Pevná fáze ve farmacii. Bohumil Kratochvíl

Transkript

1 Pevná fáze ve farmacii Bohumil Kratochvíl Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2018

2 Pevná fáze ve farmacii Organická syntéza (farmakochemie) molekula Finální produkt (substance) je pevná fáze: Fáze je pevná nebo kapalná (solidifikace)? Pevná fáze je krystalická, amorfní nebo semikrystalická? Jaký je krystalový tvar, velikost krystalů (částic)? Jaký je obsah zbytkového rozpouštědla uzavřený v krystalech? Nejedná se o solvát (hydrát) finální substance? Jak a jak rychle se bude pevná fáze rozpouštět? Kresby: Doc.J.Budka Tyto a další otázky jsou spojeny s existencí pevné fáze ve farmacii

3 Vnitřní struktura nejdůležitější fenomén pevné fáze Struktura (dimenzionální hierarchie): jaderná (10-15 m) radiofarmaka elektronová (< ) molekulová ( m) krystalová, amorfní ( m) charakteristiky sypkého práškového bulku ( m) mikrostruktura kompaktního tělesa ( m) Struktura versus Vlastnosti Každá pevná fáze má jiné vlastnosti a změnou struktury pevné fáze lze tyto vlastnosti měnit pro zamýšlené použití!

4 Struktura atomového jádra Molekulová struktura: Viz dále, Pro farmacii důležitá! Elektronová struktura: Pásová teorie pevných látek - viz přednáška: Chemie a fyzika pevných látek, pro farmacii méně důležitá Viz dále, Pro farmacii důležitá! Krystalová nebo amorfní struktura: Mikrostruktura kompaktních lékových forem: Viz dále, pro farmacii velmi důležité! Pro farmacii důležitá homogenita lékových forem! Charakteristiky sypkého práškového bulku Viz přednáška: Inženýrství farmaceutických výrob, pro farmacii důležité!

5 Struktura atomového jádra - radiofarmaka Parenterální radiofarmaka jsou klinicky nejpoužívanější formou. Rozlišujeme pravé roztoky, koloidy (značený albumin) a suspenze. Nejčastěji jsou podávány intravenózně. V terapii otevřenými zářiči se uplatňuje podávání radiofarmak do tělních dutin (intraperitoneálně, intraartikulárně). Perorální radiofarmaka jsou nejčastěji ve formě vodného roztoku nebo želatinových tobolek. Pro vyšetření motility GIT se používají radionuklidy značené potraviny. Inhalační radiofarmaka tvoří buď radioaktivní plyny ( 81m Kr) nebo mlhy vodných roztoků radiofarmak, získávané z tryskových nebo ultrazvukových nebulizátorů (nejčastěji látky značené 99m Tc). Lokálně aplikovaná radiofarmaka se využívají nejčastěji k cílené terapii nádorů.

6 Molekulová struktura Isomerie cis, trans jako kancerostatikum účinkuje pouze forma cis Štarha, Trávníček Chiralita S R thalidomid: S- isomer teratogen, R-isomer sedativum kontrola správné chirality vstupních surovin kontrola zda při mnohastupňových organických syntézách nedochází k nečekané změně chirality meziproduktu (finálního produktu) kontrola, zda při stereoselektivní syntéze nedochází k racemizaci meziproduktu (produktu) lokalizace příp. změny chirality u molekul s více chirálními centry

7 Krystalová struktura - krystalické a amorfní fáze Makroskopické vlastnosti API jsou určeny mírou vzájemné uspořádanosti molekul (vnitřní strukturou API) - Krystalické API mají vnitřní krystalickou strukturu uspořádanou na dlouhou vzdálenost (zhruba nad 100 Å, 1Å = m) - Amorfní API mají vnitřní strukturu uspořádanou pouze na krátkou vzdálenost (zhruba pod 100 Å) Krystalická fáze Amorfní fáze

8 Semikrystalické API forma krystalická LRO (long-range order) forma semikrystalická RTG difraktogramy forma amorfní SRO (short-range order) S a m o v o l n ý p r o c e s Amorfní a semikrystalické API jsou fázemi nestabilními (výše energetickými) a proto přechází na fáze krystalické (níže energetické)

9 Amorfní, semikrystalické a krystalické fáze RTG difraktogramy: atorvastatin vápenatý amorfát atorvastatin vápenatý semikrystal, forma V, firma Teva atorvastatin vápenatý. 3H 2 O krystal, forma I, firma Warner-Lambert (Pfizer) Semikrystalická fáze může tvořit mezistupeň při fázové transformaci : Amorfát Semikrystalická fáze Krystal

10 Základní charakteristika a rozdíl mezi krystalickou a amorfní fází Krystalická fáze: - ostrý bod tání, Tt - parametry krystalové (vnitřní) struktury: - mřížkové parametry, délky hran buňky a,b,c [Å] a jimi sevřené úhly,, [ o ], mezirovinné vzdálenosti dhkl, - prostorová grupa symetrie - pozice atomů x,y,z Amorfní fáze: - teplota skelného přechodu, Tg - vnitřní (neuspořádaná) struktura není charakterizována žádnými dalšími parametry

11 Krystalová struktura - Molekulární krystal Pevné farmaceutické substance (API) jsou v drtivé většině případů organické molekulární krystaly organická molekula organický molekulární krystal (API) Mezimolekulární (nekovalentní) interakce (obecně slabé) řídí prostorové uspořádání molekul v krystalu: H-vazby, VdW síly, π-π interakce, dipól-dipól

12 Ideální krystal - elementy krystalové geometrie Ideální krystal: nekonečná, ideálně trojrozměrně se opakující krystalová struktura. Ideální krystal je zjednodušení reality, ale pro vysvětlení řady farmaceutických vlastností vyhovuje) Krystalová struktura realita el.mikroskopie Ideální krystal molekulární grafika, výstup z řešení RTG difrakčními metodami

13 Ideální krystal - popis = uzel hmotná báze Ideální krystalová struktura = prostorová mřížka + hmotná báze

14 Ideální krystal - popis Elementární buňka (a,b,c,,, ) Roviny (hkl) zrcadla obsazeny atomy (elektrony), mezirovinná vzdálenost d hkl

15 Geometrie krystalové struktury - elementární buňka Rozměry buňky, délky hran a,b,c [Å] a jimi sevřené úhly,, [ o ], se také nazývají mřížkové parametry. Počet molekul v buňce udává symbol Z (zde Z=1). Objem V = 2abc.{sin s. sin(s - ) sin (s - ). sin (s - )}1/2, kde s = ( + + )/2. V [Å 3 ].

16 Symetrie krystalu Bravaisovy mřížky a krystalové soustavy NaCl - halite 1. Cubic TiO 2 - rutile 2. Tetragonal S sulphur (orth.) 3. Orthorombic 4. Rhombohedral CaCO 3 - calcite 5. Hexagonal 6. Monoclinic SiO 2 - quartz 7. Triclinic S sulphur (mon.) CuSO 4. 5H 2 O Bravais lattices Crystallographic systems Examples 16

17 Prostorová grupa komplexní popis symetrie krystalu Prostorová grupa je soubor všech možných operací symetrie a jejich kombinací s elementární buňkou (primitivní nebo centrovanou), které je možné nalézt v dané krystalové struktuře. Vzhledem ke translační periodicitě krystalových struktur je počet možných prostorových grup omezen na 230. Symboly P.G.: P 1, P 2 1 /c, P , Pmna.. Krystalová struktura sulfathiazolu (forma III) s vyznačením elementární buňky, šroubových os 2 1, skluzné roviny b, a středů souměrnosti 1 (prostorová grupa P2 1 /b)

18 Prostorová grupa popisuje symetrii krystalové struktury V přírodě existuje pouze 230 prostorově-symetrických uspořádání neboli 230 prostorových grup. Zastoupení všech prostorových grup v přírodě není rovnoměrné, ale jsou upřednostňovány pouze některé

19 Pozice atomů v elementární buňce Pozici x,y,z udávají bezrozměrná čísla. Pozice atomu N v buňce: x=0.5, y=0.75; translačně symetrické pozice dalších atomů N : i = x+1,y-1; ii = x,y-3 atd.

20 RTG strukturní analýza výsledky ORTEP (Oak Ridge National Laboratory)

21 Příklad vyřešené krystalové struktury sertralin. HCl (antidepresivum) Chemická struktura Molekulová struktura Základní krystalografické parametry Cell dimensions (Å) a = 8.004(5) b = 8.372(5) c = 25.21(2) Cell volume (Å3) V = (6) Space group P Crystal system Orthorombic Molecules/unit cell, Z = 4 Krystalová struktura Density calculated (g/cm3) = 1.354

22 Standardní uložení výsledků RTG strukturní analýzy Crystallographic Information File Příklad data_toz _audit_creation_date _chemical_name_systematic ;trans-3-benzoyl-2-(tertbutyl)-4-(iso-butyl)-1,3-oxazolidin-5-one ; _chemical_formula_sum 'C18 H25 N O3' _cell_length_a 5.959(1) _cell_length_b (1) _cell_length_c (3) _cell_angle_alpha 90 _cell_angle_beta 90 _cell_angle_gamma 90 loop reflns_scale_group_code _reflns_scale_meas_f loop symmetry_equiv_pos_as_xyz +x,+y,+z 1/2-x,-y,1/2+z 1/2+x,1/2-y,-z -x,1/2+y,1/2-z loop atom_type_symbol _atom_type_number_in_cell _atom_type_scat_dispersion_real _atom_type_scat_dispersion_imag C H O N loop atom_site_label _atom_site_fract_x _atom_site_fract_y _atom_site_fract_z _atom_site_test_rubbish # requested item not present _atom_site_thermal_displace_type _atom_site_u_iso_or_equiv O1.4154(4).5699(1).3026(1)? Uani.060(1) C2.5630(5).5087(2).3246(1)? Uani.060(2) C3.5350(5).4920(2).3997(1)? Uani.048(1) N4.3570(3).5558(1).4167(1)? Uani.039(1) C5.3000(5).6122(2).3581(1)? Uani.045(1) O (5).4738(2).2874(1)? Uani.090(2) C (6).3929(2).4143(2)? Uani.059(2) C (7).3558(2).3953(2)? Uani.073(2) C (1).3542(4).3211(3)? Uani.111(4) C (1).2626(3).4264(3)? Uani.149(5) C (4).5476(2).4682(1)? Uani.041(1) H321C.04(1).318(3).320(2)? Uiso H322A.25(1).272(4).475(3)? Uiso H322B ? Uiso H322C.08(1).234(4).397(3)? Uiso H (6).447(2).552(2)? Uiso H513B.115(7).757(3).426(2)? Uiso H513C.329(6).817(2).430(2)? Uiso loop refln_index_h _refln_index_k _refln_index_l _refln_f_meas _refln_f_sigma _refln_observed_status _refln_scale_group_code

23 Ideální a reálný krystal Ideální krystal Reálný krystal s defekty (vakance a intersticiál) Ne všechny vlastnosti krystalických látek lze vysvětlit z modelu ideálního krystalu: Ideální krystal vysvětluje: biologickou aktivitu, polymorfismus, stupeň solvatace (hydratace), krystalový tvar aj. Reálný krystal vysvětluje: rozpustnost, mechanické vlastnosti, transport el. náboje aj.

24 Ideální a reálný krystal Ideální krystal: nekonečná, ideálně trojrozměrně se opakující krystalová struktura (ideální krystal je zjednodušení reality, ale pro vysvětlení řady farmaceutických vlastností vyhovuje: polymorfismus, hydratace atd.) Reálný krystal: jakákoliv odchylka (porucha neboli defekt) od ideálního krystalu na defektech startují degradace, rozpouštění atd. aktivní substance Defekty: - Bodové (vakance, intersticiál) - Čarové (dislokace) - Plošné (krystalové plochy ohraničující povrch krystalu, hranice mezi zrny stejných nebo různých fází) - Objemové (kavity, trhlinky, póry, oblasti neuspořádané struktury)

25 Čarové defekty - dislokace Askeland D.R., Phulé P.P.: The Science and Engineering of Materials. 4th edition.brooks/cole-thomson Learning. Pacific Grove USA 2003.

26 Plošné a objemové defekty mikrotrhlinka

27 Ideální povrch krystalických látek Krystalová plocha (111) v nejtěsnějším kubickém uspořádání Elementární buňka a její rozměry d010 (010) (101) (111) - (111) (222) Roviny (hkl) a mezirovinná vzdálenost dhkl

28 Ideální a reálný povrch l l Ideální povrch je hladký Reálný povrch má reliéf a je stupňovitý Reálný povrch obsahuje póry a krátery, kterými do krystalu proniká rozpouštědlo (rozpouštění), dále má schopnost adsorpce např. vázat molekuly H2O (fyzikální hydrát) parametr drsnosti povrchu

29 Reálný povrch - póry Reálný povrch je reliéfovitý, obsahuje póry, různým způsobem je smáčen kapalinami a obsahuje rozložený elektrostatický povrchový náboj to vše rozhoduje o rozpustnosti a rozpouštěcí rychlosti příslušné aktivní substance Póry Póry jsou malé dutiny, kterými může proudit plyn nebo kapalina. Póry jsou v pevné látce většinou propojeny a tvoří kanálky. Síť těchto kanálků je většinou neuspořádaná. Mikroskopické parametry: geometrie pórů, topologie prostoru pórů Makroskopické parametry: celková pórovitost materiálu, efektivní permeabilita, měrný povrch, kapilární tlak Makropóry, mezopóry, mikropóry (>50 nm, 50 2 nm, <2 nm)

30 Statický náboj na povrchu Vznik náboje: A) Kontaktní nabití - tření B) Indukční nabití C) Iontové nabití Triboelektrická řada Nejpozitivněji nabitý materiál Sklo Olovo Hliník Papír 0 Bavlna Ocel Zlato Polyester Polystyren Polyethylen Polyvinylchlorid Teflon Polyvinylchlorid Nejnegativněji nabitý materiál Při tření dochází k výměně elektronů a k vzniku náboje. Polarita náboje závisí na materiálu a hrubosti povrchu. Statický náboj na povrchu částic ovlivňuje jejich chování dochází k přilínání nenabitých částic nebo k odpuzování částic se stejným nábojem, což snižuje homogenitu směsí.

31 Mikrostruktura pevných lékových forem Mezifázové rozhraní API ( modrá ) Excipient 1( červený ) Excipient 2( zelený ) Mapping mikrostruktury tobolky (Ramanova spektroskopie) obal ( modrá ) API ( žlutá ) cukr ( zelená ) Mapping mikrostruktury pelety (FTIR) Peleta zobrazená metodou SEM Autor: Ing. M. Šimek

32 Nejčastěji zkoumané jevy a procesy v pevných API a v pevných lékových formách 1) Stanovení krystalové struktury z monokrystalu nebo práškovitého materiálu, monitorování fázového složení farmaceutických prášků 2) Identifikace a stanovení polymorfů a studium polymorfních transformací 3) Screening hydrátů a solvátů a procesů dehydratace a desolvatace 4) Identifikace amorfních fází a jejich transformace na krystalické fáze, amorfizace krystalických fází, stanovení T g (teplota skelného přechodu) 5) Kokrystaly, soli a jejich příprava 6) Monitorování stability, degradačních procesů a strukturní charakterizace pevných degradačních produktů 7) Stanovení sypných vlastností partikulárních látek, stanovení a ovlivnění technologických parametrů prášků, segregační chování směsí 8) Analýza homogenity (mikrostruktury) kompaktních lékových forem (tablety, tobolky) 9) Stanovení rozpustnosti a rozpouštěcí rychlosti API a pevných lékových forem

33 Rozdělení pevnolátkových analytických metod metody analyzující molekuly: RTG difrakce, IR, NIR a Ramanova spektr., pevnolátková NMR, hmotnostní spektroskopie (MS) metody analyzující krystalovou (amorfní) strukturu: RTG difrakce (prášková, monokrystalová), teplotní metody (TGA, DSC, mikrodsc, hyperdsc, kalorimetrie (SC, TSC, IMC), pokročilé mikroskopie (TEM, SEM, AFM, HRTEM, STM), terahertzová spektr., RTG absorpční spektr. (EXAFS, XANES), maloúhlový rozptyl (SAXS) metody analyzující bulk (povrch, velikost a tvar částic, sypné a filtrační charakteristiky, hygroskopicitu, homogenitu ): optická mikroskopie (v polarizov. světle, teplotní), dynamická sorpce par (DVS), sítová analýza, laserová difrakce, zeta potenciál, měření adsorpčních izoterem, RTG difrakce, Raman

34 Pevnolátkové analytické metody používané ve farmacii PXRD Powder X-Ray Diffraction SCXRD Single Crystal X-Ray Diffraction ssnmr Solid State Nuclear Magnetic Resonance DSC Differential Scanning Calorimetry (HyperDSc, MicroDSC) MTDSC Modulated Temperature Differential Scanning Calorimetry IR mid-infrared Spectroscopy NIR Near-Infrared Spectroscopy TGA Termogravimetric Analysis DVS Dynamic Vapour Sorption FTIR Fourier Transform Infrared TPS Terahertz Pulsed Spectroscopy IMC Isothermal Microcalorimetry PLM Polarised Light Microscopy MS Mass Spectroscopy TSC Thermally Stimulated Current TEM, SEM, HRTEM Transmission (Scaning, High Resolution) Electron Microscopy AFM Atomic Force Microscopy STM - Scaning Tunelling Microscopy RS Raman Spectroscopy IMC Isothermal Microcalorimetry DRIFTS Diffuse Reflectance Infrared Transmission Spectroscopy EXAFS X-Ray Absorption Fine Structure XANES - X-Ray Absorption Near Edge Structure SAXS Small Angle X-Ray Scattering

35 Nejdůležitější dělení RTG difrakčních metod Podle typu měřeného materiálu: Monokrystalové metody Práškové (polykrystalické) metody 10-1 mm 10-2 mm mm 0,1 nm 10 m nm malé molekuly biomakromolekuly prášek RTG přístrojová technika kompaktní těleso tenká vrstva nanomateriál laboratorní RTG zdroj synchrotron laboratorní RTG zdroj synchrotron monokrystalové difraktometry práškové difraktometry

36 Příklady využití RTG strukturní analýzy ve farmacii Proč řešíme struktury farmaceutických molekul a biomakromolekul : - strukturní charakterizace farmakoforu (struktura vs. vlastnosti) - strukturní charakterizace mechanismu účinku (návrh nových léků) - strukturní identifikace pevné formy (polymorfu) - mapování výskytu možných solventů (hydrátů) - farmaceutická dokumentace - důkazy v patentových soudních sporech RTG strukturní analýza malých molekul (do atomů v molekule) RTG proteinová krystalografie (např. ribosom obsahuje okolo atomů) molekulární krystaly - léčiva biomakromolekuly - bioléčiva

37 RTG difrakční experiment a difrakční obrazce (difraktogramy) vidíme difrakce nikoliv atomy! monokrystal Difraktogramy primární svazek krystalové roviny (hkl) 2 hkl rotace vzorku I hkl difrakční skvrna (difrakce) prášek Analyticky využitelné veličiny: Difrakční intenzita, I hkl Pozice difrakce, 2 hkl Různé podoby difraktogramů

38 Analyticky využitelná data v RTG difrakci: 1) intenzita difrakční stopy, I hkl analýzou intenzit lze vyřešit krystalovou strukturu Strukturní model typu ball and sticks Realističtější pohled na strukturu (distribuce elektronové hustoty)

39 Postup řešení krystalové struktury vstupní monokrystal RTG difrakční experiment zobrazení výsledku molekulární grafikou výpočet mapy elektronové hustoty

40 Určení absolutní chirality z RTG difrakčních dat (O)-ester Intermediát syntézy steroidních léčiv Nečistota fluticasonu furoátu - dvě možnosti: (O)-ester nebo(s)-ester thiokyseliny? F F H HO CH 3 H O CH 3 S O H O O H HO CH 3 H S CH 3 O O H O O CH 3 CH 3 F H F H O O H F H F

41 Analýza kavit - screening solvátů cyklosporinů Struktura Cs A di-n-butylether solvátu Kavita je obklopena 6 molekulami Cs A Rozložení kavit v krystalové struktuře Vyplnění kavity molekulou di-n-butyletheru

42 Analýza kavit ve strukturách cyklosporinů (léčba posttransplantačních stavů a poruch autoimunity) chemický skelet CsA CsA monohydrát CsA dihydrát CsA monohydrát bis(aceton) solvát CsA dimethylisosorbid CsA di-n-butylether solvát CsA tetrahydrofuran solvát CsA ( )-n-butyl-laktát cyklosporinové klatráty

43 Terricolin FeL3.2MeOH nežádoucí pigmentová nečistota Cs A HL = (1S,2R,4S,6R)-3-(2,4 -dimethyl-6 -vinylcyklohexyl)-1,4-dihydroxy-2(1h)-pyridon stanovení absolutní chirality z RTG difrakčních dat -cis R=0,057 x=0.97(4) -cis R=0,052 x=0.03(4) správně Krystalografická data terricolinu: a = 20,27(3) Å (MoK ) = 0,7107 Å b = 19,35(4) Dc =1,141 g.cm-3 c = 13,43(4) PG P V = 5268(2) Å3 Z = 4

44 Imunosupresivum cyklosporin A (Cs A) Cyklosporin A v krystalickém dihydrátu a konformace jeho molekuly Lékové formy

45 Identifikace krystalické fáze v tobolce CsA Dimethylisorbid (DMI) uvažovaná komponenta do mikroemulze Nežádoucí krystalická fáze v tobolce Krystalický Cs A. DMI solvát Změna konformace molekuly CsA.DMI proti CsA.2H 2 O

46 Krystalové struktury polymorfů ranitidinu hydrochloridu Forma I Forma II

47 Analyticky využitelná data v RTG difrakci: 2) poloha difrakční skvrny, 2 hkl umožňuje vypočítat mřížkové parametry optika & monochromátor detektor Bragg-Brentano reflexní geometrie RTG lampa 2 hkl vzorek

48 Aplikace v práškové RTG difrakční analýze - kvalitativní a kvantitativní fázová analýza 1) Každá fáze poskytuje charakteristický difraktogram (hodnoty, resp.d a I ) 2) Difraktogram směsi je superpozicí difraktogramů čistých fází 3) Intenzita difrakčních píků je úměrná množství fáze ve směsi - kvalitativní analýza: - referenční databáze PDF IV (asi fází) - identifikační algoritmy a vyhledávací software - kvantitativní analýza: - bezstandardové metody - standardové metody - teoretický RTG práškový difraktogram Převzato od Fiala, Kolega: Mat. Struct. 18, 81 (2011). - Rietveldova metoda Např. u fázové polymorfní směsi je RTG difrakční analýza nejdůležitější metodou identifikace a stanovení

49 Monitorování nežádoucích polymorfních přechodů při výrobě ranitidinu hydrochloridu Difraktogram formy I Difraktogram formy II II I II Směs forem I a II (experiment)

50 Využití RTG práškové difrakce ve farmaceutickém výzkumu, vývoji, výrobě a kontrole Reprodukovatelnost šarží pevných API Praezosin hydrochlorid

51 Difrakce na látkách krystalických, semikrystalických a amorfních a b c simvastatin atorvastatin amorf atorvastatin V sertralin. HCl amorf

52 Identifikace polymorfů atorvastatinu v lékových formách (tabletách) reverzní inženýrství Difraktogram atorvastatinu: čistá forma I a forma I v tabletě (+ pomocné látky: uhličitan vápenatý mikrokrystalická celulosa laktosa sodná sůl karboxymethylcelulosy polysorbát hydroxypropylcelulosa stearan hořečnatý) Identifikace a semikvantitativní analýza atorvastatinu, formy I, v tabletách

53 Závěry Pacient neužívá izolovanou molekulu, ale pevnou fázi (krystalovou nebo amorfní) S existencí pevné fáze jsou ve farmacii spojeny specifické problémy k řešení: struktura vs. vlastnosti Nejdůležitějším fenoménem pevné fáze je její struktura na různých úrovních (elektronová, molekulová, krystalová, amorfní, charakteristiky práškového bulku, mikrostruktura kompaktního tělesa) Některé vlastnosti a fenomény pevné fáze lze vysvětlit na základě představy ideálního krystalu, jiné vlastnosti na základě reálného krystalu Pro výrobu pevných lékových forem jsou důležité charakteristiky práškového bulku, kvalitu pevné lékové fomy určuje její mikrostruktura Pro charakterizaci pevné fáze je využívána celá škála pevnolátkových analytických metod RTG difrakční metodika je nejdůležitější analytickou technikou pro monitorování krystalických a v menší míře i amorfních fází ve farmacii