AppNote 36丨利用DVS研究水合物的形成和损失

Investigation of Hydrate Formation and Loss Using the DVS

Dan Burnett and Frank Thielmann, Surface Measurement Systems Ltd.

引言

对于许多材料而言,相变会受到样品周围水蒸气含量的影响。水蒸气可以以多种方式与固体结合,例如仅吸附在表面、深入吸收到内部结构中、化学吸附在表面、作为增塑剂促使玻璃化转变并可能诱导自发重结晶,或者与固体发生化学反应。对于水合物而言,水通常以化学计量比掺入晶格结构中。此外根据样品周围的条件,一个样品可能形成几种不同的化学计量比水合物。而且水合物通常仅在特定的湿度和温度环境下稳定。

材料的最终水合状态可能会影响多种理化性质,包括物理和化学稳定性。晶体物质的水合状态在制药行业尤为重要^[1]。例如一些水合物质在脱水后会变成无定形。此外不同的水合物形态会影响材料的溶解度、溶出速率、流动性和可压缩性。这些因素会影响药物研发过程的整个环节,从预配方到固体制剂开发,再到包装和储存。据估计,大约三分之一的药物活性成分能够形成结晶水合物^[2]。鉴于上述原因,监管机构越来越重视对辅料和活性药物的物理形态进行全面表征和控制^[3]。本文描述了如何利用动态蒸气吸附技术(DVS)来检测和表征水合物的形成与环境相对湿度的关系。

理论

等温线描述了平衡蒸气吸附量与蒸气分压的关系。如果某种物质在不同的蒸气压下形成化学计量比的水合物,那么相应的平衡吸附量和由此得到的等温线可用于计算水合物的化学计量比。例如考虑一种无水物质,样品A,其分子量为MW。如果样品A在特定的蒸气分压下形成水合物,那么在该分压下的增重百分比WG可用于计算水合物的化学计量比S,如下面的公式(1)所示：

上述方程式假设形成化学计量比的或真正的水合物。类似的分析方法也适用于溶剂化物化学计量比。只需将水分子的分子量(18.01amu)替换为所用蒸气的分子量即可。

方法

动态蒸气吸附(DVS)是一种成熟的测定蒸气吸附等温线的方法。本研究使用的DVS仪器采用SMS超精密天平,通过重量法测量蒸气的吸附和损失,质量分辨率为±0.1μg。高分辨率和优异的基线稳定性使得该仪器能够测量极微量探针分子的吸附和解吸。通过使用电子质量流量控制器混合饱和载气流和干燥载气流,控制样品周围的蒸气分压。通过将整个系统置于温控恒温箱中,温度保持在±0.1°C的恒定范围内。

盐酸纳洛酮是一种特性明确的药物,用于预防或逆转麻醉性镇痛药的作用,被用作水合物形成模型药物。盐酸纳洛酮可从Aldrich公司获得,其为二水合物,分子式为:C₁₉H₂₁NO₄⋅HCl⋅2(H₂O);原子量为399.88amu。将该二水合物置于DVS样品盘中,并在25℃下用干燥氮气流干燥。然后湿度以10% RH的步长递增至90%RH。最后以类似的方式降低湿度进行解吸。

本研究还利用动态蒸气系统(DVS)研究了奈多罗米钠(一种常用药物,用于抑制哮喘相关炎症细胞的活性)的水合物形成/损失。奈多罗米钠(C₁₉H₁₅NO₇Na₂;415.29amu)已知具有多种水合物状态,包括一水合物、三水合物和七水合物^[4]。在22℃和50%相对湿度(近似环境条件)下,奈多罗米钠以三水合物形式存在,但当22℃下相对湿度低于6%时,它会失去两个水分子形成一水合物。当22℃下相对湿度高于80%时,奈多罗米钠会形成七水合物,最终在相对湿度高于90%时形成溶液^[4]。在DVS实验中,将三水合物置于0%相对湿度和25℃的样品盘中,先通入干燥氮气,然后以10%的湿度梯度递增至90%相对湿度,最后再进行一次95%相对湿度的吸附。随后以类似的方式降低湿度进行解吸。

实验结果

盐酸纳洛酮

图1显示了纳洛酮样品在0%至90%相对湿度范围内的吸湿动力学曲线。红线表示质量变化百分比(基于干燥值)随时间的变化,蓝线表示相对湿度随时间的变化。相应的等温线如图2所示,其中红线代表吸附阶段,蓝线代表解吸阶段。

▲图1. 盐酸纳洛酮在25.0°C下的水吸附动力学

在初始干燥阶段,样品会损失约9.6%的干重。盐酸纳洛酮二水合物的分子量为399.88amu。如果样品失去两个水分子(36.02amu),则相当于损失 9.9%的重量(基于干重值363.86amu)。因此样品很可能在干燥过程中失去两个水分子。

当相对湿度增加到50%RH时,样品吸附大量水蒸气,重量接近平衡。在60%RH阶段,样品质量最初增加,然后逐渐下降。在70%RH阶段,这种现象更为显著,质量先短暂增加,随后急剧下降,最终达到平衡。这种行为是水诱导重结晶的典型特征。类似的行为也曾在无定形乳糖中观察到^[5,6]。水作为增塑剂,降低了玻璃化转变温度,从而诱导自发重结晶。初始原料是结晶二水合物。因此在60%RH下观察到的无定形到结晶转变表明,初始样品在干燥阶段失去两个水分子后变为无定形。类似的行为也曾在其他水合物中观察到^[1]。当湿度进一步增加到90%RH时,样品吸附的水分很少,并迅速达到平衡。这种快速的动力学和少量的吸水表明,水被吸附到已结晶的材料表面。

在脱附阶段,相对湿度从90%降至10%时,质量几乎没有变化。这同样是由于晶体材料表面水的脱附所致。在0%脱附阶段,质量急剧下降,样品质量恢复到略低于初始“干燥”状态的值。这可能是由于干燥过程中HCl的损失或水分吸附所致。

图2中的等温线显示,在相对湿度低于50%时存在一个较宽的滞后间隙。这通常表明形成了水合物,即样品在比吸附水分子更低的相对湿度下失去水分子。基于吸水量,我们可以估算水合物的化学计量比。在10%相对湿度的脱附步骤中,样品保留了约9.6%的干重。利用公式(1),我们可以估算该水合物的化学计量比：

如公式(2)所示,在10%RH解吸步骤中,水合物的化学计量比为1.9,表明其为二水合物。这与纳洛酮盐酸盐二水合物起始原料的化学计量比相同。计算得到的化学计量比并非整数,这可能是由于吸附循环过程中HCl的损失所致。

总体而言,盐酸纳洛酮二水合物样品在25.0°C下,相对湿度在0%至90%范围内表现出复杂的水合物/脱水物行为。样品最初为二水合物晶体。干燥后,样品失去两个水合水分子,变为无定形。暴露于水蒸气中时,样品吸附大量水分,并在相对湿度60%至70%范围内经历从无定形到晶体的转变,最终形成二水合物晶体。在解吸阶段,样品保持二水合物的化学计量比,直至在0%相对湿度下干燥,再次失去两个水分子。

奈多罗米钠

图3显示了约5mg奈多罗米钠样品的吸湿动力学。与之前一样,红线描绘了质量(基于干值)随时间变化的百分比变化,而蓝线描绘了相对湿度随时间的变化。图4显示了由此得到的吸附(红色)和解吸(蓝色)等温线。

如前所述,奈多罗米钠三水合物(装入样品盘时的状态)在低相对湿度下会失去两个水分子,形成一水合物。图3中的干燥阶段清晰地显示了这一点。根据一水合物的干重值(433.30amu),两个水分子会导致质量变化8.3%。该值与干燥阶段约8%的质量损失吻合良好。

在20%相对湿度下,样品吸附了约8.4%的干重(一水合物)。根据公式(1),该质量增加相当于2.0摩尔水,这与三水合物的形成相对应。

样品吸水量相对较小,直到相对湿度达到95%时,质量出现显著增加。在 95%相对湿度下保持1小时后,质量并未完全吸附,因为质量尚未达到平衡。在这些条件下,预计样品会形成七水合物,随后形成溶液。由于样品质量未达到平衡,因此任何水合物的形成都不会完全。

在解吸阶段,当湿度降至10%RH时,质量变化很小。样品在10%RH时保留了约14.8%的干质量。在解吸至0%RH的步骤中,样品损失了大量的水分,质量恢复到吸附阶段0%RH时的水平,表明样品恢复为一水合物形式。值得注意的是,在吸附阶段观察到的三水合物在所研究的条件下并未出现。由此产生的大滞后间隙(见图4)是水合物形成的特征。在90%至95%RH之间形成的这种水合物的化学计量比为3.6%。

样品应具有七水合物的化学计量比(7.5个水分子),但质量在90%至95%相对湿度阶段并未达到平衡,因此水合物的形成可能不完全。

结论

对盐酸纳洛酮二水合物和奈多罗米钠化合物进行了水合物生成和损失的研究。在所研究的条件下,样品表现出复杂的水合/脱水行为。水合物的化学计量比通过相应的重量增加来确定。类似的分析方法可应用于多种水合物和溶剂化物体系。这些信息可为药物及其辅料的加工和储存条件提供重要信息。