Polymorfismus II – příklady polymorfních systémů
Bohumil Kratochvíl
Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2015
Chemické a fyzikální typy API, která má farmacie k dispozici pro formulace
kresba: J.Budka
kresba: J.Budka
Polymorfismus ranitidinu hydrochloridu Ranitidin hydrochlorid - léčba žaludečních vředů (polymorf I, polymorf II)
polymorf I
polymorf II
Polymorfismus ranitidinu hydrochloridu Originál od firmy GlaxoSmithKline
Generika ranitidinu vyrábí 43 firema je registrováno 70 generických názvů
Ramanova spektra polymorfů I a II
Polymorfismus ranitidinu hydrochloridu
Polymorf I
RTG difraktogram polymorf I
Polymorf II
RTG difraktogram polymorf II
Polymorfismus ritonaviru
Ritonavir – inhibitor HIV proteasy
Ritonavir tvoří dva konformační polymorfy (forma II je stálejší a daleko pomaleji rozpustná než forma I)
Polymorfismus námelových alkaloidů trans-D-tergurid (5R,8S,10R) Forma A: tergurid . 2/3 H2O1 B: tergurid . H2O2 C: tergurid1 (Schering,Teluron ®) D: tergurid . H2O
F: tergurid . 2/3 H2O E: tergurid . EtOH M: tergurid . MeOH3
tergurid hydrogenmaleát monohydrát4 (Zentiva, Mysalfon®) (5R,8S,10S)cis-tergurid 2-brombenzoát5
1. Hušák M., Kratochvíl B., Císařová I., Cvak L., Jegorov A., Böhm: Coll. Czech. Chem.Commun. 67, 479 (2002). 2. Kratochvíl B., Ondráček J., Novotný J., Hušák M., Jegorov A., Stuchlík J.: Z.Kristallogr. 206, 77 (1993). 3. Kratochvíl B., Novotný J., Hušák M., Had J., Stuchlík J., Jegorov A.: Coll.Czech.Chem.Commun. 59, 149 (1994). 4. Hušák M., Kratochvíl B., Sedmera P., Stuchlík J., Jegorov A.: Coll.Czech.Chem.Commun. 58, 2944 (1993). 5. Hušák M., Kratochvíl B., Sedmera P., Havlíček V., Votavová H., Cvak L., Bulej P., Jegorov A.:Coll. Czech. Chem.Commun. 63, 425 (1998).
Pakovací polymorfismus námelového alkaloidu terguridu (parametry u formy F nejsou známy, tato fáze byla pouze identifikována z RTG difraktogramu) forma A: tegurid . 2/3H2O; forma B: tergurid . H2O; a, Å b, Å c, Å ,o ,o , o P.grupa
7,9340(2) 12,8148(3) 56,467(1) 90 90 90 P 212121
38,262(4) 7,834(3) 13,497(2) 90 101,69(2) 90 C2
forma CA: tergurid nesolvatovaný 8,1640(3) 23,3159(6) 19,9975(8) 90 95,870(2) 90 P 21
forma D: tegurid .H2O; forma E: tegurid . EtOH; forma F: tegurid . 2/3H2O; forma M: tegurid. MeOH 10,637(1) 13,529(2) 14,103(3) 90 90 90 orthorombická
13,147(6) 10,442(6) 16.19(16) 90 90 90 orthorombická
? ? ? ? ? ? ?
10,438(1) 13,200(4) 15,495(5) 90 90 90 P 212121
Molekulární pakování krystalových forem trans-D-terguridu
Tergurid . 2/3 H2O (forma A) Tergurid (forma C)
Tergurid . H2O (forma B)
Tergurid . MeOH (forma M)
Celkem 12 symetricky nezávislých terguridových molekul
Flexibilita/rigidita trans-D-terguridové molekuly forma C: molekula 1 (světle červená) C: molekula 2 v1a (tmavě zelená) C: molekula 2 v2a(tmavě fialová) C: molekula 3 (světle modrá) C: molekula 4 (šedivá) A: molekula 1 (tmavě žlutá) A: molekula 2 (modrozelená) A: molekula 3 (světle fialová) B: molekula 1 (světle žlutá) B: molekula 2 (tmavě modrá) M: molekula v1a (tmavě červená) M: molekula v2a (světle zelená) ————————— a v1, v2 jsou neuspořádané („disordrované“) formy
Překryv 12 molekul
Močovinový boční řetezec je flexibilní, ergolinový skelet je rigidní ! Experimentální RTG data jsou v souhlase s ab-initio výpočtem
Polymorfní transformace v systému trans-D-terguridu
E: tergurid . EtOH
A: tergurid . 2/3 H2O
T> 40o C nebo 3 dny při 75% RH
suspenze ve vodě
B: tergurid . H2O
suspenze ve vodě
C: tergurid
několik měsíců při 75% RH
D: tergurid . H2O
M: tergurid . MeOH
1 hodina na vzduchu
6 hod, 70o C
suspenze ve vodě
F: tergurid . 2/3 H2O
Stabilní fází v systému je monohydrát. Obecně ale neplatí, že solváty jsou stabilnější než ansolváty !!!
Polymorfismus atorvastatinu vápenatého (v příbalovém letáku se uvádí: sůl, hydrát; neuvádí se polymorf, amorfát)
Do 12/2010 asi patentováno 70 krystalických forem + 30 patentů na amorfní formu
Stabilní forma: atorvastatin vápenatý . 3H2O (forma I) Sortis (Pfizer), originál Torvacard (Zentiva) Atorvastatin Actavis (Actavis) Atorvastatin Phab (Lek) Atorvastatin AV MED (Krka) Atorvastatin-Krka (Krka) Atorvastatin-Ratiopharm (Hoechst-Biotika) Atoris (Krka) Tulip (Lek) Triglyx (Teva)
– expirace 36 měsíců (forma I) – expirace 18 měsíců (amorfát) – expirace 36 měsíců – expirace 24 měsíců – expirace 18 měsíců – expirace 24 měsíců – expirace 24 měsíců – expirace 18, 24 měsíců – expirace 24 měsíců – expirace 24 měsíců
______________ Hájková M., Kratochvíl B., Rádl S: Chem. Listy 102, 3 (2008).
Příklady polymorfních systémů – teoreticky zajímavé a prakticky důležité dimorfní kyselina acetylsalycilová
Forma I
Forma II Wishweshwar P. et al.:JACS 127, 16802 (2005).
Prakticky důležité a teoreticky zajímavé polymorfní systémy O
HO
Teoreticky zajímavé
O
Nízkoteplotní polymorfy simvastatinu: „ Room Temp.“ fáze
P 212121
261 K
nízkoteplotní fáze I
P 212121
O
O
223 K
H
nízkoteplotní fáze II
P 21
Hušák M., Kratochvíl B., Jegorov A.: Acta Crystallogr. A64, C211 (2008).
Příklady polymorfních přechodů Prakticky důležité
Monotropní („solvent mediated“) přechod mezi dvěma fázemi nicergolinu (směsný pakovací a konformační polymorfismus):
polymorf I, krystaluje z polárních rozpouštědel (methanol, ethanol) polymorf II, krystaluje z nepolárních rozpouštědel (toluen) Překryv tří krystalograficky nezávislých molekul nicergolinu (červená – polymorf I, molekula 1, žlutá – polymorf I, molekula 2, zelená – polymorf II)
Námelový alkaloid nicergolin
Léková forma: Sermion (Pfizer)
Nicergolin - léčba příznaků mozkové ischémie
Nicergolin je dimorfní
Polymorfismus nicergolinu – prakticky důležité (terapeuticky využívána forma I, forma II nečistota)
Struktura formy I, krystaluje z polárních rozpouštědel (ethanol, methanol)
Struktura formy II, krystaluje z nepolárních rozpouštědel (toluen)
Stanovení forem I a II ve směsi metodou RTG práškové analýzy
Flexibilita/rigidita nicergolinové molekuly
Překryv tří krystalograficky nezávislých molekul nicergolinu (červená – polymorf I molekula 1, žlutá – polymorf I molekula 2, zelená – polymorf II)
Nepeptidické námelové alkaloidy cabergolin
Lékové formy: Dostinex (Pharmitalia), Cabaser (Pharmacia & Upjohn) léčba poruch menstruačního cyklu a infertility způsobené zvýšenou hladinou prolaktinu
Polymorfní systém cabergolinu – prakticky důležité I (ansolvát, P21), II (ansolvát, P212121), VII (ansolvát, P21), VIII (tert-butylmethylether solvát 1:1), IX (toluen solvát 1:1), XV (cyklohexan solvát 1:1), XVI (p-xylen solvát 1:1), XVII (1,2,4-trimethyl – benzen solvát 1:1)
VII (ansolvát, P21), linkování N1-H…O24i
I (ansolvát, P21) linkování N1-H…N6i
IX (toluen solvát 1:1, P212121) – analogické formě II, linkování N1-H…N6i
Překryv molekul cabergolinu ve formách I (zelená), II (černá) a VII (červená a modro-žlutě neuspořádaná („disorderovaná“))
Hodnoty torzního úhlu C7-C8-C20-N22 (I: 174o , II: 151o, VII: 63o a 88o )
Teoretické práškové difrakční záznamy
6000
5000
Cyklohexan solvát
Intensity / cps
4000
Toluen solvát
3000
TBE solvát
2000
forma II
1000
forma I
0 10
15
20
2θ / °
25
30
35
Kombinace polymorfního složení Prakticky důležité
Dostinex, Pfizer (příbalová informace, PIL – neuvádí polymorfy): Léčivou látkou je cabergolinum 0,5 mg v jedné tabletě. Pomocnými látkami jsou laktosa (plnivo, pojivo) a leucin (ochucovadlo)
Cabergolin 3 polymorfy (I, II, VII) Lék pro regulaci tvorby mléka u žen
Laktosa 2 polymorfy (, )
Pro polymorfní složení Dostinexu připadá v úvahu 6 kombinací
Cabergolin – efekt solventu na distorzi kruhů C a D (vzdálenost atomu od roviny)
C4
1
E3
D: nejlepší rovina proložená atomy N6, C10, C9, C7
C: nejlepší rovina proložená atomy C3, C4, C5, C10, C11
Vzdálenost, Å: rovina v kruhu C – C10: XVII (-0,094) > XVI (-0,108) > IX (-0,179) > > VIII (-0,192) > XV (-0,195) Vzdálenost, Å: rovina v kruhu D – C8:
XVII (-0,686) > XVI (-0,700) >IX (-0,711) > > VIII (-0,716) > XV (-0,737)
Nalezení cabergolinového solvátu jehož desolvatací vzniká forma I
Čistý pakovací polymorfismus sulfathiazolu Prakticky důležité
Polymorfismus cyklosporinů CsA = cyclo(-MeBmt1-Abu2-Sar3-MeLeu4-Val5-MeLeu6-Ala7-D-Ala8-MeLeu9MeLeu10-MeVal11-) cyklický undekapetid
Přírodní cyklosporiny, kromě Cs A, formulované jako jeho substituční deriváty
Polymorfismus cyklosporinu A
chemický a molekulární skelet CsA
Působení komplexu droga/receptor Receptor: Cyklofilin A
Princip zámku a klíče
droga
receptor Cyklosporin A Mechanismus účinku: konformační změna vyvolá biochemickou reakci: komplex cyklosporin A / cyklofilin A blokuje produkci interleukinu-2,který je růstovým faktorem T-lymfocytů. T-lymfocyty (bílé krvinky) jsou odpovědné za imunitu organismu.
Imunosupresivum – cyklosporin A (Cs A)
Cyklosporin A v krystalickém dihydrátu a konformace jeho molekuly
Lékové formy
Identifikace krystalické fáze v tobolce CsA
Dimethylisorbid (DMI) – uvažovaná komponenta do mikroemulze
Krystalický Cs A . DMI solvát
Nežádoucí krystalická fáze v tobolce
Změna konformace molekuly CsA.DMI proti CsA.2H2O
Analýza kavit - „screening“ solvátů cyklosporinů
Struktura Cs A di-n-butylether solvátu
Rozložení kavit v krystalové struktuře
Kavita je obklopena 6 molekulami Cs A
Vyplnění kavity molekulou di-n-butyletheru
Polymorfismus Cs A CsA CsA CsA CsA CsA CsA CsA
monohydrát, prostorová grupa dihydrát monohydrát bis(aceton) solvát dimethylisosorbid di-n-butylether solvát tetrahydrofuran solvát ()-n-butyl-laktát
P 212121 P 41 P 41 P 21 P 21 P 21 P 21
Dva konformační typy skeletu Cs A
cyklosporinové klatráty
cyklosporinové klatráty
Polymorfismus Cs A
Cs A . 2H2O
Cs A . dimethylisosorbid
Konformace Cs A v krystalickém dihydrátu (vlevo) a v krystalickém dimethylisosorbidu (vpravo)
Polymorfismus Cs E
Me
Skelet Cs E
CsE monohydrát bis(2-butanol) solvát CsE monohydrát aceton solvát CsE ()-n-butyl-laktát
Srovnání skeletů Cs A a Cs E PG
P 21 P 21 P 21
cyklosporinové klatráty
Imunosupresivita Cs E je ve srovnání s Cs A asi 20%
Přístup k polymorfismu cyklosporinů – molekuly solventu obsazují cyklosporinové kavity
Kavita ve struktuře Cs E monohydrátu aceton solvátu
Vznik kavit • stanovení pozice malého solventu vedle velké organické molekuly na mapě elektronové hustoty (např. Cs A má 85 non-H atomů; di-n-butylether 9 non-H atomů)
Cs A di-n-butylether solvát, hydrofóbní povrch CsA
Kavita ve struktuře Cs A di-n-butylether solvátu je obklopena 6 molekulami Cs A
Lokalizace solventu v kavitě • výpočet diferenční mapy elektronové hustoty pouze pro předpokládanou oblast lokalizace solventu (kavitu)
Lokalizace di-n-butyletheru v kavitě, P 21/c (jasný případ)
Lokalizace solventu v kavitě
Lokalizace dimethylisosorbidu v kavitě, P 21/c (zapeklitější případ)
Velikost kavity a její tvar je výsledkem experimentálního stanovení rozložení elektronové hustoty a nikoliv modelování
Řez kavitou v Cs A di-n-butylether solvátu tvořenou VdW sférami atomů Cs A, intenzita modré barvy značí stupeň hydrofobicity
Rozložení kavit v krystalové struktuře a vyplňování kavit molekulami solventů Rozložení kavit ve struktuře CsA di-n-butylether solvátu prostorová grupa P 21, Z=2
Skutečný počet non H-atomů solventu v kavitě: 9 atomů Teoretická kapacita kavity (pro pakovací koeficient 19,4 pro CSD): 17 atomů Teoretická kapacita kavity (pro pakovací koeficient 21,15 pro Cs): 9 atomů
Cyklosporinové klatráty – vyplňování kavit molekulami solventů CsA.H2O
CsA.2H2O CsA. H2O CsA. diMe CsA.di-n Bu CsA. di-n Bu CsA.butyl bis(aceton) isosorbid
ether(150K) ether(293K) laktát
Buňka V (Å3)
7216
7896
7751
4121
3961
4144
3987
Všech non-H atomů v buňce
341
373
366
194
187
196
188
(3414*85) = 1
(3734*85) = 33
(3664*85) = 26
(1942*85) = 24
(1872*85) = 17
(1962*85) = 26
(1882*85) = 18
1/4
33/4 = 8
26/4 = 7
24/2 = 12
17/2 = 9
26/2 = 13
18/2 = 9
32/4 = 8
67/4 = 17
60/4 = 15
42/2 = 21
34/2 = 17
43/2 = 21
35/2 = 17
1
2
9
12
9
9
10
Atomů solventu v kavitách buňky Atomů v kavitě teor. pro 21.15
Atomů v kavitě teor. pro 19.4
Realita atomů solventu
Průměrný pakovaci koeficient pro cyklosporiny (21.0+20.6+21.2+21.1+22.0+21.0)/6=21.15
Závěr
Polymorfní systémy jsou z hlediska farmaceutického vývoje buď prakticky důležité nebo teoreticky zajímavé Pro rozlišení polymorfů od jedné chemické entity může být užita celá plejáda analytických technik pro identifikaci a stanovení polymorfů vedle sebe Obejití problému polymorfismu spočívá ve výběru jiné pevné fyzikální nebo chemické formy aktivní molekuly Je třeba rozlišovat „čistý polymorfismus“ a všechny pevné formy aktivní molekuly
