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水合物溶解度一定低于无水晶型吗?

水合物溶解度一定低于无水晶型吗? 青云瑞晶
2022-12-16
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导读:以下文章来源于药物处方前研究 ,作者处方前小学生。在药物结晶过程中,若溶剂分子和API分子以一定的作用力(氢
以下文章来源于药物处方前研究 ,作者处方前小学生。
在药物结晶过程中,若溶剂分子和API分子以一定的作用力(氢键,范德华力等)结合在同一晶格中,则该晶体称之为溶剂化物。如果溶剂为水,该溶剂化物即为水合物。水分子由于体积小,而且容易和API分子形成氢键,所以水合物在药物固态研究中非常常见。由于水是完全可以被人体接受的一种特殊溶剂,所以稳定的水合物是完全可以用于药物开发的。对于水合物,有一个非常重要的概念,就是水活度。如下图所示,当体系水活度高于临界水活度时,水合物比对应的无水晶型热力学更稳定;当体系水活度低于临界水活度时,则无水晶型是热力学更稳定晶型。临界水活度随着温度的升高而增大,因此,低温和高湿比较有利于水合物的稳定存在。无水晶型热力学稳定性和溶解度的关系同样适用于无水晶型和水合物之间,或者两个不同的水合物之间,即热力学更稳定晶型具有更低的溶解度。

当水活度大于临界水活度时,水合物的吉布斯自由能低于无水晶型,所以水合物理论上具有更低的溶解度。而根据Noyes-Whitney方程,在其它条件相同的情况下,水合物也具有更低的溶解速率。因此,水合物具有更低的溶解度和溶出速率已成为一个共识。事实上,溶解速率还受其它因素的影响,如颗粒大小、形貌、比表面积等。有一些药物的水合物比对应的无水晶型具有更高的溶出速率。
水合物和无水晶型(或者两种不同晶型)的吉布斯自由能之差可以用下面的公式表示:

其中a是热力学活度,x是任意给定的溶剂中的溶解度。对多晶型而言,吉布斯自由能之差只与温度和压力有关,和溶剂无关。而对于水合物和无水晶型,吉布斯自由能之差与温度和水活度相关。
药物多晶型研究中,判断不同晶型的热力学稳定性关系非常重要。在以往的文章中已经介绍过,判断不同晶型稳定性关系的方法主要有混悬打浆法(competitive slurry),热力学分析(heat of fusion law)和范特霍夫方程等。前面两种方法已经在以往的文章中有详细介绍,本文主要介绍范特霍夫方程。
范特霍夫方程(Van 't Hoff equation)是一个用于计算在不同温度下某反应的平衡常数的方程范特霍夫方程也可以用于描述摩尔分数溶解度,温度,溶解焓和溶解熵之间的关系。如下面的公式表示。


其中xA是摩尔分数溶解度,T是绝对温度,R是气体常数,ΔHΔS分别表示溶解焓和溶解熵。从公式中可以看出,In xA1/T成正比。下图所示的是吡虫啉(imidacloprid)两种晶型溶解度的范特霍夫方程曲线。相比于混悬打浆和热力学分析,范特霍夫方程可以快速得到两种晶型转化的临界温度。如下图所示,两条直线的交叉点即为临界温度。范特霍夫方程用于判断晶型稳定性关系的前提条件是所研究的晶型在溶液体系中能够稳定存在一段时间。否则,如果在溶解度测试过程中晶型发生改变,则此时测试的即为剩余固体晶型的溶解度,从而无法通过范特霍夫方程作图对热力学稳定性关系进行判断。

范特霍夫方程同样也可以用于测定水合物和无水晶型的临界转晶点。Haiyan Qu等人研究了卡马西平(carbamazepine)无水晶型和水合物转晶的关系。作者在不同摩尔比的水和乙醇溶剂中测定了卡马西平的溶解度,并对最后剩余固体进行XRPD测试,以区分该条件下的溶解度是水合物的还是无水晶型的。从表中可以看出,在相同摩尔比的混合溶剂中,低温下得到水合物,而高温得到的则是无水晶型。随着水含量的增加(水活度增大),无水晶型和水合物的转晶温度升高。这与上文中的结论是一致的。

有了溶解度数据和剩余固体的晶型,我们就可以通过范特霍夫方程计算得到转晶温度。以第一组溶解度为例进行计算:

首先将数据输入Excel,然后分别计算出1/TIn S的值,然后以1/T为横坐标,In S为纵坐标作图,并添加趋势线。此处分别对水合物和无水晶型作图,得出两条线,而它们的交点即为转晶点。得到两条线的拟合方程,分别为y = -3131.3x + 12.002y = -3875.6x + 14.592,令y相等,则可以求得x=0.003479,即T=287.43。换算为摄氏度即为14.3°C


一般情况下,水合物的溶解度在室温条件下是低于无水晶型的,这也是药物水合物普遍存在的原因之一,但也有一些特例。ROSITZA I. PETROVA等人研究了一种化合物的多晶型,分子结构如下图所示。该化合物已经发现的有三种无水晶型(anhydrate),一个一水合物(monohydrate)和一个二水合物(dihydrate)。

Form I是热力学最稳定的无水晶型,Form I可以通过如下方法制备:将1体积化合物热的(40°C)乙酸溶液(167 mg/mL)加入至1体积的水中,得到的混悬液老化1个小时,然后冷却至室温。再加入1体积水,混悬液在15°C老化1小时。

一水合物可以通过如下方法制备:在室温下,将1体积化合物的乙酸溶液(100 mg/mL)加入至10体积的水中,然后冰水浴冷却至5°C。二水合物可以通过同样的步骤制备得到,只是起始化合物浓度为200 mg/mL

另外两个无水晶型Form IIForm III不能从溶液中直接得到。其中Form II可以通过加热Form I至熔融,然后冷却结晶得到。Form II的熔点高于Form I,但是Form IForm II在水中室温下等量竞争打浆会得到Form I。说明Form IForm II是互变关系(enantiotropically related)。Form III可以通过一水合物或者二水合物脱水得到。Form III的熔点是最低的,而且熔融转化为Form IForm IForm III在水中室温下等量竞争打浆会得到Form I。因此,Form IForm III是单变关系(monotropically related)。基于上述结果,Form I至少是室温下热力学最稳定晶型。

一水合物是最先发现的晶型,有趣的是将一水合物在纯水中打浆居然得到了无水的晶型I。这很显然和常规的理论和经验规则是不一致的。为了研究水合物的稳定区间,进行了不同水活度条件下的竞争打浆实验。将一水合物、二水合物和无水晶型晶型I等量混合,然后在不同水含量的甲醇-水体系打浆,水含量从0100%(体积百分数)。混悬液在5°C50°C的范围内打浆72小时。所有实验条件下,混合物都转化为无水的Form I。上文也提高,水合物和无水晶型的热力学稳定性关系除了和水活度,和温度也有关系。另外,低温有利于水合物的存在。因此,设置了更多的水活度实验,不同的溶剂体系,在更低的温度,0,﹣5°C和﹣20°C。结果所有的实验都只得到一种单一的晶型,即无水的Form I

为研究水合物和无水晶型转化动力学,将等量一水合物和二水合物的混合物在25°C下水中打浆,通过XRPD监控转晶的速率。结果发现两个水合物在15分钟内即完全转化为无水的Form I。如此快速的转化速度很难测定两个水合物的溶解度和溶出速率。所以又研究了在不同湿度下的转化情况。实验发现,在较低的湿度(5%RH)下,一水合物和二水合物在3小时内即转化为Form I,这比较符合通常的实验现象。但有意思的是,水合物在高湿(97.5%RH100%RH)和低湿(5%RH)情况下比常规湿度(如31%RH58%RH)下更容易转化为无水晶型。推测可能的原因是:在低湿度下,水合物脱水转化为无水晶型,而在高湿度条件下,水的多层吸附以及毛细管凝聚使得水合物发生溶剂介导相转变,类似在纯水中打浆。

在药物固态研究中,很少有一个“定理”,所有的实验结果都符合这样的“定理”。往往都有一些特例,比如竞争打浆得到的不一定是热力学最稳定晶型,可能存在“溶剂效应”。游离态和酸或碱的电离常数差值小于2也不一定不能成盐,等等。因此,在药物固态开发时,如果遇到不太符合常理的现象,不要急于认为“不可能”,而是应该多查阅文献,是不是有一些特例。即使没有文献报道,也不代表不存在,应该有自己的思考和探索。



参考文献:

1. Petrova, Rositza I., et al. "Rapid conversion of API hydrates to anhydrous forms in aqueous media." Journal of pharmaceutical sciences 98.11 (2009): 4111-4118.

2. Qu, Haiyan, Marjatta Louhi-Kultanen, and Juha Kallas. "Solubility and stability of anhydrate/hydrate in solvent mixtures." International journal of pharmaceutics 321.1-2 (2006): 101-107.

3. Zhao, Jing, et al. "Monitoring the polymorphic transformation of imidacloprid using in situ FBRM and PVM." Organic Process Research & Development 17.3 (2013): 375-381.

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