Wprowadzenie
Wczesne wysokie kultury już używały kory wierzby jako lekarstwa na gorączkę i ból [1]; rzymski uczony Pliniusz Starszy uważał korę wierzby za lekarstwo, a Teutoni i Celtowie wytwarzali ekstrakty poprzez gotowanie kory wierzby, której składniki były chemicznie spokrewnione z syntetycznym kwasem acetylosalicylowym [2]. Chociaż różni chemicy byli w stanie wyprodukować salicynę i kwas salicylowy w XIX wieku, dopiero w 1897 roku Felixowi Hoffmannowi udało się zsyntetyzować kwas acetylosalicylowy bez zanieczyszczeń w siedzibie firmy BAYER w Wuppertal-Elberfeld w Niemczech. Kurt Wittauer (rysunek 2) testował ten lek na pacjentach w kolejnych latach, aż w końcu firma BAYER (rysunek 1) złożyła wniosek o odpowiedni patent w 1921 roku. Lek przeciwbólowy zaczął odnosić triumfalny sukces na całym świecie, a dziś BAYER produkuje ponad 50 000 ton kwasu acetylosalicylowego rocznie [4].
Leki zawierające substancję czynną kwas acetylosalicylowy są dostępne w różnych postaciach farmaceutycznych i są stosowane nie tylko ze względu na ich działanie przeciwbólowe, ale także ze względu na ich właściwości przeciwzapalne, przeciwgorączkowe i przeciwpłytkowe.
Czysty kwas acetylosalicylowy jest czystym białym proszkiem, który jest słabo rozpuszczalny w wodzie, ma temperaturę topnienia 136°C i rozkłada się w wyższych temperaturach. W niniejszej pracy zastosowano różne metody analizy termicznej, spektroskopii w podczerwieni i ich kombinacje w celu zbadania gazowych produktów rozkładu.
Metody i przygotowanie
Kwas acetylosalicylowy (CAS: 50-78-2) został zakupiony od Sigma Aldrich z czystością > 99%. Do badania pierwotnej substancji użyto BRUKER TENSOR II do pomiaru próbek z tłumionym całkowitym odbiciem (ATR). Do określenia zachowania podczas topnienia wykorzystano urządzenie NETZSCH DSC 214 Polyma. Do charakterystyki termicznej uwalnianych gazów użyto termowagi sprzężonej ze spektrometrem podczerwieni - NETZSCH TG 209 F1 Libra® z Bruker Equinox 55/S. Warunki pomiarowe dla badań termoanalitycznych i spektroskopowych podsumowano w tabelach 1-3.
Tabela 1: Warunki pomiarowe dla badania DSC kwasu acetylosalicylowego
| Kwas acetylosalicylowy | |
|---|---|
| Masa próbki | 2.08 mg |
| Materiał tygla | Aluminium, perforowany |
| Masa tygla | 52.75 mg |
| Zakres temperatur | 25 ... 160°C |
| Szybkość ogrzewania | 7 K/min |
| Atmosfera | Azot (50 ml) |
Tabela 2: Warunki pomiaru termograwimetrycznego tabletki Aspirin® za pomocą TGA-FT-IR
| Aspiryna® | |
|---|---|
| Masa próbki | 9.141 mg |
| Materiał tygla | Tlenek glinu, otwarty |
| Masa tygla | 162.75 mg |
| Zakres temperatur | 25 ... 600°C |
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min |
| Atmosfera | Azot (40 ml) |
| Skany | 32 |
| Rozdzielczość | 4 cm-1 |
| Zakres spektralny | 650 - 4500 cm-1 |
Tabela 3: Warunki pomiaru dla badania spektroskopowego (ATR) kwasu acetylosalicylowego
| Kwas acetylosalicylowy | |
|---|---|
| Detektor | DTGS |
| Skany | 32 |
| Rozdzielczość | 4 cm-1 |
| Zakres spektralny | 650 - 4500 cm-1 |
Wyniki i dyskusja
Badanie aktywnego składnika kwasu acetylosalicylowego za pomocą spektroskopii FT-IR daje widmo w podczerwieni w temperaturze pokojowej, które jest w dobrej zgodności z widmem library (Bruker ATR-LIBPolymers-1-472-2) (rysunek 3). Zakres topnienia kwasu acetylosalicylowego podany przez producenta wynosi od 134°C do 136°C. Badanie za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) zapewnia entalpię topnienia 178 J/g i temperaturę ekstrapolowanego początku 138,5°C. Jak wyraźnie widać na rysunku 4, sygnał przepływu ciepła wskazuje na początek procesu topnienia próbki już w znacznie niższych temperaturach niż określone przez standardową ocenę ekstrapolowanego początku. W literaturze opisano dwie formy polimorficzne kwasu acetylosalicylowego: Forma I o temperaturze topnienia 144,9°C oraz Forma II o temperaturze topnienia 135,5°C [5, 6].
Powyżej około 150°C rozpoczyna się degradacja termiczna kwasu acetylosalicylowego. Dlatego termograwimetria (TGA) lepiej nadaje się do dalszej charakterystyki powyżej temperatury topnienia (rysunek 5).
W celu scharakteryzowania degradacji termicznej zbadano fragment tabletki aspiryny za pomocą sprzężenia TGA-FT-IR. Chociaż wyniki termograwimetryczne w zakresie od 150°C do 450°C wskazują na dwuetapową reakcję degradacji termicznej, a ilości uwalnianych gazów można określić ilościowo, nie jest możliwe określenie, które gazy są odpowiedzialne za wykrytą utratę masy bez analizy spektroskopowej. Jeśli przeprowadza się pomiar, w którym termowaga jest sprzężona ze spektrometrem podczerwieni, fazę gazową można badać w sposób ciągły podczas całego pomiaru. Wszystkie widma w podczerwieni są przedstawione w układzie trójwymiarowym, w skali temperatury, na rysunku 6. Wyniki pomiarów termograwimetrycznych można również zobaczyć w lewym tylnym obszarze.
Jeśli poszczególne widma zostaną wyodrębnione z tej prezentacji w temperaturach o najwyższej intensywności absorpcji, uwolnione gazy można zidentyfikować za pomocą widm porównawczych z fazy gazowej library. Pojedyncze widmo dla pierwszego etapu utraty masy w temperaturze 180°C, które jest charakterystyczne, jest w bardzo dobrej zgodności z widmem kwasu octowego z fazy gazowej EPANIST library (rysunek 7). Czerwone strzałki wskazują pasma absorpcji, które nie pasują do kwasu octowego, ale bardzo dobrze odpowiadają pasmom absorpcji kwasu salicylowego (EPA-NIST). Prowadzi to do założenia, że kwas acetylosalicylowy, jak w równaniu reakcji 1, rozkłada się termicznie na kwas salicylowy i kwas octowy (równanie 1). W temperaturze 180°C powstały kwas octowy jest już w stanie gazowym, podczas gdy kwas salicylowy o temperaturze topnienia 159°C zaczyna parować. Z pewnością jest to również powód, dla którego pierwszy etap utraty masy przechodzi bezpośrednio do następnego etapu. Połączenie rozkładu i parowania potwierdza mechanizm degradacji zaproponowany przez Rebeiro i wsp. [7]. W połączeniu z postacią tabletki składnika aktywnego kwasu acetylosalicylowego podkreśla się wpływ wilgotności na produkty reakcji degradacji termicznej wraz z dodatkami, takimi jak starch i monohydrat stearynianu magnezu. Gupchup i wsp. zwracają jednak uwagę, że suchy aktywny składnik kwas acetylosalicylowy może sam zapewnić obecność wody poprzez dimeryzację w sensie kondensacji [8].
Porównując dwa widma dla kwasu octowego i salicylowego, można zauważyć, że pasma absorpcji w zakresie od 1760 cm-1 do 1820 cm-1 można przypisać tylko kwasowi octowemu, podczas gdy pasma absorpcji od 1460 cm-1 do 1500 cm-1 reprezentują kwas salicylowy. Jeśli przebieg intensywności zakresów absorpcji jest obliczany jako funkcja temperatury, "ślady" uzyskuje się dla każdej substancji; są one proporcjonalne do odpowiednich ilości uwalnianych w funkcji temperatury.
(Równanie 1)
Porównanie tych zależnych od temperatury śladów dla kwasu octowego i salicylowego pokazano na rysunku 8 ze śladem Grama-Schmidta (suma intensywności, które nie zależą od długości fali) i sygnałem TGA. Podobnie jak w przypadku sygnału TGA, ślad Grama-Schmidta pokazuje, że pierwszy etap utraty masy przechodzi bezpośrednio i bez plateau w drugi etap utraty masy. Przyczynę tego można znaleźć w śladach dwóch produktów, które pokazują, że uwalnianie kwasu octowego można wykryć do około 300°C, a ponadto parowanie kwasu salicylowego rozpoczyna się już w niższych temperaturach.
Wraz z kwasem salicylowym można również wykryć powstawanie dwutlenku węgla za pomocą zależnego od temperatury przebiegu intensywności absorpcji. Potwierdza to wyodrębnione indywidualne widmo w temperaturze 360°C (rysunek 9).
W zakresie między numerami fal 2424 i 2224 wyraźnie widoczne są pasma absorpcjiCO2. Ponadto istnieją oznaki tworzenia się fenolu. Pozycje najbardziej intensywnych pasm absorpcji fenolu zaznaczono czerwonymi strzałkami. Można zatem założyć, że wraz z odparowaniem kwasu salicylowego zachodzi również proces rozkładu; sugeruje to powstawanie fenolu iCO2, jak pokazano w równaniu 2.
(Równanie 2)
Podsumowanie
Kwas acetylosalicylowy badano za pomocą spektroskopii FT-IR w temperaturze pokojowej (ATR), a uzyskane widma FT-IR wykorzystano do identyfikacji poprzez porównanie z widmem library. DSC wykorzystano do zbadania zachowania podczas topnienia. Dodatkowo, zachowanie termiczne Aspirin® zostało scharakteryzowane za pomocą TGA-FT-IR. Widma gazów uwalnianych podczas obróbki termicznej porównano z fazą gazową library w celu identyfikacji produktów. W ten sposób możliwe było potwierdzenie mechanizmów degradacji znanych z literatury i dodatkowo wykazano, że powszechne dodatki stosowane w tabletkowaniu Aspirin® wydają się nie mieć wykrywalnego wpływu na powstawanie gazowych produktów rozkładu.