药物晶型筛选过程中溶剂的选择

   2022-11-02
   网站管理员
   11
引言
在药物多晶型筛选试验中,常见的方法有挥发结晶、混悬搅拌、降温析晶、溶析结晶、热转晶和气相扩散等,大多数药物的多晶型是在溶剂中结晶获得的。通常在没有加入晶种的情况下,某种特定的晶型总是会优先地从某种特定溶剂中结晶出来,且不同的溶剂分子作用在晶面上,也有可能得到不同晶习的产品。目前,不同溶剂的溶液结晶广泛用于多晶型药物的生产当中,溶液结晶中使用的溶剂与获得的多晶型之间的联系也是药物多晶型的主要研究课题之一。
溶剂对晶型的影响
通常情况下,溶液结晶的溶剂选择技术并没有明确的理论基础。通过对最终晶体产物的性质进行分析,阐明溶剂和溶质分子之间的相互作用以及溶剂对结晶过程中各个方面的影响是合理选择溶剂的重要依据。
溶剂和溶质分子之间存在一定的相互作用力,通常包括:氢键、库仑力、范德华力。研究中一般主要关注氢键的作用力,可根据化合物局部电荷情况预计形成氢键的能力,局部电荷值越小,越容易形成氢键受体,局部电荷值越大,越容易形成氢键供体。
有研究表明,溶剂的氢键供体能力(α)、氢键受体能力(β)和偶极极化率(π*)是影响盐酸普拉格雷药物多晶体形成的主要因素,溶剂的这三种内在性质在药物结晶过程中的热力学和动力学中起着关键作用,并确定了最终得到的药物的晶型。
                                                                       
图1. 盐酸普拉格雷多晶体

脱氧胸苷是一种白色结晶粉末,用于艾滋病的治疗。在研究过程中发现不同溶剂下得到的脱氧胸苷产品晶习变化很大。对比几种溶剂的极性,并结合实验结果得出结论:水的极性最大,形成氢键的能力最大,可以形成水合物,但是脱氧胸苷形成氢键的能力比水要强,通过对结晶速度进行控制,可以得到脱氧胸苷的无水晶型或单水化合物。当结晶过程很慢时,脱氧胸苷各分子间通过氢键结合,水分子无法参与,得到的产物为无水合物。其它溶剂要比脱氧胸苷提供氢键的能力弱,所以不会形成溶剂化合物,以此验证了溶剂对晶型的选择性。
                                                           
图2. 不同溶剂中脱氧胸苷的晶习

在考察溶剂对晶型的影响时,除了分子水平上的溶剂-溶质相互作用,溶液的过饱和程度也可能会造成不同晶型的产生,在对卡马西平的研究中就充分验证了这一点。起初,由于特定的溶剂-溶质相互作用形成了卡马西平晶型II,接下来在对晶型II的溶解平衡的过程中,形成一个相对于晶型III过饱和的溶液,经过一段时间成核和生长,促进了晶型III的形成。
                                                                   
图3. 溶剂下的卡马西平多晶型

此外,在结晶过程中发现溶剂的黏度和表面张力也会对结晶动力学产生影响,从而影响晶型筛选结果。
溶剂选择策略与避免原则
结晶是一种复杂的动力学过程,溶剂对结晶的影响巨大。在晶筛实验中选择合适的溶剂来进行实验设计是非常必要的,根据以往的项目经验,对晶筛中的溶剂选择策略总结如下:
(1)溶剂选择应多样性,一般晶型筛选实验中应尽量包含多种类型的溶剂,按照分类包括:醇类、醚类、酯类、酮类和烷烃等,这些溶剂应至少选择一种具有代表性的。
(2)晶筛实验中应尽量避免使用ICH一类溶剂,建议选用溶剂包括常见的二类溶剂和三类溶剂。常用的溶剂有:甲醇、乙醇、异丙醇、甲基叔丁基醚、乙酸乙酯、丙酮、正庚烷、四氢呋喃、乙腈、水、二氯甲烷、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、1,4-二氧六环等。
(3)根据化合物在不同溶剂下的溶解度数据选择良溶剂和反溶剂进行实验设计,双溶剂实验应注意两相溶剂溶解度的差异不宜过大,有可能会出现“油析”现象。选择多溶剂进行实验时,应保证各溶剂间有一定互溶性。
(4)溶剂的凝固点和沸点也是晶筛实验中溶剂选择的重要考量因素,一般高沸点的溶剂挥发性较差。涉及到挥发性实验时,选择溶剂沸点最好不超过100℃。涉及到降温实验时,避免使用凝固点较高的溶剂。
(5)结晶过程中,应选择合适的溶剂来配制浓度适中的溶液。若浓度较低,则无法析出足够量的产品。若浓度太高,有时自溶液中析出的速度太快,超过化合物晶核的形成和分子定向排列的速度,往往只能得到无定型样品。
(6)避免选择的溶剂与化合物发生反应或使化合物降解。

 
 

参考文献:
[1] Ouyang J, Xing X, Chen J, et al. Effects of solvent, supersaturation ratio and silica template on morphology and polymorph evolution of vanillin during swift cooling crystallization[J]. Particuology, 2022, 65: 93-104.
[2] Du W, Yin Q, Gong J, et al. Effects of solvent on polymorph formation and nucleation of prasugrel hydrochloride[J]. Crystal Growth & Design, 2014, 14(9): 4519-4525.
[3] 尹秋响, 周丽娜, 吴送姑, 等. 溶剂和添加剂对晶习的影响[C]. 第六届中国工业结晶科学与技术研讨会(2012). 全国医药技术市场协会; 天津大学, 2012.
[4] MILLER J M, RODRÍGUEZ-HORNEDO N, BLACKBURN A C, et al. Solvent systems for crystallization and polymorph selection[M]. Solvent systems and their selection in pharmaceutics and biopharmaceutics. Springer, New York, NY, 2007: 53-109.