Inleiding
Kaliumclavulanaat (figuur 1) is een zout van clavulaanzuur, een belangrijk ß-lactam antibioticum geproduceerd door het organisme Streptomyces clavuligerus [1]. Op zichzelf is het eigenlijk slechts in staat tot een zwakke antibacteriële activiteit tegen de meeste organismen, maar in combinatie met het antibioticum amoxicilline is het effectief tegen ß-lactamaseproducerende stafylokokkenbacteriën die resistent zijn tegen amoxicilline alleen [2, 3]. Daarom is het een gevestigde stof in de farmaceutische industrie.
Amoxicilline en kaliumclavulanaat vertonen vergelijkbare afbraaktrajecten. De stabiliteit van de combinatie amoxicilline-clavulanaat hangt echter voornamelijk af van het clavulanaat, dat het meest afbreekbaar is van de twee [4, 5].
De afbraak van kaliumclavulanaat is in veel artikelen onderzocht [3, 4, 7, 12]. Over het algemeen werd de stof bestudeerd in oplossingen met verschillende pH-waarden en in aanwezigheid van amoxicilline. Er werd waargenomen dat de stabiliteit van het mengsel amoxicilline/clavulaanzuur wordt beïnvloed door een verhoging van de temperatuur van 25°C naar 40°C [3]. Aan de andere kant neemt de houdbaarheid van het mengsel aanzienlijk toe als de pH van de oplossing wordt aangezuurd [4]. Er is ook waargenomen dat in oplossingen de afbraak van clavulaanzuur wordt gekatalyseerd door de producten van hydrolyse [12]. Zoals is aangetoond door het gebruik van de HPLC-methode op monsters die zijn opgeslagen bij verschillende temperaturen en onder verschillende atmosferische omstandigheden, volgt de ontleding van kaliumclavulanaat in vaste toestand een ander mechanisme: De ontledingsproducten die gevormd worden in de vaste fase hebben geen katalytisch effect [8].
De Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit kan ook worden onderzocht met thermogravimetrie, die onder andere de temperatuur bepaalt waarbij een materiaal begint te ontleden of te reageren [9]. De thermische ontleding van vast kaliumclavulanaat werd gekarakteriseerd met behulp van een thermobalans gekoppeld aan een FT-IR spectrometer in [13]. In het volgende worden thermogravimetrische metingen gebruikt om kinetische studies van de OntledingsreactieEen ontledingsreactie is een thermisch geïnduceerde reactie van een chemische verbinding waarbij vaste en/of gasvormige producten worden gevormd. ontledingsreactie uit te voeren.
Dit maakt het mogelijk om de afbraak van kaliumclavulanaat voor specifieke temperatuur- en tijdsomstandigheden te voorspellen. Kennis van de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit en inzicht in het ontledingsproces van kaliumclavulanaat in vaste toestand maakt het mogelijk om de opslagomstandigheden te optimaliseren.
Experimenteel
De TGA-metingen werden uitgevoerd met een NETZSCH TG 209 F1 Libra® thermobalans met automatische monsterwisselaar. Uit de TGA-FT-IR meting beschreven in [13] leerden we dat het monster oppervlaktewater afgeeft zodra de meting begint. Daarom werden de volgende metingen uitgevoerd met gesloten aluminium kroezen. Vlak voor de meting werd het deksel van de kroes automatisch doorboord met het doorprikapparaat van de ASC. Dit voorkomt dat het monster zijn oppervlaktewater al afgeeft voordat de eigenlijke meting begint, wat de waarde van de beginmassa zou vervalsen.
De massa's van de monsters lagen tussen 4,33 en 5,04 mg. De monsters werden verwarmd tussen kamertemperatuur en 600 °C met vier verwarmingssnelheden variërend van 1 K/min tot 10 K/min. De metingen werden uitgevoerd in een dynamische stikstofatmosfeer (40 ml/min).
De verkregen TGA-curven vormen de basis voor de kinetische evaluatie van de OntledingsreactieEen ontledingsreactie is een thermisch geïnduceerde reactie van een chemische verbinding waarbij vaste en/of gasvormige producten worden gevormd. ontledingsreactie.
Hiervoor werd de software Kinetics Neo (van NETZSCH-Gerätebau GmbH) gebruikt. Hiermee kan de kinetiek van éénstaps- tot meerstapsreacties worden gemodelleerd.
Deze software kan elke afzonderlijke stap toewijzen aan verschillende reactietypes met eigen kinetische parameters, zoals activeringsenergie, reactievolgorde en pre-exponentiële factor. Op basis van de resultaten kan Kinetics Neo de reactie(s) simuleren voor door de gebruiker gespecificeerde temperatuurprogramma's.
Resultaten en discussie
TGA metingen
Figuur 2 toont de TGA- en DTG-curven (eerste afgeleide) van de metingen aan kaliumclavulanaat bij verwarmingssnelheden van 1, 3, 5 en 10 K/min. De eerste massaverliesstap, gedetecteerd tussen kamertemperatuur en 120°C, is het resultaat van de 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 oppervlaktewater [13]. Verder zijn de drie massaverliesstappen geïdentificeerd tussen 120°C en 600°C te wijten aan de ontleding van kaliumclavulanaat. Ze worden verschoven naar hogere temperaturen met toenemende verhittingssnelheden (kinetische invloed). Bij een verwarmingssnelheid van 1 K/min treedt de eerste ontledingsstap bijvoorbeeld op bij 167 °C (DTG-piek), terwijl deze bij een verwarmingssnelheid van 10 K/min optreedt bij 184 °C (DTG-piek). De laatste ontledingsstap wordt duidelijker naarmate de verwarmingssnelheid toeneemt: Bij een verwarmingssnelheid van 5 K/min wordt een DTG-piek waargenomen bij 412°C (rode stippellijn), terwijl deze bij 10 K/min optreedt bij 417°C (zwarte stippellijn).
Kinetische analyse van de thermische ontleding
De afhankelijkheid van de ontleding van de verwarmingssnelheid maakt het mogelijk om het proces te evalueren met behulp van NETZSCH Kinetics Neo software. Figuur 3 toont de TGA-meetcurven tussen 130°C en 600°C die gebruikt zijn voor de kinetische evaluatie. Het vrijkomen van oppervlaktewater bij temperaturen lager dan 130°C is buiten beschouwing gelaten.
De drie gedetecteerde opeenvolgende massaverliezen duiden op ten minste drie ontledingsstappen. De DTG-curve van de meting bij 1 K/min in figuur 4 vertoont drie pieken bij 167°C, 293°C en 368°C, maar ook twee schouders met begintemperaturen bij 241°C en 322°C. Daarom stelt Kinetics Neo een kinetisch model voor met vijf opeenvolgende stappen van de n-de orde.
De reactiesnelheid van elke stap j wordt beschreven door de functie Reactiesnelheidj =Aj - f(ej,pj) - exp[-Ej/RT]
Aj: pre-exponentiële factor
Ej: activeringsenergie [J.mol-1]
T: temperatuur [K]
R: gasconstante (8,314 J.K-1.mol-1)
f(ej,pj): functie afhankelijk van de concentratie van de
eerste reactant ej en de concentratie van het product pj
Figuur 5 vergelijkt de gemeten TGA-curves (stippellijnen) met de berekende curves (ononderbroken lijnen) van het gekozen 5-stappenmodel. Er wordt een hoge correlatiecoëfficiënt van >0,999 bereikt tussen de gemeten en berekende gegevens.
Tabel 1 geeft een samenvatting van de resultaten van de kinetische evaluatie voor elke stap. Het theoretische massaverlies wordt berekend door de bijdrage van de reactiestap aan de ontleding te vermenigvuldigen met het totale massaverlies tijdens de ontleding.
De eerste ontledingsstap, A→B, gaat gepaard met een berekend massaverlies van 11,9% en komt overeen met de experimentele waarden van 11%. Het massaverlies voor de laatste stap, E→F, bedraagt 13,9%. Dit is iets hoger dan de experimentele waarde van 11 - 12%. Dit betekent dat de laatste massaverliesstap eerder begint (< 360°C). Het totale massaverlies van de stappen B→C, C→D en D→E is 36,9% en komt overeen met het complexe ontledingsproces rond 300°C (DTG-piek) in figuur 2.
Tab 1: Kinetische parameters van de thermische afbraak van kaliumclavulanaat
| Reactiestap | A → B | B → C | C → D | D → E | E → F |
|---|---|---|---|---|---|
| Activeringsenergie [kJ/mol] | 265.1 | 240.8 | 260.5 | 179.8 | 166.5 |
| Pre-exponentiële factor | 28.6 | 21.6 | 21.7 | 13.3 | 10.5 |
| Reactievolgorde | 3.6 | 2.1 | 1.8 | 1.6 | 3.4 |
| Bijdrage | 0.190 | 0.099 | 0.244 | 0.246 | 0.222 |
| Theoretisch massaverlies | 11.9% | 6.2% | 15.3% | 15.4% | 13.9% |
De goede correlatie van de metingen met n-de orde reacties bevestigt de conclusies getrokken in [8] dat in tegenstelling tot het ontledingsgedrag in oplossingen, de ontleding van kaliumclavulanaat in vaste toestand niet auto-gekatalyseerd is.
De kinetische evaluatie werd uitgevoerd met een hoge correlatiecoëfficiënt en dus een hoge mate van overeenkomst tussen de gemeten en gesimuleerde TGA-curves, zodat voorspellingen over het langetermijngedrag onder verschillende opslagtemperaturen mogelijk zijn. Als voorbeeld toont figuur 6 de massaverandering versus tijd gebaseerd op het 5-stappenmodel met opeenvolgende stappen; het vertegenwoordigt de voorspelling van de ontleding van kaliumclavulanaat voor verschillende temperaturen tussen 80°C en 150°C in een stikstofatmosfeer. Met toenemende temperatuur neemt de ontleding toe. Dit effect kan al worden waargenomen bij een opslagtemperatuur van 90°C (groene curve aan de bovenkant van de grafiek - figuur 6).
Figuur 7 toont de stabiliteit van het geneesmiddel in een inerte atmosfeer over een periode van 5 jaar, voor temperaturen tussen 20°C en 80°C. Het lijkt erop dat er geen significant massaverlies optreedt. Het lijkt erop dat er geen significant massaverlies optreedt in de voorspelling voor temperaturen tot 60°C.
Er moet hier aan herinnerd worden dat de ontledingskinetiek werd uitgevoerd op een droog monster. Water heeft echter een grote invloed op de ontleding van kaliumclavulanaat: Opslag in een vochtige atmosfeer verschuift de ontleding naar lagere temperaturen [10]. J. Cieleka-Piontek laat zien dat kaliumclavulanaatmonsters sneller ontleden als ze worden blootgesteld aan een verhoogde luchtvochtigheid dan wanneer ze worden blootgesteld aan droge lucht en suggereert dat de aanval van een watermolecuul op de carbonylgroep van de ß-lactamring thermolyse induceert [8].
Om het door Kinetics Neo berekende kinetische model voor de voorspelling van het ontledingsgedrag onder isotherme omstandigheden te valideren, werd een kaliumclavulanaatmonster van 9,23 mg verwarmd tot 200°C en vervolgens gedurende twee uur IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm gehouden. Het monitoren van de meting begon bij 120°C om het massaverlieseffect van het vrijkomen van oppervlaktewater uit te sluiten.
Figuur 8 vergelijkt de massaverliezen bepaald via meting met die bepaald via voorspelling (Kinetics Neo). De vergelijking toont de goede overeenkomst tussen de twee curven en dus de betrouwbaarheid van de berekening.
Conclusie
De kinetiek van de thermische ontleding van kaliumclavulanaat in vaste toestand onder stikstof werd onderzocht met behulp van thermogravimetrie en Kinetics Neo. Een hoge mate van correlatie tussen gemeten en gesimuleerde gegevens kan worden verkregen door gebruik te maken van een opeenvolgend kinetisch model met vijf stappen, waarbij elke stap van de n-de orde is. Dit maakt voorspellingen mogelijk van het opslaggedrag bij verschillende temperaturen, temperatuurprofielen en perioden.
De resultaten worden gevalideerd door de TGA-metingen onder een gespecificeerd temperatuurprofiel, inclusief een IsothermTesten bij een gecontroleerde en constante temperatuur worden isotherm genoemd.isotherm segment, te vergelijken met de voorspellingen berekend door Kinetics Neo.