1 Introdução
A análise térmica é um método de rotina para caracterização de fármacos e é usada para estudos de pré-formulação no desenvolvimento de formas farmacêuticas sólidas (GIRON, 1998a; GIRON, 1998b; HUANG, et al., 2001; CIDES et al., 2006; SILVA et al., 2007; STULZER et al., 2008.) As técnicas de termogravimetria (TG) e de calorimetria exploratória diferencial (DSC) fornecem informações importantes sobre as propriedades físicas, análise cinética, formas polimórficas e estabilidade de materiais, durante o processo e armazenamento em função da temperatura (GIRON, 1998a; CIDES et al., 2006).
A decomposição térmica de fármacos por TG é de grande interesse no desenvolvimento de novos produtos, pois serve para determinar os parâmetros de decomposição cinética utilizando temperaturas elevadas. A temperatura pode intensificar as reações químicas, provendo energia suficiente (energia de ativação) requerida para quebrar as ligações químicas e iniciar o processo de decomposição (HUANG, et al., 2001; BURNHAM; DOLLIMORE; ALEXANDER, 2002). Na análise por TG, a massa da substância em função do tempo e temperatura é usada para assegurar a estabilidade térmica e degradação do fármaco, ao quais inclui a geração de dados cinéticos como energia de ativação (ARAÚJO et al., 2005). Uma das propostas da análise cinética de decomposição de sólido é determinar o mecanismo de reação e calcular os parâmetros de Arrhenius ou parâmetros cinéticos (HUANG et al., 2001). Dois métodos têm sido usados na investigação cinética de decomposição térmica de sólidos: método não isotérmico, onde a amostra é sujeita a um aumento de temperatura controlado; e método isotérmico, onde se utiliza um platô de aquecimento constante próximo da temperatura de decomposição da amostra (HALIKIA; NEOU-SYNGOUNA; KOLITSA, 1998). Os parâmetros cinéticos no estudo não isotérmico são calculados pela aplicação do método de Ozawa (OZAWA, 2000). No método isotérmico, o cálculo da energia de ativação é baseado na equação de Arrhenius (equação 5).
O objetivo deste capítulo foi investigar o mecanismo de decomposição da PQ por TG comparando os métodos isotérmico e não isotérmico sob atmosfera de nitrogênio e de ar.
2 Materiais
Para os estudos de análise térmica, foi utilizada a MP C, conforme estudo de caracterização.
3 Métodos
Os experimentos TG/DTG para análise da cinética de decomposição foram realizados numa termobalança TGA-50 da Shimadzu, usando cadinho de platina com aproximadamente 4 mg de amostra, sob atmosferas de nitrogênio e de ar, com um fluxo de 50 mL/ min.
O estudo cinético não isotérmico foi realizado a partir da aplicação do método de Ozawa (OZAWA, 2000). Nos experimentos dinâmicos, as razões de aquecimento usadas foram 2,5, 5, 10, 15, e 20 °C/ min até a temperatura de 600 °C.
Para o estudo cinético isotérmico, as curvas TG foram obtidas a partir do aquecimento das amostras até as temperaturas de 220, 215, 210, 205 e 200 °C. As curvas isotérmicas foram mantidas até que houvesse uma perda de massa de 8 % e os dados experimentais foram tratados com análise de regressão linear. A razão de aquecimento usada foi 10 °C/ min. O equipamento foi previamente calibrado com padrão de oxalato de cálcio.
4 Resultados e Discussões
Uma das propostas da análise cinética de decomposição dos sólidos é determinar o mecanismo de reação. O método não isotérmico é baseado no método de Ozawa, aos quais determina o valor de energia de ativação através de diversas curvas termogravimétricas obtidas em diferentes razões de aquecimento (OZAWA, 2000). Este método foi usado para obter os parâmetros cinéticos como energia de ativação, ordem de reação e fator pré-exponencial, pela equação 8.
(equação 8)
lg = lg [ AE / Rg ( )] – 2.315 – 0.4567 E/RT
Onde é a fração decomposta, T é a temperatura, é a razão de aquecimento, E é a energia de ativação, A é o fator pré-exponencial e R é a constante geral dos gases (SANTOS et al., 2004).
Os dados cinéticos não-isotérmicos foram determinados pela plotagem da perda de massa versus a temperatura das cinco curvas TG nas diferentes razões de aquecimento em ambas as atmosferas. Os resultados demonstraram que os eventos são alterados para temperaturas mais elevadas conforme se aumentam as razões de aquecimento em ambas as atmosferas gasosas. A correlação no gráfico de Ozawa nas cinco razões de aquecimento em atmosfera de nitrogênio (Figura 11) foi adequada, enquanto que em ar uma precária correlação foi visualizada (Figura 12).
A ordem de reação e a Ea do processo foram determinadas pelo método de
Ozawa aos quais plotou-se o log da razão de aquecimento versus 1/T (K). Os parâmetros cinéticos foram obtidos no método não isotérmico para o primeiro estágio de decomposição térmica, entre 208 e 258 °C (Tabela 13).
Figura 11. Curvas TG e gráfico de Ozawa obtidas a partir das cinco razões de aquecimento sob atmosfera dinâmica de nitrogênio no método não isotérmico.
Figura 12. Curvas TG e gráfico de Ozawa de PQ obtidas a partir das cinco razões de aquecimento sob atmosfera dinâmica de ar no método não isotérmico.
Tabela 13. Parâmetros cinéticos obtidos no método não isotérmico sob ambas as atmosferas.
Nas condições isotérmicas (Figura 13 e 14) as curvas mostraram que a variação de perda de massa depende da temperatura. Quanto maior a temperatura, menor foi o tempo necessário para ocorrer a mesma perda de massa. As curvas foram usadas para obter o gráfico de lnt versus 1/T (K –1) até um nível de conversão constante. A equação de regressão linear, coeficiente de correlação (R2) e energia
de ativação (Ea) estão representados na tabela 14.
Figura 13. Curvas TG isotérmicas de PQ obtidas nas temperaturas 220, 215, 210, 205 e 200 °C sob atmosfera de nitrogênio.
Atmosfera Ea Fator de Frequência (A) Ordem de reação
Nitrogênio 132,49 kJ/ mol 1,490 x 1011 min-1 Zero (n = 0) Ar 120,34 kJ/ mol 1,141 x 1010 min-1 Zero (n = 0)
Figura 14. Curvas TG isotérmicas de PQ obtidas nas temperaturas 220, 215, 210, 205 e 200 °C sob atmosfera de ar.
Tabela 14. Parâmetros cinéticos obtidos no método isotérmico em ambas as atmosferas.
Atmosfera Equação de regressão R2 E
a Nitrogênio Inclinação: -15,916 Intercepto: 27,964 0,9736 132,33 Kj/ mol Ar Inclinação: -11,469 Intercepto: 19,417 0,9702 95,35 Kj/ mol
A utilização das duas atmosferas é útil quando se quer avaliar se o fármaco estudado apresenta grupamentos sensíveis ao oxigênio. Quando se utiliza o nitrogênio, considerado inerte, a única fonte de degradação do fármaco é a temperatura, e quando se usa o ar como atmosfera têm-se além da temperatura, o oxigênio como fontes degradantes.
A comparação entre os métodos não isotérmicos e isotérmicos mostrou que não houve diferenças nos resultados de Ea sob atmosfera de nitrogênio. A
decomposição ocorre através de uma cinética de zero ordem em ambos os métodos. Entretanto, sob ar sintético, os valores de Ea foram menores que em nitrogênio, pois
a PQ possui grupamentos químicos passíveis de oxidação, que podem sofrer uma aceleração no processo de decomposição sob esta atmosfera.
5 Conclusões
A termogravimetria se mostrou uma técnica apropriada, simples e rápida para avaliar a ordem de reação de decomposição cinética da PQ através dos métodos não isotérmico e isotérmico. A decomposição térmica para ambos os métodos ocorreu em taxa constante, zero ordem e é independente da concentração dos reagentes. A atmosfera envolvida na análise influenciou os dados pois PQ demonstrou menor Ea sob atmosfera de ar, quando compara com a Ea obtida em
nitrogênio, demonstrando grupamentos sensíveis a presença do oxigênio. Os resultados descritos neste capítulo podem ser visualizados na forma de artigo no apêndice 1.