Johdanto
Kaliumklavulanaatti (kuva 1) on klavulaanihapon suola, joka on Streptomyces clavuligerus -organismin tuottama merkittävä ß-laktaamiantibiootti [1]. Yksinään sillä on itse asiassa vain heikko antibakteerinen vaikutus useimpiin organismeihin, mutta yhdistettynä antibiootti amoksisilliinin kanssa se on tehokas ß-laktamaasit tuottavia stafylokokkibakteereja vastaan, jotka ovat resistenttejä pelkälle amoksisilliinille [2, 3]. Siksi se on vakiintunut aine lääketeollisuudessa.
Amoksisilliinilla ja kaliumklavulanaatilla on samanlaiset hajoamisreitit. Amoksisilliini-klavulanaatti-yhdistelmän stabiilisuus riippuu kuitenkin pääasiassa klavulanaatista, joka on näistä kahdesta hajoavampi [4, 5].
Kaliumklavulanaatin hajoamista on tutkittu monissa julkaisuissa [3, 4, 7, 12]. Yleensä ainetta tutkittiin liuoksissa, joissa oli eri pH-tasot ja amoksisilliinin läsnä ollessa. Havaittiin, että amoksisilliini-klavulaanihapon seoksen stabiilisuuteen vaikuttaa lämpötilan nousu 25 °C:sta 40 °C:een [3]. Toisaalta seoksen säilyvyys pitenee merkittävästi, jos liuoksen pH:ta happamoitetaan [4]. On myös havaittu, että liuoksissa klavulaanihapon hajoamista katalysoivat hydrolyysituotteet [12]. Kuten HPLC-menetelmällä eri lämpötiloissa ja erilaisissa ilmasto-olosuhteissa säilytetyille näytteille osoitetaan, kaliumklavulanaatin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen kiinteässä tilassa noudattaa toista mekanismia: Kiinteässä faasissa muodostuvilla hajoamistuotteilla ei ole katalyyttistä vaikutusta [8].
Lämpöstabiilisuutta voidaan tutkia myös termogravimetrialla, jolla määritetään muun muassa lämpötila, jossa materiaali alkaa hajota tai reagoida [9]. Kiinteän kaliumklavulanaatin termistä hajoamista karakterisoitiin FT-IR-spektrometriin liitetyn lämpövaakamittarin avulla [13]. Seuraavassa käytetään termogravimetrisiä mittauksia hajoamisreaktion kineettisten tutkimusten suorittamiseen.
Näin voidaan ennustaa kaliumklavulanaatin hajoamista tietyissä lämpötila- ja aikaolosuhteissa. Kaliumklavulanaatin lämpöstabiilisuuden tunteminen ja sen hajoamisprosessin ymmärtäminen kiinteässä tilassa mahdollistaa sen varastointiolosuhteiden optimoinnin.
Kokeellinen
TGA-mittaukset suoritettiin NETZSCH TG 209 F1 Libra® lämpövaakamittarilla, jossa on automaattinen näytteenvaihtaja. Artikkelissa [13] kuvatusta TGA-FT-IR-mittauksesta opimme, että näytteestä vapautuu pintavettä heti mittauksen alettua. Tästä syystä seuraavat mittaukset suoritettiin suljetuissa alumiiniupokkaissa. Juuri ennen mittausta upokkaan kansi lävistettiin automaattisesti ASC:n lävistyslaitteella. Näin estetään se, että näyte vapauttaa pintavettä jo ennen varsinaisen mittauksen alkua, mikä vääristäisi alkumassan arvoa.
Näytteiden massat olivat 4,33-5,04 mg. Näytteitä lämmitettiin huoneenlämpötilan ja 600 °C:n välillä neljällä lämmitysnopeudella, jotka vaihtelivat 1 K/min ja 10 K/min välillä. Mittaukset suoritettiin dynaamisessa typpi-ilmakehässä (40 ml/min).
Saadut TGA-käyrät ovat pohjana hajoamisreaktion kineettiselle arvioinnille.
Tähän käytettiin Kinetics Neo -ohjelmistoa ( NETZSCH-Gerätebau GmbH). Ohjelmalla voidaan mallintaa sekä yksivaiheisten että monivaiheisten reaktioiden kinetiikkaa.
Ohjelmistolla voidaan luokitella kukin yksittäinen vaihe eri reaktiotyyppeihin, joilla on omat kineettiset parametrit, kuten aktivoitumisenergia, reaktiojärjestys ja esieksponentiaalikerroin. Tulosten perusteella Kinetics Neo pystyy simuloimaan reaktion (reaktiot) käyttäjän määrittämillä lämpötilaohjelmilla.
Tulokset ja keskustelu
TGA-mittaukset
Kuvassa 2 esitetään kaliumklavulanaatin TGA- ja DTG-käyrät (ensimmäinen derivaatta) mittauksista, kun lämmitysnopeus on 1, 3, 5 ja 10 K/min. Ensimmäinen massahäviö, joka havaitaan huoneenlämpötilan ja 120 °C:n välillä, johtuu pintaveden haihtumisesta [13]. Lisäksi kolme massahäviötä, jotka havaittiin 120 °C:n ja 600 °C:n välillä, johtuvat kaliumklavulanaatin hajoamisesta. Ne siirtyvät korkeampiin lämpötiloihin lämmitysnopeuden kasvaessa (kineettinen vaikutus). Esimerkiksi lämmitysnopeudella 1 K/min ensimmäinen hajoamisvaihe tapahtuu 167 °C:ssa (DTG-piikki), kun taas lämmitysnopeudella 10 K/min se tapahtuu 184 °C:ssa (DTG-piikki). Viimeinen hajoamisvaihe korostuu lämmitysnopeuden kasvaessa: Kun lämmitysnopeus on 5 K/min, DTG-piikki havaitaan 412 °C:ssa (punainen katkoviivainen käyrä), kun taas 10 K/min lämmitysnopeudella se tapahtuu 417 °C:ssa (musta katkoviivainen käyrä).
Termisen hajoamisen kineettinen analyysi
Hajoamisen riippuvuus lämmitysnopeudesta mahdollistaa prosessin arvioinnin NETZSCH Kinetics Neo -ohjelmiston avulla. Kuvassa 3 esitetään kineettisessä arvioinnissa käytetyt TGA-mittauskäyrät 130 °C:n ja 600 °C:n välillä. Pintaveden vapautumista alle 130 °C:n lämpötiloissa ei ole otettu huomioon.
Havaitut kolme peräkkäistä massahäviötä osoittavat vähintään kolme hajoamisvaihetta. Kuvassa 4 esitetyssä DTG-käyrässä, joka on mitattu nopeudella 1 K/min, näkyy kolme piikkiä 167 °C:ssa, 293 °C:ssa ja 368 °C:ssa, mutta myös kaksi hartioita, joiden alkamislämpötilat ovat 241 °C ja 322 °C. Tästä syystä Kinetics Neo ehdottaa kineettistä mallia, jossa on viisi peräkkäistä n :nnen kertaluvun vaihetta.
Kunkin vaiheen j reaktionopeutta kuvataan funktiolla: Reaktionopeusj =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: esieksponentiaalikerroin
Ej: aktivaatioenergia [J.mol-1]
T: lämpötila [K]
R: kaasuvakio (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): funktio, joka on riippuvainen
aloitusreaktantinej pitoisuudesta ja tuotteen pj pitoisuudesta
Kuvassa 5 verrataan mitattuja TGA-käyriä (katkoviivat) valitun viisivaiheisen mallin laskettuihin käyröihin (yhtenäiset viivat). Mitattujen ja laskettujen tietojen välillä saavutetaan korkea korrelaatiokerroin >0,999.
Taulukossa 1 esitetään yhteenveto kunkin vaiheen kineettisen arvioinnin tuloksista. Teoreettinen massahäviö lasketaan kertomalla reaktiovaiheen osuus hajoamisesta hajoamisen aikana tapahtuvalla kokonaismassahäviöllä.
Ensimmäiseen hajoamisvaiheeseen, A→B, liittyy laskennallinen 11,9 prosentin massahäviö, joka vastaa kokeellisia arvoja 11 prosenttia. Viimeisen vaiheen, E→F, massahäviö on 13,9 %. Tämä on hieman suurempi kuin kokeellinen arvo 11-12 %. Se tarkoittaa, että viimeinen massahäviö alkaa aikaisemmin (< 360 °C). Vaiheiden B→C, C→D ja D→E yhteenlaskettu massahäviö on 36,9 %, ja se vastaa kuvan 2 monimutkaista hajoamisprosessia noin 300 °C:n lämpötilassa (DTG-piikki).
Taulukko 1: Kaliumklavulanaatin termisen hajoamisen kineettiset parametrit
| Reaktiovaihe | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Aktivoitumisenergia [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Esieksponentiaalinen tekijä | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Reaktiojärjestys | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Osallistuminen | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Teoreettinen massahäviö | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
Mittausten hyvä korrelaatio n:nnen kertaluvun reaktioiden kanssa vahvistaa tutkimuksessa [8] tehdyt päätelmät siitä, että toisin kuin kaliumklavulanaatin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen liuoksissa, kaliumklavulanaatin HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen kiinteässä tilassa ei ole itsekatalysoituvaa.
Kineettinen arviointi suoritettiin korkealla korrelaatiokertoimella ja siten suurella yksimielisyydellä mitattujen ja simuloitujen TGA-käyrien välillä, joten ennusteet pitkäaikaiskäyttäytymisestä eri varastointilämpötiloissa ovat mahdollisia. Esimerkkinä kuvassa 6 esitetään massanmuutos ajan funktiona, joka perustuu viisivaiheiseen malliin, jossa on peräkkäisiä vaiheita; se edustaa kaliumklavulanaatin hajoamisen ennustetta eri lämpötiloissa 80 °C:n ja 150 °C:n välillä typpi-ilmakehässä. Lämpötilan kasvaessa HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen lisääntyy. Tämä vaikutus voidaan havaita jo 90 °C:n varastointilämpötilassa (vihreä käyrä kuvaajan yläpäässä - kuva 6).
Kuvassa 7 on esitetty lääkkeen stabiilisuus inertissä ilmakehässä viiden vuoden aikana lämpötiloissa 20°C ja 80°C välillä. Näyttää siltä, että ennusteessa ei tapahdu merkittävää massahäviötä 60 °C:n lämpötiloihin asti.
Tässä yhteydessä on muistutettava, että hajoamiskineettinen analyysi tehtiin kuivalle näytteelle. Vedellä on kuitenkin suuri vaikutus kaliumklavulanaatin hajoamiseen: Varastointi kosteassa ilmakehässä siirtää sen hajoamista alhaisempiin lämpötiloihin [10]. J. Cieleka-Piontek osoittaa, että kaliumklavulanaattinäytteet hajoavat nopeammin, jos ne altistetaan lisääntyneelle ilmankosteudelle, kuin jos ne altistetaan kuivalle ilmalle, ja esittää, että vesimolekyylin hyökkäys ß-laktamiinirenkaan karbonyyliryhmään saa aikaan termolyysin [8].
Jotta Kinetics Neo -ohjelmalla laskettu kineettinen malli, jolla ennustetaan hajoamiskäyttäytymistä isotermisissä olosuhteissa, voitaisiin validoida, 9,23 mg:n kaliumklavulanaattinäyte kuumennettiin 200 °C:seen ja pidettiin sen jälkeen isotermisenä kaksi tuntia. Mittauksen seuranta aloitettiin 120 °C:n lämpötilassa, jotta voitiin sulkea pois pintaveden vapautumisen aiheuttama massahäviövaikutus.
Kuvassa 8 verrataan mittaamalla määritettyjä massahäviöitä ennustamalla määritettyihin massahäviöihin (Kinetics Neo). Vertailu osoittaa, että näiden kahden käyrän välillä on hyvä yhteisymmärrys ja siten laskennan luotettavuus.
Päätelmä
Kaliumklavulanaatin termisen hajoamisen kinetiikkaa kiinteässä tilassa typen alla tutkittiin termogravimetrian ja Kinetics Neo avulla. Mitattujen ja simuloitujen tietojen välille saadaan korkea korrelaatio käyttämällä peräkkäistä viisivaiheista kineettistä mallia, jossa jokainen vaihe on n:nnen kertaluvun mukainen. Näin voidaan ennustaa varastointikäyttäytymistä eri lämpötiloissa, lämpötilaprofiileissa ja ajanjaksoilla.
Tulokset validoidaan vertaamalla TGA-mittausta tietyssä lämpötilaprofiilissa, mukaan lukien IsoterminenKontrolloidussa ja vakiolämpötilassa tehtäviä testejä kutsutaan isotermisiksi.isoterminen segmentti, Kinetics Neo-ohjelmalla laskettuihin ennusteisiin.