Introduction
En pharmacie, il n'y a guère de principe actif sur lequel on ait plus écrit que l'acide acétylsalicylique (ou ASA en abrégé ; dans les pays anglophones, même le nom de marque Aspirin™ est souvent utilisé comme synonyme). L'histoire de son succès a commencé à la fin du 19e siècle, lorsque le Dr Felix Hoffmann a synthétisé la substance dans les laboratoires BAYER pour la première fois sans impuretés. Aujourd'hui, il est toujours l'un des produits pharmaceutiques les plus populaires, utilisé dans un large éventail de traitements. Il appartient au groupe des anti-inflammatoires non stéroïdiens (AINS) et est indiqué pour le traitement de la douleur, de la fièvre et de l'inflammation. Il est également utilisé pour prévenir la récurrence d'une crise cardiaque ou d'un accident vasculaire cérébral chez les patients à haut risque. En 1977, l'AAS a été ajouté en tant qu'analgésique à la "liste des médicaments essentiels" de l'OMS (Organisation mondiale de la santé) [1].
Il s'agit de la deuxième de quatre notes d'application qui examinent plus en détail le comportement thermique de l'acide acétylsalicylique : Décomposition dans différentes atmosphères gazeuses, cinétique de Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition et espèces gazeuses résultantes [2] [3] [4].
Analyse cinétique des données thermoanalytiques
Les données de mesure des méthodes thermoanalytiques permettent d'obtenir des informations sur la perte de masse due à la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition, à la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse ou à la combustion, sur les changements énergétiques tels que la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion ou la CristallisationLa cristallisation est le processus physique de durcissement au cours de la formation et de la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, la chaleur de cristallisation est libérée.cristallisation, ou encore sur les changements de dimension de l'échantillon dus à la dilatation thermique ou au FrittageLe frittage est un procédé de production permettant de former un corps mécaniquement résistant à partir d'une poudre céramique ou métallique. frittage, par exemple, dans les matériaux céramiques. Toutefois, ces informations ne sont pas utilisées de manière exhaustive. À l'aide d'une analyse cinétique plus complète, il est également possible d'obtenir des informations sur le déroulement rapide d'une réaction à différentes températures, c'est-à-dire sur la vitesse de réaction. Si le déroulement d'une réaction peut être décrit suffisamment bien à l'aide d'un système d'équations mathématiques, il est également possible de faire des prédictions sur le déroulement de la réaction qui ne sont pas accessibles expérimentalement ou seulement avec difficulté. Ces prévisions peuvent être utilisées pour optimiser les processus ou pour prédire la durée de vie, la stabilité à l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation ou le comportement au vieillissement des matériaux et des produits.
Résultats et discussion
Afin de mieux comprendre le comportement thermique de l'acide acétylsalicylique, une approche cinétique a été menée pour tenter de trouver un système d'équations mathématiques permettant de décrire les données expérimentales. Le comportement thermique a été étudié à l'aide d'un TG 209 NETZSCH F1 Libra® et en appliquant les conditions de mesure résumées dans le tableau 1. Une approche cinétique nécessite une série d'au moins trois taux de chauffage différents afin de décrire la corrélation temps-température, qui est l'objectif principal des évaluations cinétiques en général.
Tableau 1 : Paramètres de mesure TGA
| Paramètres | Acide acétylsalicylique |
|---|---|
| Masse de l'échantillon [mg] | 4.982 │ 5.014 │ 5.053 |
| Atmosphère | Argon |
| Creuset | Al2O3, 85 μl, ouvert |
| Programme de température | RT - 450°C |
| Vitesses de chauffe [K/min] | 3 │ 10 │ 30 |
| Débit de gaz [ml/min] | 40 |
| Porte-échantillon | TGA |
La figure 1 illustre les résultats obtenus avec le logiciel d'analyse NETZSCH Proteus® . Entre 100°C et 400°C, la thermogravimétrie détecte deux étapes majeures de perte de masse pour la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse de l'acide acétylsalicylique. Les courbes TGA sont déplacées vers des températures plus élevées avec l'augmentation de la vitesse de chauffage. Le déplacement largement parallèle, ainsi que la masse finale presque identique, indiquent que la vitesse de chauffage elle-même ne modifie pas de manière significative le mécanisme de réaction. Cela indique aussi clairement que le mécanisme de réaction n'est pas très complexe dans ce cas. D'autre part, on peut clairement voir que les étapes de perte de masse ne sont pas parfaitement séparées. Il n'y a pas de plateau visible définissant clairement la fin de la première étape de perte de masse ou le début de la deuxième étape de perte de masse. Comme le confirment les techniques de couplage telles que TGA-FT-IR, TGA-MS ou TGA-GC-MS, la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse et l'évaporation se produisent simultanément [2][4][5].
Pour l'analyse cinétique, les données mesurées sont transférées dans le logiciel NETZSCH Kinetics Neo via ASCII. Les données importées sont illustrées à la figure 2.
Afin d'obtenir une première idée du mécanisme de réaction, il est utile de commencer l'analyse cinétique par des approches dites sans modèle. La figure 3 montre les résultats selon Ozawa-Flynn-Wall, où le logarithme de la vitesse de chauffage est tracé en fonction de la température inverse. Cette approche ne prend pas seulement en compte tous les points de données mesurés, mais fournit également des informations sur le changement de l'énergie d'activation ainsi que sur le facteur pré-exponentiel sur l'ensemble du déroulement de la réaction (degré de conversion). Cette méthode est particulièrement utile pour les réactions en plusieurs étapes. Le graphique décrit la progression de la réaction (de droite à gauche) pour les trois taux de chauffage (symboles horizontaux). Les lignes presque verticales relient le même degré de conversion pour chaque vitesse de chauffage et sont donc appelées lignes d'iso-conversion.
Ces lignes iso-conversionnelles sont plus ou moins parallèles aux plages des deux principales étapes de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse au début et à la fin de l'ensemble du processus. À environ 50 % de conversion, les lignes iso-conversionnelles présentent une pente différente qui indique un changement dans le mécanisme de réaction. À ce stade de la réaction, la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse et l'évaporation se produisent simultanément, comme indiqué précédemment [2][4][5].
La figure 4 montre comment l'énergie d'activation évolue en fonction de l'avancement de la réaction, conformément à la méthode Ozawa-Flynn-Wall. Cette information est très importante car elle indique déjà trois fourchettes pour l'ensemble du processus, avec une énergie d'activation d'environ 110 kJ/mol au début, d'environ 40 kJ/mol entre 40 et 50 % de conversion, et d'environ 120 kJ/mol à la fin de la réaction. Une variation de l'énergie d'activation avec le degré de conversion confirme un mécanisme de réaction en plusieurs étapes. Les valeurs obtenues sont en bonne corrélation avec les résultats publiés dans la littérature [6].
Le transfert de ces informations dans une analyse basée sur un modèle conduit à un modèle consécutif à trois étapes (t:FnFnFn), où A représente la matière première (acide acétylsalicylique), B et C sont des intermédiaires connus de la littérature [6, 7] et D est le produit final. Dans ce cas, le produit final n'est, bien sûr, pas vraiment une substance, mais il décrit la fin de la réaction ou la conversion à 100 % puisque la masse résiduelle pour les trois courbes thermogravimétriques est nulle. Tous les produits formés sont gazeux et s'évaporent donc du creuset pendant le chauffage à la température finale. La figure 5 illustre le résultat de cette approche basée sur un modèle. Les données mesurées sont présentées sous forme de symboles et les résultats du modèle consécutif à trois étapes sont présentés sous forme de lignes pleines, les couleurs étant liées aux différentes vitesses de chauffage. Le modèle calculé correspond presque parfaitement aux données expérimentales, ce qui est confirmé par le coefficient de corrélation de 0,99986.
Les paramètres calculés - facteur pré-exponentiel, énergie d'activation et ordre de réaction - sont résumés dans le tableau 2 pour chaque étape de la réaction. Toutes les valeurs de l'énergie d'activation sont en bon accord avec les valeurs suggérées par l'approche Ozawa-Flynn-Wall ainsi qu'avec les valeurs rapportées dans la littérature [6]. La contribution de chacune des trois étapes de la réaction est de 40,3 %, 13,6 % et 46,1 %, respectivement, ce qui correspond bien aux étapes de perte de masse présentées.
Tableau 2 : Paramètres résultant de l'approche par base de modèle utilisant un modèle consécutif à trois étapes d'ordre n
| Paramètres | 1er pas (Fn) | 2ème étape (Fn) | 3ème étape (Fn) |
|---|---|---|---|
| Log (PreExp) | 9.88 | 0.88 | 8.02 |
| EA (kJ/mol) | 101.3 | 30.7 | 116.6 |
| Ordre de réaction | 1.01 | 0.91 | 0.77 |
| Contribution (%) | 40.3 | 13.6 | 46.1 |
Conclusion
Le mécanisme de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse de l'acide acétylsalicylique suggéré dans la littérature est un mécanisme en deux étapes avec évaporation simultanée des intermédiaires [6]. Gregory et al. ont constaté que l'acide acétique était le principal composé libéré au cours de la première étape de perte de masse. En outre, ils suggèrent un mécanisme de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse formant une variété d'oligomères, comme l'indiquent les unités de masse atomique (amu) détectées par spectrométrie de masse (SM) [6][7]. Outre la confirmation que les principaux produits gazeux sont l'acide acétique, l'acide salicylique, le phénol et l'acide acétylsalicylique, une technique de couplage TGA-GC-MS encore plus sophistiquée a été utilisée pour séparer et identifier d'autres produits de PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse [2]. Tous les auteurs signalent une superposition de la PyrolyseLa pyrolyse est la décomposition thermique de composés organiques dans une atmosphère inerte.pyrolyse et de l'évaporation entre 40 et 60 % de l'avancement de la réaction.
Dans le présent travail, il a été possible de mettre en œuvre ces résultats dans une approche cinétique basée sur un modèle avec un modèle consécutif à trois étapes du nième ordre. La bonne corrélation entre les données expérimentales et le modèle mathématique est confirmée par le coefficient de corrélation de 0,99986. Les valeurs de l'énergie d'activation, par exemple, sont en bon accord avec les valeurs rapportées dans la littérature. Néanmoins, l'approche basée sur un modèle consécutif à trois étapes introduite ici est certainement un pas en avant par rapport aux approches iso-conversionnelles sans modèle basées sur Ozawa-Flynn-Wall ou d'autres [6], entre autres, puisque les données cinétiques sont disponibles indépendamment pour chaque étape individuelle de la réaction.