8. Chemické reakce v pevných léčivech 8. 1. Úvod Chemická stabilita pevných léčiv je velmi důležitým a sledovaným parametrem. Jedná se o vlastnost léčiva zachovat si ve stanovených mezích po určitou dobu skladování určené chemické jakostní znaky. Léčivo, uvedené na trh, musí po celou dobu použitelnosti (do expirace) být chemicky stabilní především v širokém rozmezí teploty, vlhkosti, při působení světla a při kombinaci těchto vlivů. Z tohoto důvodu je léková formulace podrobována testům stability, kdy se modelují skladovací podmínky v různých klimatických oblastech. Ve farmacii se používají tři druhy stabilitních testů: zátěžový (stresový) test , zrychlený test a dlouhodobý test – blíže viz kurz Analýza pevných léčiv. Testy zahrnují organoleptické hodnocení, fotostabilitu, fyzikální, chemické, biologické a mikrobiologické zkoušky. Při chemických zkouškách se stanovuje obsah aktivní substance, vybraných excipientů, nečistot a degradačních produktů. Z výsledků stabilitních testů se odvozuje expirace léčiva. Po expiraci léčivo významně degraduje a výsledkem chemických procesů probíhajících v pevné fázi jsou různé degradační produkty, na které se mění aktivní substance, příp. i excipienty. Transformace léčiva na jeho degradační produkty vede ke ztrátě účinnosti léčiva. Stanovení degradačních produktů je součástí sledování celkové čistoty léčiva. Rozlišují se dva základní typy nečistot a sice: • •
nečistoty související s výrobou API nečistoty, které vznikají během formulace léčiva a při jeho skladování
o k ja a Nečistoty související s výrobou API se dále dělí na organické, anorganické é a zbytková rozpouštědla. Mezi organické nečistoty řadíme nezreagované výchozí suroviny, k r c o nečistoty gi meziprodukty a vedlejší produkty syntézy aktivní substance. Anorganické t u zahrnují např. těžké kovy pocházející z použité vody. Rozpouštědla a použitá při syntézelo o aktivní substance nelze z produktu beze zbytku odstranit a proto se také řadí mezi nečistoty. m n l nežádoucí Nečistoty, které vznikají během formulace léčiva zahrnují e iánapř. h s c a transformační polymorfy nebo hydráty vzniklé při např. tabletování nebo vlhkéegranulaci. r l t vlivem ní e o-reakcí h Dále při sterilizaci tablet v autoklávu může dojít k nastartování nežádoucích t a produkty. udegradační e zvýšené teploty a tlaku atd. Při skladování léčiva vznikají k o ř m c í s i Stanovení nečistot a degradačních produktů provádí kombinací š ínejčastěji e sejpříp. í n m s kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie, kapalinové chromatografie a š i e l í o a h d ž NMR. Limity pro přítomné nečistoty a degradační produkty stanoví příslušné národní c n d u u t ly á lékopisy (Pharmacopoei). o a s l z . s Dále se budeme věnovat degradačním v pevné álékové t ový šproduktům m k ko azevzniklým formulaci. a n ů l e k z é Pr če j e k m ň ú ra u pl so v k m to o v pevné 8.2. Chemické reakce dofázi Vy ý d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e 1 h b e ke J
Termodynamika, kinetika a mechanismus reakcí v pevné fázi jsou důkladně prostudovány u anorganických uhličitanů, oxidů a hydrátů v souvislosti s optimalizací velkotonážních technologií a studiem degradačních procesů (např. výroba vápna, procesy v keramice, koroze kovů). Z těchto poznatků vychází i studium chemických degradačních procesů v pevných léčivech. Chemické degradační procesy v pevné lékové formulaci probíhají v pevné fázi. Pod pojem chemická reakce pevných látek zahrnujeme chemické pochody, kde mezi výchozími látkami a produkty vždy figuruje pevná fáze. Převážná většina reakcí v pevné fázi je heterogenní a probíhá na fázových rozhraních. Přitom dochází ke složitému vazebnému a strukturnímu přeformování výchozích látek v produkty. Z termodynamického hlediska je hnací silou reakce ve směru: výchozí látky → produkty, záporná hodnota změny Gibbsovy energie, tzn., že systém spěje k G → min. Z kinetického hlediska je rychlost reakce dána nejpomalejším, tzv. řídícím dějem. Tím je u reakcí pevných látek nejčastěji povrchová nukleace nebo difúze.
Obr.8.1. Řídící děj povrchové nukleace
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c a eri te l í h at o n u e o m ick ř í s š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e 2 h b e ke J
Na obr. 8.1. je uveden obecný příklad tepelně degradačního procesu, při kterém se uvolňuje plynná fáze (např. při dekarboxylaci p-aminosalicylové kyseliny působením tepla). Předpokládejme kulovitou částici výchozí substance (a), na jejímž povrchu se náhodnými fluktuacemi atomů a molekul vytváří nuklea degradačního produktu (b). Nuklea rostou (c), degradační reakce probíhá na fázovém rozhraní mezi substancí a produktem, které se posouvá směrem dovnitř původní částice (c). Vznikající plyn rychle difunduje vrstvou produktu směrem ven (d), takže řídícím (nejpomalejším) dějem procesu je povrchová nukleace degradačního produktu. Kinetiku procesu vyjadřuje graf závislosti stupně konverze (α) výchozí substance na čase (t), viz obr. 8.2. Křivka závislosti má esovitý (sigmoidální) tvar a skládá se ze tří
Obr. 8.2. Kinetika degradace děje z obr. 8.1.
oblastí. V úvodní části (A), zvané indukční perioda, dochází ke vzniku nukleí a rozbíhá se jejich růst. V prostřední části (B) zvané akcelerační perioda, se reakce na rozhraní degradační produkt-výchozí substance urychluje a rozhraní se kontinuálně rozšiřuje až k inflexnímu bodu. Za tímto bodem se rostoucí krystaly začínají dotýkat, tím se jejich růst zpomaluje, až se posléze zastaví (oblast C – dobíhající perioda). Pro popis kinetiky tohoto obecného modelu bylo odvozeno několik kinetických rovnic, lišících se v popisu přesného mechanismu nukleace a růstu nové fáze. Nejdůležitější jsou rovnice Proutova-Tompkinsova: ln [(α / (1-α)] = kt + c
(1)
a rovnice Avramiho-Erofeevova: [- ln (1-α)]n = kt
(2)
kde α je stupeň konverze, t je čas, k je rychlostní konstanta, c je konstanta a exponent n může být ¼, 1/3, ½, 2/3 nebo 1. Stejně jako u anorganických materiálů, např. při korozi kovů v oxidačních atmosférách, uvažujeme při chemické degradaci pevných léčiv i mechanismy difúzní. Difúze v pevných látkách znamená migraci jedné fáze volnými kanály v krystalové struktuře druhé fáze, jedná se tedy o prolínání dvou pevných fází. Zatímco např. u oxidace Zn na ZnO je reakční mechanismus podrobně prostudován - řídícím dějem je difúze iontů Zn+ vrstvou produktu ZnO, difúzní mechanismy v pevných léčivech jsou téměř neznámé. Nicméně i zde je pro difúzi nutnou podmínkou iontová, resp. molekulární mobilita, umožněná jak reálnými poruchami krystalové struktury (viz kurz Úvod do studia materiálů), tak flexibilitou molekuly, resp. jejích postraních řetězců. Právě na postranních řetězcích převážně dochází k oxidaci, hydrolýze a jiným degradacím pevných léčiv. Je zřejmé, že difúze probíhá rychleji v amorfních látkách (právě z důvodu snadnější mobility molekul) a proto je jejich reaktivita vyšší než u látek krystalických.
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c a eri te l í h at o n u k látek za vznikuíře o m pevných c Difúze je jediným možným mechanismem přis reakciídvou i š í pevného produktu (např. reakcí hydrochloriduse p-aminosalycilové kyseliny s uhličitanem n m j š i sodný, e voda a oxid auhličitý). l o í chlorid sodným vzniká p-aminosalycilová kyselina, h d ž c popisuje tzv. parabolický d án ujejí kinetiku u potom Pokud uvažujeme jednorozměrnou difúzi, t o y a s zákonem: sl ý kol e. m káz t en koxv= kté, š Praz čelů e za (3) m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V kde x je tloušťka degradačního produktu, t je čas a k je rychlostní d narůstající vrstvy ů in au konstanta. to j r o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e 3 h b e ke J 2
Pokud uvažujeme mechanismus trojrozměrné difúze, předpokládáme, že jedna z reagujících látek (B) je mnohem jemnější než druhá (A), takže látku B lze považovat za spojitou fázi obklopující částice fáze A. Při reakci se vrstva produktu AB tvoří na částicích A (obr. 8.3.). Pro počáteční etapu reakce lze vrstvu produktu pokládat za rovinnou a
Obr. 8.3. Janderův model difúzního mechanismu reakce v pevné fázi
rychlost nárůstu bude splňovat parabolický zákon. Odvození příslušné kinetické rovnice vychází ze vztahu:
α=
Vt 4 / 3πR 3 − 4 / 3π ( R − x) 3 = , Vo 4 / 3πR 3
(4)
o k ja R je kde V je objem produktu v čase t a V je objem produktu po dokončení reakce, é a k poloměr částice A a x je tloušťka vrstvy produktu. Výraz (4) lze upravit na: r c i to g u o a l o x = R [1 (1αn ) ] m l e (5) as eriá tech l í h at o n u Zahrnutím parabolického zákona do výrazu (5) získáme k vztah: íře o finální,mtzv. Janderův c s i š e j ní m í s š i he l (6) o í a kt = R [1ž- (1- α) d] d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t v š (vrstvuaproduktu z lůnelze dále Pro větší hodnoty α Janderův n vztah již o nevyhovuje apovažovat e z e za rovinnou) a musíme uvažovat jakokřídící dějéustálenourdifúzi kulovou vrstvou produktu e č P k m ň j l so v (Gistling a Brounštejn):u ú ra p k m to o do Vy ý d u n o kt r=ů R [1 – 2/3α - (1- jαi) ] a (7) t o n u k í las t ob Te i ž uh u i u d o so u p t s o ez h e b 4 k Je t
o
1/ 3
2
2
1/ 3 2
2/3
Reakce v pevné fázi se liší od reakcí v homogenních fluidních mediích v základním aspektu: zatímco reakce v kapalném nebo plynném stavu závisí hlavně na reaktivitě a koncetraci volných reaktantů, reakce v pevné fázi jsou ovlivněny především krystalovou strukturou (říkáme, že reakce jsou řízeny topochemicky). Jinými slovy, závisí ve kterém polymorfu, hydrátu, resp. amorfní formě je reagující látka přítomna. Chemicky nejméně reaktivní je stabilní polymorf (hydrát) a dále je též známo, že reakce na amorfních fázích probíhají rychleji než na fázích krystalických. Kromě toho jsou reakce v pevné fázi ovlivněny ještě dalšími faktory, ke kterým zejména patří: teplota, tlak, okolní atmosféra a její vlhkost, záření, velikost a tvar částic, excipienty aj. 8.3. Degradační reakce v pevných léčivech Degradační produkty léčiv se vyhodnocují souhrnně v rámci nečistot. Zde se budeme věnovat pouze degradačním reakcím a degradačním produktům vznikajících v pevných léčivech během jejich skladování. Podle směrnic ICH je povolený limit nečistot 0,1% (kromě potenciálně toxických), při užívání léčiva 2g/den. Degradační reakce v pevných léčivech lze rozdělit do následujících kategorií: a) pevná látka + plyn (kapalina) → produkty, tato kategorie je nejdůležitější a zahrnuje oxidační a hydrolytické reakce b) pevná látka → produkty, do této kategorie patří rozkladné reakce především typu dehydratace (desolvatace), dekarboxylace a dehydrochlorace, které jsou vyvolány zvýšenou teplotou, příp. fotoiniciací.
o k ja é a c) pevná látka + pevná látka → produkty, k r c i to g zde přichází v úvahu reakce mezi aktivní substancí a některými excipienty. u a lo o m l n e h 8.3.1. Oxidační degradace á s c a eri te l í h at o n u o mhydroxylickvázaný přímo šnaíře Risperidon, hydrocortison, methotrexat, adinazolam, s aromatický kruh (např. askorbová kyselina, katecholaminy, konjugované dieny e jnímorfinany), í je m s š (např. vitamin A), aromatické heterocykly (např. námelové alkaloidy) a mnoho dalších i e l í a no ž ud ch velmi citlivých k oxidační degradaci. d u st olykyseliny), lo Cý(askorbové zá Příkladem je oxidační degradace vitaminu která je a v praxiávelmi . s e naůdehydroaskorbovou m ak sledovaným tématem. Degradace tzačíná oxidací askorbové k akyseliny v z n š o kyselinu, dále následuje hydrolýza kyselinueal konečněz oxidace na e nak diketogulonovou r é e podmínek P k m ň šťavelovou kyselinu (obr. 8.4.). Degradace je však za běžnýchč skladovacích j l ú o u v a velmi pomalá. k op ys r m o o d V ý ut d n ji u a rů to o n k í las t ob Te i ž uh u i u d o so u p t s o ez h e b 5 k Je
Obr. 8.4. Degradační reakce vitamínu C
8.3.2. Hydrolytická degradace Hydrolytické degradaci podléhají např. aspirin (acetylsalycilová kyselina), benzocain, cefotaxim, kokain, ethyl paraben a řada esterů: barbitol, chloramfenikol, chlordiazepoxid, lincomycin, oxazepam aj. Esterová hydrolýza acetylsalycilové kyseliny vede na salycilovou kyselinu (obr.8.5.)
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c i te a Obr. 8.5. Degradační reakce acetylsalycilové lkyseliny er í h at o n u 8.3.3. Fotodegradace e o m ick ř í s š e j ní m í s š i fotodegradace. e l o í se nazývají Degradace iniciované zářením (fotoiniciace) Nejdůležitější a h d ž d ájakn u y cFotodegradace azpůsobuje ufotopolymerizace. z nich jsou fotooxidace, fotoisomerizace, t o s l (obě složky z l sluneční viditelná, tak ultrafialová část spektra obsahuje záření) a jsou á zvláště . s o ý e t m dobře pozorovatelné u textilií,nkdy dlouhodobým docházíakkblednutí v škpůsobením z světla ů o a l z odezva na barev. Z tohoto hlediska je e fotostabilita organických sloučenin chápána jako r é k e e č P k m ň působení světla, což nezahrnuje pouze reakce, ale i procesyj vzniku radikálů, l fotodegradační ú o u v a i UV zářením p s luminiscenci atd. Fotodegradační testy zahrnují ozařování vzorku viditelným k o r y m o o a identifikaci a stanovení fotodegradačních d V produktů nv ýporovnání tse vzorkem uchovaným d u ve tmě. Expoziční podmínky jsou uvedeny v Tab.8.I. Fotodegradace probíhají pouze ů i o a j r t v povrchové n vrstvě vzorku. bo k su e í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e 6 h b e ke J
Tab. 8.I. Expoziční podmínky Expozice viditelné (klux h)
světlo Odpovídající počet dnů při expozici na slunci
1200
2-3
2400
4-6
3600
8-12
Expozice UV zářením -2
(Wh m )
Odpovídající počet dnů při expozici na slunci
200
1-2
500
3-5
Počet fotodegradovatelných drog rychle stoupá a zahrnuje již řadu kategorií léčiv (Tab. 8.II): Tab. 8.II. Fotonestabilní léčiva
o k ja é Antibiotika Tetracykliny, doxycyklin, rifampicin, rifamycin, cefalosporiny, a k r c chloramfenicol i to g u Cytostatika Daunorubicin, dacarbazine, vincristin, cisplatina, methotrexat a lo o m l n Chemoterapeutika Mefloquin, sulfonamidy, nitrofurazon, ciprofloxacin, e h á s c a eri te Antagonisti Ca Nifedipin, nitrendipin, nicarpidin, verapamil l í h at o n Vasodilatátory Molsidomin u e o m ick ř í s Antihypertensiva Nitroprussid, furosemid š e j ní m í s š i he l o Psychofarmaka Fenothiazeny, haloperidol,í benzodiazepiny a d ž d án u stu y c Dermatika Kortikosteroidy, antimykotika o a z l emetin, . sl mesylát, á o ý Ostatní Dihydroergotamin kolchicidin, ubidecarenon, vitamíny e t m k k en kov é š Praz čelů e za k v Je zajímavé mje oxidace ň aminofenazonu. j l ú o Příkladem fotodegradace vznikají rozdílné u a p s k fotooxidaci r o vVpevné y fázi a v roztoku degradační produkty při (obr. 8.6.). m o o d t ý d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e 7 h b e ke J
Obr. 8.6. Oxidační fotodegradace aminofenazonu
o k ja é a k r c i to g u a lo o m l n e h á s c a eri te l í h at o n u e o m ick ř í s š e j ní m í s š l o í di h e a ž d án u stu y c o a sl ý kol e. m káz t en kov é š Praz čelů e za m lň ok v j ú u a p s k o r y m o o d t ý V d ů in au o j r t o n k su e b í o T it hla ž u i u ou d o p zs tu s o e 8 h b e ke J
Fotodegradaci lze zmírnit vhodnými obaly, např. blistry nebo barevným potahem tablet, které ovšem zcela neodstíní UV-složku záření..
