Определение энтальпии испарения и параметров уравнения Антуана для фармацевтических препаратов с использованием ДТА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

А. Я. Васин

д-р техн. наук, профессор Российского химико-технологического университета, г. Москва, Россия

Е. Б. Аносова

ассистент Российского химико-технологического университета, г. Москва, Россия

Л. К. Маринина

канд. хим. наук, профессор Российского химико-технологического университета, г. Москва, Россия

УДК 614.849

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНТАЛЬПИИ ИСПАРЕНИЯ И ПАРАМЕТРОВ УРАВНЕНИЯ АНТУАНА ДЛЯ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДТА

Представлены результаты определения значений энтальпии испарения для шести веществ — полупродуктов синтеза новых фармацевтических препаратов с использованием дифференциально-термического анализа (ДТА). На основании полученных данных определены коэффициенты уравнения Антуана, связывающие значение давления насыщенного пара расплавов веществ стемпературой (в узком температурном интервале). Рассмотрена возможность предварительного вычисления значения температуры воспламенения твердых плавких соединений, испаряющихся при нагреве, с использованием уравнения Антуана. Получены удовлетворительные результаты. Ключевые слова: дифференциально-термический анализ, дериватограмма, энтальпия испарения, уравнение Антуана, температура воспламенения.

Дифференциально-термический анализ (ДТА), осуществляемый при помощи дериватографа, является комплексным термическим анализом, крайне необходимым для всестороннего исследования поведения веществ при их нагревании [1]. Де-риватограммы не только позволяют судить о фазовых превращениях и скоростях протекающих процессов, но и дают возможность количественно оценить их. Настоящее исследование посвящено применению данных ДТА для определения энтальпии испарения ЛНисп и параметров уравнения Антуана для расплавов некоторых порошкообразных веществ, использующихся при производстве новых отечественных фармацевтических препаратов, и предварительного расчета значений температуры их воспламенения. Температура воспламенения входит в перечень обязательных показателей для оценки пожаровзрывоопасности твердых веществ и материалов [2].

Все соединения, используемые в исследованиях, были получены из НИИ Фармакологии РАМН им. В. В. Закусова. Их чистота составляла не менее 99 % масс., что было подтверждено данными ИК-и ПМР-спектроскопии. Влажность образцов не превышала 3 % масс. Структурные формулы и характеристики исследованных веществ приведены в табл. 1.

© Васин А. Я., Аносова Е. Б., Маринина Л. К., 2010

Потеря массы веществ фиксировалась деривато-графом в виде двух кривых: простой термогравиметрической (ТГ) и дифференциально-термогравиметрической (ДТГ). Разбив кривую ТГ линиями, параллельными оси ординат (потери массы образца), можно для каждой заданной температуры определить соответствующую ей потерю массы исследуемого соединения (рис. 1).

В интервале температур, когда скорость убыли массы максимальна, концентрация насыщенных паров вещества достигает значения, при котором они могут воспламениться. Такому интервалу температур соответствует пик на кривой ДТГ и эндотермический эффект для всех рассматриваемых соединений.

Проведенные нами исследования показали, что исследуемые вещества при их нагревании до 300-330 °С являются термически стойкими. На это указывает идентичность полученных ИК-спектров исходных веществ (бензимидазол, 2-меркаптобен-зимидазол и 5-этокси-2-меркаптобезимидазол) и продуктов их термообработки при 250-330 °С. Элементный состав производных бензимидазола и их продуктов термической обработки приведен в табл. 2.

18

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 №4

Таблица 1. Характеристики исследованных веществ

Название и структурная формула вещества Молекулярная масса, г/моль Содержание основного вещества, % масс. Температура плавления, °С

сс Бензимидазол н 118,14 99,8 169-170

2-Меркаптобензимидазол н 150,21 99,1 298-300

с2н5о. ^ II 1—г

5-Этокси-2-меркаптобезимидазол н 194,28 99,4 240-243

/=\ н ! Н3С—Н2С — О—£ )>—N—С — СН3 Фенацетин ^_V 179,00 99,3 132-134

/=\ н ? Н3С—Н2С — О—<\ Л—N—С — СН3 3-Нитрофенацетин ко2 224,23 99,9 101-103

н3с—н2с—о—\—>м2 Нитрофенетедин ко2 152,20 99,5 109-111

Рис. 1. Дериватограмма бензимидазола, нагрев 5 °С/мин, т1...т5 — отрезки, относительная длина которых характеризует скорость убыли массы

Полученные результаты показывают, что состав всех веществ в начале их термической убыли фактически не меняется (различия в составе находятся в пределах погрешности метода определения). Следовательно, все вещества при нагревании сначала плавятся, а затем подвергаются испарению той или иной интенсивности с сохранением химической структуры.

Движущей силой испарения (возгонки) является разность парциальных давлений между внутрен-

Таблица 2. Элементный состав производных бензими-дазола и продуктов их термической обработки

Вещество Содержание элемента, % масс.

С 8 N Н

Бензимидазол (вычислено) 70,00 - 23,70 5,06

Продукт термической обработки (убыль массы 21 %) при 250 °С (найдено) 69,88 23,64 5,07

2-Меркаптобензимидазол (вычислено) 55,97 20,73 18,65 4,03

Продукт термической обработки (убыль массы 10 %) при 315 °С (найдено) 55,81 21,35 18,44 3,95

5-Этокси-2-меркаптобен-зимидазол (вычислено) 55,64 16,51 14,42 5,20

Продукт термической обработки (убыль массы 15 %) при 312 °С (найдено) 55,32 16,70 14,15 5,01

ним и граничным воздушным слоями. Рассматривая процесс испарения в узком слое, прилегающем к поверхности раздела фаз, можно считать его равновесным в узком температурном промежутке. Поскольку испарение протекает при постоянном внешнем давлении, равном атмосферному, и интенсивном газообмене образца с окружающей средой, летучесть и газообразного продукта приблизительно равна его парциальному давлению [3]. Последнее

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 №4

19

(равенство летучести парциальному давлению) справедливо для кратковременного процесса, связанного с интенсивным испарением в условиях открытых тиглей в температурном интервале 20-50 °С. При этом нами предполагалось, что конденсированная фаза представляет собой идеальный раствор. Данному процессу соответствует первый интенсивный пик на кривых ДТГ дериватограмм всех образцов.

Температура интенсивного испарения образцов лежит в интервале 177-277 °С, что на 20-50 °С ниже температуры их воспламенения.

Парциальное давление, в свою очередь, зависит от энтальпии испарения согласно уравнению Клау-зиуса - Клайперона [4], интегральная форма которого имеет вид:

1п р = - АЯиСп /ЯТ + С, (1)

где АНисп — энтальпия испарения, кал/моль;

Я — универсальная газовая постоянная;

Т — температура, К;

С—константа, связанная с энтропией перехода.

Величину С можно определить по нормальной температуре кипения с помощью равенства [4]:

С = АЯиСп /Я£гап, (2)

где ?кип — температура кипения при атмосферном

давлении.

Итак, зная величины АНисп и ?кип вещества, можно получить зависимость давления насыщенных паров от температуры для узкого (несколько десятков градусов) температурного интервала. Для исследованных веществ значения ?кип были определены с помощью программы ЛСБЬаЪ СИешБсесИ. Значения АНисп устанавливались по методике [5]. Этот метод представляется достаточно точным и простым в исполнении и заключается в построении зависимости логарифма скорости потери массы образца от обратного значения температуры (1§ т от 1/Т). Согласно [5] данная зависимость имеет следующий вид:

^ т =- АЯиСп /4,575Т + С. (3)

Таким образом, построив графическую зависимость т от 1/Т, можно по тангенсу наклона прямой определить значение АНисп исследованного соединения (рис. 2).

Погрешность определения А^исп составляет 0,1-0,3 ккал/моль [5], но может возрастать для веществ, относительно трудно испаряющихся. У таких веществ на границе раздела фаз, в тонком поверхностном слое расплава, давление газообразной фазы может значительно превышать атмосферное.

В табл. 3 приводятся значения АНисп для шести исследованных соединений, полученные с использованием данных ДТА. Следует отметить, что эн-

1— 1,5 ,2 4 \\\\ 1,9 \ \ \ } ...................6 \ 2,3

\ (1/7)1000 \ \\\\

Рис. 2. Температурная зависимость скорости убыли массы исследованных соединений: 1 — 2-меркаптобензими-дазол; 2 — 5-этокси-2-меркаптобензимидазол; 3 — бен-зимидазол; 4 — фенацетин; 5 — нитрофенетидин; 6 — 3-нитрофенацетин

тальпия испарения является важной физико-химической характеристикой вещества, а ее значения, полученные для производных анилина и бензими-дазола, можно использовать как справочные величины. Значения АЯисп, определенные для шести исследованных в настоящей работе веществ, близки к АЯисп анилина— 599,5 кДж/кг [6].

Поскольку все исследованные соединения испаряются из расплавов без разрушения химической структуры, представляется корректным рассматривать их поведение аналогичным поведению горючих жидкостей в узком интервале температур.

Для вычисления температуры воспламенения горючих жидкостей часто используется метод с применением уравнения Антуана [7]. Константы уравнения Антуана и зависимость Антуана являются справочными величинами, характеризующими пожарную опасность горючих жидкостей. Их рассчитывали с использованием интегральной формы

Таблица 3. Энтальпия испарения и параметры уравнения Антуана исследованных соединений

Название вещества АЯисп, кДж/кг С А В Са

Бензимидазол 754,08 16,95 10,46 2661,15 29,27

2-Меркапто-бензимидазол 517,00 15,43 9,17 2315,34 29,2

5-Этокси-2-мер- каптобензими- дазол 365,95 12,97 8,69 4625,15 391,62

Нитрофенетидин 453,46 14,40 9,23 4025,67 278,46

Фенацетин 441,23 15,08 6,08 1552,48 90,99

3-Нитрофена-цетин 266,65 11,58 4,45 866,28 23,15

20

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №4

уравнения Клаузиуса - Клайперона (1) при трех температурах, соответствующих интервалу интенсивной убыли массы. Решение системы из трех уравнений, в которые были подставлены эти значения, позволило получить формулы для расчета параметров уравнения Антуана:

СА = (&2^2 - к^)/(к - кг), где к = (^рз - рг)/(1БРг - 1бР1); кг = (¿3 - ?1)/(?2 - О;

(4)

(5)

(6)

в = Р2 - 1В Р1)(СА + ^1)(СА + <2)/(<2 - ¿1); (7)

л = 1Б Р1+ в/(са + ¿1);

(8)

р^ р2, р3 — давления пара соответственно при температурах ¿1, ¿2, ¿3.

Вычисленные по (4), (7) и (8) параметры уравнения Антуана приведены в табл. 3.

На основании уравнения Антуана можно определить температуру воспламенения ¿восп плавких веществ [7]. Расчетные и полученные экспериментально значения ¿восп приведены в табл. 4. Относительная погрешность метода расчета на основании уравнения Антуана позволяет использовать его для предварительной оценки ¿восп твердых дисперсионных веществ, не разлагающихся при нагреве.

Таблица 4. Значения гвосп исследованных соединений, полученные экспериментально и расчетными методами

Название вещества °С восп' ^

расчет эксперимент

Бензимидазол 256 210

2-Меркаптобензимидазол 258 320

5-Этокси-2-меркаптобензимидазол 243 300

Нитрофенетидин 215 205

Фенацетин 219 210

3-Нитрофенацетин 238 197

Выводы

1. С использованием метода ДТА определены значения энтальпии испарения расплавов шести твердых дисперсных веществ — полупродуктов синтеза новых фармацевтических препаратов. Вычислены коэффициенты уравнения Антуана.

2. На основании полученных данных определены температуры воспламенения шести исследованных соединений. Среднее значение относительной погрешности расчета составляет 15 %, что дает основание рекомендовать расчетный метод с использованием уравнения Антуана для предварительной оценки пожароопасности твердых плавких веществ наряду с методом [8].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Уэндландт У. Термические методы анализа. — М. : Мир, 1978. — 526 с.

2. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-Ф3: принят Гос. Думой 4 июля 2008 г. : одобр. Советом Федерации 11 июля 2008 г. — М.: ФГУ ВНИИПО, 2008. — 157 с.

3. Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика : учеб. пособие для вузов. — М., 1990. — 592 с.

4. Киреев В. А. Курс физической химии. — М. : Химия, 1975. — 775 с.

5. Степин Б. Д., Аллахвердов Г. Р., Серебренникова Г. М. Определение теплоты термической диссоциации твердого вещества по данным термогравиметрического анализа // ЖФХ. — 1969. — №10. — С. 2452-2456.

6. Стал Д., Верстам Э., Зинке Г. Химическая термодинамика органических соединений. — М.: Химия, 1971. — 807 с.

7. ГОСТ 12.1.044-89. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — Введ. 1991-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 1990.

— 143 с.

8. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов : руководство.

— М. : ВНИИПО, 2002. — 77 с.

Материал поступил в редакцию 16 февраля 2010 г. Электронный адрес авторов: [email protected].

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №4

21