소개
클라불란산 칼륨(그림 1)은 스트렙토마이세스 클라불리제루스[1]에 의해 생성되는 주요 ß-락탐 항생제인 클라불란산의 염입니다. 실제로 단독으로는 대부분의 유기체에 대해 약한 항균 작용만 할 수 있지만 항생제인 아목시실린과 함께 사용하면 아목시실린 단독에 내성이 있는 ß-락타마제 생산 포도상구균에 효과적입니다 [2, 3]. 그렇기 때문에 제약 업계에서 널리 사용되는 물질입니다.
아목시실린과 클라불란산 칼륨은 비슷한 분해 경로를 보입니다. 그러나 아목시실린-클라불라네이트 조합의 안정성은 주로 클라불라네이트에 달려 있으며, 이는 둘 중 더 분해되기 쉽습니다 [4, 5].
클라불란산 칼륨의 분해는 많은 논문에서 조사되었습니다 [3, 4, 7, 12]. 일반적으로 이 물질은 pH 수준이 다른 용액과 아목시실린의 존재 하에서 연구되었습니다. 혼합물 아목시실린/클라불란산의 안정성은 25°C에서 40°C로 온도가 상승하면 영향을 받는 것으로 관찰되었습니다 [3]. 반면에 용액의 pH가 산성화되면 혼합물의 저장 수명이 크게 증가합니다 [4]. 또한 용액에서 클라불란산의 분해는 가수분해 생성물에 의해 촉매되는 것으로 관찰되었습니다 [12]. 다른 온도와 다른 대기 조건에서 보관된 시료에 HPLC 방법을 사용하여 알 수 있듯이 고체 상태의 클라불란산 칼륨 분해는 다른 메커니즘을 따릅니다: 고체상에서 형성된 분해 생성물은 촉매 효과가 없습니다 [8].
열 안정성은 무엇보다도 물질이 분해 또는 반응하기 시작하는 온도를 결정하는 열무게 측정법으로 탐구할 수도 있습니다 [9]. 고체 칼륨 클라불란산염의 열분해는 [13]에서 FT-IR 분광기와 결합된 열저울을 사용하여 특성화되었습니다. 다음에서는 열무게 측정을 사용하여 분해 반응의 동역학 연구를 수행합니다.
이를 통해 특정 온도 및 시간 조건에 대한 칼륨 클라불란산염의 분해를 예측할 수 있습니다. 열 안정성에 대한 지식과 고체 상태에서의 클라불란산 칼륨의 분해 과정을 이해하면 보관 조건을 최적화할 수 있습니다.
실험적
TGA 측정은 자동 시료 교환기가 장착된 NETZSCH TG 209 F1 Libra® 열전대(thermobalance)로 수행했습니다. 13]에 설명된 TGA-FT-IR 측정에서 측정이 시작되자마자 샘플이 지표수를 방출한다는 것을 알게 되었습니다. 이러한 이유로 다음 측정은 밀폐된 알루미늄 도가니를 사용하여 수행했습니다. 측정 직전에 ASC의 피어싱 장치로 도가니 뚜껑을 자동으로 뚫었습니다. 이렇게 하면 실제 측정이 시작되기 전에 시료가 표면의 수분을 방출하여 초기 질량 값이 위조되는 것을 방지할 수 있습니다.
샘플 질량은 4.33~5.04mg이었습니다. 샘플은 실온에서 600°C 사이에서 1K/min에서 10K/min까지 4가지 가열 속도로 가열되었습니다. 측정은 동적 질소 분위기(40ml/min)에서 수행되었습니다.
얻어진 TGA 곡선은 분해 반응의 동역학 평가의 기초가 됩니다.
이를 위해 Kinetics Neo 소프트웨어( NETZSCH-Gerätebau GmbH)가 사용되었습니다. 이 소프트웨어를 사용하면 단일 단계부터 다단계 반응의 동역학을 모델링할 수 있습니다.
이 소프트웨어는 활성화 에너지, 반응 순서, 사전 지수 계수 등의 고유한 동역학 파라미터를 사용하여 각 개별 단계를 다양한 반응 유형에 할당할 수 있습니다. 결과를 바탕으로 Kinetics Neo는 사용자가 지정한 온도 프로그램에 대한 반응을 시뮬레이션할 수 있습니다.
결과 및 토론
TGA 측정
그림 2는 1, 3, 5 및 10 K/min의 가열 속도에서 칼륨 클라불란산염에 대한 측정값의 TGA 및 DTG(1차 도함수) 곡선을 보여줍니다. 실온과 120°C 사이에서 감지되는 첫 번째 질량 손실 단계는 표면 수분의 증발로 인해 발생합니다[13]. 또한 120°C에서 600°C 사이에서 확인된 세 가지 질량 손실 단계는 클라불란산 칼륨의 분해로 인한 것입니다. 가열 속도가 증가함에 따라 더 높은 온도로 이동합니다(동역학적 영향). 예를 들어, 1K/min의 가열 속도에서 첫 번째 분해 단계는 167°C(DTG 피크)에서 발생하고, 10K/min의 가열 속도에서는 184°C(DTG 피크)에서 발생합니다. 마지막 분해 단계는 가열 속도가 증가함에 따라 더욱 뚜렷해집니다: 5 K/min의 가열 속도에서는 412°C(빨간색 점선 곡선)에서 DTG 피크가 관찰되는 반면, 10 K/min에서는 417°C(검은색 점선 곡선)에서 발생합니다.
열 분해의 동역학 분석
가열 속도에 대한 분해의 의존성을 통해 NETZSCH Kinetics Neo 소프트웨어의 도움으로 공정을 평가할 수 있습니다. 그림 3은 동역학 평가에 사용된 130°C와 600°C 사이의 TGA 측정 곡선을 보여줍니다. 130°C보다 낮은 온도에서의 표면수 방출은 고려되지 않았습니다.
세 번의 연속적인 질량 손실이 감지된 것은 최소 세 번의 분해 단계를 나타냅니다. 그림 4에 제시된 1 K/min에서 측정한 DTG 곡선은 167°C, 293°C, 368°C에서 3개의 피크와 241°C와 322°C에서 시작 온도를 가진 2개의 숄더를 보여줍니다. 이것이 바로 Kinetics Neo가 n차 5단계의 연속적인 동역학 모델을 제안하는 이유입니다.
각 단계 j의 반응 속도는 함수로 설명됩니다: 반응 속도j =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: 지수 전 계수
Ej: 활성화 에너지 [J.mol-1]
T: 온도 [K]
R: 기체 상수(8.314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj):
초기 반응물 ej와 생성물 pj의 농도에 따라 달라지는 함수입니다
그림 5는 측정된 TGA 곡선(점선)을 선택한 5단계 모델의 계산된 곡선(실선)과 비교한 것입니다. 측정된 데이터와 계산된 데이터 간에 0.999 이상의 높은 상관 계수를 얻을 수 있습니다.
표 1에는 각 단계에 대한 동역학 평가 결과가 요약되어 있습니다. 이론적 질량 손실은 분해에 대한 반응 단계의 기여도에 분해 중에 발생하는 총 질량 손실을 곱하여 계산됩니다.
첫 번째 분해 단계인 A→B는 계산된 질량 손실이 11.9%이며 실험 값인 11%와 일치합니다. 마지막 단계인 E→F의 질량 손실은 13.9%에 달합니다. 이는 실험 값인 11~12%보다 약간 높은 수치입니다. 이는 마지막 질량 손실 단계가 더 일찍(<360°C) 시작된다는 것을 의미합니다. B→C, C→D, D→E 단계의 총 질량 손실은 36.9%이며 그림 2의 300°C(DTG 피크) 전후의 복잡한 분해 과정에 해당합니다.
표 1: 클라불란산 칼륨의 열분해에 대한 동역학적 파라미터
| 반응 단계 | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| 활성화 에너지 [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| 사전 지수 계수 | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| 반응 순서 | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| 기여도 | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| 이론적 질량 손실 | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
측정값과 n차 반응의 양호한 상관관계는 용액에서의 분해 거동과는 달리 고체 상태에서의 클라불란산 칼륨 분해는 자동 촉매 작용을 하지 않는다는 [8]에서 도출된 결론을 확인시켜 줍니다.
동역학 평가는 높은 상관 계수로 수행되었으며, 따라서 측정 및 시뮬레이션된 TGA 곡선 간의 높은 수준의 일치도를 통해 다양한 저장 온도에서 장기적인 거동에 대한 예측이 가능합니다. 예를 들어, 그림 6은 질소 분위기에서 80°C에서 150°C 사이의 다양한 온도에 대한 클라불란산칼륨의 분해 예측을 보여주는 5단계 모델에 따른 시간 대비 질량 변화를 연속된 단계로 보여줍니다. 온도가 상승함에 따라 분해가 증가합니다. 이 효과는 90°C의 보관 온도에서 이미 관찰할 수 있습니다(그래프 상단의 녹색 곡선 - 그림 6).
그림 7은 20°C에서 80°C 사이의 온도에서 5년 동안 약물의 불활성 대기 중 안정성을 보여줍니다. 최대 60°C의 온도에 대한 예측에서는 큰 질량 손실이 발생하지 않는 것으로 보입니다.
여기에 분해 동역학은 건조한 시료에서 수행되었다는 점을 상기시켜야 합니다. 그러나 물은 클라불란산 칼륨의 분해에 큰 영향을 미칩니다: 습한 대기에 보관하면 분해가 더 낮은 온도로 이동합니다 [10]. J. Cieleka-Piontek은 클라불란산 칼륨 시료가 건조한 공기에 노출되었을 때보다 높은 공기 습도에 노출되었을 때 더 빨리 분해되며, ß-락탐 고리의 카르보닐기에 대한 물 분자의 공격이 열분해를 유도한다는 것을 보여줍니다 [8].
등온 조건에서 분해 거동을 예측하기 위해 Kinetics Neo에서 계산한 동역학 모델을 검증하기 위해 9.23mg의 칼륨 클라불란산염 샘플을 200°C로 가열한 후 2시간 동안 등온을 유지했습니다. 지표수 방출로 인한 질량 손실 효과를 배제하기 위해 측정 모니터링은 120°C에서 시작되었습니다.
그림 8은 측정을 통해 결정된 질량 손실과 예측을 통해 결정된 질량 손실을 비교한 것입니다(Kinetics Neo). 이 비교를 통해 두 곡선 간의 일치도가 높다는 것을 알 수 있으며, 따라서 계산의 신뢰성이 높다는 것을 알 수 있습니다.
결론
질소 상태에서 고체 상태의 클라불란산 칼륨의 열분해 동역학은 열무게 측정법과 Kinetics Neo를 사용하여 조사했습니다. 각 단계가 n차수인 연속적인 5단계 동역학 모델을 사용하면 측정 데이터와 시뮬레이션 데이터 간에 높은 수준의 상관관계를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 다양한 온도, 온도 프로파일 및 기간에 따른 저장 동작을 예측할 수 있습니다.
결과는 등온 세그먼트를 포함한 지정된 온도 프로파일에서 TGA 측정값을 Kinetics Neo에서 계산한 예측값과 비교하여 검증합니다.