Introducere
Acidul stearic este un acid gras saturat de origine naturală, cu un lanț lung de atomi de carbon, prezent atât în uleiurile de origine vegetală, cât și în grăsimile animale. Este utilizat pe scară largă în diverse sectoare industriale, inclusiv în industria farmaceutică, cosmetică, alimentară și în cazul produselor de uz casnic, precum lumânările și detergenții. În aplicațiile farmaceutice, însă, acidul stearic de calitate farmaceutică nu este o substanță unică, pură din punct de vedere chimic, ci un amestec de acizi grași, în principal acid stearic și acid palmitic, ale căror proporții relative pot varia în limitele specificațiilor stabilite. Această variabilitate a compoziției poate influența proprietăți cheie, cum ar fi comportamentul la Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire.
Acidul stearic: structură, proprietăți și aplicații
Acidul stearic (cunoscut și sub denumirea de acid octadecanoic) este un solid cristalin dur, de culoare albă până la ușor gălbuie, și un acid gras saturat cu lanț lung (C₁₈H₃₆O₂, Fig. 1). Structura sa constă dintr-un lanț hidrocarbonat liniar format din șaptesprezece grupări metilenice, care se termină cu o grupare carboxilică, conferindu-i un caracter amfifilic, deși este predominant hidrofob datorită cozii sale lungi nepolare. Absența legăturilor duble îi conferă o stabilitate chimică ridicată și rezistență la OxidareOxidarea poate descrie diferite procese în contextul analizei termice.oxidare. Este slab solubil în apă, dar ușor solubil în solvenți organici precum benzenul, tetraclorura de carbon, cloroformul și eterul, gruparea polară de la capăt permițând interacțiuni interfaciale.
Acidul stearic suferă cu ușurință esterificare cu alcooli, formând esteri utilizați ca emolienți și modificatori de textură (de exemplu, stearat de octil, stearat de gliceril). De asemenea, formează săruri metalice, cum ar fi stearații de magneziu, sodiu și zinc, care sunt utilizați pe scară largă ca lubrifianți, stabilizatori și agenți de demulare.
În formulele farmaceutice și cosmetice, acidul stearic funcționează ca emulgator, agent de îngroșare, solubilizant și emolient în produsele de uz topic, precum și ca lubrifiant, liant și agent de modificare a eliberării în formele de dozare solide [2]. În sectorul alimentar, este înregistrat sub denumirea de E570 (UE) [3] și recunoscut ca GRAS (Generally Recognized as Safe – recunoscut în general ca fiind sigur) de către FDA [4]. Acesta servește ca agent antiaglomerant, emulgator și purtător de aromă în produse precum produsele de panificație, înghețata, guma de mestecat și produsele de cofetărie.
Acizii grași diferă în ceea ce privește lungimea lanțului și gradul de saturație, care determină comportamentul lor la Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire și starea fizică. Acizii cu lanț scurt și medium(de exemplu, C8:0 – C12:0) au puncte de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire scăzute (16–32 °C) și sunt lichide sau semisolide la temperatura camerei, în timp ce lanțurile saturate mai lungi (C14:0 – C18:0) prezintă puncte de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire mai ridicate (44–70 °C) și sunt solide. Nesaturarea scade punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire, așa cum se poate observa în cazul acidului oleic (C18:1, ~16 °C). Acidul oleic are, de asemenea, 18 atomi de carbon, dar conține o legătură dublă. În comparație cu acidul palmitic (C₁₆H₃₂O₂, acid hexadecanoic, Figura 2) – un alt acid gras care se întâlnește foarte frecvent în natură – acidul stearic asigură un Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică).punct de topire ușor mai ridicat și contribuie la structuri mai ferme, în timp ce acidul oleic perturbă împachetarea, rezultând sisteme mai moi, cu o capacitate îmbunătățită de întindere, dar cu o stabilitate oxidativă mai scăzută.
Structura acizilor grași determină, așadar, proprietățile lor fizico-chimice și aplicațiile lor în domeniul farmaceutic, cosmetic și alimentar (a se vedea Tabelul 1).
Tabelul 1: Relația dintre structura, proprietățile și aplicațiile acizilor grași obișnuiți
| Acid gras | Lungimea lanțului carbonic | Tipul lanțului | Punct de topire (°C) [5] | Aplicații tipice (industria farmaceutică, cosmetică și alimentară) |
|---|---|---|---|---|
| Acid caprilic | C8:0 | Saturat medium | 16,5 | Agent antimicrobian, intermediar farmaceutic; stabilizare a proteinelor; adjuvant în producția biofarmaceutică [6] |
| Acid capric | C10:0 | Saturat medium | 31,6 | Agent aromatizant și solubilizant în preparatele farmaceutice, conferind o aromă asemănătoare citricelor; agent emulsionant [2] |
| Acid lauric | C12:0 | Saturat medium | 43,8 | Agent de emulsificare și solubilizare; aditiv alimentar; lubrifiant; agent tensioactiv [2] |
| Acid miristic | C14:0 | Saturat, cu lanț lung | 53,9 | Agent emulsionant și solubilizant; agent de penetrare a pielii; lubrifiant pentru comprimate și capsule [2] |
| Acid palmitic | C16:0 | Lung, saturat | 62,5 | Agent emulsionant și solubilizant; agent de penetrare în piele; lubrifiant pentru comprimate și capsule [2] |
| Acid stearic | C18:0 | Lung, saturat | 69,3 | Agent emulsionant și solubilizant; lubrifiant pentru comprimate și capsule [2] |
| Acid oleic | C18:1 | Monosaturat | 16,3 | Agent emulsionant; agent de penetrare a pielii [2] |
Efectul compoziției de acizi stearic și palmitic asupra comportamentului termic
În terminologia farmacopeei (USP–NF), acidul stearic este definit ca un amestec de acid stearic (C18:0) și acid palmitic (C16:0), conținând cel puțin 40% acid stearic, conținutul combinat al acestor doi acizi grași saturați fiind de cel puțin 90% (Figura 2). În consecință, produsele de calitate farmaceutică disponibile pe piață prezintă variații în ceea ce privește raportul dintre acidul stearic și cel palmitic, ceea ce influențează direct proprietățile lor termofizice. Având în vedere că lungimea lanțului de acizi grași determină atât interacțiunile intermoleculare de tip van der Waals, cât și eficiența de împachetare cristalină, diferențele de compoziție modifică stabilitatea rețelei cristaline și comportamentul polimorf, rezultând profiluri de topire distincte. Proporțiile mai mari de acid stearic favorizează, de obicei, temperaturi de topire mai ridicate și o ordine cristalină îmbunătățită, în timp ce un conținut mai mare de acid palmitic poate reduce ușor acești parametri datorită lungimii mai scurte a lanțului. În această lucrare, am analizat două probe diferite de acid stearic, cu raporturi diferite între acidul stearic și acidul palmitic.
Experimental
Au fost analizate două probe de acid stearic: una conținând peste 95% acid stearic și a doua conținând 44% acid stearic; prima fiind produsă de Sigma-Adrich, iar a doua de Caelo. S-a utilizat calorimetria diferențială de scanare (DSC) pentru a caracteriza diferențele de comportament termic și pentru a evalua impactul compoziției asupra tranzițiilor de topire.
Probele au fost introduse în creuzete de aluminiu (Concavus®), care au fost închise cu capace perforate, și încălzite de la 20 °C la 160 °C la o viteză de încălzire de 10 K/min în atmosferă deN2 la un debit de 20 ml/min. Fiecare probă a fost măsurată în trei exemplare, masele medii măsurate fiind de 2,57 ± 0,05 mg pentru acidul stearic 95% și de 2,46 ± 0,05 mg pentru acidul stearic 44%, a se vedea Tabelul 2.
Tabelul 2: Condiții experimentale
| Parametru | Condiție |
|---|---|
| Instrument | DSC 300 Caliris® Supreme , modulul H |
| Masa probei | 2,41 până la 2,61 mg |
| Tipul probei | Acid stearic (SA 44%, SA 95%) |
| Creuzet | Creuzet din aluminiu, cu capac perforat |
| Atmosferă | N2 |
| Debitul de gaz | 20 ml/min (gaz de purjare) |
| Interval de temperatură | de la 20 °C la 160 °C |
| Viteze de încălzire și răcire | 10 K/min |
| Software | NETZSCH Proteus® Protect versiunea 9 |
Rezultatele măsurătorilor
Curbele DSC ale acidului stearic 44% (SA 44%) și acidului stearic 95% (SA 95%), prezentate în Figura 3, arată vârfuri de topire atât în timpul primului, cât și al celui de-al doilea ciclu de încălzire, precum și recristalizare în timpul răcirii, cu o reproductibilitate excelentă (Figura 3A și, respectiv, 3B). Pe baza temperaturilor de început de topire (Tm) extrapolate, SA 44% se topește la aproximativ 54–55 °C, în timp ce SA 95% se topește la aproximativ 69–70 °C.
SA 44% prezintă o ușoară scădere aTm între primul și al doilea ciclu de încălzire. În mod similar, în cazul SA 95%, al doilea ciclu de încălzire prezintă o valoarea Tm cu aproximativ 1 °C mai mică decât cea observată în timpul primului ciclu de încălzire (a se vedea Tabelul 3). Aceste variații pot fi atribuite mai multor factori, printre care neomogenitatea probei în timpul preparării, istoricul termic, polimorfismul sau variațiile comportamentului de recristalizare în condițiile de răcire aplicate.
Tabelul 3: Rezultatele DSC pentru acidul stearic 44% și acidul stearic 95%
| Pic complex | Acid stearic 44% Prima încălzire | Acid stearic 44% A doua încălzire | Acid stearic 95% Prima încălzire | Acid stearic 95% A doua încălzire |
|---|---|---|---|---|
| Tm de debut extrapolată (°C) | 54,5 ± 3 0,1 | 54,0 ± 0,1 | 69,6 ± 0,2 | 68,7 ± 0,1 |
| Valoarea maximă (°C) | 57,9 ± 0,2 | 57,5 ± 0,1 | 73,2 ± 0,2 | 72,8 ± 0,0 |
| Entalpie (J/g) | 188,0 ± 1,8 | 177,4 ± 2,1 | 215,2 ± 1,3 | 213,4 ± 0,9 |
Lățimea picului (°C la 37,0 %) | 4,0 ± 0,2 | 5,0 ± 0,2 | 4,6 ± 0,1 | 4,9 ± 0,1 |
În plus, aspectele practice legate de pregătirea probei și de măsurare pot contribui la acest efect. În timpul primului ciclu de încălzire, proba este introdusă inițial sub formă solidă, având un contact potențial limitat și neuniform cu fundul creuzetului. La topire, materialul se redistribuie și formează un strat cu un contact îmbunătățit cu creuzetul în timpul răcirii ulterioare. În cel de-al doilea ciclu de încălzire, acest contact termic îmbunătățit și posibila răspândire a probei pe o suprafață mai mare facilitează un transfer de căldură mai eficient. Ca urmare, se observă frecvent o deplasare către temperaturi de topire ușor mai scăzute în cel de-al doilea ciclu de încălzire.
O altă observație este creșterea lățimii picului pentru SA 44% după prima încălzire, de la 4,0 ± 0,2 °C la 5,0 ± 0,2 °C. În schimb, SA 95% prezintă doar o ușoară creștere de aproximativ 0,3 °C a lățimii medii a picului (Tabelul 3). Deși lățimea picului oferă o indicație privind modificările comportamentului de topire, evoluția entalpiei de topire (ΔH) este considerată mai semnificativă. În cazul SA 44%, se observă o scădere clară a entalpiei, de la 188,0 ± 1,8 J/g la prima încălzire la 177,4 ± 2,1 J/g la a doua încălzire. În schimb, proba SA 95% cu puritate mai ridicată prezintă doar o modificare minoră a ΔH, de la 215,2 ± 1,3 J/g la 213,4 ± 0,9 J/g (a se vedea Tabelul 3). Acest comportament sugerează că conținutul mai ridicat de acid palmitic din SA 44% afectează împachetarea moleculară și recristalizarea, conducând nu numai la tranziții de topire mai largi, ci și la modificări măsurabile ale caracteristicilor energetice ale tranziției de fază, în timp ce SA 95%, mai omogen, rămâne în mare parte neafectat.
Este important de menționat că atât acidul stearic, cât și acidul palmitic pot exista sub diferite forme polimorfice sau se pot recristaliza din faza topită. Punctele de topire ale acestor forme sunt, de obicei, foarte apropiate unele de altele; cu toate acestea, aceste forme polimorfice diferite pot influența curba DSC.
În plus, prezența mai multor evenimente termice în timpul celei de-a doua încălziri a SA 44% este indicată de un „umăr” distinct în semnalul primei derivate (DDSC) (Figura 4A), care nu se observă în cazul SA 95%. Această caracteristică poate fi evaluată mai clar pe baza curbei DDSC, unde umărul devine mai pronunțat. Acest lucru susține și mai mult prezența eterogenității compoziționale și a unui comportament de CristalizareCristalizarea este procesul fizic de întărire în timpul formării și creșterii cristalelor. În timpul acestui proces, căldura de cristalizare este eliberată.cristalizare mai complex în proba cu puritate mai scăzută.
Atunci când primele curbe de încălzire ale ambelor probe sunt afișate într-un singur grafic, diferența dintre momentele de topire ale acestora devine deosebit de evidentă. Figura 5 prezintă curbele de încălzire inițiale ale SA 44% și SA 95%, evidențiind vârfuri înguste și bine definite, cu o rezoluție excelentă. Diferența clară în ceea ce privește poziția vârfurilor reflectă variația compoziției chimice și a purității, precum și diferențele în structura cristalină.
Concluzie
În ansamblu, aceste rezultate demonstrează că DSC 300 Caliris® oferă date termice extrem de reproductibile și bine definite, permițând o diferențiere clară între probele cu compoziții și purități variate. Sensibilitatea sa la modificările temperaturii de topire, ale formei picului și ale comportamentului de recristalizare îl transformă într-un instrument puternic și eficient pentru cercetare și industrie.
În aplicațiile farmaceutice, cosmetice și alimentare, unde consistența și puritatea materiilor prime sunt esențiale, DSC 300 Caliris® permite identificarea rapidă a diferențelor dintre materiale, detectarea impurităților și verificarea consistenței de la un lot la altul, sprijinind atât dezvoltarea produselor, cât și asigurarea de rutină a calității.
Acest studiu a demonstrat că acidul stearic de calitate farmaceutică nu corespunde întotdeauna compoziției așteptate a acidului stearic pur, chiar dacă materialul respectă cerințele monografiei din farmacopee. Proprietățile sale, precum comportamentul la topire, depind în mare măsură de compoziția sa. Prin urmare, se recomandă caracterizarea corespunzătoare a substanței înainte de orice utilizare industrială.
Mulțumiri
Mulțumim din suflet Gabrielei Kaiser și dr. Stefan Schmölzer pentru contribuțiile lor valoroase la evaluarea tehnică și interpretarea rezultatelor.