UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA INGENIERÍA DE LAS REACCIONES I TEMA: Estudio cinético de la reacción de Maillard entre metoclopramida clorhidrato y lactosa Grupo: 18 Integrantes: Capa Jéssica Castro Tania Docente: Ing. Andrés de la Rosa QUITO-ECUADOR 2020-2020 Estudio cinético de la reacción de Maillard entre metoclopramida clorhidrato y lactosa Introducción La reacción de Maillard es la reacción no enzimática de oscurecimiento entre un azúcar reductor y un grupo amino. Esta reacción es de importancia en los productos farmacéuticos, ya que muchos medicamentos contienen grupos amino en su estructura. Además, la lactosa, un azúcar reductor, es uno de los excipientes farmacéuticos más utilizado. La reacción de Maillard en el estado sólido es un fenómeno complejo; la configuración física y las propiedades físicas de la mezcla de reactivos sólidos juegan un papel importante en la cinética de la reacción y, por consiguiente, en la viabilidad/vida útil del producto. La naturaleza biomolecular de la reacción de Maillard la convierte en un excelente modelo de reacción para el estudio general de la reactividad química en los sólidos farmacéuticos. Siguiendo un marcador claro, es decir, la desaparición del ingrediente farmacéutico activo (API). La cinética de reacción aparente en el estado sólido dependería, por lo tanto, de detalles específicos relativos a la configuración física del sistema. Los factores comunes que limitan la velocidad de los sistemas sólidos son: nucleación, difusión, transporte y contenido de agua además de la conformación y orientación molecular. Este estudio se centra en la modelización de las primeras etapas de la reacción, tras la pérdida del API. Se desarrolló un modelo cinético para la pérdida de la amina en la reacción de estado sólido de Maillard y se investigó la influencia de la movilidad molecular en la cinética de la reacción. Reacción química analizada 𝑘1 𝑘2 𝑀 + 𝐿 ⇌ 𝑆𝐵 + 𝐻2 𝑂 → 𝐾𝐴 𝑘−1 Donde M y L denotan la metoclopramida y lactosa, respectivamente, SB y KA son los dos primeros productos intermedios, a saber, el intermedio de base Schiff y el ketoseamine, respectivamente. Los términos k1, k-1 y k2 son constantes cinéticas de la reacción. Técnica Experimental Utilizada Sustancias: Se utilizó el clorhidrato de metoclopramida monohidrato, con una pureza del 98% además del ácido acético y el hidróxido de tetrametilamonio metanol (TAHM). El anhidrato de lactosa y el acetonitrilo. Métodos: Se preparó una solución acuosa al 10% (p/p) de MCP y lactosa (con una proporción de 1:9 molar), Se transfirieron alícuotas de un mililitro de la solución a 10 ml frascos de suero y guardados en un liofilizador se transfirieron alícuotas de un milímetro de la solución a viales de suero de 10 ml y se mantuvieron en un liofilizador, preenfriado a -40 ◦C durante 12 h. A continuación, las muestras congeladas se liofilizaron utilizando un secado primario de -37 ◦C durante 48 h, y un secado secundario de20 ◦C durante 12 h. La presión de la cámara se mantuvo alrededor de 85 Pa. Las muestras se sellaron al vacío al final del secado. Se utilizó calorimetría diferencial de barrido (DSC) para realizar las mediciones de la temperatura de transición vítrea (Tg) a velocidades de calentamiento de 2, 5, 10 y 20 ◦C min1. Se utilizó indio para calibrar la temperatura y la constante de celda. Alrededor de 9 mg de la muestra amorfa fue empaquetada en una bandeja DSC de aluminio, sellada, y se hizo un agujero en la tapa para permitir que la humedad saliera del sistema durante el calentamiento. Se usó gas nitrógeno seco para purgar la cámara de muestras. La temperatura media de inicio de tres mediciones fue reportada como la temperatura de transición vítrea. La temperatura de transición vítrea del MCP coliofilizado, medida a una tasa de calentamiento de 10 ◦C min-1, fue de 99,7 ± 0,2 ◦C. Para la reacción de Maillard en estado sólido, se pusieron los frascos que contenían MCP coliofilizado y lactosa en una guantera cuyo interior se mantuvo a menos del 10% de humedad relativa (HR). Los frascos se transfirieron rápidamente a un desecador que contenía P2O5 para mantener un ambiente con 0% de HR. Las muestras se almacenaron a diferentes temperaturas: 100, 105, 110 y 115 ◦C. Las temperaturas utilizadas fueron más altas que la Tg porque la tasa de reacción disminuye drásticamente por debajo de la temperatura de transición vítrea. Se retiraron tres viales a intervalos de tiempo preestablecidos. Luego se utilizó la HPLC para cuantificar la cantidad de MCP que quedaba después de la reacción. Para el análisis de HPLC se realizó en un sistema, compuesto por un sistema de suministro de disolventes HPLX, para separar la mezcla se utilizó una columna de 250 mm × 4,6 mm. La fase móvil consistió en 70 partes de acetonitrilo, 30 partes de agua y 0,2 partes de solución de TAHM al 20% (v/v). El valor del pH de la fase móvil se ajustó a 6,5 con ácido acético. El flujo utilizado fue de 1,0 mL/ min, se utilizó un bucle de inyección de 10L y la longitud de onda de detección se fijó en 215 nm. La confirmación de la reacción de Maillard entre el clorhidrato de MCP y la lactosa en estado sólido fue verificada por cromatografía líquida y espectrometría de masa el cual confirmó la identidad de la cetoseamina (M.W. = 624) como el compuesto que eluye a 3,3 min. Modelo cinético 𝑘1 𝑘2 𝑀 + 𝐿 ⇌ 𝑆𝐵 + 𝐻2 𝑂 → 𝐾𝐴 𝑘−1 Donde M y L denotan MCP y lactosa respectivamente. SB y KA son los dos primeros productos intermedios, el intermedio de base de Schiff y la cetosamina. Los términos k1, k-1, y k2 son constantes de velocidad. − − 𝑑[𝑀] 𝑑𝑡 𝑑[𝑆𝐵] 𝑑𝑡 = 𝑘1 [𝑀][𝐿] − 𝑘−1 [𝑆𝐵][𝐻2 𝑂] (1) = 𝑘1 [𝑀][𝐿] − 𝑘−1 [𝑆𝐵][𝐻2 𝑂] − 𝑘2 [𝑆𝐵] (2) Dado que la base de Schiff es inestable, el modelo actual supone que la reacción alcanza un estado estable con respecto a la base de Schiff. La concentración de lo puede expresar de la siguiente manera. [𝑆𝐵] = [𝐻 𝑘1 [𝑀][𝐿] (3) 2 𝑂]𝑘−1 +𝑘2 Sea [M0] y [L0] las concentraciones iniciales de MCP y lactosa, respectivamente, presentes en la mezcla coliofilizada. Las concentraciones iniciales: [𝑀] = [𝑀0 ] 𝑡=0 [𝐿] = [𝐿0 ] = 𝑛[𝑀0 ], 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 [𝐿 ] 𝑛 = [𝑀0 ] 0 [𝑀] = [𝑀] 𝑡 = 𝑡, [𝐿] = 𝑛[𝑀0 ] − ([𝑀0 ] − [𝑀]) = (𝑛 − 1)[𝑀0 ] + [𝑀] (4) Combinando las ecuaciones (3), (4) y (1) se obtiene: − 𝑑[𝑀] 𝑑𝑡 = 𝑘1 [𝐻2 𝑂]𝑘−1 + 𝑘2 [𝑀]((𝑛 − 1)[𝑀0 ] + [𝑀]) (5) A temperaturas superiores a 100 ºC, se supone que la mayor parte del agua producida en la reacción abandona rápidamente la fase sólida por evaporación. Dado que el agua se produce continuamente y se evapora rápidamente, la concentración de agua atrapada en la fase sólida se puede esperar que sea pequeño y en estado estable, con esas consideraciones es posible definir: 𝐾 = [𝐻 𝑘1 𝑘2 2 𝑂]𝑘−1 + − 𝑑[𝑀] 𝑑𝑡 𝑘2 , tal que la velocidad de reacción se puede expresar como: = 𝐾 [𝑀]((𝑛 − 1)[𝑀0 ] + [𝑀]) (6) Integrando la ecuación: ln (𝑛−1)[𝑀0 ]+[𝑀] [𝑀] = (𝑛 − 1)[𝑀0 ]𝐾𝑡 + ln(𝑛) (7) Datos y resultados Tabla 1: Datos de la experimentación Temperatura (ºC) 100 105 110 115 Temperatura (K) 373.15 378.15 383.15 388.15 Fuente: (Qiu et al., 2005) Tiempo (s) 110 25 6 2 Se muestra una gráfica de la reacción frente al tiempo, obtenida al monitorear la pérdida de MCP en las muestras coliofilizadas. Para todas las temperaturas probadas, el contenido de MCP exhibió una caída inicial rápida seguida de una tasa disminuida en la pérdida de amina observada en tiempos más largos en la gráfica. Figura 1: Perfiles de degradación de mezclas amorfas de hidrocloruro de metoclopramida – lactosa mediante la reacción de Millard a diferentes temperaturas. Fuente: Fuente: (Qiu et al., 2005) Tabla 2: Constante de la velocidad de reacción Temperatura (ºC) 100 105 110 115 K*106 (h-1) 2.08 7.96 15.7 37.3 Fuente: (Qiu et al., 2005) R2 0.9786 0.9944 0.9936 0.9951 Según la tabla 2 el modelo cinético propuesto da una muy buena correlación para todas las temperaturas probadas. Con base en los resultados anteriores el modelo cinético de pseudo segundo orden para la reacción de Millard en estado sólido para MCP coliofilizada y lactosa. Tabla 3: Resultados Temperatura (ºC) Temperatura (K) 100 105 110 115 373,15 378,15 383,15 388,15 K*10^-6 (h-1) R2 2,08 0.9786 7,96 0.9944 15,7 0.9936 37,5 0.9951 Fuente: Excel, 2016 Tabla 4: Energía de activación Energía de activación 53,913271 Fuente: Excel, 2016 ln(K) 1/T 1000*1/T -13,083 -11,741 -11,062 -10,191 0,0026799 0,0026445 0,0026099 0,0025763 2,680 2,644 2,610 2,576 Figura 2: Grafica ln(K) vs 1/T ln(K) vs 1/T -8,00000 -9,000002,560 2,580 2,600 2,620 2,640 2,660 2,680 2,700 -10,00000 -11,00000 ln(K) -12,00000 -13,00000 -14,00000 y = -27,133x + 59,777 R² = 0,9819 -15,00000 -16,00000 -17,00000 -18,00000 1000*(1/T) Fuente: Excel, 2016 Según la figura 2 las constantes de velocidad del modelo siguen la cinética de Arrhenius, se calcula que la energía de activación para la muestra coliofilizada es de 53.9 kcal/mol. La reacción de Maillard ocurre a velocidades más lentas que en solución, la energía de activación es mayor para el sistema sólido por lo que indica un efecto más pronunciado de la temperatura sobre la cinética de reacción. La cinética de segundo orden observada para la mezcla coliofilizada, a pesar del exceso de lactosa, puede deberse a la menor movilidad molecular del sistema coliofilizado: una alta barrera de difusión y la dificultad asociada para reorganizar a una posición favorable del reactivo. Esto significa que, en las escalas de tiempo de los estudios de degradación, es razonable suponer que, en la fase líquida, cada molécula de lactosa tiene aproximadamente la misma probabilidad de encontrarse y reaccionar con una molécula de MCP. Además, debido a la movilidad molecular limitada en la muestra amorfa, cuando se consumen las moléculas colocadas correctamente, es difícil que otras moléculas de lactosa se difundan a los sitios de reacción y se ajusten a la conformación adecuada para la reacción. Otro factor muy importante para determinar la velocidad de reacción es la orientación de las moléculas donde con la ayuda de las ecuaciones de Stokes-Einstein y de Stokes-Debye se utilizan para estimar Dt y Dr, respectivamente, donde dado que la viscosidad es proporcional al tiempo de relajación (𝜏) podemos sustituir el tiempo por la viscosidad, por lo tanto, la velocidad de reacción es inversamente proporcional al tiempo de relajación: 𝐷𝑡 = 𝑘𝐵 𝑇 6𝜋𝑛𝑟 (8) 𝐷𝑟 = 𝑘𝐵 𝑇 (9) 8𝜋𝑛𝑟 3 Donde kB es la contante de Boltzmann 𝑘𝑇2 𝑘𝑇1 ≈ 𝐷𝑟2 𝐷𝑟1 ≈ 𝑇2 𝜏1 𝜀 ( ) (10) 𝑇1 𝜏2 Donde 𝜀 es un factor utilizado para corregir la diferencia entre el coeficiente de difusión experimental y el calculado (𝜀 = 0.75) Tabla 5: Cálculo de la constante de velocidad con respecto al tiempo Temperatura (K) Tiempo (s) 313,15 378,15 383,15 388,15 Calculada K*10^-6 (h-1) Experimental K*10^-6 (h-1) 110 1,57 25 4,92 6 14 2 37,3 Fuente: Excel, 2016 2,08 7,96 15,7 37,5 Figura 3: Gráfica ln(K) vs 1/T LN(K) VS 1/T K experimental LN(K) -8,00000 2,560 -10,00000 2,580 2,600 K Calculada 2,620 2,640 2,660 2,680 2,700 -12,00000 -14,00000 -16,00000 -18,00000 1000*(1/T) Fuente: Excel, 2016 En la figura 3 se muestra una buena concordancia entre la dependencia de la temperatura observada y calculada la constante de velocidad de reacción. Estos resultados obtenidos a saber que la reacción de Millard de la MCP amorfa coliofilizada y la lactosa están en buena medida controlada por la movilidad y por esta razón se observa una cinética de reacción de segundo orden incluso si la lactosa está presente a exceso con el MCP. BIBLIOGRAFÍA Qiu, Z., Stowell, J. G., Morris, K. R., Byrn, S. R., & Pinal, R. (2005). Kinetic study of the Maillard reaction between metoclopramide hydrochloride and lactose. International Journal of Pharmaceutics, 303(1–2), 20–30. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2005.06.016
