熱重量測定によるクラブラン酸カリウムの保存可能期間の決定

はじめに

クラブラン酸カリウム（図1）は、Streptomyces clavuligerusが産生する主要なβ-ラクタム系抗生物質であるクラブラン酸の塩である[1]。単独ではほとんどの菌に対して弱い抗菌活性しか示さないが、抗生物質のアモキシシリンと併用することで、アモキシシリン単独に耐性を示すβ-ラクタマーゼ産生ブドウ球菌に対して有効である[2, 3]。そのため、医薬品業界では定評のある物質である。

アモキシシリンとクラブラン酸カリウムは同様の分解経路を示す。しかし、アモキシシリンとクラブラン酸塩の組み合わせの安定性は、主に2つのうちより分解性の高いクラブラン酸塩に依存する[4, 5]。

クラブラン酸カリウムの分解については、多くの論文で研究されている [3, 4, 7, 12]。一般に、この物質は異なるpHレベルの溶液中、およびアモキシシリン存在下で研究された。アモキシシリン/クラブラン酸混合物の安定性は、25℃から40℃への温度上昇に影響されることが観察された [3]。一方、溶液のpHを酸性にすると、混和物の保存可能期間は著しく延長する［4］。溶液中では、加水分解の生成物によってクラブラン酸の分解が触媒されることも観察された［12］。異なる温度、異なる大気条件下で保存した試料にHPLC法を用いて示したように、固体状態でのクラブラン酸カリウムの分解は別のメカニズムに従う：固相で形成される分解生成物は触媒作用を持たない [8]。

熱安定性は、特に物質が分解または反応し始める温度を決定する熱重量測定で調べることもできる[9]。13]では、FT-IRスペクトロメーターと組み合わされた熱天秤を用いて、固体クラブラン酸カリウムの熱分解を特徴付けた。以下では、分解反応の速度論的研究を行うために、熱重量測定を用いる。

これにより、特定の温度と時間の条件下でのクラブラン酸カリウムの分解を予測することができる。熱安定性の知識と、固体状態でのクラブラン酸カリウムの分解過程を理解することで、その貯蔵条件を最適化することができる。

実験的

TGA測定は、NETZSCH TG 209F1 Libra^® オートサンプラー付き熱天秤を用いて行った。13]に記載されたTGA-FT-IR測定から、測定開始と同時に試料から表 面水が放出されることがわかった。このため、次の測定は密閉アルミ容器を使って行った。測定の直前に、るつぼの蓋はASCの穿孔装置によって自動的に穿孔された。これにより、実際の測定が始まる前に試料が表面水を放出してしまい、初期質量の値が改ざんされるのを防ぐことができます。

試料の質量は4.33～5.04mgでした。試料は室温から600℃の間で、1K/分から10K/分まで4段階の加熱速度で加熱した。測定は動的窒素雰囲気（40 ml/min）で行った。

得られたTGA曲線は、分解反応の速度論的評価の基礎となる。

これには、Kinetics Neo ソフトウェア（NETZSCH-Gerätebau GmbH製）を使用した。このソフトウェアでは、単段階から多段階の反応の動力学をモデル化することができる。

このソフトウエアは、活性化エネルギー、反応次数、前指数因子などの独自の動力学パラメータを持つ異なる反応タイプに、個々のステップを割り当てることができる。その結果に基づいて、Kinetics Neo はユーザー指定の温度プログラムで反応をシミュレートすることができる。

結果と考察

TGA測定

図2は、加熱速度1, 3, 5, 10 K/minにおけるクラブラン酸カリウムのTGAおよびDTG（一次微分）曲線を示している。室温から120℃の間で検出される最初の質量減少ステップは、表面水の蒸発に起因する[13]。さらに、120°Cから600°Cの間で確認された3つの質量減少ステップは、クラブラン酸カリウムの分解によるものです。これらは、加熱速度の増加に伴い、より高温にシフトする（動力学的影響）。例えば、加熱速度が1K/minの場合、最初の分解ステップは167℃（DTGピーク）で発生し、加熱速度が10K/minの場合は184℃（DTGピーク）で発生する。最後の分解段階は、加熱速度の増加とともに顕著になる：加熱速度5K/minでは、DTGピークが412℃で観察され（赤の破線曲線）、10K/minでは417℃で起こる（黒の破線曲線）。

熱分解の速度論的解析

加熱速度に対する分解の依存性から、NETZSCH Kinetics Neo ソフトウェアの助けを借りてプロセスを評価することができる。図3は、速度論的評価に使用した130℃から600℃までのTGA測定曲線を示している。130℃より低い温度での表面水の放出は考慮されていない。

3つの連続した質量減少が検出されたことは、少なくとも3回の分解ステップがあったことを示している。図4に示した1K/minでの測定のDTG曲線は、167℃、293℃、368℃の3つのピークを示すが、241℃と322℃のオンセット温度を持つ2つのショルダーも示している。これが、Kinetics Neo 、ⁿ 次の連続する5つのステップを持つ反応モデルを提案する理由である。

各ステップjの反応速度は関数で記述される：反応速度_j=_Aj- f(_ej,_pj) - exp[_-Ej/RT].

_Aj: プレ指数
_Ej: 活性化エネルギー [J.^mol-1]
T: 温度 [K]
R: 気体定数 (8.314 J.^K-1.^mol-1)
f(_ej,_pj):
初期反応物の濃度_ejと生成物の濃度_pjに依存する関数。

図5は、測定されたTGA曲線（点線）と選択された5段階モデルの計算曲線（実線）を比較したものである。測定データと計算データの間には、0.999を超える高い相関係数が得られている。

表1は、各ステップの速度論的評価の結果をまとめたものである。理論質量損失は、分解反応ステップの分解への寄与と分解中に発生する全質量損失を掛け合わせることによって計算される。

最初の分解ステップであるA→Bの質量損失の計算値は11.9%で、実験値の11%に相当する。最後のステップであるE→Fの質量損失は13.9%である。これは実験値の11～12％よりわずかに高い。これは、最後の質量損失ステップの開始が早い（<360℃）ことを意味する。ステップB→C、C→D、D→Eの合計質量損失は36.9％で、図2の300℃付近（DTGピーク）の複雑な分解過程に相当する。

表1：クラブラン酸カリウムの熱分解の速度論的パラメーター

n次反応との測定値の良好な相関は、溶液中での分解反応とは逆に、固体状態でのクラブラン酸カリウムの分解は自己触媒的ではないという[8]で導かれた結論を裏付けている。

速度論的評価は、高い相関係数で行われたため、測定されたTGA曲線とシミュレートされたTGA曲線は高いレベルで一致し、異なる保存温度下での長期的な挙動に関する予測が可能である。例として、図6は連続したステップを持つ5ステップモデルに基づく質量変化対時間を示している。これは、窒素雰囲気中、80℃から150℃の間の様々な温度に対するクラブラン酸カリウムの分解の予測を表している。温度が高くなるにつれて、分解は増加する。この効果は、90℃の貯蔵温度ですでに観察される（グラフ上端の緑の曲線-図6）。

図7は、20℃から80℃の温度における、5年間の薬剤の不活性雰囲気下での安定性を示している。60℃までの予測では、有意な質量減少は起こらないようである。

ここで、分解速度論は乾燥した試料で行われたことをお断りしておく。しかし、水はクラブラン酸カリウムの分解に大きな影響を与える：湿度の高い雰囲気で保管すると、分解が低温に移行する[10]。J. Cieleka-Piontekは、クラブラン酸カリウム試料が乾燥した空気にさらされた場合よりも、湿度が上昇した空気にさらされた場合の方が分解速度が速いことを示し、ß-ラクタム環のカルボニル基への水分子の攻撃が熱分解を誘発することを示唆している[8]。

等温条件下での分解挙動を予測するためにKinetics Neo によって計算された速度論モデルを検証するために、9.23 mgのクラブラン酸カリウム試料を200℃に加熱し、2時間等温に保った。表面水の放出による質量損失の影響を排除するため、測定のモニタリングは120℃から開始した。

図8は、測定によって求めた質量損失を、予測によって求めた質量損失と比較したものである（Kinetics Neo ）。この比較は、2つの曲線がよく一致し、計算の信頼性が高いことを示している。

結論

窒素雰囲気下における固体状態のクラブラン酸カリウムの熱分解の動力学を、熱重量測定とKinetics Neo を用いて調べた。各ステップがn次である連続した5段階の速度論モデルを使用することにより、測定データとシミュレーションデータの間に高い相関を得ることができる。これにより、さまざまな温度、温度プロファイル、期間での貯蔵挙動を予測することができる。

結果は、等温セグメントを含む指定された温度プロファイル下でのTGA測定値を、Kinetics Neo によって計算された予測値と比較することによって検証される。