Speciální analytické metody pro léčiva doc. RNDr. Ing. Pavel Řezanka, Ph.D. E-mail:
[email protected] Místnost: A234 Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253
1
Harmonogram 1. Úvod do pevného stavu 2. Termická analýza I 3. Termická analýza II 4. Termická analýza III 5. Isotermická analýza 6. Kalorimetrické metody 7. Povrchová analýza I 8. Povrchová analýza II 9. Analýza částic I 10. Analýza částic II 11. Analýza částic III 12. Predikce polymorfů 13. Patentování 14. Výběr pevných forem 2
Literatura Solid State Characterization of Pharmaceuticals, First Edition. Edited by Richard A. Storey and Ingvar Ymén. © 2011 Blackwell Publishing Ltd. Published 2011 by Blackwell Publishing Ltd. ISBN: 978-1-405-13494-1
3
Zkouška Jak: pouze písemná forma Trvání: 60 minut Kdy: každý týden ve zkouškovém období Zapisování: SIS
4
1. Úvod do pevného stavu
5
Fázový diagram plyn
kapalina
pevná fáze
ideální plyn
krystalická fáze
reálný plyn
pára
tekuté krystaly
amorfní fáze
amorfní fáze Polymorf 1 Polymorf 2 Polymorf 3
Tb – teplota varu
Tm – teplota tání
Tg – teplota skelného přechodu
6
Plyn Ideální plyn
Reálný plyn
• isotropní • pV = nRT • bez molekulárních interakcí • ptot = p1 + p2 + … + pn • jedna fáze
• isotropní • Van der Waalsova rovnice • nenulový objem molekul • molekuly se ovlivňují
Charakterizace: • mikrovlnná spektroskopie • infračervená spektroskopie
Ochlazování: • snižování entropie • uvolňování kondenzačního tepla • teplota varu/kondenzace závisí na interakcích molekul 7
Kapalina Kapalina
Rovnováha s plynnou fází
• isotropní • translační pohyb • molekulární interakce • molekuly už nejsou náhodně orientovány • pouze určité konformace • může existovat více fází
• relativní vlhkost = 100*pH2O/pnas % • var nastává při rovnosti tlaku páry a atmosférického tlaku
Charakterizace: • SAXS • infračervená spektroskopie
8
Krystalická fáze Kapalina -> krystal
Krystalická fáze
• pomalým ochlazováním kapaliny • ustává translační pohyb • vibrační/rotační pohyb zůstává • teplota tání/tuhnutí závisí na interakcích molekul • snižování entropie • uvolňování krystalizačního tepla • určuje se teplota tání • teplotu tuhnutí nelze přesně určit
• většinou jen jediná konformace • molekuly jsou k sobě vázány slabými mezimolekulárními interakcemi • anisotropní
Krystalizace • vhodné prostředí je důležité (tvar, filtrace, granulace, tabletování, …) • kontrola čistoty • nečistoty mají většinou negativní vliv • definované podmínky 9
Teplota tání
10
Krystal
Krystalová mříž
a b c
triklinická
a b c ≠ 90 ≠ 90
monoklinická
a b c
90 ≠ 90
90
ortrombická
a b c
90
90
90
tetragonální
a b c
90
90
90
trigonální
a a a ≠ 90 ≠ 90
≠ 90
hexagonální
a b c
90
120
90
kubická
a a a
90
90
90
≠ 90
11
Bravaisovy mříže Symbol Typ centrování P
primitivní
C
bazálně centrovaná
A
bazálně centrovaná
B
bazálně centrovaná
I
prostorově centrovaná
F
plošně centrovaná
R
romboedricky centrovaná vzhledem k hexagonálním osám 12
Krystal Hustota ρ = Z Mw / (V NA) Z počet vzorcových jednotek (často jedna molekula) Mw molární hmotnost V objem elementární buňky NA Avogadrova konstanta
primitivní kubické uspořádání
Koeficient zaplnění 0,65 – 0,73 pro organické molekuly 0,52 – 0,74 pro anorganické molekuly
hexagonální nejtěsnější uspořádání 13
Krystalografické informace Hledaná informace
SXRD XRPD PLM
Je vzorek krystalický nebo amorfní?
3*
Jaký je stupeň krystalinity vzorku?
1
2
1
Možnost identifikace fází
3*
1
3
Tvoří vzorek jen jedna fáze?
3*
1
1
Kvantifikace množství různých fází ve směsi
1
Zjištění krystalové struktury
1
2
Data o krystalové mříži
1**
1**
Optická data * Při SXRD se analyzuje pouze několik krystalů, což nevypovídá o celém vzorku ** SXRD je jednodušší, ale XRPD je přesnější
1 SXRD – krystalová difrakce XRPD – prášková difrakce PLM – polarizační mikroskopie 14
Amorfní fáze Vznik
Amorfní fáze
• rychlým ochlazováním kapaliny • ustává translační pohyb • vibrační/rotační pohyb zůstává • teplota závisí na rychlosti ochlazování • snižování entropie • nastává v rozmezí teploty skelného přechodu (vždy nižší než Tm)
• většinou jen jediná konformace • molekuly jsou k sobě vázány slabými mezimolekulárními interakcemi • isotropní • velká viskozita • stanovení měrné tepelné kapacity Cp • stanovení měrného objemu Vsp
Charakterizace: • PLM • XRPD • DSC (diferenční skenovací kalorimetrie) 15
Amorfní fáze
Závislost Cp jako funkce teploty pro přechod kapaliny na amorfní látku pro různé rychlosti ochlazování (v)
Závislost Vsp jako funkce teploty pro přechod kapaliny na amorfní látku pro různé rychlosti ochlazování (v) 16
Gibbsův zákon fází f+v=s+2
Unární systém
f v s 2
= jednosložkový •v=3–f
počet fází volnost počet nezávislých složek tlak a teplota
Fáze • vnitřně homogenní část systému • od ostatních fází oddělená fázovým rozhraním
17
Binární systém Dvousložkový
Eutektický bod
p = 1 atm v=3-f E – eutektický bod
• rovnováha mezi dvěma pevnými fázemi a jednou kapalnou • nejnižší teplota, při které může tavenina tát
Teplota Ta • celkové složení systému 70 % A + 30 % B • pevná látka A a 62 % A a 38 % B (bod z) • látka A(s): (y-z)/(x-z) = (30 %) • látka A (l): (x-y)/(x-z) = (70 %)
18
Ternární systém Třísložkový p = 1 atm T = konst. v=3-f A – léčivo B a C – rozpouštědla s(A) – rozpustnost látky A
Y
X
19
Farmaceutické molekuly pKA
KD
• uplatnění nejvyšší a nejnižší hodnoty při tvorbě solí • kyselé skupiny (-COOH) • bazické skupiny (>N-H) • mezi nejnižší a nejvyšší hodnotou ve formě zwitteriontů • stanovení - acidobazickou titrací - instrumentálně (NMR, UV, elektrochemicky)
• distribuční koeficient mezi vodu a olej • vypovídá o rozpustnosti • hydrofilní část (polární skupiny: -OH, -NH2, >C=O, -COOH, …) • hydrofobní část (uhlovodíkový řetězec) • povrchově aktivní látky (část hydrofilní a část hydrofobní)
20
Farmaceutické molekuly ρ
Kvantové výpočty
• závisí na molekulární hustotě (Mw / VM) a na koeficientu zaplnění (krystalová mříž) • obvykle 1,2 – 1,4 kg/l, pro Si, S, P je vyšší
• zjištění konformace • modelování interakcí • lze zahrnout vliv prostředí • v případě složitějších systémů selhávají
Chromofory • konjugované násobné vazby
21
Farmaceutické molekuly (s) Krystalová struktura Uspořádání v krystalu • minimální energie molekulárních konformací • minimalizace nábojové nerovnováhy • nejvýhodnější uspořádání v krystalu • globální minimum energie: termodynamicky stabilní • lokální minima energií: metastabilní polymorfy
• bez intramolekulárních vazeb vysoký koeficient zaplnění (0,7-0,74) • s intramolekulárními vazbami nízký koeficient zaplnění (0,65-0,70)
Analýza struktury krystalu Identifikace • hydrofilních a hydrofobních oblastí • intramolekulárních vodíkových vazeb • π-π interakcí 22
Farmaceutické molekuly (soli) Tvorba solí
Charakterizace
• kyselina + báze • pKA • pKA1 – pKA2 > 2
• roztok: H-NMR, Raman • krystal: ss-NMR, Raman, XRPD
23
Fázový diagram soli
24
Fázový diagram soli
25
Polymorfismus Schopnost molekul tvořit rozdílné krystalové struktury
Polymorfy
Charakterizace
Rozdílné fyzikální vlastnosti: • XRPD, TA, spektroskopie • rozpustnost • teplota tání • hustota • uspořádání v krystalu • čím více se liší krystalové mřížky, tím jsou rozdíly větší Enantiotropní • za daného tlaku existuje několik stabilních polymorfů Monotropní • pouze jeden stabilní polymorf
T
26
Polymorfismus (NH4NO3) 5 enantiotropních polymorfů • V (do -17 °C) • IV (-17 °C až 32 °C) • III (32 °C až 84 °C) • II (84 °C až 125 °C) • I (125 °C až 170 °C (tt)) se vzrůstající teplotou klesá počet H-vazeb
Krystalizace z různých rozp. vede k různým polymorfům, neboť v rozp. jsou: • různé konformace látek • různé aktivační energie pro nukleace • různé interakce z důvodu rozdílné rozp.
27
Kokrystaly Vlastnosti • neiontové molekuly • interakce slabé až vodíkové • stechiometrické i nestechiometrické poměry
Vznik • smícháním roztoků a krystalizací • intenzivním mícháním pevných složek • tvorbou klatrátů, interkalačních sloučenin a zeolitů 28
Solváty a hydráty Izolované solváty
Kanálové hydráty
• ostrý DSC pík • ostrý přechod v TGA při podobné teplotě jako var rozp. • molekuly rozp. jsou v krystalové mřížce izolované
• molekuly rozp. tvoří v krystalové mřížce kanálky nebo vrstvy • široký DSC pík • méně ostrý přechod v TGA, začíná už pří nízké teplotě
Solváty iontů kovů • podobné izolovaným solvátům • molekuly rozp. navázány na ionty kovu • dehydratace TGA je kroková
Směsné solváty • jedním ze solvátů je voda
29
Solváty a hydráty
30
Solváty a hydráty
31
Solváty a hydráty
32
Solváty a hydráty
33
Krystalizace Krystalizace • z roztoku nebo taveniny • 1. nukleace - primární (homogenní, heterogenní) - sekundární • 2. růst krystalu
34
Fázový přechod s s
35
Literatura • http://www.xray.cz/krystalografie/
36
