Dieper inzicht in de pyrolyse van acetylsalicylzuur door middel van kinetische analyse, deel 2

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 de tweede van vier toepassingsadviezen die het thermische gedrag van acetylsalicylzuur in meer detail onderzoeken: Ontleding in verschillende gasatmosferen, ontledingskinetiek en de resulterende gassoorten [2] [3] [4].

Kinetische analyse van thermoanalytische gegevens

Met de meetgegevens van thermoanalytische methoden kan informatie worden verkregen over het massaverlies als gevolg van ontleding, PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse of verbranding, over energetische veranderingen zoals 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). smelten of KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie of ook over veranderingen in de afmetingen van het monster als gevolg van thermische uitzetting of SinterenSinteren is een productieproces voor het vormen van een mechanisch sterk lichaam uit keramisch of metaalpoeder. sinteren, bijvoorbeeld in keramische materialen. Met deze verklaringen wordt de informatie-inhoud echter niet uitputtend gebruikt. Met behulp van een uitgebreidere kinetische analyse is het ook mogelijk om informatie te verkrijgen over het tijdige verloop van een reactie bij verschillende temperaturen, d.w.z. de reactiesnelheid. Als het verloop van een reactie voldoende goed beschreven kan worden met behulp van een stelsel wiskundige vergelijkingen, is het ook mogelijk om voorspellingen te doen over het verloop van de reactie die experimenteel niet of moeilijk toegankelijk zijn. Dit kan dan weer gebruikt worden om processen te optimaliseren of om de levensduur, oxidatieve stabiliteit of het verouderingsgedrag van materialen en producten te voorspellen.

Resultaten en discussie

Om het thermische gedrag van acetylsalicylzuur beter te begrijpen, werd een kinetische benadering uitgevoerd in een poging om een stelsel wiskundige vergelijkingen te vinden voor de beschrijving van experimentele gegevens. Het thermische gedrag werd bestudeerd met behulp van een NETZSCH TG 209 F1 Libra^® en door toepassing van de in tabel 1 samengevatte meetomstandigheden. Een kinetische benadering vereist een serie van ten minste drie verschillende verwarmingssnelheden om de tijd-temperatuurcorrelatie te beschrijven, wat het hoofddoel is van kinetische evaluaties in het algemeen.

Tabel 1: TGA-meetparameters

Figuur 1 toont de resultaten zoals verkregen in de NETZSCH Proteus^® analysesoftware. Tussen 100°C en 400°C detecteert thermogravimetrie twee grote massaverliesstappen voor de PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse van acetylsalicylzuur. De TGA-curven verschuiven naar hogere temperaturen naarmate de verhittingssnelheid toeneemt. De grotendeels parallelle verschuiving en de bijna identieke eindmassa geven aan dat de verhittingssnelheid zelf het reactiemechanisme niet significant verandert. Dit is ook een duidelijke aanwijzing dat het reactiemechanisme in dit geval niet erg complex is. Aan de andere kant is duidelijk te zien dat de massaverliesstappen niet perfect gescheiden zijn. Er is geen plateau zichtbaar dat duidelijk het einde van de eerste massaverliesstap of het begin van de tweede massaverliesstap definieert. Zoals bevestigd door koppelingstechnieken zoals TGA-FT-IR, TGA-MS of TGA-GC-MS, vinden PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse en 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 gelijktijdig plaats [2][4][5].

Voor kinetische analyse worden de gemeten gegevens via ASCII overgebracht naar de NETZSCH Kinetics Neo software. De geïmporteerde gegevens worden weergegeven in figuur 2.

Om een eerste idee te krijgen van het reactiemechanisme is het nuttig om de kinetische analyse te starten met zogenaamde modelvrije benaderingen. Figuur 3 toont de resultaten volgens Ozawa-Flynn-Wall, waarbij de logaritme van de verhittingssnelheid wordt uitgezet tegen de inverse temperatuur. Deze aanpak houdt niet alleen rekening met alle gemeten datapunten, maar levert ook informatie over de verandering in de activeringsenergie en de pre-exponentiële factor over het hele verloop van de reactie (conversiegraad). Dit is vooral nuttig bij meerstapsreacties. De grafiek beschrijft het verloop van de reactie (van rechts naar links) voor alle drie de verwarmingssnelheden (horizontale symbolen). De bijna verticale lijnen verbinden dezelfde omzettingsgraad voor elke verwarmingssnelheid en worden daarom iso-conversielijnen genoemd.

Deze isoconversielijnen zijn min of meer parallel aan de bereiken voor de twee belangrijkste pyrolysestappen aan het begin en aan het einde van het hele proces. Bij ongeveer 50% conversie vertonen de isoconversielijnen een andere helling die duidt op een verandering in het reactiemechanisme. In dat stadium van de reactie vinden PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse en 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 tegelijkertijd plaats, zoals eerder vermeld [2][4][5].

Figuur 4 laat zien hoe de activeringsenergie verandert naarmate de reactie vordert in overeenstemming met Ozawa-Flynn-Wall. Dit is zeer belangrijke informatie omdat het al drie bereiken aangeeft voor het hele proces, met een activeringsenergie rond 110 kJ/mol aan het begin, rond 40 kJ/mol tussen 40% en 50% conversie, en rond 120 kJ/mol aan het eind van de reactie. Een verandering in activeringsenergie met de mate van conversie bevestigt een meerstapsreactiemechanisme. De verkregen waarden komen goed overeen met de resultaten die in de literatuur zijn gepubliceerd [6].

Het overbrengen van deze informatie naar een modelgebaseerde analyse leidt tot een opeenvolgend drietrapsmodel (t:FnFnFn), waarbij A het uitgangsmateriaal voorstelt (acetylsalicylzuur), B en C tussenproducten zijn die bekend zijn uit de literatuur [6, 7] en D het eindproduct is. In dit geval is het eindproduct natuurlijk niet echt een stof, maar het beschrijft het einde van de reactie of 100% conversie, aangezien de restmassa voor alle drie de thermogravimetrische curven nul is. Alle gevormde producten zijn gasvormig en verdampen daarom uit de smeltkroes tijdens het verwarmen tot de eindtemperatuur. Figuur 5 toont het resultaat van deze modelmatige aanpak. De gemeten gegevens worden weergegeven als symbolen en de resultaten voor het berekende driestaps opeenvolgende model worden weergegeven als ononderbroken lijnen met de kleuren gerelateerd aan de verschillende verwarmingssnelheden. Het berekende model past bijna perfect bij de experimentele gegevens, wat uiteindelijk wordt bevestigd door de correlatiecoëfficiënt van 0,99986.

De berekende parameters pre-exponentiële factor, activeringsenergie en reactievolgorde zijn samengevat in tabel 2 voor elke afzonderlijke reactiestap. Alle waarden voor de activeringsenergie komen goed overeen met de waarden die worden voorgesteld door de Ozawa-Flynn-Wall benadering en met de waarden die in de literatuur worden vermeld [6]. De bijdrage van elk van de drie reactiestappen is respectievelijk 40,3%, 13,6% en 46,1%, wat goed overeenkomt met de gepresenteerde massaverliesstappen.

Tabel 2: Parameters resulterend uit de modelbasisbenadering met een opeenvolgend drietrapsmodel van de ^n-de orde

Conclusie

Het pyrolysemechanisme van acetylsalicylzuur dat in de literatuur wordt voorgesteld, is 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 [6]. Gregory et al. ontdekten dat azijnzuur de belangrijkste verbinding is die vrijkomt tijdens de eerste massaverliesstap. Verder suggereren ze een pyrolysemechanisme waarbij een verscheidenheid aan oligomeren wordt gevormd, zoals aangegeven door atomaire massa eenheden (amu) gedetecteerd met massaspectrometrie (MS) [6][7]. Naast de bevestiging dat de belangrijkste gasvormige producten azijnzuur, salicylzuur, fenol en acetylsalicylzuur zijn, werd een nog geavanceerdere TGA-GC-MS koppelingstechniek gebruikt om verdere pyrolyseproducten te scheiden en Identify [2]. Alle auteurs rapporteren een superpositie van PyrolysePyrolyse is de thermische ontbinding van organische verbindingen in een inerte atmosfeer.pyrolyse en 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 tussen 40% en 60% van de voortgang van de reactie.

In het huidige werk was het mogelijk om deze resultaten te implementeren in een modelgebaseerde kinetische benadering met een opeenvolgend drietrapsmodel van de n-de orde. De goede correlatie tussen de experimentele gegevens en het wiskundige model wordt bevestigd door de correlatiecoëfficiënt van 0,99986. De waarden voor bijvoorbeeld de activeringsenergie komen goed overeen met de waarden die in de literatuur zijn gerapporteerd. Desondanks is de hier geïntroduceerde modelgebaseerde benadering van een opeenvolgend drietrapsmodel zeker een stap verder dan de isoconversieve modelvrije benaderingen op basis van onder andere Ozawa-Flynn-Wall [6], omdat kinetische gegevens onafhankelijk beschikbaar zijn voor elke afzonderlijke reactiestap.