夜雨聆风Investigation of Solvate Formation and Loss Using the DVS
Dan Burnett and Frank Thielmann, Surface Measurement Systems Ltd.App Note 41
摘要
药物固体通常可以形成溶剂化物,这会影响材料的物理和化学稳定性。动态蒸气吸附(DVS)可以快速准确地测定一系列固-气体系的溶剂化物化学计量比。本文描述了无水卡马西平的丙酮溶剂化物形成以及红霉素的乙醇溶剂化。本研究观察到了1:1的卡马西平-丙酮溶剂化物和1:3的红霉素-乙醇溶剂化物。
1.引言
大约三分之一的有机材料表现出晶体多晶型现象,另有三分之一能够形成水合物或溶剂化物[1]。药物固体的物理和化学稳定性高度依赖于其多晶型状态。例如不同多晶型的粉末流动性、吸湿性、溶解度、溶出速率和稳定性可能存在差异[2]。此外药物溶剂化物对环境变化的响应行为可能对药物的研发和疗效产生严重影响[3]。溶剂化物的物理化学稳定性也是一个值得关注的问题,因为在脱溶剂过程中,它们可能转化为无定形形式或变得化学性质不稳定[4]。最终的溶剂化状态可能取决于温度和溶剂化物的浓度。此外美国食品药品监督管理局(FDA)要求提供用于检测药物多晶型、溶剂化或无定形形式的分析数据。鉴于上述原因,研究溶剂化和去溶剂化行为在各种储存和加工条件下至关重要。
本文利用动态重量法蒸气吸附(DVS)装置,研究了卡马西平(CBZ)与丙酮蒸气以及红霉素(ERM)与乙醇蒸气的溶剂化和去溶剂化行为。尽管水蒸气形成水合物的现象已被广泛观察到(参见应用说明36),但据所知,这是首次报道有机蒸气形成溶剂化物。从非溶剂化状态到溶剂化状态的转变是一个一级相变[5]。无论是在液相还是气相中形成,溶剂化-去溶剂化过程在热力学上都是等价的。如果这两个过程都在平衡条件下进行,那么在液相和气相中,溶剂化-去溶剂化转变应该发生在相同的溶剂活度下。因此,通过蒸气吸附技术测量的溶剂化物形成可以指示液相中类似转变发生的位置。这或许对在不同溶剂中结晶药物有用。
2.方法
卡马西平(C15H12N2O),5H-二苯并(b,f)氮杂卓-5-甲酰胺,是一种用于治疗癫痫的抗惊厥药物,常被用作研究多晶型的模型物质[6,7,8,9,10]。已知卡马西平至少形成四种无水多晶型,其中两种为单斜晶系,一种为三方晶系,第四种为三斜晶系[6,8]。卡马西平的二水合物也已被鉴定和研究[10,11,12]。此外还鉴定出了二恶烷[13]和丙酮[14]溶剂化物。丙酮溶剂化物的结构已被确定,其不对称单元中包含一个丙酮分子[14]。依莫西林(ERM,C37H67NO13)是一种已使用超过50年的抗生素,其存在多种已报道的形式(无水物、一水合物、二水合物和各种溶剂化物)。特别是研究发现依莫西林在乙醇溶液中能形成1:3的溶剂化物[15]。
本实验以结晶卡马西平(Sigma公司)为起始原料。将结晶卡马西平浸泡于水中过夜,然后在相对湿度为0%的条件下干燥,制备无定形卡马西平。此前已有研究证明,该方法可制备100%无定形卡马西平[16,17]。本实验使用丙酮(HPLC级;Sigma公司)作为溶剂。结晶(-)ERM·xH2O(Sigma公司)直接使用,无需进一步纯化。
将样品(2-6mg)置于所需温度下的DVS-Advantage(现已升级为DVS Resolution型号)仪器中,首先在100sccm(标准立方厘米)的干燥空气流(相对湿度<0.1%)中干燥数小时,以获得干重。然后将样品暴露于蒸气浓度步幅变化(饱和蒸气压的相对百分比;%P/Po)中。对于卡马西平(CBZ),丙酮浓度变化曲线如下:从0%到50%,每次增加10%;从55%到95%,每次增加5%;最后以类似方式降至0%P/Po。对于依莫西林(ERM),乙醇浓度变化曲线如下:从0%到95%P/Po,每次增加5%;最后以类似方式降至0%P/Po。在每个% P/Po步幅中达到质量平衡后,实验才会进行到下一个预设步骤。
3.结果
卡马西平-丙酮溶剂化物的形成
图1显示了无定形卡马西平上丙酮蒸气的吸附和解吸等温线。y轴表示以干重为参考的平衡净质量变化百分比,x轴表示反应室中丙酮的相对分压 (P/Po)百分比。在吸附阶段(红线),当P/Po低于85%时,质量变化极小。超过此点后,样品质量增加近24%。在解吸阶段(蓝线),直到丙酮的相对分压降至10%P/Po以下,样品质量才开始显著下降。质量增加和质量损失的急剧转变点通常表明溶剂化物的形成和损失。
如果某种物质在气相中形成化学计量溶剂化物,则相应的等温线可用于确定溶剂化物的精确化学计量比。例如,考虑一种干燥的物质样品A,其分子量为MWA。如果样品A与溶剂B(分子量为MWB)形成溶剂化物,则在溶剂化分压WG下的净增重百分比可用于计算溶剂化物的化学计量比S,如公式 1所示。
方程式1假设形成化学计量溶剂化物。
利用公式1和无水卡马西平的236.28amu,可以确定图1中丙酮溶剂化物的化学计量比。溶剂化物形成导致的质量增加为23.7%,这与0.96的化学计量比或1:1的溶剂化物相对应。这与之前报道的CBZ/丙酮溶剂化物一致[14]。因此,高于85%P/Po的转变点强烈表明了形成溶剂化物所需的丙酮浓度。
为了研究温度对溶剂化转变点的影响,在10至30°C之间进行了与图1类似的实验。随着温度升高,脱溶剂化点没有变化。这很可能是由于动力学限制,即脱溶剂化必须克服较强的活化能垒才能解吸。然而,图2清楚地显示,溶剂化转变点随着测量温度的升高而显著升高。
根据Carstensen[18]的研究,水合物的热力学形成可以用方程式2来描述：
其中H代表水分子,x为水合物的化学计量比。平衡常数(K)及其与温度的关系(根据范特霍夫方程)如公式3所示,其中PH为水蒸气压,∆Hx为反应热。
根据公式3,温度升高需要水蒸气压随之升高,才能使平衡常数向水合物形成方向移动。可以假设溶剂化物的形成与公式2和3类似,因此本研究的趋势得到了热力学的支持。利用公式3并对图2中的数据进行线性化处理(R²>0.99),从斜率计算得到反应热为15.9 kJ/mol。
在所有研究温度下,溶剂化物形成和损失之间都存在较大的滞后间隙。事实上,即使采用6小时的脱附步骤,脱附等温线期间的溶剂化物损失转变也保持不变(低于10%P/Po）。由于溶剂化物的形成是一级热力学转变,因此预计溶剂化和脱溶剂化会在相同的条件下发生。因此,滞后间隙可能是由于动力学限制造成的。脱溶剂化的诱导期可能相当长,因此可能超出这些实验的时间尺度[19]。脱溶剂化动力学的研究是应用说明45的重点。图3显示了ERM的乙醇蒸气吸附和解吸等温线。y轴表示相对于干重的平衡净质量变化百分比,x轴表示反应室中乙醇的P/Po百分比。在乙醇吸附过程中(红线),当P/Po低于65%时,样品质量逐渐增加。
在65%至90%P/Po之间,样品重量急剧增加,直至样品质量增加超过22%(基于干重)。在乙醇解吸过程中(蓝线),样品质量直到乙醇相对分压降至10%P/Po以下才开始显著下降。与图1中CBZ-丙酮的结果类似,图3中观察到的质量增加和质量损失的急剧转变点通常表明溶剂化物的形成和损失。利用公式1并测量吸附和解吸等温线之间的吸附量差异(即滞后),可以估算溶剂化物的化学计量比。在15%至40%P/Po之间,平均滞后为18.34%。利用该值和无水ERM的分子量733.93amu,图3表明吸附了2.92个乙醇分子。因此本研究中的DVS结果支持在P/Po乙醇蒸气浓度高于90%时形成 1:3ERM-乙醇溶剂化物。
▲图3. 25℃下ERM的乙醇蒸气吸附(红色)和解吸(蓝色)等温线
仔细观察图3中的吸附等温线表明,在70%至80%P/Po之间可能形成了一种中间溶剂化物。该范围内的重量变化百分比约为6.5%。根据公式1,这相当于1.0个乙醇分子。之前的研究人员在热重分析(TGA)研究中也观察到了与ERM形成的1:1乙醇化物[15]。使用更小的分压步长或在该分压范围内进行多个循环的实验可能有助于证实这种中间体的存在。
4.结论
无定形卡马西平在暴露于足够高浓度的丙酮蒸气时,会与丙酮形成1:1化学计量比的溶剂化物。溶剂化作用随丙酮浓度和温度的升高而增强,溶剂化热为15.9kJ/mol。脱溶剂化浓度不随温度变化,这很可能是由于脱溶剂化动力学缓慢所致。红霉素在P/Po比高于90%时与乙醇形成1:3的溶剂化物,在P/Po比约为70%且温度为25°C时,可能形成1:1的中间体。重量法蒸气吸附研究可以作为一种强有力的工具,用于表征各种溶剂浓度和环境温度下的溶剂化物。
References
[1] J.O. Henck, U.J. Griesser and A. Burger, Pharm. Ind., 59 (1997) 165-169.
[2] H.G. Brittain, editor, Polymorphism in Pharmaceutical Solids, Marcel Dekker, New York 1999.
[3] R.V. Manek and W.M. Kolling, AAPS PharmaSciTech, 5 (2004) article 14.
[4] A. Khawam and D.R. Flanagan, J. Pharm. Sci., 95 (2006) 472-498.
[5] W. Beckmann and G. Winter, Industrial Crystallization (1999) 1-10.
[6] A.L. Grzesiak, M. Lang, K. Kim and A.J. Matzger, J. Pharm. Sci., 92 (2003) 2260-2271.
[7] D. Murphy, F. Rodríguez-Cintrón, B. Langevin, R.C. Kelly and N. Rodríguez-Hornedo, Int. J. Pharm., 246 (2002) 121-134.
[8] R.K. Harris, P.Y Ghi, H. Puschmann, D.C. Apperley, U.J. Griesser, R.B. Hammond, C. Ma, K.J. Roberts, G.J. Pearce, J.R. Yates and C.J. Pickard, Organic Process Research & Development, 9 (2005) 902-910.
[9] C. Rustichelli, G. Gamberini, V. Ferioli, M.C. Gamberini, R. Ficarra and S. Tommasini, J. Pharm. and Biomed. Anal., 23 (2000) 41-54.
[10] L.E. McMahon, P. Timmins, A.C. Williams and P. York, J. Pharm. Sci., 85 (1996) 1064-1069.
[11] G. Reck and G. Dietz, Cryst. Res. Technol., 21 (1986) 1463-1468.
[12] P. Kahela, R. Aaltonen, E. Lewing, M. Anttila and E. Kristofferson, Int. J. Pharm., 14 (1983) 103-112.
[13] R. Hilfiker, J. Berghausen, F. Blatter, A. Burkhard, S.M. De Paul, B. Freiermuth, A. Geoffroy, U. Hofmeier, C. Marcolli, B. Siebenhaar, M. Szelagiewicz, A. Vit and M. von Raumer, J. Therm. Anal. Calorim., 73 (2003) 429-440.
[14] C.F. Terrence, M. Sax, G.H. From, C.H. Chang and C.S. Yoo, Pharmacol., 27 (1983) 85-94.
[15] S. Mirza, I. Miroshnyk, J. Heinamaki, L. Christiansen, M. Karjalainen, and J. Yliruusi, AAPS PhaarmSci, 5 (2003) article 12.
[16] R. Surana, A. Pyne and R. Suryanarayanan, AAPS PharmSciTech, 4 (2003) Article 68.
[17] Y. Li, J. Han, G.G.Z. Shang and D.J.W. Grant, Pharm. Dev. Technol., 5 (2000) 257-266.
[18] J. Carstensen, Solid Pharmaceutics: Mechanical Properties and Rate Phenomena, Academic Press, New York 1980. [19] U.J. Griesser and A. Burger, Int. J. Pharm., 120 (1995) 83-93.
Surface Measurement Systems Ltd.
英国SMS公司 – 中国分公司
萨默斯科技 (上海) 有限公司
SMS Technology (Shanghai) Co., Ltd.
联系人: 王经理 136 0271 1380
网址: www.smsinstruments.cn
邮箱: smschina@surfacemeasurementsystems.com
微信公众号: SMS Technology
