6. Isotermická kalorimetrická analýza. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Transkript

1 6. Isotermická kalorimetrická analýza Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/

2 Analýza chemických reakcí Isotermická titrační kalorimetrie 2

3 Analýza chemických reakcí - IM může být použita ke zjištění entalpie a kinetiky chemických procesů REAKCE V ROZTOKU A B - Kinetika je dána dc dt = k ( A 0 c) n k je rychlostní konstanta, n je řád reakce - Množství zreagovaného materiálu q (J) n mol = H (J mol 1 ) 3

4 Analýza chemických reakcí - doplněním objemu lze odvodit koncentraci zreagovaného materiálu c mol dm 3 q (J) = V (dm 3 ) H (J mol 1 ) - dosazením do předchozích rovnic dostaneme kalorimetrickou rovnici dq q H V )n dt = k H V ( A 0 - z tohoto vztahu můžeme vypočítat uvolněné teplo v každém bodě grafu závislosti výkonu na čase 4

5 Analýza chemických reakcí Závislost výkonu na čase ze záznamu kalorimetrického experimentu 5

6 Analýza chemických reakcí Závislost výkonu na uvolněném teple získaná integrací předchozího grafu 6

7 Analýza chemických reakcí - použitím vhodného fitovacího softwaru lze získat hodnoty H, k a n - problémem je ale oblast na začátku záznamu - experiment často začne ještě před samotným spuštěním měření a) reakce začne probíhat po smíchání látek, ne až v kalorimetru b) ke vzniku tepla dochází třením při umístění ampule do kalorimetru - integrovaná data tak obsahují počáteční chybu - pro vyhodnocení je tedy lepší použít přímo naměřená data - uvedenou rovnici měření je tedy třeba integrovat 7

8 Analýza chemických reakcí 8

9 Analýza chemických reakcí ANALÝZA DAT - export naměřené křivky do programu schopného prokládat naměřená data - výběr vhodné rovnice (na základě literatury, ) - iterace naměřených dat, získání entalpie a rychlostní konstanty reakce a řádu reakce sledovaného procesu - IM neobsahuje žádné informace o mechanismu - v případě neznalosti mechanismu je vybrána nejjednodušší rovnice, která adekvátně prokládá naměřená data - mechanismus může být ověřen dalšími analýzami (HPLC, spektofotometrie) 9

10 Reakce v pevném stavu - kinetika reakcí v pevném stavu se významně liší od procesů v kapalné fázi - analýza reakcí není často tak jednoduchá jako v kapalné fázi zejména kvůli nehomogenitě prostředí - nelze použít vztahy odvozené pro reakce v kapalině - je obtížné studovat mechaniku, neboť produkt není snadno měřitelný klasickými technikami (např. spektroskopickými), výjimkou je produkt ve formě plynu - pomocí IM lze studovat vznik produktu bez problému - je možné studovat i velmi pomalé rozkladné procesy, například 1% rozklad/rok 10

11 Reakce v pevném stavu - mnoho farmaceutických substancí je v pevné formě (prášky, tablety, granule) a je třeba charakterizovat jejich stabilitu a kompatibilitu v lékových formulacích - studium je prováděno zvýšením teploty, která urychluje probíhající reakce. Produkty reakce jsou charakterizovány dostupnými technikami, např. HPLC - kompletní popis mechanismů probíhajících v pevné fázi je komplikovaný, neboť může probíhat několik dějů současně - nalezení vhodného modelu se řeší zkusmo 11

12 Reakce v pevném stavu - pro fitování a výpočet kinetiky byla vypracována řada modelů, kterými lze popsat různé procesy probíhající v pevném stavu, zahrnující nukleaci, růst fází a difuzí kontrolovanou reakci - problémem je výpočet výchozího množství reaktantů, protože na rozdíl od kapalné fáze se reakce účastní jen molekuly na povrchu - při samotném experimentu je třeba důsledně kontrolovat, zda naměřený signál odpovídá sledovanému procesu a ne třeba sorpci vody - např. oxidace kyseliny askorbové v pevném stavu může být popsána rovnicí: dq dt = A k H ( q H A )m (1 q H A )n 12

13 Reakce v pevném stavu Závislost výkonu na čase pro oxidaci kyseliny askorbové v závislosti na přídavku vody 13

14 Reakce v pevném stavu 14

15 Reakce v pevném stavu - je nezbytné poznamenat, že kalorimetrický signál je kombinací kinetických a termodynamických procesů a závisí na množství sledovaného materiálu - IM je vhodná pro studium dlouhotrvajících reakcí - nenaměření signálu neznamená nutně důkaz, že reakce neprobíhá, jen její entalpie nebo kinetika může být malá - pokud je znám reakční mechanismus, vhodnost IM pro sledování tohoto procesu může být odhadnuta na základě entalpických dat nalezených v literatuře - změna entalpie pro různé rychlosti reakce může být odhadnuta a jako funkce času může být simulován tepelný výstup 15

16 Kompatibilita excipientů - kompatibilita excipientů je důležitý faktor při vývoji formulací léčiv - i léčiva s dobrou chemickou stabilitou mohou po reakci s excipientem degradovat - IM může být použita pro screening kompatibility: porovnáváme měření s léčivem a bez léčiva za různých experimentálních podmínek - pokud neprobíhají žádné interakce, je výsledná léková forma součtem signálů jednotlivých složek - data mohou být analyzována použitím vhodných rovnic a fitovacího softwaru, lze tak určit termodynamiku procesu a kinetické parametry 16

17 Kompatibilita excipientů Kalorimetrická odpověď léčiva, mikrokrystalické celulózy a jejich směsi 17

18 Kompatibilita excipientů Kalorimetrická odpověď léčiva (ABT-627), CaHPO 4.H 2 O a jejich směsi 18

19 Kompatibilita excipientů - je dobré použít další techniky pro potvrzení mechanizmu reakce a výběru vhodného modelu - v současnosti jsou vyvíjeny matematické, chemometrické metody a statistické metody pro dekonvoluci naměřených dat - moderní kalorimetry jsou konstruovány jako multikalorimetry pro široké použití - IM poskytuje rychlou metodu pro screening použitelnosti formulací - rozdíl kalorimetrické odezvy lékové formy a jejich složek může být nulový i v případě, že je entalpie příliš malá nebo kinetika příliš pomalá 19

20 Rozpouštěcí kalorimetrie Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/

21 Rozpouštěcí kalorimetrie - intramolekulární síly v pevných materiálech se liší, jedná-li se o krystalické a amorfní látky - tyto rozdíly nemusí být v pevném stavu zjevné, ale mohou se projevit v léčivové formě, in vivo nebo různou rozpustností - amorfní materiál může krystalizovat, zatím co polymorfní materiál může přecházet na stabilní polymorfní formu, což může mít dopad na účinnost léčiv - citlivou technikou na rozlišení mezi polymorfními a amorfními látkami s kvantifikací i malého množství amorfního obsahu je rozpouštěcí kalorimetrie 21

22 Rozpouštěcí kalorimetrie - principem této metody je měření změny tepla při dispergaci malého množství pevné látky nebo kapaliny ve velkém množství rozpouštědla - čisté látky při rozpouštění charakterizujeme rozpouštěcí entalpií ( rozp H) rozp H = mříž H + solvatace H - v závislosti na velikosti mříž H a solvatace H může být rozp H kladné (endotermní) nebo záporné (exotermní) - v přímé kalorimetrii jsou započítány všechny efekty jako proražení ampule, míchání vzorku, změna aktivity rozpouštědla způsobená jeho ředěním, změna v odpařovaní rozpouštědla vlivem smísení fází - je třeba vždy provádět současně slepé měření 22

23 Rozpouštěcí kalorimetrie Schématický diagram změn energie zahrnující rozpouštění krystalu (vlevo) a amorfní formy (vpravo) 23

24 Rozpouštěcí kalorimetrie - pro ideální amorfní látku je mříž H = 0, což u stejného materiálu způsobí výrazné rozdíly mezi krystalickými a amorfními látkami - rozp H obsahuje informaci o přitažlivých silách uvnitř pevné látky a poskytuje fundamentální informaci o multikomponentních systémech - většina amorfních systémů ale vykazuje částečnou uspořádanost, což snižuje citlivost této metody - v praxi jsou dostupné dva způsoby měření: a) semi-adiabatický (zaznamenává změnu tepla) b) tepelně vodivostní (zaznamenává změnu výkonu) 24

25 Rozpouštěcí kalorimetrie a) semi-adiabatická rozpouštěcí kalorimetrie - v ideálním adiabatickém kalorimetru je vzorek izolován od okolí a změna entalpie souvisí pouze se změnami vzorku při reakci; teplo roste (exotermní proces) nebo klesá (endotermní proces) - změna entalpie je rovna změně tepla T = q a dt = ε dt ε kalibrační konstanta, určena elektrickou kalibrací přístroje výkon - ideální adiabatické podmínky je těžké dosáhnout 25

26 Rozpouštěcí kalorimetrie - vždy se uplatňuje alespoň malá výměna tepla s okolím - v semiadiabatickém systému je výměna tepla do okolí zahrnuta do konstrukce přístroje a pro přesný výsledek musí být tento příspěvek odečten od experimentální teploty (T exp ) T exp = T teor + T korekce - T korekce je změna teplota všech dalších příspěvků v nádobě t konc 1 T korekce = τ T T dt t start - τ je časová konstanta přístroje 26

27 Rozpouštěcí kalorimetrie τ = ε k k koeficient výměny tepla nádoby - T lze spočítat z analýzy základní linie T = T + (T 0 T )e t τ - kalibrační konstantu lze vypočíst jako Q kal ε = T teor,kal - změna reakčního tepla může být určena Q reakce = ε T teor - důležitým aspektem použití semi-adiabatického kalorimetru je, že reakční nádoba není v tepelné rovnováze s okolím, proto lze měřit vzorky max. 30 min, než dojde k vyrovnání teplot s okolím (= lázní) 27

28 Rozpouštěcí kalorimetrie b) tepelně-vodivostní kalorimetrie - tepelně-vodivostní kalorimetr je obklopen lázní, která zajišťuje konstantní teplotu - mezi nádobou a lázní je tepelně-vodivostní stěna - tepelně-vodivostní stěna generuje napětí, které je přímo úměrné výkonu procházejícímu skrz - tento signál je vynásoben konstantou cely (ε) a je zaznamenáván graf výkonu v závislosti na čase - tento způsob měření není limitován časem na rozdíl od semi-adiabatického systému - citlivější než semi-adiabatický systém 28

29 Smísení vzorku a rozpouštědla - existuje řada způsobů jak smísit roztok a rozpouštědlo - vzorek a rozpouštědlo může být v oddělených komorách v jedné cele, jejichž následnou rotací dochází k jejich mísení a interakci - vzorek může být umístěn ve skleněné ampuli, jejíž rozbitím dochází ke smísení s rozpouštědlem a zahájení reakce - vzorek může být umístěn v kovové nádobě a může být vypuštěn, čímž dochází ke smísení s rozpouštědlem a zahájení reakce - v případě roztoků může být ke smísení použita titrace 29

30 Kalibrace - v případě elektrické kalibrace je použit odporový prvek, který při průchodu proudu generuje známé množství tepla, které je přístrojem měřeno - naměřený tepelný výkon se vynásobí vhodným číslem (konstantou přístroje ε), aby byl roven předpokládanému tepelnému výkonu - ke kalibraci lze také použít chemické standardy jako rozpouštění KCl, NaCl nebo propan-1-olu ve vodě - entalpie rozpouštění těchto standardů jsou tabelovány - rozp H (KCl/H 2 O) = 17,584 ± 0,017 kj mol -1 30

31 Aplikace POLYMORFISMUS - rozpouštěcí kalorimetrie je často používána pro detekci a charakterizaci polymorfismu - polymorfní forma cyklopenthiazidu (forma I a II), obě H rozp = 6 kj mol -1, zatím co forma III má H rozp = 15 kj mol -1 - Urapidil, forma I (21,96 kj mol -1 ), II (23,89 kj mol -1 ) a nová forma III, kterou nebylo možné získat v čisté formě. Kombinací DSC a rozpouštěcí kalorimetrií bylo určeno procentní zastoupení polymorfů (7,4 % formy I, 2,7 % formy II a 89,9 % formy III), H rozp (III) = 22,98 kj mol -1 směs H = (X I H I ) + (X II H II ) + (X III H III ) 31

32 Hessův zákon entalpie tání = zánik krystalové mřížky Rozpouštěcí entalpie entalpie mísení a solvatace Popis rozpouštění, založen na Hessově zákonu 32

33 Hessův zákon - Hessův zákon umožňuje interpretovat rozp H v několika krocích, jehož počáteční stav je pevná látka a finální stav je roztok - celý proces lze rozdělit na dvě části: první je zánik pevných vazeb a druhá je solvatace molekul - zánik pevných vazeb je podobný procesu tání pevných látek může být vyjádřen jako entalpie podchlazené kapaliny při 298 K ( f H 298 ) - entalpie mísení a solvatace může být vyjádřena jako m H - tento model je používán pro solvataci polyethylenglykolů ve vodě - f H 298 jsou získány z DSC a rozp H z rozpouštěcí kalorimetrie - pro různé PEG bylo zjištěno, že m H je konstantní 33

34 Hessův zákon - Hessův zákon lze také využít při zjišťování chování různých polymorfních forem - tento postup byl použit např. pro polymorfy enalapril maleátu při jeho rozpouštění v acetonu a methanolu - rozdíl mezi rozpouštěcím teplem pro formy I a II v methanolu v porovnání s acetonem byl 23,53 kj mol -1 - z toho plyne, že rozpouštěcí teplo v methanolu bylo více exotermní než v acetonu, což souvisí se vznikem jedné vodíkové vazby 34

35 Stanovení krystalinity (amorfního obsahu) - je třeba změřit kalibrační řadu se standardy s různým obsahem amorfní fáze - nevýhoda spočívá v možném polymorfismu krystalické fáze použité na přípravu standardů - interakce krystalů a amorfní formy je jiná ve standardu (smísení dvou látek) než v reálném vzorku (krystaly s amorfní fází na jejich povrchu) - lze stanovit krystalinitu již od 0,5 % (w/w) - je třeba pracovat v suché atmosféře, aby nedošlo ke krystalizaci amorfní složky - použití: b-laktamová antibiotika, warfarin, sulfamethoxazol 35

36 Charakterizace interakcí - stanovení entalpie interakcí, například energie potřebnou k proniknutí micelou nebo buněčnou stěnou (systém bez a s micelami nebo membránami) - stanovení konstanty stability a zjištění stechiometrického poměr vzniklého komplexu (například interakce léčiv s cyklodextriny) - vyhodnocení in vitro kompatibility různých léčiv - predikce rozpustnosti nebo solvatace léčiv v různých prostředích - zjištění stability různých polymorfů - studium polymerů používaných pro kontrolované uvolňování léčiv 36

37 Literatura