Djupare insikt i pyrolysen av acetylsalicylsyra med hjälp av kinetisk analys, del 2

Inledning

Inom farmacin finns det knappast någon aktiv ingrediens som det skrivits mer om än acetylsalicylsyra (förkortat ASA; i engelskspråkiga länder används ofta även varumärket Aspirin™ som synonym). Dess framgångssaga började i slutet av 1800-talet när Dr. Felix Hoffmann syntetiserade substansen på BAYERs laboratorier för första gången utan föroreningar. Numera är det fortfarande ett av de mest populära läkemedlen som används inom ett brett terapeutiskt område. Det tillhör gruppen icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel (NSAID) och är indicerat för behandling av smärta, feber och inflammation. Dessutom används det för att förhindra återfall i hjärtinfarkt eller stroke hos högriskpatienter. År 1977 lades ASA till som ett smärtstillande medel på WHO:s (Världshälsoorganisationen) lista över "essentiella läkemedel" [1].

Detta är den andra av fyra tillämpningsanvisningar som mer i detalj undersöker det termiska beteendet hos acetylsalicylsyra: Nedbrytning i olika gasatmosfärer, nedbrytningskinetik och de resulterande gasarterna [2] [3] [4].

Kinetisk analys av termoanalytiska data

Med mätdata från termoanalytiska metoder kan information om massförlust på grund av NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning, PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys eller förbränning, om energetiska förändringar som Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning eller kristallisation eller också om förändringar i provdimensionen på grund av termisk expansion eller SintringSintring är en tillverkningsprocess för att forma en mekaniskt stark kropp av ett keramiskt eller metalliskt pulver. sintring, till exempel i keramiska material, erhållas. Med dessa påståenden används dock inte informationsinnehållet på ett uttömmande sätt. Med hjälp av en mer omfattande kinetisk analys är det också möjligt att få information om det snabba förloppet av en reaktion vid olika temperaturer, d.v.s. reaktionshastigheten. Om reaktionsförloppet kan beskrivas tillräckligt väl med hjälp av ett system av matematiska ekvationer, är det också möjligt att göra förutsägelser om reaktionsförloppet som experimentellt inte är tillgängliga eller endast med svårighet. Detta kan i sin tur användas för att optimera processer eller för att förutsäga livslängd, oxidativ stabilitet eller åldringsbeteende hos material och produkter.

Resultat och diskussion

För att bättre förstå det termiska beteendet hos acetylsalicylsyra genomfördes en kinetisk metod i ett försök att hitta ett system av matematiska ekvationer för beskrivning av experimentella data. Det termiska beteendet studerades med hjälp av en NETZSCH TG 209 F1 Libra^® och med tillämpning av de mätvillkor som sammanfattas i tabell 1. En kinetisk metod kräver en serie med minst tre olika uppvärmningshastigheter för att kunna beskriva tid-temperaturkorrelationen, vilket är huvudsyftet med kinetiska utvärderingar i allmänhet.

Tabell 1: Parametrar för TGA-mätning

Figur 1 visar de resultat som erhölls i analysprogrammet NETZSCH Proteus^® . Mellan 100°C och 400°C detekterar termogravimetrin två stora massförluststeg för pyrolysen av acetylsalicylsyra. TGA-kurvorna förskjuts till högre temperaturer med ökande uppvärmningshastighet. Den i stort sett parallella förskjutningen, liksom den nästan identiska slutmassan, tyder på att uppvärmningshastigheten i sig inte förändrar reaktionsmekanismen nämnvärt. Detta är också en tydlig indikation på att reaktionsmekanismen inte är särskilt komplex i det här fallet. Å andra sidan kan man tydligt se att massförluststegen inte är helt separerade. Det finns ingen synlig platå som tydligt definierar slutet på det första massförluststeget eller början på det andra massförluststeget. Som bekräftas av kopplingstekniker som TGA-FT-IR, TGA-MS eller TGA-GC-MS sker både PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys och FörångningFörångning av ett grundämne eller en förening är en fasövergång från vätskefas till ånga. Det finns två typer av förångning: avdunstning och kokning.förångning samtidigt [2][4][5].

För kinetisk analys överförs mätdata till programvaran NETZSCH Kinetics Neo via ASCII. Importerade data visas i figur 2.

För att få en första uppfattning om reaktionsmekanismen är det bra att börja den kinetiska analysen med så kallade modellfria metoder. Figur 3 visar resultaten i enlighet med Ozawa-Flynn-Wall, där logaritmen för uppvärmningshastigheten plottas mot invers temperatur. Detta tillvägagångssätt tar inte bara hänsyn till alla uppmätta datapunkter utan ger också information om förändringen i aktiveringsenergin samt den pre-exponentiella faktorn under hela reaktionsförloppet (omvandlingsgrad). Detta är särskilt användbart för flerstegsreaktioner. Diagrammet beskriver reaktionsförloppet (från höger till vänster) för alla tre uppvärmningshastigheterna (horisontella symboler). De nästan vertikala linjerna visar samma omvandlingsgrad för varje uppvärmningshastighet och kallas därför iso-konverteringslinjer.

Dessa isokonverteringslinjer är mer eller mindre parallella i intervallen för de två huvudsakliga pyrolysstegen i början och i slutet av hela processen. Vid ca 50 % omvandling uppvisar isokonversionslinjerna en annan lutning som indikerar en förändring i reaktionsmekanismen. I detta skede av reaktionen sker PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys och avdunstning samtidigt, som tidigare nämnts [2][4][5].

Figur 4 visar hur aktiveringsenergin förändras med reaktionens förlopp i enlighet med Ozawa-Flynn-Wall. Detta är mycket viktig information eftersom den redan indikerar tre intervall för hela processen, med en aktiveringsenergi på cirka 110 kJ/mol i början, cirka 40 kJ/mol mellan 40 och 50% omvandling och cirka 120 kJ/mol i slutet av reaktionen. En förändring av aktiveringsenergin med omvandlingsgraden bekräftar en flerstegsreaktionsmekanism. De erhållna värdena är i god korrelation med de resultat som publicerats i litteraturen [6].

Om denna information överförs till en modellbaserad analys leder det till en trestegs konsekutiv modell (t:FnFnFn), där A representerar utgångsmaterialet (acetylsalicylsyra), B och C är mellanprodukter som är kända från litteraturen [6, 7] och D är slutprodukten. I det här fallet är slutprodukten naturligtvis inte ett ämne, men den beskriver slutet på reaktionen eller 100% omvandling eftersom restmassan för alla tre termogravimetriska kurvorna är noll. Alla produkter som bildas är gasformiga och avdunstar därför ur degeln under upphettningen till sluttemperaturen. Figur 5 visar resultatet av detta modellbaserade tillvägagångssätt. Uppmätta data presenteras som symboler och resultaten för den beräknade trestegsmodellen presenteras som heldragna linjer med färgerna relaterade till de olika uppvärmningshastigheterna. Den beräknade modellen passar nästan perfekt till de experimentella data, vilket slutligen bekräftas av korrelationskoefficienten på 0,99986.

De beräknade parametrarna pre-exponentiell faktor, aktiveringsenergi och reaktionsordning sammanfattas i tabell 2 för varje enskilt reaktionssteg. Alla värden för aktiveringsenergin stämmer väl överens med de värden som föreslås av Ozawa-Flynn-Wall-metoden samt med de värden som rapporteras i litteraturen [6]. Bidraget från vart och ett av de tre reaktionsstegen är 40,3%, 13,6% respektive 46,1%, vilket korrelerar väl med de presenterade massförluststegen.

Tabell 2: Parametrar som erhålls från modellbasmetoden med en trestegs konsekutiv modell av ⁿ:te ordningen

Slutsats

Den pyrolysmekanism för acetylsalicylsyra som föreslås i litteraturen är en tvåstegsmekanism med samtidig avdunstning av intermediärer [6]. Gregory et al. fann att ättiksyra var den viktigaste föreningen som frigjordes under det första massförluststeget. Dessutom föreslår de en pyrolysmekanism som bildar en mängd olika oligomerer, vilket indikeras av atommassenheter (amu) som detekteras med masspektrometri (MS) [6][7]. Samtidigt som man bekräftade att de huvudsakliga gasformiga produkterna var ättiksyra, salicylsyra, fenol och acetylsalicylsyra, använde man en ännu mer sofistikerad TGA-GC-MS kopplingsteknik för att separera och Identify ytterligare pyrolysprodukter [2]. Alla författare rapporterar en överlagring av PyrolysPyrolys är den termiska nedbrytningen av organiska föreningar i en inert atmosfär.pyrolys och avdunstning mellan 40% och 60% av reaktionens förlopp.

I det här arbetet var det möjligt att implementera dessa resultat i en modellbaserad kinetisk metod med en trestegs konsekutiv modell av n:te ordningen. Den goda korrelationen mellan experimentella data och den matematiska modellen bekräftas av korrelationskoefficienten på 0,99986. Värdena för aktiveringsenergin, till exempel, stämmer väl överens med värden som rapporterats i litteraturen. Det modellbaserade tillvägagångssättet med en trestegs konsekutiv modell som introduceras här är dock ett steg längre än de isokonversionsmodellfria tillvägagångssätten baserade på Ozawa-Flynn-Wall eller andra [6], bland annat eftersom kinetiska data finns tillgängliga oberoende för varje enskilt reaktionssteg.