Dieper inzicht in de pyrolyse van acetylsalicylzuur door middel van thermogravimetrische metingen in verschillende gasatmosferen, deel 3

Inleiding

In de farmacie is er nauwelijks een werkzame stof waarover meer is geschreven dan acetylsalicylzuur (kortweg ASA; in Engelstalige landen wordt zelfs de merknaam Aspirin™ vaak als synoniem gebruikt). Het succesverhaal begon aan het einde van de 19e eeuw toen Dr. Felix Hoffmann de stof voor het eerst zonder onzuiverheden synthetiseerde in de BAYER-laboratoria. Vandaag de dag is het nog steeds een van de populairste farmaceutica die gebruikt wordt in een breed therapeutisch spectrum. Het behoort tot de groep van niet-steroïde anti-inflammatoire geneesmiddelen (NSAID's) en is geïndiceerd voor de behandeling van pijn, koorts en ontstekingen. Daarnaast wordt het gebruikt om herhaling van een hartaanval of beroerte bij risicopatiënten te voorkomen. In 1977 werd ASA als pijnstiller toegevoegd aan de "lijst van essentiële geneesmiddelen" van de WHO (Wereldgezondheidsorganisatie). [1]

Dit is een van de vier toepassingsadviezen die het thermische gedrag van acetylsalicylzuur in meer detail onderzoeken: ontleding in verschillende gasatmosferen, ontledingskinetiek en de resulterende gassoorten.

Tabel 1: Meetparameters

Experimenteel

Het monstermateriaal, acetylsalicylzuur (CAS: 50-78-2), werd gekocht bij Sigma Aldrich met een zuiverheid van > 99%. Het is een wit, kristallijn poeder dat bestaat in drie kristalmodificaties [2]. Vorm I, met een Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt van ongeveer 137 °C [4], is het meest stabiel bij omgevingstemperatuur en hoger [3].

PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.Pyrolyse-experimenten worden meestal uitgevoerd in een stikstofatmosfeer vanwege de beschikbaarheid en relatief lage prijs. Dit wordt ook weerspiegeld in verschillende publicaties, bijvoorbeeld [5] en [6]. Om de vraag te beantwoorden of de resultaten verkregen onder stikstof ook gegeneraliseerd kunnen worden naar andere atmosferen, werd een experimentele reeks uitgevoerd om het thermische gedrag van acetylsalicylzuur te bestuderen als functie van de aard van het spoelgas. Naast stikstof werden ook helium en argon als inerte gasatmosferen gebruikt. De bijbehorende meetparameters zijn samengevat in tabel 1.

Voor karakterisering van het thermische gedrag werd een NETZSCH TG 209 F1 instrument gebruikt.

Figuur 1 toont het typische ontledingsprofiel in twee stappen van acetylsalicylzuur, als gevolg van verwarming van de stof in een stromende argonatmosfeer. De eerste stap, met een DTG-piektemperatuur van ongeveer 190°C, vertoont een massaverlies van 47%; de tweede stap, bij 361°C (opnieuw DTG-piektemperatuur), vertoont bijna 53%. Er treedt echter geen echt plateau op tussen de twee massaverliesstappen. De eerste gaat min of meer over in de tweede. Dit geeft aan dat er misschien meer dan twee ontledingsstappen bij betrokken zijn. De mogelijkheid dat een complexer mechanisme zoals dit hier het geval zou zijn, wordt bovendien ondersteund door het feit dat de tweede DTG-piek een duidelijk zichtbare schouder heeft bij ongeveer 320°C in de dalende helling.

Als we de situatie in een argonatmosfeer vergelijken met experimenten die zijn uitgevoerd bij identieke verwarmingssnelheden in zowel stikstof- als heliumatmosferen (figuur 2), dan is het gedrag onder stikstofomstandigheden ongeveer hetzelfde als in argon, terwijl het aanzienlijk verandert onder een stromende heliumatmosfeer. Er wordt een toename in de eerste massaverliesstap waargenomen van ongeveer 18 procentpunten (van 47% naar bijna 65%) en dientengevolge een afname in de tweede massaverliesstap van dezelfde hoeveelheid (van 53% naar 35%). Bovendien zijn beide massaverliesstappen verschoven naar iets lagere temperaturen, wat wordt aangegeven door de daling van de specifieke DTG-piektemperaturen (van 4 K naar 7 K voor de eerste DTG-piek en van 11 K naar 15 K voor de tweede). Dit suggereert dat er iets anders gebeurt in een heliumatmosfeer dan in argon- en stikstofatmosferen.

In de literatuur wordt een tweestapsmechanisme met gelijktijdige VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van tussenproducten voorgesteld als het pyrolysemechanisme van acetylsalicylzuur [7]. Metingen uitgevoerd door NETZSCH in zowel een stikstof- als een heliumatmosfeer met gecombineerde technieken, meer precies, TGA/STA in combinatie met FT-IR [6] en GC-MS [8], ondersteunen deze hypothese. Dit geeft aan dat de aard van de ontledingsproducten onafhankelijk is van de gasatmosfeer.

Het grootste verschil tussen al deze experimenten is de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het gebruikte spoelgas (zie tabel 2). Deze verschilt maximaal met een factor 10.

Dit suggereert dat een hogere DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het spoelgas een hogere tegendruk creëert, wat resulteert in een verminderde overdracht van de vluchtige monstercomponenten naar de gasatmosfeer. Dit effect is vooral zichtbaar bij gebruik van helium, dat een veel lagere DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid heeft dan stikstof of argon. Aangezien echte ontledingsreacties onafhankelijk zijn van de omringende inerte gasatmosfeer [10], is het misschien de parallelle VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping die het meest beïnvloed wordt.

Het feit dat de ontleding plaatsvindt bij iets lagere temperaturen in helium (bv. DTG-piek bij 183 °C in vergelijking met 187 °C in stikstof en ongeveer 190 °C in argon) is te wijten aan de hogere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van dit gas (zie tabel 3). In het temperatuurbereik waar warmtestraling slechts een ondergeschikte rol speelt, bereikt het monster de reactietemperatuur in een spoelgas met een hogere Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid iets eerder.

Tabel 2: Dichtheidswaarden bij 0°C en normale druk van verschillende spoelgassen

Tabel 3: Warmtegeleidingswaarden onder standaardomstandigheden van de verschillende spoelgassen

Conclusie

Dit voorbeeld laat zien dat de geselecteerde gasatmosfeer een grote invloed kan hebben op de thermogravimetrische meetresultaten, zelfs als het spoelgas niet als reactiepartner fungeert. Een sterk variërende gasdichtheid kan een effect hebben op de overdracht van gasvormige verbindingen van het monsteroppervlak naar de omringende gasatmosfeer - vooral als er sprake is van VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping.