden de reacción se resumen en la tabla 2 para cada paso de reacción individual. Todos los valores para la energía de activación están en buen acuerdo con los valores sugeridos por el enfoque Ozawa-Flynn-Wall así como con los valores reportados en la literatura [6]. La contribución de cada uno de los tres pasos de reacción es del 40,3%, 13,6% y 46,1%, respectivamente, lo que se correlaciona bien con los pasos de pérdida de masa presentados.

Cuadro 2: Parámetros resultantes del enfoque basado en modelos utilizando un modelo consecutivo de tres pasos de ^enésimo orden

Conclusión

El mecanismo de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis del ácido acetilsalicílico sugerido en la literatura es un mecanismo de dos pasos con evaporación simultánea de productos intermedios [6]. Gregory et al. descubrieron que el ácido acético es el principal compuesto liberado durante el primer paso de pérdida de masa. Además, sugieren un mecanismo de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis que forma una variedad de oligómeros, como indican las unidades de masa atómica (amu) detectadas con espectrometría de masas (EM) [6][7]. Junto con la confirmación de que los principales productos gaseosos son el ácido acético, el ácido salicílico, el fenol y el ácido acetilsalicílico, se empleó una técnica de acoplamiento TGA-GC-MS aún más sofisticada para separar e identificar otros productos de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis [2]. Todos los autores informan de una superposición de PirólisisLa pirólisis es la descomposición térmica de compuestos orgánicos en una atmósfera inerte.pirólisis y evaporación entre el 40% y el 60% del progreso de la reacción.

En el presente trabajo, fue posible implementar estos resultados en un enfoque cinético basado en modelos con un modelo consecutivo de tres pasos de enésimo orden. La buena correlación entre los datos experimentales y el modelo matemático queda confirmada por el coeficiente de correlación de 0,99986. Los valores de la energía de activación, por ejemplo, concuerdan con los de la bibliografía. Sin embargo, el enfoque basado en un modelo consecutivo de tres pasos introducido aquí es sin duda un paso más allá de los enfoques sin modelo iso-conversional basados en Ozawa-Flynn-Wall u otros [6], entre otros, ya que los datos cinéticos están disponibles independientemente para cada paso de reacción individual.