O privire mai profundă asupra pirolizei acidului acetilsalicilic prin intermediul analizei cinetice, partea 2

Introducere

În farmacie, nu există aproape niciun ingredient activ despre care să se fi scris mai mult decât despre acidul acetilsalicilic (pe scurt ASA; în țările anglofone, chiar și denumirea comercială Aspirin™ este adesea utilizată ca sinonim). Povestea sa de succes a început la sfârșitul secolului al XIX-lea, când Dr. Felix Hoffmann a sintetizat substanța în laboratoarele BAYER pentru prima dată fără impurități. În prezent, acesta este încă unul dintre cele mai populare produse farmaceutice utilizate într-o gamă terapeutică largă. Acesta aparține grupului de medicamente antiinflamatoare nesteroidiene (AINS) și este indicat pentru tratamentul durerii, febrei și inflamației. În plus, este utilizat pentru a preveni reapariția atacului de cord sau a accidentului vascular cerebral la pacienții cu risc ridicat. În 1977, AAS a fost adăugat ca analgezic la "lista medicamentelor esențiale" a OMS (Organizația Mondială a Sănătății) [1].

Aceasta este a doua din cele patru note de aplicare care examinează mai detaliat comportamentul termic al acidului acetilsalicilic: Descompunerea în diferite atmosfere gazoase, cinetica descompunerii și speciile gazoase rezultate [2] [3] [4].

Analiza cinetică a datelor termoanalitice

Cu ajutorul datelor de măsurare ale metodelor termoanalitice, se pot obține informații despre pierderea de masă datorată descompunerii, pirolizei sau combustiei, despre schimbările energetice, cum ar fi topirea sau cristalizarea sau, de asemenea, despre modificările dimensiunii probei datorate expansiunii termice sau sinterizării, de exemplu, în cazul materialelor ceramice. Cu toate acestea, conținutul informațional nu este utilizat în mod exhaustiv. Cu ajutorul unei analize cinetice mai cuprinzătoare, este, de asemenea, posibil să se obțină informații cu privire la evoluția în timp util a unei reacții la diferite temperaturi, și anume, rata de reacție. Dacă evoluția unei reacții poate fi descrisă suficient de bine cu ajutorul unui sistem de ecuații matematice, este, de asemenea, posibil să se facă predicții cu privire la evoluția reacției care nu sunt accesibile din punct de vedere experimental sau numai cu dificultate. Acest lucru, la rândul său, poate fi utilizat pentru a optimiza procesele sau pentru a prezice durata de viață, stabilitatea la OxidareOxidarea poate descrie diferite procese în contextul analizei termice.oxidare sau comportamentul la îmbătrânire al materialelor și produselor.

Rezultate și discuții

Pentru a înțelege mai bine comportamentul termic al acidului acetilsalicilic, a fost efectuată o abordare cinetică în încercarea de a găsi un sistem de ecuații matematice pentru descrierea datelor experimentale. Comportamentul termic a fost studiat utilizând un NETZSCH TG 209 F1 Libra^® și aplicând condițiile de măsurare rezumate în tabelul 1. O abordare cinetică necesită o serie de cel puțin trei viteze de încălzire diferite pentru a descrie corelația timp-temperatură, care este obiectivul principal al evaluărilor cinetice în general.

Tabelul 1: Parametrii de măsurare TGA

Figura 1 prezintă rezultatele obținute în programul de analiză NETZSCH Proteus^® . Între 100°C și 400°C, termogravimetria detectează două etape majore de pierdere de masă pentru PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza acidului acetilsalicilic. Curbele TGA sunt deplasate către temperaturi mai ridicate odată cu creșterea vitezei de încălzire. Deplasarea în mare parte paralelă, precum și masa finală aproape identică, indică faptul că rata de încălzire în sine nu modifică semnificativ mecanismul de reacție. Acesta este, de asemenea, un indiciu clar că mecanismul de reacție nu este foarte complex în acest caz. Pe de altă parte, se poate observa clar că etapele de pierdere a masei nu sunt perfect separate. Nu există niciun platou vizibil care să definească clar sfârșitul primei etape de pierdere de masă sau începutul celei de-a doua etape de pierdere de masă. După cum se confirmă prin tehnici de cuplare precum TGA-FT-IR, TGA-MS sau TGA-GC-MS, PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza și evaporarea au loc simultan [2][4][5].

Pentru analiza cinetică, datele măsurate sunt transferate în software-ul NETZSCH Kinetics Neo prin ASCII. Datele importate sunt reprezentate în figura 2.

Pentru a obține o idee inițială despre mecanismul de reacție, este util să se înceapă analiza cinetică cu așa-numitele abordări fără model. Figura 3 prezintă rezultatele în conformitate cu Ozawa-Flynn-Wall, unde logaritmul vitezei de încălzire este trasat în funcție de temperatura inversă. Această abordare nu numai că ia în considerare toate punctele de date măsurate, dar oferă și informații despre modificarea energiei de activare, precum și despre factorul preexponențial pe întreaga durată a reacției (gradul de conversie). Acest lucru este deosebit de util pentru reacțiile în mai multe etape. Diagrama descrie evoluția reacției (de la dreapta la stânga) pentru toate cele trei viteze de încălzire (simboluri orizontale). Liniile aproape verticale leagă același grad de conversie pentru fiecare viteză de încălzire și, prin urmare, se numesc linii izoconversionale.

Aceste linii de izoconversie sunt mai mult sau mai puțin paralele la intervalele pentru cele două etape principale de piroliză la începutul și la sfârșitul întregului proces. La aproximativ 50% conversie, liniile izoconversionale prezintă o pantă diferită care indică o schimbare a mecanismului de reacție. În această etapă a reacției, PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza și evaporarea au loc simultan, după cum s-a menționat anterior [2][4][5].

Figura 4 arată modul în care energia de activare se modifică odată cu progresul reacției, în conformitate cu Ozawa-Flynn-Wall. Aceasta este o informație foarte importantă, deoarece indică deja trei intervale pentru întregul proces, cu o energie de activare de aproximativ 110 kJ/mol la început, de aproximativ 40 kJ/mol între 40% și 50% conversie și de aproximativ 120 kJ/mol la sfârșitul reacției. O modificare a energiei de activare în funcție de gradul de conversie confirmă un mecanism de reacție în mai multe etape. Valorile obținute sunt în bună corelație cu rezultatele publicate în literatura de specialitate [6].

Transferarea acestor informații într-o analiză bazată pe model conduce la un model consecutiv în trei etape (t:FnFnFn), în care A reprezintă materia primă (acid acetilsalicilic), B și C sunt intermediari cunoscuți din literatura de specialitate [6, 7], iar D este produsul final. În acest caz, produsul final nu este, desigur, cu adevărat o substanță, dar descrie sfârșitul reacției sau conversia de 100%, deoarece masa reziduală pentru toate cele trei curbe termogravimetrice este zero. Toate produsele formate sunt gazoase și, prin urmare, s-au evaporat din creuzet în timpul încălzirii până la temperatura finală. Figura 5 prezintă rezultatul acestei abordări bazate pe model. Datele măsurate sunt prezentate sub formă de simboluri, iar rezultatele pentru modelul consecutiv în trei etape calculat sunt prezentate sub formă de linii continue, culorile fiind legate de diferitele viteze de încălzire. Modelul calculat se potrivește aproape perfect cu datele experimentale, ceea ce este confirmat în cele din urmă de coeficientul de corelație de 0,99986.

Parametrii calculați factorul preexponențial, energia de activare și ordinea de reacție sunt rezumate în tabelul 2 pentru fiecare etapă de reacție individuală. Toate valorile pentru energia de activare sunt în bună concordanță cu valorile sugerate de abordarea Ozawa-Flynn-Wall, precum și cu valorile raportate în literatura de specialitate [6]. Contribuția fiecăreia dintre cele trei etape de reacție este de 40,3%, 13,6% și, respectiv, 46,1%, ceea ce se corelează bine cu etapele de pierdere de masă prezentate.

Tabelul 2: Parametrii rezultați din abordarea bazată pe model utilizând un model consecutiv în trei etape de ordinul ⁿ

Concluzie

Mecanismul de piroliză a acidului acetilsalicilic sugerat în literatura de specialitate este un mecanism în două etape cu evaporarea simultană a intermediarilor [6]. Gregory et al. au constatat că acidul acetic este principalul compus eliberat în timpul primei etape de pierdere de masă. În plus, ei sugerează un mecanism de piroliză care formează o varietate de oligomeri, după cum indică unitățile de masă atomică (amu) detectate prin spectrometrie de masă (SM) [6][7]. Pe lângă confirmarea faptului că principalii produși gazoși sunt acidul acetic, acidul salicilic, fenolul și acidul acetilsalicilic, a fost utilizată o tehnică de cuplare TGA-GC-MS și mai sofisticată pentru a separa și identifica alți produși de piroliză [2]. Toți autorii raportează o suprapunere a pirolizei și evaporării între 40% și 60% din progresul reacției.

În lucrarea de față, a fost posibilă implementarea acestor rezultate într-o abordare cinetică bazată pe un model cu un model consecutiv în trei etape de ordinul al n-lea. Corelația bună dintre datele experimentale și modelul matematic este confirmată de coeficientul de corelație de 0,99986. Valorile pentru energia de activare, de exemplu, sunt în bună concordanță cu valorile raportate în literatura de specialitate. Cu toate acestea, abordarea bazată pe modelul unui model consecutiv în trei etape introdus aici este cu siguranță un pas dincolo de abordările fără model izoconversional bazate pe Ozawa-Flynn-Wall sau altele [6], printre altele, deoarece datele cinetice sunt disponibile independent pentru fiecare etapă de reacție individuală.