Análise Térmica Aplicada a Fármacos e Medicamentos

Transcrição

26/9/2009
Universidade de São Paulo
Instituto de Química
22 a 25 de Setembro de 2009
Universidade de São Paulo
Instituto de Química
Laboratório de Análise Térmica Prof. Dr. Ivo Giolito
(LATIG)
Análise Térmica Aplicada a Fármacos e
Medicamentos
Prof. Dr. Jivaldo do Rosário Matos
[email protected]
Goiânia, GO
J.R.Matos,
2009
-2009-
J.R. Matos, 2008
2
1
26/9/2009
Endo
APRESENTAÇÃO
INTRODUÇÃO
0.00
-0.10
TG/DTG
80
DTA/DSC
APLICAÇÕES
-0.20
60
40
0
200
400
600
800
-0.30
-0.40
Fluxo de calor (mW/mg)
100
-0.50
1000
Temperatura (oC)
3
J.R.Matos, 2009
Ementa
3
Origens e classificação dos métodos analíticos. Propriedades físicas
utilizadas em análise térmica. Análise Térmica: conceito, origens e
situação atual. Classificação das técnicas termoanalíticas. Terminologia
recomendada
pela
ICTAC
e
IUPAC.
Termogravimetria
(TG)
e
Termogravimetria Derivada (DTG). Os sistemas termogravimétricos
modernos e suas partes. Interpretação das curvas TG e DTG. Fatores
que afetam a forma das curvas TG. Análise Térmica diferencial (DTA) e
Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC). Classificação das técnicas
utilizadas para medir variações de energia. Instrumentação moderna e
suas partes. Diferenciação entre os sistemas DTA/DSC. Interpretação
de curvas DTA/DSC.
Fatores que afetam as curvas DTA: Calibração;
Correção da temperatura e fluxo de calor. Picos DTA-DSC de origem
física ou química. Aplicações da TG/DTG e DTA-DSC a fenômenos físicos
e químicos. Avaliação térmica de materiais; Determinação de pureza;
Compatibilidade fármaco-excipiente. Estudos de polimorfismo. Cinética
de decomposição térmica. Apresentação e discussão de casos reais
J.R.Matos,
2009 farmacêutica.
para a solução de problemas na
indústria
J.R. Matos, 2008
4
2
26/9/2009
Bibliografia
1) R.C. Mackenzie, "Differential Thermal Analysis, vol. I, II, Academic
Press. N. York, 1970.
2) T. Daniels, "Thermal Analysis", Kogan Page, Londres, 1972.
3) W.W. Wendlandt, "Thermal Methods of Analysis", Wiley, New York, 3a
ed., 1986.
4)
J.L.
Ford,
P.
Timmins,
Pharmaceutical
Thermal
Analysis,
Ellis
Horwood, Chichester, 1989B. 5) Wunderlich, Thermal Analisys, Academic
Press, San Diego, 1990.
6) P.J. Haines, “Thermal Methods of Analysis Principles, Applications and
Problems”, Blackie Academic & Professional - 1a ed., 1995.
7) E.A. Turi, Thermal Characterization of Polimeric Materials, Academic
Press, San Diego, 1997.
8) Artigos publicados nos periódicos Thermochimica Acta e Journal
Thermal Analysis and Calorimetry.
J.R.Matos, 2009
“Potencialidades e versatilidades da
análise térmica no setor produtivo”
5
A Análise Térmica abrange um grupo de técnicas, através das quais uma
propriedade física de uma substância e/ou seus produtos de reação é medida em
função do tempo ou da temperatura enquanto essa substância é submetida a
uma programação controlada de temperatura.
As técnicas mais largamente empregadas são a termogravimetria (TG),
análise térmica diferencial (DTA), calorimetria exploratória diferencial (DSC),
análise termomecânica (TMA) e análise dinâmico-mecânica (DMA).
Nas últimas décadas, as técnicas termoanalíticas adquiriram importância
crescente em todas as áreas de conhecimento na química básica e aplicada. Em
diferentes áreas da ciência aplicada, pesquisadores e técnicos especializados, de
diferentes seguimentos do setor produtivo, têm recorrido aos métodos
termoanalíticos para desenvolver estudos relacionados à:
i) estabilidade térmica de materiais;
ii) caracterização de materiais;
iii) mecanismos e cinética de decomposição térmica, visando definir
vida útil de produtos;
iv) otimização das condições de síntese de novos materiais;
v) determinação do grau de pureza ou composição de algumas
misturas;
vi) desenvolvimento de métodos termoanalíticos de análise, etc.
J.R. Matos, 2008
3
26/9/2009
“De forma mais especifica pode-se citar alguns exemplos envolvendo
aplicações da análise térmica:
a) Na área de fármácia são técnicas muito adequadas para: a
caracterização de fármacos sólidos e excipientes; pode-se fazer a
determinação da pureza de uma dada espécie por DSC a partir da
avaliação da endoterma de fusão; a caracterização de polimórfos em
fármacos empregando a associação das técnicas de TG/DTG e DSC; os
estudos da estabilidade térmica de produtos farmacêuticos por TG/DTG
aplicando-se métodos cinéticos isotérmicos e/ou não isotérmicos; os
estudos de pré-formulação visando obter informações acerca das
características físicas ou interações químicas entre o ingrediente ativo e
os excipientes; a determinação de umidade;
b) Na indústria de materiais poliméricos tem grande aplicabilidade para:
a comparação da estabilidade térmica relativa de diferentes polímeros;
determinação da temperatura de transição vítrea, de fusão e de
cristalização; determinação de calor específico e do tempo de indução
oxidativa; determinação do teor de umidade, voláteis leves, negro de
fumo, cinzas, cargas inorgânicas; etc
c) Na área de catálise pode ser empregada para: avaliação do
desempenho de catalisadores; efeitos de adsorção e dessorção de
sólidos porosos (determinação de área superficial, volume de poros);
regeneração
de
catalisadores
desativados
por
coqueamento;
otimização de processos de oxidação e de redução que conduza ao
material catalítico mais adequado;
d) na reciclagem de materiais ou na transformação de lixo em produto
nobre pode auxiliar na caracterização de materiais ou indicar os
procedimentos mais adequados de processo. Um exemplo, prático é a
definição das temperaturas ideais para calcinação da casca de arroz
para obtenção de sílica ou de cascas de ovos para obtenção de
carbonato de cálcio ou óxido de cálcio.
Em muitas situações a solução de problemas reais envolve a associação
das técnicas termoanalíticas a outras técnicas físico-química e
analíticas, tais como a difração de raios X, espectroscopia de absorção
no infravermelho, análise elementar, cromatografia gasosa, etc.
J.R. Matos, 2008
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26/9/2009
QUÍMICA ANALÍTICA
Procura obter respostas ou informações que servirão para definir os
constituintes de uma AMOSTRA sob aspectos QUALITATIVOS e
QUANTITATIVOS dentro do MENOR TEMPO possível e de MENOR
CUSTO.
Identificação
Estatística de
amostragem
Dinheiro
MASSA
Controle de
qualidade e
de produção
Reação Específica
Sensibilidade
Seletividade/Interferência
MÉTODOS NÃO ESTEQUIOMÉTRICOS
(FÍSICO-QUÍMICOS)
MÉTODOS ESTEQUIOMÉTRICOS
(OU CLÁSSICOS)
a) GRAVIMETRIA
b) VOLUMETRIA
ÁCIDO/BASE
•
• PRECIPITAÇÃO
• COMPLEXAÇÃO
• ÓXIDO-REDUÇÃO
a)ÓTICOS:
Espectrofotometria;
Fluorimetria; Fotometria
de chama; Espectrografia;
Absorção atômica
c) ANÁLISE TÉRMICA:
Análise Térmica Diferencial;
Termogravimetria; Calorimetria
Exploratória Diferencial;
Análise Termomecânica
d) OUTROS:
b) ELETROMÉTRICOS:
Cromatografias;
Polarografia; Potenciometria;
Ativação nuclear.
Coulometria; Amperometria;
Condutometria; Eletroanalíticas
J.R.Matos, 2009
9
Decomposição Térmica do ácido acetilsalicílico
100
Ácido acetilsalicílico
Massa (%)
75
50
25
Ácido salicílico
0
0
100
200
300
Temperatura (oC)
400
Curvas TG dinâmica obtidas a 10oC/min e sob atmosfera
dinâmica de ar do ácido acetilsalicílico do ácido salicílico
J.R. Matos, 2008
5
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Reação
Mecanismo
Ataque ao próton
fornecido pelo ácido
Desprotonação
Ataque ao carbono
polarizado
Ácido acetilsalicílico
(Aspirina)
J.R.Matos,
2009
Síntese do ácido
acetilsalicílico
11
100
116oC
Massa (%)
-0,5
75
DTG (mg/min)
0,0
o
91 C
-1,0
100
200
Temperatura (oC)
300
Curvas TG/DTG obtidas a 10°C/min e sob atmosfera
dinâmica de ar de uma amostra de AAS.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
12
6
26/9/2009
tiso = 40,1 min
Tiso = 105oC
Massa (%)
100
95oC
90
115oC
o
110 C
Curvas TG isotérmicas
obtidas sob atmosfera
dinâmica de ar do AAS.
o
100 C
o
105 C
ttotal = 49,1 min
0
50
100
150
Tempo (min)
Dados obtidos das curvas TG isotérmicas da amostra de AAS para
m = 5%
Tisoterma (K)
1/Tisoterma (K) tisotérma (min) p/ m=5%
lnt(min)
388
0,002577
13,94
2,63477
383
0,002611
21,60
3,07269
378
0,002646
40,10
3,69137
373
0,002681
67,40
4,21065
368
0,002717
J.R.Matos, 2009
107,02
4,67301 13
5,0
y = 14600x – 34,961 R² = 0,9982
ln t (min)
4,5
Previsão decomposição para 25 e 40oC
4,0
y = ax + b
3,5
Ea
3,0
Tiso
(oC)
1/Tiso
(K)
p/ m=5%
tiso (dias)
lnt(min)
25
0,003354
843
14,01
40
0,003193
80,2
11,66
Ea = 14600 x 8,314 = 123 kJ/mol
2,55
2,60
2,65
2,70
2,75
1/T /10-3 (K -1)
Gráfico de Arrhenius (ln t vs 1/T) para a amostra de AAS
construído a partir dos dados de TG isotérmica sob atmosfera
dinâmica de ar.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
14
7
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Estudo de Decomposição térmica e
definição de etapas de decomposição
empregando substância padrão
J.R.Matos, 2009
15
CaCO3
CaC2O4
100
CaO
-12.42%
(-H2O)
Calc.
Calc.
12,33%
12.33%
Calc.
12.33%
80
-0.10
-19.31%
(-CO)
Calc.
19,17%
60
-0.20
-30.10%
(-CO2)
182,3
795,8
526,7
40
0
0.00
DTG
200
400
Calc.
30,12%
800
-0.40
-0.50
TG
600
-0.30
Derivada primeira (mg/min)
CaC2O4.H2O
1000
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG do CaC2O4.H2O obtida na razão de
J.R.Matos, 2009
aquecimento de 10°C/min e sob atmosfera de ar (50mL/min).
J.R. Matos, 2008
16
8
26/9/2009
Desidratação de amostras de amoxicilina trihidratada
0,10
100
Massa (%)
-12,57%
-0,10
90
3H2O
100,49
DTG (mg/min)
0,00
-0,20
M = 419,44 g/mol
%H2O calc. = 12,88%
50
100
Temperatura (oC)
150
-0,30
Curvas TG/DTG obtidas a 5oC/min e sob atmosfera dinâmica de N2
de uma amostra de amoxicilina
J.R.Matos, 2009
17
H = 411 J/g
A
H = 412 J/g
0,0
H = 372 J/g
J
H = 378 J/g
L
81,0
-1,0
81,9
Endo
C
79,4
0,50 mW/mg
80,7
30
60
90
Temperatura (oC)
120
Curvas DSC obtida a 5oC;mim sob atmosfera dinâmica de N2 de
amostras de amoxicilina trihidratada de quatro procedências distntas.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
18
9
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Dados H(J/g) e T(oC) extraidos das curvas DSC obtidas a 5oC/min
Ensaio 1
Tpico DSC
H (J/g)
(oC)
Procedência da
Matéria Prima
Ensaio 2
H (J/g) Tpico DSC
(oC)
Ensaio 3
H (J/g) Tpico DSC
(oC)
A
409
80,1
416
82,6
412
81,9
B
408
80,5
410
80,7
-
-
C
414
80,1
411
81,0
-
-
D
406
81,9
408
82,0
-
-
E
409
80,1
403
80,2
412
81,0
F
414
82,1
414
82,0
417
82,4
G
419
81,1
420
81,5
-
-
H
423
83,6
419
83,0
-
-
I
419
83,1
408
83,0
420
80,3
J
375
79,7
372
79,4
374
79,7
L
382
80,7
378
80,7
J.R.Matos, 2009
19
GELATINIZAÇÃO DE AMIDO
1.5
1.0
TRIGO
59
 = 5oC/min
m = 4,21 mg
-1.5
MILHO
68,9
 = 5oC/min
m = 4,97 mg
-1.0
25
50
75
T
(oC)
25
50
75
T (oC)
Curvas DSC de amostras amido de trigo e de milho em água
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
20
10
26/9/2009
Retrogradação do amido
Após a gelatinização, com o passar do tempo, o amido endurece devido a
associação de amilopectina (retrogradação). Esse endurecimento do pão é,
em parte, causado por este processo de retrogradação do amido e pode ser
medido por DSC.
a)
b)
0,77 J/g
Endo
Endo
0,38 J/g
Temperatura (oC)
Temperatura (oC)
Curvas DSC de amostras de pão obtidas a 10oC/min: a)
Recém-assado; b) após um dia de estocagem.
J.R.Matos, 2009
21
Avaliação do progresso da retrogradação
em função do tempo de estocagem
c)
Endo
1,68 J/g
Temperatura (oC)
Curvas DSC de amostras de
pão obtidas a 10oC/min: c)
após três dias de estocagem.
f(tempo de estocagem)
Calor de transição (J/g)
H
Período de estocagem (dias)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
22
11
26/9/2009
Caracterização termoanalítica de
cálculos urinários
CÓLICA RENAL
J.R.Matos, 2009
23
100
Massa (%)
-11.885%
80
0.00
-4.216%
-0.10
-17.894%
60
-26.765%
-0.20
DTG (mg min -1)
-2.346%
Amostra : CR-C04
40
-0.30
m = 5,242 mg
0
200
400
600
800
Temperatura (oC)
CaC2O4.H2O
146,12 g/mol
x
CO2
44,01 g/mol
CaC2O4.H2O = 88,85%
26,76%
H2O = 10,95%
CO = 17,02% J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
24
12
26/9/2009
0.00
-2.855
-15.636
-2.540
80
-14.002
-0.10
60
-21.564
Amostra : CR-C06
DTG (mg min -1)
Massa (%)
100
-0.20
m = 5,078 mg
40
0
200
400
600
800
Temperatura (oC)
CaC2O4.2H2O
164,14 g/mol
CO2
44,01 g/mol
x
CaC2O4.2H2O = 80,41%
21,56%
H2O = 17,65%
CO = 13,72%
J.R.Matos, 2009
25
Massa (%)
CR 10
OCM
CR 08
CR 07
CR 06
25%
CR 05
CR 04
0
200
400
600
800
Temperatura (oC)
Sobreposição das curvas TG obtidas a 10oC e sob atmosfera de ar
de amostras de cálculo urinários (G II) e padrão de CaC2O4.H2O.
Tabela
- %CaC2O4.H2O encontrada nas amostras de cálculo urinário
Amostra
CR 04
CR 05
CR 06
CR 07
CR 08
CR 10
%Oxalato
88,85
89,08
80,41
89,15
88,95
18,39
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
26
13
26/9/2009
Desidratação do CaC2O4.xH2O
CR 10
CR 07
CR 06
CR 05
CR 04
CR 01
Endo
Fluxo de Calor (mW mg-1)
CR 08
0.70 mW/mg
0
100
200
300
500
400
(oC)
Temperatura
Curvas DSC das amostras de cálculos urinários .
J.R.Matos, 2009
27
Avaliação de Polimorfos
por Análise Térmica
polimorfo I
268.56
polimorfo II
399.31
(a)
257.60
420.89
209.37
(b)
Endo
Polimorfo I
Rifampicina
1.00 mW
193.94
0
Polimorfo II
100
200
300
Figura
500
. Curvas DSC dos polimorfos da rifampicina: (a) I e (b) II
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
400
Temperatura (oC)
28
14
26/9/2009
Análise Térmica
FARMÁCIA
Fármacos e
medicamentos
Alimentos
J.R.Matos, 2009
Análises
clínicas
29
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
30
15
26/9/2009
ANÁLISE TÉRMICA APLICADA A FÁRMACOS E MEDICAMENTOS
ANÁLISE
TÉRMICA
D
E
F
I
N
I
Ç
Ã
O
Grupo de técnicas
Critérios:
1. Propriedade física
deve ser medida.
Propriedade física
(Substância e/ou seus
produtos de reação)
2. Expressa
f(T)
(direta ou indiretamente)
3. Feita sob um programa
controlado de T.
f (T)
Programa controlado
de temperatura
[Wendlandt, W.WM., Thermal Analysis, 3rd Ed., p.1;
ICTAC-IUPAC, Cerâmica, 34 (225), 1988]
ANÁLISE TÉRMICA
OS MÉTODOS TERMOANALÍTICOS COMEÇARAM A SER
INVENTADOS A PARTIR DO FINAL DO SÉCULO 19, FORAM
OS
PRIMEIROS
MÉTODOS
ANALÍTICOS
A
SEREM
UTILIZADOS PELO HOMEM AO OBSERVAR A AÇÃO DO
FOGO
SOBRE
OS
MATERIAIS
CERÂMICOS,
VIDROS,
METAIS, ESMALTES, ETC,.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
32
16
26/9/2009
A ANÁLISE TÉRMICA EVOLUIU LENTAMENTE, EMBORA
A TERMODINÂMICA E AS TÉCNICAS DE MEDIÇÃO DE
TEMPERATURA JÁ ESTIVESSEM ESTABELECIDAS DESDE
A METADE DO SÉCULO XIX.
OS TRABALHOS INICIAIS DEPENDEREAM DE ESFORÇOS
ISOLADOS
DE
EMPREGAVAM
ALGUNS
PESQUISADORES
INSTRUMENTOS
QUE
RUDMENTARES
POR
ELES IDEALIZADOS E CONSTRUÍDOS.
J.R.Matos, 2009
33
A PARTIR DOS ANOS 60, A INSTRUMENTAÇÃO
TERMOANALÍTICA TEVE RÁPIDA E EXTRAORDINÁRIA
EVOLUÇÃO DEVIDO A VÁRIOS FATORES:
PROGRESSOS DA CIÊNCIA
PERMITIRAM
APERFEIÇOAR
DISPOSITIVOS.
E
TECNOLOGIA QUE
INSTRUMENTOS
E
REDESCOBERTA
DAS
POTENCIALIDADES
DESSES
MÉTODOS
EM
VARIADOS
SETORES
CIENTÍFICOS,
TECNOLÓGICOS E DE BENS DE CONSUMO.
BOAS PERSPECTIVAS COMERCIAIS PARA GRANDES
FIRMAS
EUROPÉIAS,
JAPONESAS
E
AMERICANAS
DEDICADAS
AO
PROJETO
E
CONSTRUÇÃO
DE
INSTRUMENTOS ANALÍTICOS.
J.R.Matos, 2009
34
J.R. Matos, 2008
17
26/9/2009
DESENVOLVIMENTO
DA
INSTRUMENTAÇÃO
TERMOANALÍTICA VEM SE CARACTERIZANDO PELA
COMBINAÇÃO DE MÉTODOS TÉRMICOS COM OUTROS
MÉTODOS:
DIFRAÇÃO DE RAIOS-X, ESPECTROSCOPIA NO IV,
MICROSCOPIA, CROMATOGRAFIA EM FASE GASOSA E
ESPECTROMETRIA DE MASSA.
J.R.Matos, 2009
35
UMA CLARA EVIDÊNCIA DO CRESCENTE INTERESSE
PELAS TÉCNICAS TERMOANALÍTICAS FORAM OS TRÊS
PERIÓDICOS FUNDADOS NO INÍCIO DA DÉCADA DE 70:
-JOURNAL OF THERMAL ANALYSIS (MARÇO 69)
-THERMOCHIMICA ACTA (MARÇO 70)
-THERMAL ANALYSIS ABSTRACT (MAIO 72)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
36
18
26/9/2009
EM
1965
FOI
FUNDADA
A
INTERNATIONAL
CONFEDERATION FOR THERMAL ANALYSIS, ICTA,
DESDE 1966 PATROCINA REUNIÕES INTERNACIONAIS
TRIENAIS (QUADIENAIS): AS ICTA’S CONFERENCES.
EM 1992 FOI APROVADA A MUDANÇA DE NOME PARA
ICTAC,
INTERNATIONAL
CONFEDERATION
FOR
THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY.
J.R.Matos, 2009
37
DESDE 1958 O PERIÓDICO ANALYTICAL
CHEMISTRY PUBLICA BIENALMENTE, OS
“THERMAL ANALYSIS REVIEWS”.
1958 A 1980
C.B. MURPHY
1982 A 1986
W.W. WENDLANT
1988 A 2000
D. DOLLIMORE
2002 em diante
S. VYAZOVKIN
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
38
19
26/9/2009
J.R.Matos, 2009
39
Quadro 4.1 – Classificação das principais técnicas termoanalíticas [GIOLITO,
1988, MATOS & MACHADO, 2004]
PROPRIEDADE FÍSICA
Massa
Temperatura
PRINCIPAIS TÉCNICAS
Termogravimetria
Detecção de gás desprendido
Análise de gás desprendido
Análise térmica por emanação
Análise térmica diferencial
Calorimetria exploratória diferencial (**)
Dimensões
Termodilatometria
Análise termomecânica
Análise termomecânica dinâmica
Termossonimetria
Termoacustimetria
Características acústicas
TG
EGD
EGA
ETA
Determinação da curva de aquecimento(*)
Entalpia
Características mecânicas
ABREVIATURA
ACEITÁVEL
DTA
DSC
TD
TMA
DMA
TS
Características ópticas
Termoptometria
Emissão de luz
Termoluminescência
TO
TL
Características elétricas
Termoeletrometria
TE
Características magnéticas
Termomagnetometria
TM
(*) Quando o programa de temperatura for no modo resfriamento, torna-se: determinação da curva de resfriamento.
(**) A confusão surgida acerca desse termo parece ser mais
bem resolvida
J.R.Matos,
2009 separando-se duas modalidades:
40
DSC com Compensação de Potência e DSC com fluxo de calor.
J.R. Matos, 2008
20
26/9/2009
ESQUEMA REPRESENTATIVO DE UM
ANALISADOR TÉRMICO MODERNO
TRANSDUTOR
Termopar
Balança
Sensor calorimétrico
AMPLIFICADOR
Medidor de deslocamento
Detector de gás
E
x
o
DTA
 T (oC)
m (%)
UNIDADE
CONTROLADORA
F
O
R
N
O
COMPUTADOR
AMOSTRA
CÉLULA
DE MEDIDA
DTG
ANÁLISE DOS DADOS
PROGRAMADOR
TG
T (oC)
DE
TEMPERATURA
REGISTRO
CONTROLE
de
ATMOSFERA
41
J.R.Matos, 2009
Interligações entre as principais
técnicas termoanalíticas
Técnicas dependentes de
variações de energia
DTA
DDTA
EGD
Técnicas dependentes
de variações de massa
DDSC
Técnicas dependentes de
variações de dimensões
TD; TMA; DMA
EGA
Determinações
isobáricas
TG/DTA-GC/MS
TG
DTG
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
DSC
ANÁLISE TÉRMICA
Técnicas dependentes
de gases libertados
Determinações
isotérmicas
DTD; DTMA; DDMA
42
21
26/9/2009
Tipos de materiais que podem ser estudados por análise térmica
INORGÂ NICOS
CA TÁ LISE
CERÂ M ICA
M INERA IS
A RGILA S
SOLOS
VIDROS
A LIM ENTOS
M ETA IS
SA BÕES
LIGA S
GRA XA S
COM BUSTÍVEIS
AN ÁLISE
TÉR M ICA
CA RVÃ O
EXPLOSIVOS
REVESTIM ENTOS
BLENDA S
COM PÓSITOS
M A DEIRA S
POLÍM EROS
M A TERIA IS DE CONSTRUÇÃ O
M A TERIA IS BIOLÓGICOS
ORGÂ NICOS
PRODUTOS NA TURA IS
PETROQUÍM ICOS
FA RM A CÊUTICOS
J.R.Matos, 2009
43
Tipos de estudos que podem ser
desenvolvidos utilizando análise térmica
ESTABILIDADE E
DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA
COMPRESSIBILIDA DE/FLEXIBILIDA DE
CORROSÃ O DE META IS (Liga)
DESIDRA TA ÇÃ O
COEFICIENTE DE DILA TA ÇÃ O
DESOLVA TA ÇÃ O
MUDANÇA DE ESTADO
A DSORÇÃ O/DESSORÇÃ O
PONTO CURIE
TRA NSIÇÃ O VÍTREA
T RANSIÇÕES CRISTA LINA S
ANÁLISE
TÉRMICA
CINÉTICA DE REA ÇÃ O
TERMOSSÍNTESE
COMPOSIÇÃ O DE MA TERIA IS
A TIVIDA DE CA TA LÍTICA
DEFINIÇÃ O DE ESTEQUIOMETRIA
REA ÇÕES GÁ S SÓLIDO
DETERMINA ÇÃ O DE PUREZA
REA ÇÕES EM ESTA DO SÓLIDO
DETERMINA ÇÃ O QUA NTITA TIVA
DETERMINA ÇÃ O DE ENTA LPIA
DIAGRA MA DE FA SE
CA RA CTERIZA ÇÃ O
DE MA TERIA IS
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
44
22
26/9/2009
FÁRMACOS
EMBALAGENS
SOLVENTES
POLIMORFOS
ANÁLISE
TÉRMICA
POLÍMEROS
ADITIVOS
MEDICAMENTOS
EXCIPIENTES
Figura 4.2 – Tipos de materiais e insumos farmacêuticos
que podem ser estudados por análise térmica.
J.R.Matos, 2009
45
Figura 4.3 - Tipos de estudos que podem ser
desenvolvidos para fármacos
e medicamentos.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
46
23
26/9/2009
ONDE ENCONTRAR INFORMAÇOES
SOBRE ANÁLISE TÉRMICA?
Periódicos
J.R.Matos, 2009
ABRATEC
Associação
47
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
48
24
26/9/2009
Evento Nacional
CBRATECs
CONGRESSOS BRASILEIROS DE ANÁLISE TÉRMICA E CALORIMETRIA
J.R.Matos, 2009
49
CBRATECs
CONGRESSOS BRASILEIROS DE ANÁLISE TÉRMICA E CALORIMETRIA
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
50
25
26/9/2009
ICTACs
INTERNATIONAL CONFERENCE ON THERMAL ANALYSIS AND CALORIMETRY
51
J.R.Matos, 2009
14ª Edição
1ª vez no hemisfério sul
437 trabalhos submetidos
e 402 aceitos
~400 inscritos (31 paises)
4 conferências plenárias
3 Palestrante convidado
13 apresentações orais
ampliadas (25 min.)
67 apresentações orais (15 min)
7 Palestras técnicas
J.R. Matos, 2008
J.R.Matos, 2009
52
26
26/9/2009
J.R.Matos, 2009
53
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
54
27
26/9/2009
Foto do 14th ICTAC
J.R.Matos, 2009
55
Próximo Congresso
VII CBRATEC
25 a 28 de abril 2010
São Pedro - São Paulo
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
56
28
26/9/2009
Alguns Livros
J.R.Matos, 2009
57
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
58
29
26/9/2009
J.R.Matos, 2009
59
TG
TERMOGRAVIMET RIA
BALANÇA
FORNO
MEDIDA DE
MASSA
f(T)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
60
30
26/9/2009
T E R M O G R A V I M E T R I A ( TG )
Técnica de análise térmica em que a
TG ISOTÉRMICA
ganho de massa) é determinada como
uma função da temperatura e/ou tempo,
enquanto a amostra é submetida a uma
programação controlada de temperatura.
1
2
3
T3 > T2 > T1
TG DINÂMICA
Temperatura
Perda de massa
Temperatura
Perda de massa
T cte
T1
Tempo
Três modos de TG são comumente usados:
TG QUASI-ISOTÉRMICA
T3
T2
T3 > T2 > T1
Temperatura
Perda de massa
variação de massa da amostra (perda ou
T
Tempo
Tempo
J.R.Matos, 2009
As 1as termobalanças foram construídas
empregando balança analíticas convencionais
61
Grandes diferenças de temperaturas dentro da amostra
Massa da amostra com algumas centenas de mg
Não apresentavam alta sensibilidade
Medidas imprecisas
Csaba Novak
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
62
31
26/9/2009
TERMOBALANÇAS COMERCIAIS
EXSTAR6000 TG/DTA
SEIKO
J.R.Matos, 2009
63
Termobalança Mettler
TGA/SDTA 851
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
64
32
26/9/2009
Termobalança DuPont 951
J.R.Matos, 2009
65
Esquema do sistema TG A – TA Instruments
Termobalança TA 2050
fotodiodos
LED Infravermelho
Meter movement
Braço da Balança
Cadinho da tara
Plataforma da amostra
Termopar
Cadinho de amostra
pan
Suporte do forno
Saída do gás de purga
Forno
Base do elevador
Entrada do gás de purga
Porta cadinho
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
66
33
26/9/2009
Termobalança TA 2050
J.R.Matos, 2009
67
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
68
34
26/9/2009
SUSTENTAÇÃO
DA BALANÇA
BRAÇO DA
BALANÇA
TAMPA DA
BALANÇA
PERKIN-ELMER TGA7
FIO DE NÍQUEL
CROMO
SISTEMA DE
JUNTAS
CADINHO
DE Pt
CONTRA PESO
MECANISMO DE
FECHAMENTO
DA BALANÇA
MICROFORNO
CONTROLE DA
CONVECÃO
ENVOLTÓRIO
DO FORNO
ENTRADA DE
GÁS
PLATAFORMA DE
CARGA DA AMOSTRA
TERMOPAR
SAÍDA DE
GÁS
VENTILADOR
CONECTOR DO
MECANISMO DE
ELEVAÇÃO DO
FORNO
PAINEL
69
J.R.Matos, 2009
SETSYS Evolution TGA (SETARAM)
Thermogravimetry from ambient to 2400°C
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
70
35
26/9/2009
ANALISADOR TÉRMICO - STA
NETZSCH
J.R.Matos, 2009
71
SHIMADZU
TGA50
TGA51H
PASSAGEM GÁS
DE PURGA
FIO DE SUSPENSÃO DA
AMOSTRA
BRFAÇO DA
BALANÇA
MAGNETO
ENTRADA 1
PORTA AMOSTRA
ENTRADA 2
TERMOPAR
TERMOPAR
1 a 2 mm (COM O
SISTEMA LIGADO)
FORNO
AMOSTRA
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
ESTRIBO
PONTO SENSÍVEL
72
36
26/9/2009
Termobalança Cahn TG-131 (macro-amostras)
73
J.R.Matos, 2009
2
3
Curva DTG
4
1
2
3
4
Temperatura (OC)
Curva TG
prática
1
Massa (%)
1
Massa (%)
CurvaTG
ideal
INTERPRETAÇÃO DE CURVAS TG E DTG
2
3
Curva DTG
4
3
1
2
4
Temperatura (OC)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
74
37
Massa (%)
26/9/2009
Patamar inicial
(massa constante)
X
Tonset


a
X(sólido)

Y(sólido) + Z(volátil)
b
Patamar Final
(massa constante)
Z
m
c

Y

Tendset
Ti
Tf
T(oC)
Tf  temperatura na qual as variações
acumuladas de peso atingem
valor máximo.
Ti  temperatura na qual as variações
acumuladas de peso totalizam o valor
que a balança é capaz de detectar.
Tf - Ti  intervalo de reação
Nomes rejeitados
Curva termólise
Curva Pirólise
Termograma
Termogravigrama
Curva de análise termogravimétrica
Curva termogravimétrica
ou curva TG
J.R.Matos, 2009
75
TERMOGRAVIMETRIA DERIVADA (DTG)
Patamar inicial
(massa constante)
Patamar final
(massa constante)
·
·
·
Z
b
e
d
Y
Ti
Tpico Tf
dm
dt
·
c
0
–1)
·
a
(mg min
MASSA (%)
X
T(oC)
Curvas TG (linha tracejada) e DTG (linha sólida) de uma reação de
decomposição térmica que ocorre numa única etapa. Características
da curva DTG.
J.R.Matos, 2009
76
J.R. Matos, 2008
38
26/9/2009
TERMOGRAVIMETRIA DERIVADA (DTG)
dm
dt
DTG
(mg min –1)
0
dm
dt
f (T , t )
dm
dT
f (T , t )
TG
Comparação entre curvas de
Temperatura (oC)/Tempo (min)
perda de massa: a) TG ; b) DTG
J.R.Matos, 2009
77
A CURVA DTG:
a) APRESENTA AS INFORMAÇÕES DE UMA FORMA QUE É MAIS
VISUALMENTE ACESSÍVEL;
b) APRESENTA ÁREA DIRETAMENTE PROPORCIONAL À m;
c) PERMITE A PARTIR DA ALTURA DO PICO À QUALQUER
TEMPERATURA OBTER A RAZÃO DE m NAQUELA
TEMPERATURA.
d) PERMITE A PRONTA DETERMINAÇÃO DA TMAX. (m ESTÁ
NUM MÁXIMO) QUE FORNECE INFORMAÇÕES SOBRE A
TEMPERATURA ONSET (ÍNICIO EXTRAPOLADO DO EVENTO, Ti)
E A TEMPERATURA FINAL EXTRAPOLADA (ENDSET, T f) ;
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
78
39
26/9/2009
início extrapolado da desidratação
Tonset
100
Ponto de
inflexão
0.00
DTG
Tendset
-0.10
80
T em que
dm/dT
deixou de
ser zero
-0.20
-0.30
60
Início real da
etapa de
desidratação
182,3
Tpico
200
400
-0.50
TG
526,7
40
0
-0.40
795,8
600
800
Derivada prìmeira (mg/min)
CaC2O4.H2O
1000
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG do CaC2O4.H2O obtida na razão de aquecimento
de 10°C/min e sob atmosfera de ar (50mL/min).
J.R.Matos, 2009
APLICAÇÕES DAS CURVAS DTG
79
a) Separação de reações sobrepostas;
b) Impressão digital de materiais;
c) Cálculo de m em reações sobrepostas;
d) Análise quantitativa por medida da altura do pico;
Perda de massa (%)
e) Distinção entre eventos térmicos quando comparada com a curva DTA
a
c
b
d
COMPARAÇÃO ENTRE CURVAS TG E DTG,
TRÊS DAS QUAIS EXIBEM REAÇÕES
SOBREPOSTAS
Temperatura (oC)
J.R. Matos, 2008
J.R.Matos, 2009
80
40
26/9/2009
Perda de massa (%)
DTG
TG
CURVAS TG E DTG EM QUE O
MÍNIMO NA DTG É USADA PARA
DEFINIR O FINAL DA 1a PERDA
DE MASSA E A ONSET DA 2a.
 m1
 m2
Temperatura (o C)
DTG
100
80
Curvas TG/DTG de CuSO4.5H2O
obtidas sob atmosfera de N2 , a
10oC/min e m = 4,207 mg
60
40
28,3%
TG
100
300
500
700
900
Temperatura (oC)
81
J.R.Matos, 2009
FATORES QUE AFETAM AS CURVAS TERMOANALÍTICAS
FATORES INSTRUMENTAIS
a) Razão de aquecimento
CARACTERÍSTICAS DA AMOSTRA
a) Quantidade de amostra
b) Tamanho da partícula
b) Atmosfera do forno
c) Calor de reação
c) Composição do cadinho
d) Natureza da amostra
d) Geometria do porta amostra
e) Empacotamento da amostra
e) Tamanho e forma do forno
f) Solubilidade dos gases
f) Sensibilidade do mecanismo
libertados da amostras
de registro
g) Condutividade térmica
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
82
41
26/9/2009
Fatores instrumentais
Razão de aquecimento ()
0,4
TG
100
5oC/min
20oC/min
Massa (%)
DTG
0,0
60
o
158 C
174 oC
-0,2
DTG (mg/min)
80
0,2
40
-0,4
20
100
200
400
300
Temperatura (oC)
Figura 4.10. Curvas TG/DTG obtidas sob atmosfera dinâmica de N2 de uma
amostra de lactose com  de 5 e 20oC/min.
J.R.Matos, 2009
83
100
40
20
Massa (%)
10
80
5
2,5
60
40
100
200
300
500
400
600
o
Temperatura ( C)
Curvas TG do Sm(CH3SO3)3.2(3-picNO) obtidas sob atmosfera dinâmica
de ar e  de 2,5; 5; 10; 20 e 40oC/min (mamostra cerca de 5 mg).
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
84
42
26/9/2009
Quadro 4.2. Valores de variação de massa (m) no intervalo
de temperatura (T) correspondente a liberação do ligante
para o composto Sm(CH3SO3)3.2(3-picNO) em diferentes .
 (oC/min)
T (oC)
m (%)
2,5
130-340
33,25
5
140-370
32,53
10
150-400
30,60
20
160-400
30,53
40
170-415
30,02
Massa (%)
100
40
80
2,5
60
40
100
300
200
400
500
600
Temperatura (oC)
Curvas TG do Sm(CH3SO3)3.2(3-picNO) obtidas
J.R.Matos,
2009
sob atmosfera dinâmica
de ar
e a 2,5 e 40oC/min
85
Atmosfera do forno
100
80
0,0
DTG (mg/min)
Massa (%)
ar
CO2
DTG
-2,0
-4,0
-6,0
60
600
0
200
800
T (oC)
400
TG
1000
600
800
1000
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG obtidas sob atmosfera dinâmica de ar e de CO2 de uma
amostra de CaCO3 e com razão de aquecimento 10oC/min.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
86
43
26/9/2009
Forma, tamanho e composição do cadinho
(a)
98
96
(b)
DTG (mg/min)
Massa (%)
100
0,0
DTG
-0,2
TG
-0,4
125
150
o
175
200
T ( C)
94
50
100
150
200
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG obtidas a 10oC/min e sob atmosfera dinâmica de N2 de uma
amostra de lactose com massa de 10 mg em (a) cadinho largo; (b) cadinho
estreito e profundo
J.R.Matos, 2009
87
Características da amostra
(a)
DTG (mg/min)
Massa (%)
Massa de amostra
(b)
20%
Figura 4.14 – Curvas TG/DTG
obtidas
a
10oC/min
sob
atmosfera dinâmica de ar de uma
amostra de CaC2O4.H2O com
mamostras: a) 6,33 mg; b) 30,15 mg.
TG (
DTG
150
)
(
)
350
550
750
Temperatura (oC)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
950
88
44
26/9/2009
Tamanho da partícula ou granulometria da amostra
(a)
(b)
Massa (%)
100
98
96
TG
94
50
100
150
200
Temperatura (oC)
Figura 4.15. Curvas TG de amostras de lactose que evidenciam o efeito do
tamanho da partícula na etapa de desidratação: (a) amostra pulverizada; (b)
unico cristal. ( = 5oC/min; mamostra cerca de 6 mg)
89
J.R.Matos, 2009
Fontes de erros em termogravimetria
cadinho de Pt vazio.
o
20 C/min
0.40
Massa (mg)
0,097 mg
10oC/min
0,089 mg
0.20
o
5 C/min
0,073 mg
0.10
0,05 mg
0
200
400
600
800
Temperatura (oC)
Figura 4.16. Curvas TG obtidas sob atmosfera dinâmica de ar e razões de
aquecimento de 5, 10 e 20oC/min, empregando como porta-amostra cadinho
de Pt vazio.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
90
45
26/9/2009
2.5. Aplicações da termogravimetria (TG)
TG/DTG
Fenômenos
Físicos
Fenômenos
Químicos
f(T, t)
m
Sublimação
Sólido
Sólido(1) + Gás
Vaporização
Sólido(1)
Absorção
Gás
Sólido(2)
Sólido (2) + Gás
Sólido(1) + Sólido(2)
Sólido(3) + Gás
Adsorção
Figura 4.17 - Fenômenos físicos e químicos que ocorrem
com variações de massa e são detectáveis por TG/DTG.
91
J.R.Matos, 2009
Estabilidade térmica
100
Massa (%)
75
AAS
50
25
AS
0
0
100
200
300
Temperatura (oC)
400
Figura 4.18 – Curvas TG obtidas a 10oC/min e sob atmosfera dinâmica de ar
das amostras de ácido salicílico (AS) e ácido acetilsalicílico (AAS).
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
92
46
26/9/2009
DETERMINAÇÃO DE UMIDADE
8% H2O livre ou
de superfície
100
90
23% H2O de
hidratação
80
70
40
80
120
Curva TG representativa para
determinação do teor de H2O.
160
Temperatura (oC)
A vantagem principal: empregar massas de amostras muito pequenas (entre 5 a
20 mg). É importante quando o material apresenta grande valor agregado.
Pelo método convencional, utilizam-se estufas ou fornos, trabalha-se com
massas de amostras entre 0,5 a 2 g e o procedimento exige a manipulação da
amostra várias vezes. No aquecimento deixa-se a amostra resfriar num
dessecador para em seguida pesá-la.
J.R.Matos, 2009
93
DTG (mg/min)
Determinação do teor de umidade
e do fármaco em uma formulação
100
Massa (%)
TG
75
0,0
DTG
50,3
-0,2
300
-0,4
0
150
50
Umidade
25
2% (formulação)
0,2% (puro)
T (oC)
300
450
AAS puro
AAS formulação
0
0
150
300
450
600
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG obtidas 10oC/min e sob atmosfera dinâmica
de ar de amostras de AAS: a) puro; b) formulação.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
94
47
26/9/2009
As curvas TG/DTG permitem a determinação direta do
teor de água e a diferenciação de diferentes tipos de
água presentes no material (umidade, superficial ou
livre, de cristalização e/o de composição) e com um
único ensaio avalia-se, também, o comportamento
térmico da amostra.
Os sistemas de termogravimétricos atuais apresentam
sensibilidade para detecção de variações de massa de 0,1 a 0,5
µg. Esse limite não é facilmente atingido sob condições de
mudança de temperatura, é mais realista considerar uma
sensibilidade de 1 a 5 µg. Quando se utiliza mamostra = 10 mg,
pode-se considerar um limite de quantificação de 0,01 a 0,05%.
J.R.Matos, 2009
95
APLICAÇÃO À COSMÉTICOS
DETERMINAÇÃO DE ÁGUA LIVRE
E INTERLAMELAR EM CREME
HIDRTANTE
m
Perda de
H2O livre
Total de
Perda de H2O
do creme
Perda de H2O fixada
interlamelarmente
após fusão da fase gel
hidrofílica do creme
Curvas TG/DTG de uma
amostra de creme hidratante
acréscimo
decréscimo
96
J. Cosmet. Chem. 35 (1984) 45-57
J.R. Matos, 2008
Temperatura (oC)
J.R.Matos, 2009
48
26/9/2009
Avaliação de Equivalência Composicional
DTG
TG
B
Massa (%)
A
R
B
C
D
E
50%
A
R
D
200
400
Temperatura (oC)
DTG (mg/min)
C
E
o
148,5 C
0.50 mg/min
200
600
400
Temperatura (oC)
600
Curvas TG e DTG de amostras comerciais de AZT (cápsulas
100 mg) obtidas a 2°C/min e sob atmosfera dinâmica de ar.
No exemplo, há uma evidência clara da importância do emprego das
curvas DTG para, qualitativamente, avaliar a equivalência
composicional de amostras de um dado medicamento produzido por
diferentes laboratórios [ARAÚJO, et al, 2003].
ARAÚJO, A.A.S.; “Análise térmica e determinação dos parâmetros cinéticos de preparações
farmacêuticas e novas especialidades de zidovudina (AZT)”, Tese de Doutorado, FCF-USP, 2003.
97
J.R.Matos, 2009
Caracterização de Polimorfos
Massa (%)
100
75
50
25
polimorfo I
polimorfo II
0
0
200
400
600
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG obtidas a 10°C/min e sob atmosfera dinâmica
de ar dos polimorfos I e II da rifampicina.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
98
49
26/9/2009
Cinética de Decomposição Térmica
por Termogravimetria isotérmica
100
116oC
DTG (mg/min)
0,0
Massa (%)
o
91 C
-0,5
75
-1,0
200
100
300
Temperatura (oC)
Curvas TG/DTG obtidas a 10°C/min e sob atmosfera
dinâmica de ar de uma amostra de AAS.
J.R.Matos, 2009
99
tiso = 40,1 min
Tiso = 105oC
Massa (%)
100
90
ttotal = 49,1 min
0
50
100
150
Tempo (min)
Curvas TG isotémicas obtidas sob atmosfera dinâmica de ar, a
10°C/min até Tiso e mantida em Tiso para que m seja pelo menos de
5% da amostra de AAS.
100
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
50
26/9/2009
Quadro 4.3 - Dados obtidos das curvas TG isotérmicas
da amostra de AAS para m = 5%
tisoterma (min)
Tisoterma (K) 1/Tisoterma (K)
lnt (min)
p/ m=5%
388
0,002577
13,94
2,63477
383
0,002611
21,60
3,07269
378
0,002646
40,10
3,69137
373
0,002681
67,40
4,21065
368
0,002717
107,02
4,67301
5,0
y = 14600x – 34,961 R² = 0,9982
ln t (min)
4,5
4,0
3,5
3,0
2,55
2,60
2,65
2,70
1/T /10-3 (K-1)
2,75
Gráfico de Arrhenius (ln t
vs 1/T) para a amostra de
AAS construído a partir dos
dados de TG isotérmica sob
atmosfera dinâmica de ar.
J.R.Matos, 2009
101
Caracterização de cálculo urinário
-1.020
100
-11.933
-4.033
0.00
80
-17.951
60
-26.926
-0.50
40
0
200
400
600
800
TEMPERATURA (oC)
Curvas TG/DTG obtidas a 10oC/min e sob atmosfera dinâmica
de ar da amostra de cálculo urinário de paciente do HU-USP.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
102
51
26/9/2009
Comparação curvas TG/DTG de amostras de
cálculo urinário e Padrão de CaC2O4.H2O
100
0.00
80
-0.50
60
oxalato de cálcio (padrão)
oxalato de cálcio (padrão)
Cálculo urinário
Cálculo urinário
-1.00
40
0
200
400
600
800
TEMPERATURA (oC)
Sobreposição de curvas TG/DTG obtidas a 10oC/min
e sob atmosfera dinâmica de ar de amostras de:
a) cálculo urinário; b) CaC2O4.H2O
103
J.R.Matos, 2009
APLICAÇÕES DA TG NO ESTUDO DE POLÍMEROS
1- COMPARAÇÕES ENTRE ESTABILIDADES TÉRMICAS RELATIVAS;
2- EFEITO DE ADITIVOS NA ESTABILIDADE TÉRMICA;
3- DETERMINAÇÃO DO CONTEÚDO DE ADITIVO;
4- ANÁLISE QUANTITATIVA DIRETA DE SISTEMAS DE COPOLÍMEROS;
5- ESTABILIDADE À OXIDAÇÃO;
6- ESTUDOS SOBRE CINÉTICA DE DEGRADAÇÃO TÉRMICA TAMBÉM PODE
FORNECER DADOS SOBRE:
-ESTRUTURA MOLECULAR E ARRANJO DE UNIDADES DE REPETIÇÃO;
-“CROSS-LINKING”ENTRE CADEIAS;
-GRUPOS LATERAIS EM CADEIAS DE HOMO E COPOLÍMEROS;
-CONSTANTE DE VELOCIDADE;
-FATOR FREQUÊNCIA;
-ENERGIA DE ATIVAÇÃO DA DEGRADAÇÃO
-TEMPO DE MEIA VIDA
J.R. Matos, 2008
J.R.Matos, 2009
104
52
26/9/2009
1- ESTABILIDADE TÉRMICA RELATIVA
[J. Chiu, Thermoanalysis of fiber and fiber-forming polymers, R.F. Schwenker, intersc., 1966]
Curvas TG de: PVC (cloreto de polivinil); PMMA (polimetilmetacrialto); HDPE
(polietileno de alta densidade); PTFE (politetrafluoroetileno); PI (poliimida)
J.R.Matos, 2009
105
2- CONTEÚDO DE ADITIVO [W.W. Wendlandt e
J.A. Brabson, Anal. Chem. 30 (1958) 61]
PVB ( POLIVINILBUTIRATO)
PVB + PLASTIFICANTE
Curvas TG de uma amostra de PVB e de
PVB contendo plastificante
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
106
53
26/9/2009
3- COMPOSIÇÃO DE BLENDAS POLIMÉRICAS E COPOLÍMEROS
VINILACETATO DE ETILENO
100
23% HAc
60
390oC
HIDROCARBONETOS
20
200
400
600
T (oC)
Curva TG do copolímero vinilacetato de etileno a 5oC/min
sob atmosfera de N2 e massa de amostra de 100 mg.
J.R.Matos, 2009
107
7- INFLUÊNCIA DA ANTIOXIDANTES
EM MATERIAIS POLIMÉRICOS
100
PRETO: PP desprotegido
AZUL: PP + 0,1% de anti-oxidante
ROSA: PP + 0,3% de anti-oxidante
70
30
10
200
400
600
Sobreposição das curvas TG de PP desprotegido
e contendo 0,1 e 0,3% de antioxidante
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
108
54
26/9/2009
DETERMINAÇÃO DA CURVA DE AQUECIMENTO - T
ANÁLISE TÉRMICA DIFERENCIAL - DTA
CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA DIFERENCIAL - DSC
MEDIDAS DE VARIAÇÕES DE TEMPERATURA E DE ENERGIA
TENDÊNCIA ENTÁLPICA
CONTEÚDO DE CALOR (H)
CALOR ESPECÍFICO (Cp)
AO AQUECER UMA AMOSTRA:
- O SEU CALOR ESPECÍFICO VARIA MUITO POUCO;
-AO MUDAR DE ESTADO, ALTERA RAPIDAMENTE.
AO AQUECER UMA AMOSTRA TAMBÉM OCORREM PROCESSOS FÍSICOS E
QUÍMICOS
[FUSÃO E DECOMPOSIÇÃO] NOS QUAIS HÁ VARIAÇÕES DE
ENTALPIA [CALOR LATENTE DE FUSÃO, CALOR DE REAÇÃO, ETC.].
J.R.Matos, 2009
109
TRÊS TÉCNICAS FORAM DESENVOLVIDAS:
1) DETERMINAÇÃO DA CURVA DE AQUECIMENTO (T)
2) ANÁLISE TÉRMICA DIFERENCIAL (DTA)
3) CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA DIFERENCIAL (DSC)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
110
55
26/9/2009
compensação de potência
diferença
TA
(TA – T R)
Tf
Endotérmica
(+)
Ti
Tf
(-)
(a)
Tf
t(min)
T(oC)
(c)
(d)
(+)
(+)
Tf
Ti
t(min)
Variação
Exotérmica
Ti
(-)
(dH/dT)
(TA – T R)
Tf
Ti
(-)
T(oC)
(b)
TA
Exo
(-)
Ti
DSC
para que TA = TR
Endo
TA
Variação
DTA
TA - TR
(dH/dT)
Curvas de T
Ti
(-)
T(oC)
t(min)
Tf
T(oC)
Figura 1. Evolução dos sistemas empregados na avaliação de eventos
térmicos associados com variação de temperatura ou de entalpia de um
dado material (A = amostra; R = material de referência).
J.R.Matos, 2009
111
Análise Térmica Diferencial (DTA)
A DTA é a técnica pela qual a diferença de temperatura
(T) entre a substância e o material de referência (termicamente
estável) é medida em função da temperatura da referência
(forno), enquanto a substância e o material de referência são
submetidos a uma programação controlada de temperatura.
As variações de temperatura na amostra são devidas as
transições entálpicas ou reações, conhecidas como endotérmicas
ou exotérmicas.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
112
56
26/9/2009
As mudanças de temperaturas que ocorrem durante os
fenômenos físicos ou químicos são detectadas por um método
diferencial como ilustrado na Figura 2. TA e TR são,
respectivamente, as temperaturas da amostra e referência e TATR (T) é a função registrada. A Figura 3 ilustra as curvas de
aquecimento da amostra e da referëncia e a curva DTA típica.
b)
+
Detector em forma
de haltere
+
TA
TR
Referência
Amostra
-
Ref erência
A mostra
Fonte de
aquecimento
a)
Gás
-
+
+
Tubo do
Forno
TA
Fonte de aquecimento
T
Figura 2 – Ilustração de células DTA: a) Clássica; b) Moderna
J.R.Matos, 2009
113
A curva DTA representa os registros de T em função da
temperatura (T) ou do tempo (t), de modo que os eventos
são apresentados na forma de picos. Os picos ascendentes
caracterizam os eventos do tipo exotérmicos, enquanto os
descendentes, os endotérmicos.
Temperatura
DTA
T
E  f (T,t)
(b)
0
T
TR
TA
Esta área é
proporcional ao H
Endo
Ponto de
fusão
(a)
T  f (T,t)
TR ou Tf
Tempo
Figura 3 - Variação de temperatura durante a fusão: (a) Curvas de
aquecimento de uma amostra hipotética e de um material de referência; (b)
Curva DTA [T(TA - TR) vs TR], gerada a partir das curvas obtidas em (a).
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
114
57
26/9/2009
A Figura 4 ilustra um diagrama de bloco de um sistema DTA moderno.
CONTROLE DE
ATMOSFERA
FORNO
R
A
PROGRAMADOR DA
TEMPERATURA DO FORNO
SENSORES DE
TEMPERATURA
AMPLIFICADOR DE
MICROVOLTAGEM
REGISTRADOR
Figura 4. Diagrama de bloco de um sistema DTA
J.R.Matos, 2009
115
A Figura 5, ilustra uma curva DTA de uma amostra de um
p-toluenossulfonato de lantânio hidratado caracterizando
um evento endotérmico e dois exotérmicos, bem definidos.
T (oC)
0,3
0,2
0,1
0
-0,1
0
200
400
600
800
Temperatura (oC)
Figua 5. Curva DTA obtida sob atmosfera dinâmica de He
e  de 40ºC/min de um amostra de La(C7H7SO3)3.2H2O.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
116
58
26/9/2009
0,00
Endo
No caso de transições de 2ª ordem observa-se mudança de
linha base, sem picos. Por exemplo, a transição vítrea (Tg glass
transition) evidenciada por uma variação na linha base no sentido
endotérmico. A Figura 6 ilustra uma curva DTA de uma amostra de PET.
T (oC)
DTA
-0,20
-0,05
DDTA
0,00
-0,10
Tg
-0,15
DTA
-0,50
-0,40
-1,00
-0,20
40
60
100
80
passagem do estado quebradiço para um estado borrachoso sofrida por uma molécula, quando é submetida a
uma programação de temperatura de resfriamento para o
aquecimento)
100
200
T (oC)
Figura 6 – Curvas DTA/DDTA obtida a 10oC/min da amostra de PET.
J.R.Matos, 2009
117
Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC)
DSC é a técnica pela qual se mede a diferença de energia
fornecida à substância e a um material de referência,
termicamente inerte, em função da temperatura,
enquanto a substância e a referência são submetidos a
uma programação controlada de temperatura.
A DSC é uma técnica derivada da DTA, por isso, são
consideradas técnicas semelhantes e complementares, pois, permitem
avaliar as variações entálpicas que ocorrem com uma dada substância
durante um processo de aquecimento ou resfriamento. A palavra
“diferencial” enfatiza as medidas que envolvem tanto a própria
substância como o material de referência, que deve ser termicamente
estável. A definição formal dessas duas técnicas foi aprovada pela
IUPAC.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
118
59
26/9/2009
Historicamente, foram criados dois tipos de DSC: de
compensação de potência (desenvolvido e patentiado pela Perkin-Elmer
Corporation) e de fluxo de calor (desenvolvido por outras empresas,
como por exemplo, a Mettler Toledo, Shimadzu Corporation, Netzsch,
TA Instrument, Setaram e outras).
No DSC de compensação de potência a amostra e a referência
são aquecidas em compartimentos separados, individualmente. Isto
torna-se possível manter a amostra e a referência em condições
isotérmicas, ao contrário da técnica DTA. Assim, se amostra sofre
alterações de temperatura devido a um evento endotérmico ou
exotérmico em função do aquecimento ou resfriamento a que é
submetida, ocorre uma modificação na potência de entrada do forno
correspondente, de modo a se anular esta diferença. Isto consiste no
“balanço nulo” de temperatura.
J.R.Matos, 2009
119
+
+
a) DTA Clássico
TA
TR
Referência
Amostra
COMPARAÇÃO ENTRE OS
TRÊS PRINCIPAIS SISTEMAS
DE ANÁLISE TÉRMICA
Fonte de aquecimento
(Única fonte de calor)
b) DTA Quantitativo ou de
Boersma DSC de fluxo de calor
Fluxo de calor
para a amostra
A
R
Tampa
do forno
SENSORES DE Pt
Fluxo de calor
para a referência
Sensor
(resistência Térmica)
Forno
c) DSC de Compensação
de potência
A
R

Termopares
(Única fonte de calor)
Aquecedores individuais
Figura 7. Representação esquemática dos
J.R.Matos, 2009
três principais sistemas de análise térmica.
J.R. Matos, 2008
120
60
26/9/2009
A principal diferença de interpretação entre os dois
métodos
de
medida
do
DSC
está
na
forma
de
apresentação dos resultados. Ou seja, no DSC com
compensação
de
potência
foi
adotada
a
convenção
termodinâmica, onde um evento endotérmico (H>0) é
caracterizado por um pico ascendente na curva DSC,
enquanto no DSC com fluxo de calor esse mesmo evento
é representado na curva DSC por um pico descendente.
Além disso, no DSC com fluxo de calor o sinal é originado
da diferença
da temperatura entre
a amostra e
a
referência; entretanto, no DSC com compensação de
potência o sinal é proveniente do calor diferencial
fornecido pela amostra e referência.
J.R.Matos, 2009
121
As
curvas
DSC
comportamento
que
ilustram
o
térmico,
referente
ao
aquecimento e ao resfriamento de uma
amostra do padrão de colesterol, obtidas
numa célula DSC de Fluxo de Calor e de
Compensação de potência.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
122
61
26/9/2009
Cristalização
endo
4,5
3,0
1,5
160
140
H = 71,8 J/g
o
Tpico = 148,1 C
T
120
o
Tonset = 146,4 C
H = -69,5 J/g
o
Tpico = 139,9 C
Fusão
0,0
-1,5
DSC
100
Temperatura (oC)
Fluxo de calor (mw/mg)
o
Tonset = 138,6 C
80
20
30
40
Tempo (min)
Figura 8. Curva DSC do padrão de colesterol, obtida na célula
DSC de fluxo de calor, sob atmosfera dinâmica de N2 e razão
de aquecimento e resfriamento de 10ºC/min.
J.R.Matos, 2009
123
Fusão
150
DSC
0,0
H = 70,7 J/g
o
Tpico = 149,2 C
100
Tonset = 146,6 C
-2,0
10
20
30
Cristalização
o
T
H = -69,3 J/g
o
Tpico = 137,2 C
Temperatura (oC)
2,0
exo
o
Tonset = 137,6 C
40
50
50
60
Tempo (min)
Figura 9. Curva DSC do padrão de colesterol, obtida na célula
DSC de compensação de potência, sob atmosfera dinâmica
de N2 e razão de aquecimento e resfriamento de 10ºC/min.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
124
62
26/9/2009
Ilustração de uma célula DTA
Detector em
forma de
haltere
Fonte de
aquecimento
Referência
Amostra
-
Tempo
Tubo do
Forno
TA
+
Esta área é
proporcional ao H
Ponto de
Fusão
Gás
+
Referência
Amostra
Variação de temperatura durante a fusão
T
Ilustração de uma célula DSC
Referência
Amostra
Forno
Referência
Saída
de gás
Entrada
de gás
Qr
Detector
Qs
Bloco do
forno
Tr
Tempo
Variação de temperatura durante a fusão
Ts
J.R.Matos, 2009
SEIKO
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
Amostra
125
126
63
26/9/2009
Shimadzu
Envoltório do
Forno
Tampa
de Ag
Referência
Amostra
Detetor
(Constantan)
Forno
J.R.Matos,
127
Figura 14. Célula DSC 50 e vista
do2009
interior da célula – Shimadzu
Sistema DSC 50 - Shimadzu
para medidas sob resfriamento
2009 com resfriamento
Figura 15 - SistemaJ.R.Matos,
DSC 50
J.R. Matos, 2008
128
64
26/9/2009
Netzsch
Figura 16. Célula DSC 200 e Ilustração
do interior da célula – Netzsch
J.R.Matos, 2009
TA Instrument
129
Figura 17. Célula DSC, Ilustração
do interior da célula e tipos de
cadinhos – TA Instrument
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
130
65
26/9/2009
Perkin Elmer
Figura 18. Ilustração esquemática
célula DSC 7 e porta amostra e tampa
J.R.Matos, 2009
131
CURVA DSC TÍPICA
DHm = KA
a
Cp
Área do
Pi
(4)
b
Máximo
do pico
co
c
(6)
(i)
(1)
(2)
Zero
diferencial
(3)
(5)
(ii)
(Ti)
Início da
decomposição
térmica
(iii)
Tpico
0
Endo
Tg
(Tf)
Final da
decomposição
térmica
Temperatura (oC)
Figura 19 - Curvas DTA/DSC hipotéticas com a indicação
de seis eventos térmicos,
ampliação
da faixa de
J.R.Matos,
2009
temperatura do evento (2) e a terminologia empregada.
J.R. Matos, 2008
132
66
26/9/2009
FATORES QUE AFETAM AS CURVAS DTA/DSC
A DTA e DSC, são técnicas de temperatura dinâmica e um grande
número de fatores podem afetar os resultados experimentais. Esses
fatores, são similares aqueles discutidos em TG/DTG e mais
numerosos em DTA/DSC e podem ter um efeito mais pronunciado.
Se a curva DTA/DSC é usada para propósitos qualitativos, a forma,
posição e número de picos endo exotérmicos é importante.
J.R.Matos, 2009
133
As curvas DTA/DSC é dependente
de duas categorias de variáveis:
a) Atmosfera do forno
a) Tamanho da partícula
b) Razão de aquecimento
b) Quantidade de amostra
c) Material do porta amostra
c) Grau de cristalinidade
d) Geometria do porta
amostra
d) Natureza da amostra
e) Tamanho e forma do
forno
e) Expansão e compressão da
amostra
f) Localização do termopar
na amostra
f) Densidade de Empacotamento
g) Tamanho do fio e da
junção do termopar
h) Sensibilidade do
mecanismo de registro
g) Efeito do diluente
h) Condutividade térmica
i) Capacidade de calor
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
134
67
26/9/2009
a) Razão de aquecimento
Temperatura (oC)
Figura 22. Variação da temperatura do
pico com a  (Curvas DTA de caolinita).
J.R.Matos, 2009
Wendlandt, W. WN. Thermal Analysis
135
mW/mg
-1.5
Endo
0.0
-3.0
AZT
AZT
AZT
AZT
AZT
-4.5
15oC/min
10oC/min
1oC/min
2,5oC/min
5oC/min
110
120
130
Temperatura (°C)
140
Figura 25 - Curvas DSC do AZT (Substância química de referência)
obtidas nas razões de aquecimento de 1, 2, 5, 10 e 15oC.min-1, sob
atmosfera dinâmica de nitrogênio (50 mL.min-1).
Tese de doutorado A. A. Souza Araujo
J.R. Matos, 2008
J.R.Matos, 2009
136
68
26/9/2009
mW/mg
-1.5
-3.0
Endo
0.0
-4.5
0
50
100
150
Tempo (min)
Figura 26 - Curvas DSC do AZT (Substância química de referência)
obtidas nas razões de aquecimento de 1, 2, 5, 10 e 15oC.min-1, sob
atmosfera dinâmica de nitrogênio (50 mL.min-1).
J.R.Matos, 2009
Tese de doutorado A. A. Souza Araujo
137
o
100
Massa (%)
10
o
10 mW
 =20 C/min
5 mW
80
5
2,5
60
40
o
 =10 C/min
100
200
300
400
500
600
Temperatura (oC)
2 mW
Fluxo de Calor (mW)
40
20
10 mW
Exotérmico
 =40 C/min
o
 =5 C/min
Curvas DSC e TG do Sm(CH3SO3)3.2(3-picNO)
1 mW
obtidas em atmosfera de ar (50 mL min-1); 
75
o
 =2,5 C/min
125
175
= 2,5; 5; 10; 20 e 40oC min-1.
225
Temperatura (oC)
J.R. Matos, 2008
J.R.Matos, 2009
138
69
26/9/2009
J.R.Matos, 2009
139
QUÍMICA NOVA, 23(1) (2000) 113
endo
b) Atmosfera do forno
SrO + CO2
O2
DTA
T (oC)
Endo  T Exo
SrCO3
O2
N2
CO2
o
1C
800
900
1000
1100
1200
1300
Temperatura (oC)
150
Figura 28. Efeito da atmosfera
na decomposição térmica do
SrCO3. A transição sólido1 a
sólido2, à 927oC, não é afetada
pela atmosfera.
Wendlandt, W. WN. Thermal Analysis
J.R. Matos, 2008
350
550
750
950
Temperatura (oC)
Figura 29. Curvas DTA obtidas
sob atmosfera dinâmica de O2 e
de N2 de uma amostra de padrão
de CaC2O4.H2O e com razão de
aquecimento 10oC/min.
J.R.Matos, 2009
140
70
26/9/2009
(a)
(b)
R =C6H11
m (%)
DTG
R =C6 H11
R =C6H11
400
T (o C)
c) Efeito do
porta amostra
Exo
Exo
200
R =C5 H9
TG
10%
T
T
R =C5H9
R =C6 H7
Endo
Endo
R =C6H7
R =C3 H5
R =C3 H5
200
400
Temperatura (o C)
600
200
400
Temperatura (o C)
600
Figura 33 – Curvas DSC dos ciclocarboxilatos de Rh [Rh2(O2CR)4] obtidas com β = 5oC/min e
sob atmosfera dinâmica de N2 empregando cadinhos: (a) Fechados; (b) Abertos [inseridas as
curvas curvas TG/DTG da amostra Rh2(O2CC6H11)4, como representativas] .
J.R.Matos, 2009
141
mW/mg
a) Massa da amostra
0.0
-1.0
m
m
m
m
m
-2.0
118
120
122
Temp [C]
124
=
=
=
=
=
7.44 mg
1,12 mg
2,71mg
5,05 mg
0,58 mg
126
Temperatura (°C)
Figura 36- Curvas DSC do AZT (subst. química de referência) obtidas
com diferentes massas de amostra, na razão de aquecimento de
2oC.min-1, sob atmosfera dinâmica de N2 (50 mLmin-1).
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
142
71
26/9/2009
Análise térmica diferencial (DTA)
Calorimetria exploratória diferencial (DSC)
DTA/DSC
Fenômenos
Físicos
T
H
Fusão
Sublimação
Fenômenos
Químicos
f(T, t)
Sólido  Gás
Vaporização
Absorção
Adsorção
Dessorção
Transição Cristalina
Transição Magnética
Transição Vítrea
Sólido(1) + Gás  Sólido(2)
Sólido(1)  Sólido(2) + Gás
Sólido(1) + Sólido(2)  Sólido(3) + Gás
J.R.Matos, 2009
143
Endo
Fluxo de Calor (mw)
ajuste e verificação de linha base
1,0
0,0
-1,0
0
100
200
300
400
500
Temperatura (oC)
Figura 40– Curva DSC obtida a 10°C/min e sob atmosfera dinâmica
de N2 sem cadinhos sobre o sensor (curva em branco).
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
144
72
26/9/2009
CALIBRAÇÃO
Calibração da entalpia
Na curva DSC, a área do pico por unidade de massa S é proporcional à quantidade
de calor H:
H = K.S
Metais de alta pureza, com entalpia de fusão conhecida, são frequentemente
empregados no cálculo da constante de calibração K.
Tabela - Substâncias empregadas para calibração de célula DSC.
Substância
Temperatura de fusão
Calor de Fusão
Onset extrapolada (C)
(J/g)
Índio
156,63
28,59
60,62
Estanho
231,97
Chumbo
327,97
23,22
Zinco
419,58
111,40
Alumínio
660,30
397,00
The Society of Calorimetry and Thermal Analasys, Japan (ed.): Foundation and Application of Thermal Analysis, p. 179 (1985).
J.R.Matos, 2009
145
Algumas substâncias padrões para verificação e ajuste da temperatura e fluxo de
calor em células DSC
Substância
Evento térmico
Temperatura (oC)
H (J/g)
n-heptano
Fusão
-90,6
138,6
Octano
fusão
-56,8
180,0
mercúrio
fusão
38,8
11,5
Água
fusão
0,0
335,0
benzofenona
fusão
48,2
5,61
Bifenil
fusão
69,3
120,4
naftaleno
fusão
80,3
147,0
fenantreno
fusão
99,3
5,97
poliestireno
transição vítrea (Tg)
105
-
ácido benzóico
fusão
122,3
142,0
Índio
fusão
156,6
28,5
estanho
fusão
232,0
60,6
chumbo
fusão
327,5
23,0
Zinco
fusão
419,6
115,8
alumínio
fusão
660,3
398,1
J.R.Matos, 2009
fusão
960,8
146
110,6
Prata
J.R. Matos, 2008
73
26/9/2009
Calibração da temperatura
No cálculo do fator de correção da temperatura do equipamento,
deve ser considerada a temperatura correspondente à onset
extrapolada do pico de fusão do metal, embora existam evidências
de que a fusão propriamente dita tenha sido iniciada em
temperatura menor conforme pode ser observado na curva
derivada.
60
-28,58 J/g
40
-0.50
20
0
155,71
-1.00
-20
130
140
150
160
170
Derivada primeira (mW/min)
156,71
Endo
Fluxo de Calor (mW/mg)
0.00
Célula
calibrada
180
Temperatura (oC)
Figura 41 - Curva DSC/DDSC de uma amostra de Ino (padrão) obtida
a 10oC/mim e sob atmosfera dinâmica de N2 após calibração da célula
J.R.Matos, 2009
147
(DSC de fluxo de calor).
o
Tonset = 157,41 C
Endo
0,0
Figura 40. Curva DSC de uma
amostra de In0 (padrão) obtida a
10oC/mim e sob atmosfera dinâmica
de N2 antes da calibração da célula
 H = 25,70 J/g
-2,0
-4,0
-6,0
-8,0
o
Tonset = 159,29 C
150
160
170
Temperatura (oC)
Tonset = 418,46
0,0
H = 104,29 J/g
-20,0
Endo
-10,0
o
Tpico = 421,25 C
400
420
440
Valor
medido
Valor
esperado
In0
159,29oC
156,63
Zn0
421,25oC
419,58
In0
25,70 J/g
28,59 J/g
Figura 41. Curva DSC de uma
amostra de Zn0 (padrão) obtida a
10oC/mim e sob atmosfera dinâmica
de N2 antes da calibração da célula
Temperatura (oC)
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
Metal
180
148
74
26/9/2009
o
1,0
160
H = -28,67 J/g
Tonset = 156,5oC
DSC
0,0
140
Tonset = 155,1oC
H = 28,74 J/g
120
Fusão
-1,0
T
157,4oC
10
15
Temperatura (oC)
180
Cristalização
Endo
155,4 C
100
20
Tempo (min)
25
30
Figura 42 - Curvas DSC e T de uma amostra de Ino obtidas na célula
DSC com fluxo de calor, sob atmosfera dinâmica de N2 e razão de
aquecimento de 10°C/min.
J.R.Matos, 2009
149
327,80oC
-23,47J/g
-0.50
Endo
0.00
-1.00
331,58oC
300
320
340
360
Temperatura (oC)
Figura 43. Curva DSC de uma amostra de Pb0 (padrão) obtida a
10oC/mim e sob atmosfera dinâmica de N2 após calibração de
temperatura com Ino e Zno e calibaração de entalpia com Ino da célula
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
150
75
26/9/2009
ORIGEM FÍSICO-QUÍMICA DOS
PICOS DAS CURVAS DTA/DSC
FENÔMENO
VARIAÇÃO DE ENTALPIA
FÍSICO
ENDOTÉRMICO
EXOTÉRMICO
Transição cristalina
Fusão
Cristalização
Vaporização
Sublimação
Adsorção
Dessorção
Absorção
Transição ponto Curie
Transição cristal líquido
Transição vítrea
Transição da capacidade calorífica
X
X
X
QUÍMICO
Quemissorção
Dessolvatação
Desidratação
Decomposição
Degradação oxidativa
Oxidação (atmosfera gasosa)
Redução (atmosfera gasosa)
Reações redoxi
Reações em estado sólido
Combustão
Polimerização
Cura
Reações catalíticas
[Wendlandt (1986), p.360]
X
X
X
X
X
X
X
Mudança de linha base, sem pico
Mudança de linha base, sem pico
ENDOTÉRMICO
EXOTÉRMICO
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
J.R.Matos, 2009
APLICAÇÕES DTA-DSC
MATERIAIS
Compostos de coordenação
Compostos orgânicos
Polímeros
Carbohidratos
Gorduras, óleos
Amino-ácidos, Proteínas
Materiais biológicos
Sais hidratados
Óxidos
Metais Ligas
Carvão, Lignina
Madeiras e Correlatos
Catalisadores
Estabilizadores
Antioxidantes
Graxas, Lubrificantes
Xisto, Petróleo
Cerâmica, Cimento
Elastômeros
Explosivos, Propelentes
Combustíveis
Vidros, Tintas, Sabões
Tecidos, Solos
Produtos Farmacêuticos
Produtos Naturais
[Segundo Wendlandt, 2a ed. pag. 253, modificada]
J.R. Matos, 2008
151
TIPOS DE ESTUDOS
Identificações
Determinação de pureza
Determinações Quantitativas
Estabilidade térmica
Estabilidade oxidativa
Reações de desidratação
Reações de desolvatação
Reações de decomposição
Reações gás-sólido
Reações explosívas
Reações em estado sólido
Efeitos de radiação
Cinética de reação
Diagrama de fase
Atividade catalítica
Calores de adsorção
Calores de reação
Calores de polimerização
Calores de sublimação
Calores de transição
Calores de cura
Determinação de ponto curie
Determinação de transições
Determinação vítreas
Determinação de estrutura de polímeros
J.R.Matos, 2009
152
76
26/9/2009
APLICAÇÕES DO DTA E DSC
A COMPOSTOS ORGÂNICOS
Compostos orgânicos
DTA e DSC
Pesquisa
exploratória
Identificação
Estabilidade
térmica
pontos de Fusão
e de ebulição
Transições de fases
polimórficas
Determinação
de pureza
Estudos
quantitativos
Reações
químicas
H de transição
Catálise
Reações
cinéticas
Equilíbrio
de fase
J.R.Matos, 2009
153
ALGUMAS APLICAÇÕES DO DTA E
DSC A COMPOSTOS INORGÂNICOS
Compostos inorgânicos
DTA
Dados
qualitativos
DSC
Dados
quantitativos
H de reações de
fase e dissociação
Identificação e
caracterização
H de transições
de fase
Reações
sólido-sólido
H de reações
de dissociação
Reações de alta
temperatura
Cinética
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
Catálise
154
77
26/9/2009
APLICAÇÕES DO DTA
E DSC A POLÍMEROS
Polímeros
DTA ou DSC
Medidas
qualitativas
Detecção de
Tg, Tm, etc.
Medidas
quantitativas
Medidas
termoquímicas
Identificação
qualitativa
Medidas de
estabilidade
térmica
Detecção de
flamabilidade
Reações
de oxidação
Polimerização
e cura
Catálise
Decomposição
Hm
Hc
Cristalização
Calor
específico
H de
polimerização
Outros
Outros
J.R.Matos, 2009
155
-1,0
Endo
Determinação de pureza
-2,0
Amostra
AZT padrão
-3,0
padrão
A
B
AZT amostra A
AZT amostra B
120
Tonset
(o C)
123,0
121,7
119,5
125
T pico
(oC)
123,9
123,5
123,0
130
Temperatura (oC)
Curvas DSC de amostras de AZT com
diferentes teores de impurezas.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
156
78
26/9/2009
Como a DSC permite executar medidas quantitativas tanto da
temperatura quanto do conteúdo de calor envolvido nos processos
térmicos, ela é utilizada para a avaliação do grau de pureza de um
composto baseado na determinação do seu ponto de fusão, baseando-se na
equação de Van’t Hoff.
2
Tfusão = T0 – x2
R T0
Hfusão
(1)
Tfusão = temperatura da amostra durante a fusão (K)
T0 = ponto de fusão do componente principal ou puro (K)
R = constante dos gases (8,3143 J.K-1.mol-1)
x2 = fração molar do componente 2 (impurezas) na fase líquida
Hfusão = calor molar de fusão do componente principal expresso em J.mol-1;
J.R.Matos, 2009
157
x2 = x2,0 1
F
(2)
x2,0 = fração molar da impureza na substância original (componente principal)
F = fração fundida = Aparcial/Atotal
Aparcial = área parcial em qualquer ponto da curva antes des se atingir o Tpico
Atotal = área total do pico de fusão.
1
F
=
Atotal + C
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
(3)
Aparcial + C
158
79
26/9/2009
2
Tfusão = T0 – x2 R T0
Hfusão
Temperatura (K)
T0
Tf
Teutético
0
x 2,0
1
0,5
Fração molar (x2)
Diagrama de fases de uma mistura eutética
J.R.Matos, 2009
159
Substituindo x2 da Eq. 2 na Eq. 1 é obtida a Eq. 4 mostrando que Tfusão é
uma função linear de 1/F:
Tfusão = T 0 – x2,0
R T 02
Hfusão
(4)
O calor molar de fusão é calculado conforme a equação:
Hfusão =
Atotal + C
m
M
(5)
m = massa da amostra
M = massa molar do componente principal
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
160
80
26/9/2009
R.T 02.m
Tfusão = T0 –
x2,0
(6)
(Aparcial + C)
M
Tfusão (puro)
Tfusão (amostra)
Temperatura (o C)
Concentração de impurezas
Pontos fora de ajuste
Pontos corretos
0
2
4
6
1/F
Gráfico de linearização para a determinação
da concentração de impurezas
Ensaio 1
Ensaio 2
Ensaio 3
Ensaio 4
Ensaio 5
Ensaio 6
Ensaio 1
Tfusão = 156,4oC
0,50 mW/mg
161
Endo
J.R.Matos, 2009
T pico = 157,3oC
 Hfusão = 28,5 J/g
(3,28 kJ/mol)
Pureza = 99,99%
152
154
156
158
Temperatura (oC)
160
162
Curvas DSC de seis ensaios distintos obtidas a 2oC/min e sob atmosfera
dinâmica de N2 de uma amostra padrão de Índio metálico.
Quadro 4.8 – Dados de %pureza das amostras do padrão de In0 e gestodeno obtidos por DSC
Valores de pureza (%)
Amostra
J.R. Matos, 2008
Ensaio 1
Ensaio 2
Ensaio 3
In0
99,99
99,99
99,94
Gestodeno
99,63
99,34
Ensaio 4
99,99
J.R.Matos, 2009
99,37
99,24
Média
Ensaio 5
Ensaio 6
99,96
99,93
99,97
99,31
99,27
99,36
Desvio
padrão
0,027
162
0,14
81
26/9/2009
Ensaio 1
Endo
0,0
Tínicio = 192,3oC
-1,0
Tfinal = 202,5oC
o
T( C)
Tfusão = 197,4oC
198,05
Tpico = 199,1oC
Hfusão = 119,8 J/g
-2,0
pureza = 99,63%
197,05
5,0
3,0
7,0
1/F
-3,0
190
200
Temperatura (oC)
Curva DSC (ensaio 1) obtida a 2oC/min e sob atmosfera dinâmica
de N2 de uma amostra de gestodeno (Gráfico T vs 1/F inserido)
J.R.Matos, 2009
163
-1,0
o
Tinício = 187,1 C
o
Tfinal = 201,5 C
Tfusão = 194,2oC
Tpico = 198,1oC
-2,0
Endo
170
Hfusão = 108,2J/g
Pureza = 98,7%
180
190
200
Temperatura (oC)
Curva DSC obtida a 2oC/min e sob atmosfera dinâmica
de N2 de uma amostra de isotibolona.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
164
82
26/9/2009
Determinação da entalpia de desidratação
(b)
TG
(a)
12,33%
(b)
Massa (%)
um idade
(c)
10,95%
(c)
17,65%
M
0,70 m W//mg
0
a s a (%
)
Endo
DSC
H2O de hidratação
100
Temperatura (oC)
25%
0
200
200
400
Temperatura (oC)
Curvas DSC e TG obtida a 10oC/min de amostras:
(a) CaC2O4.H2O; cálculos renais de origem de oxalato
de cálcio monohidratado (b) e dihidratado (c).
J.R.Matos, 2009
165
0,10
100
Massa (%)
-12,57%
-0,10
90
3H2O
100,49
DTG (mg/min)
0,00
-0,20
M = 419,44 g/mol
%H2O calc. = 12,88 %
50
100
Temperatura (o C)
150
-0,30
Figura 4.50 - Curvas TG/DTG obtida a 5oC;mim sob atmosfera
dinâmica de N2 de uma amostra de amoxicilina trihidratada.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
166
83
26/9/2009
H = 411 J/g
A
H = 412 J/g
0,0
H = 372 J/g
J
H = 378 J/g
L
81,0
-1,0
81,9
Endo
C
79,4
0,50 mW/mg
80,7
30
60
90
Temperatura (oC)
120
Figura 4.51 - Curvas DSC obtida a 5oC;mim sob atmosfera dinâmica de N2
de amostras de amoxicilina trihidratada de quatro procedências distntas.
J.R.Matos, 2009
167
Quadro 4.9- Dados de H(J/g) e T(oC) extraídos das curvas DSC obtidas a 5oC/min
Procedência da
Matéria Prima
Ensaio 1
H (J/g) Tpico DSC (oC)
H (J/g)
Ensaio 2
Tpico DSC (oC)
A
409
80,1
416
82,6
412
81,9
B
408
80,5
410
80,7
-
-
C
414
80,1
411
81,0
-
-
D
406
81,9
408
82,0
-
-
E
409
80,1
403
80,2
412
81,0
F
414
82,1
414
82,0
417
82,4
G
419
81,1
420
81,5
-
-
H
423
83,6
419
83,0
-
-
I
419
83,1
408
83,0
420
80,3
J
375
79,7
372
79,4
374
79,7
L
382
80,7
378
80,7
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
Ensaio 3
H (J/g) Tpico DSC (oC)
168
84
26/9/2009
Compatibilidade Fármaco/Excipiente
Fármaco
não interação
Mistura (1:1)
Análise Térmica
TG/DTG e DSC
Interação
Excipientes
Avaliação
da interação
Excipiente
recomendado
Técnicas
auxiliares
Decomposição química
significante
Excipiente
alternativo
Sim
Interação física
Não
Diagrama sequencial para o estudo de compatibilidade fármaco/excipiente .
J.R.Matos, 2009
169
-0,6
DTG
-1,0
50
-2,0
endo
-0,3
0,0
-3,0
200
400
600
Curvas TG/DTG e DSC obtidas
a 10oC/min e sob atmosfera
dinâmica de N2 de
uma
amostra de lactose.
800
Temperatura (oC)
-0,2
100
DTG
0,0
75
-5,0
50
-10,0
-0,3
25
endo
-0,1
DSC
0,0
0
TG
200
400
Temperatura (oC)
Massa (%)
Derivada primeira (mg/mim)
TG
0
0
J.R. Matos, 2008
Massa (%)
Derivada primeira (mg/mim)
100
DSC
0,0
Curvas TG;DTG e DSC obtidas a
10oC/min e sob atmosfera
dinâmica de N2 de uma amostra
de cloridrato de metformina..
0
600
J.R.Matos, 2009
170
85
26/9/2009
Fármaco
Massa (%)
excipiente
Curvas TG obtidas a 10oC/min e sob
atmosfera dinâmica de N2 das
amostras de: a) cloridrato de
metorfomina; b) lactose; c) mistuta
física fármaco;excipiente.
mistura
25%
200
400
600
800
Temperatura (oC)
excipiente
mistura
2,50 mW/mg
100
Curvas DSC obtidas a 10oC/min e sob
atmosfera dinâmica de N2 das
amostras de: a) cloridrato de
metorfomina; b) lactose; c) mistuta
física fármaco;excipiente.
endo
Fármaco
200
Temperatura (oC)
300
171
J.R.Matos, 2009
Caracterização de polimorfos
268,6 C
Endo
Fluxo de calor
399,3 C
Polimorfo I
Polimorfo II
(a)
257,6 C
420,9 C
209,4 C
(b)
0,50 mW/mg
0
100
193,9 C
200
300
400
500
Temperatura (C)
Sobreposição das curvas DSC obtidas a 10oC/min e sob atmosfera
dinâmica de N2 dos polimorfos da rifampicina: (a) I e (b) II.
J.R.Matos, 2009
J.R. Matos, 2008
172
86
26/9/2009
Forma II
Massa (%)
100
Forma I
Forma II
50
Forma I
0
200
400
600
800
Temperatura (°C)
Curvas TG/DTG das forma I e II de tibolona em atmosfera dinâmica de N2 ,
razão de aquecimento de 10°C.min-1, massa de ~ 5 mg em cadinho de Pt.
173
0,0
Curvas DSC das forma I e II
de tibolona em atmosfera
dinâmica de N2 , β de 10
°C/min, m ~ 2 mg em
cadinho de Al parcialmente
fechado.
Forma II
-5,0
Endo
J.R.Matos, 2009
Forma I
-10,0
140
180
160
I
III
Curva DSC da forma
triclínica, β de 2°C/min,
atmosfera dinâmica de N2,
m ~ 2 mg em cápsula de Al.
0,10 mW/mg
140
150
Temperatura (oC)
J.R. Matos, 2008
II
Endo
Temperatura (oC)
160
J.R.Matos, 2009
174
87
26/9/2009
Alunos
Mery dos Santos Filho (D)
Dulce Magalhães (D)
Gabriel Lima Barros de Araujo (D)
Hélio Salvio Neto (D)
Nara Andréa de Oliveira (D)
Carina Kiomi Oushima (M)
Elisabete Miranda da Silva (M)
Tamy Koreeda (M)
André Luis Máximo Daneluti
Fernanda Alves da Silva (IC)
Carina Cleia Pessotto (IC)
175 175
J.R.Matos2009
Ex--alunos de PósEx
Pós-Graduação
Prof. Dr. José Marques Luiz (FEG-UNESP)
Prof. Dr. Creusa Aparecida Fantin (FOC)
Prof. Dr. Afonso R. de Aquino (CNEN-IPEN)
Prof. Msc. Maria G. A. dos Santos (SEESP)
Dra. Miriam Hisami Miyano (Cognis)
Profa. Dra. Omara Cussigh (Unib)
Prof.Dr. Marcos A. Segatto Filho (UFSC)
MSc. Cláudia Mônica Tortorelli (FOC)
Profa. Dra. Maria de Fátima V. Moura (UFRN)
MSc. Ana Carolina R. Gomes (FASB)
Prof. Dr. Arnaud Victor dos Santos (UNEB)
Dr. Luis Carlos Cides da Silva (D)
Profa. Dra. Adélia Maria L. Silva (PUC-GO)
MSc. Ricardo Alves (Furp)
Profa. Dra. Lucildes Pita Mercuri (UNIFESP)
MSc. Marcia de Mathias Rizzo (Art. Plástica)
Dr. João Pitóscio Filho (Etapa)
Dra. Floripes Ferreira de Oliveira ( )
MSc. Glauber José T. Fernandes (UFRN)
MSc. Nara Andrea de Oliveira (FOC)
Prof. Dr. Ademir Oliveira da Silva (UFRN)
MSc. Raquel da Silva (Oxiteno)
Profa. Dra. Maria Lurdes Felsner (Senai)
Dr. Marco Antonio Logli
Profa. Dra. Maria Luiza A. Gonçalves (UFF)
MSc Mery dos Santos Filho
Prof. Dr. Adriano Antunes de S. Araujo (UFSE)
J.R.Matos2009
J.R. Matos, 2008
176
88
26/9/2009
Agradecimentos
IQ – USP
CAPES
CNPq
FAPESP
Professores e colaboradores
Alunos
VII CBRATEC
25 a 28 de abril
2010 – São Pedro
São Paulo
177
J.R. Matos, 2008
89

Análise Térmica Aplicada a Fármacos e Medicamentos

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