6. Polymorfy, hydráty, solváty, soli, kokrystaly, amorfní formy

6. Polymorfy, hydráty, solváty, soli, kokrystaly, amorfní formy 6.1. Úvod U pevných substancí a také u excipientů nás zajímá, zda se vyskytují ve formě polymorfů, hydrátů, solvátů nebo v amorfním stavu. Forma ovlivňuje vlastnosti léčiva a proto určitá technologie musí produkovat jednu definovanou pevnou formu. Z hlediska technologických vlastností (mikronizace, granulace, tabletace) je u krystalických forem důležité v jakém krystalovém tvaru (habitu) vykrystalují. Polymorfy, hydráty nebo solváty se li svojí krystalovou strukturou, což se navenek může projevit i v markantně různém krystalovém tvaru. Je velký rozdíl, mikronizujeme-li např. lístkovité krystalky a na druhé straně krystalky tvaru hranolů. U lístků je to samozřejmě komplikovaněj, protože mají tendenci se lepit na stěny mikronizátoru. Ovlivnit krystalový tvar i beze změny struktury je také možné a sice volbou finálního rozštědla při krystalizaci. Např. acetylsalycilová kyselina (Aspirin ) krystalizuje v různých tvarech z různých rozštědel (obr. 6.1.) aniž rozštědlo vstoupí do krystalové struktury (nejedná se tudíž o polymorfismus). Obr. 6.1. Různé tvary acetylsalicylové kyseliny krystalované z různých rozštědel (převzato z Byrn R. S., Pfeiffer R. R., Stowell G.J.: Solid-State Chemistry of Drugs, 2nd ed. SSCI, Inc. West Lafayette, Indiana 1999). Z patentového hlediska je důležité, že některé pevné formy určité substance mohou být patentově kolizní a jiné nikoliv, ačkoliv se jedná o tutéž farmaceuticky aktivní molekulu. Výběru vhodné pevné formy musí být věnována pozornost již od začátku vývoje nového léčiva (nebo generika). Obecný přehled etap řeš problémů spojených s pevnými formami ve farmaceutickém vývoji je uveden v Tab. VI.1. Tabulka VI.1. Etapy vývoje vhodné pevné formy aktivní substance Fáze vývoje Časná Cíle 1. Sklon k tvorbě různých krystalových forem u dané substance 2. Vyhledání stabilních forem 3. Vyhledání stabilních hydrátů 1

Vytvoř celkového přehledu Cílená Komplexní řeš 1. Popis nejstabilněj formy 2. Popis nejstabilnějho hydrátu 3. Komplexní popis ostatních forem Příprava vybrané formy v m měřítku s dodržm podmínek správné výrobní praxe 1. Detailní popis nejstabilněj formy z různých aspektů 2. Posouz vhodnosti a výhodnosti pro lékovou formu 3. Vyhledávání patentově nechráněných forem 4. Patentová ochrana všech forem 6.1. Solváty V mnoha procesech výroby je API vystavena vlivu solventů nebo solventových par. Když organický solvent nemůže být z finálního produktu beze zbytku odstraněn vhodnou sucí procedurou, hovoříme o zbytkových rozštědlech, které jsou obecně považovány za nečistoty. Podrobnosti jsou uvedeny v příslušné směrnici ICH Q3C (International Conference of Harmonization). Solvent může být vázán v pevné látce několika způsoby. První způsob je navázání solventu na povrch API slabými fyzikálními interakcemi (adsorpce). Takto navázaný solvent je odstranitelný sušm. Vzhledem k anisotropii fyzikálních vlastností krystalu má každá krystalová plocha vůči adsorpci solventu jinou afinitu. Dalm způsobem je navázání solventu do krystalu při jeho růstu ve formě mikroskopických kapalných inkluzí. Tyto kapsy obsahují kromě solventu i jiné nečistoty matečného louhu. Obsah solventu v inkluzích je obvykle <0,5%. Vyš obsahy solventu se zachycují (absorbují) v lokalizovaných neuspořádáných (amorfních) oblastech nebo defektech krystalové struktury, které vznikají při mechanických procesech (mletí, granulace). Konečně posledním způsobem je solvát. Když jsou molekuly solventu pravidelně navázány na molekuly API (VdW síly, H-vazby) a stabilizují krystalovou strukturu, tak se jedná o stechiometrický solvát. V nestechiometrickém solvátu jsou molekuly solventu ve struktuře API umístěny velmi volně v kavitách. 2

Obr.. Způsoby zachyc zbytkového rozštědla v krystalu API V krystalové struktuře solvátu zaujímají molekuly API velký prostor a vedle toho malý prostor je vyhražen molekulám solventu. 6.2. Terminologie a klasifikace solvátů Obecně patří solváty mezi tzv. multikomponentní sloučeniny. Méně častěji se též můžeme setkat s pojmem klatráty. Různé solváty od jedné API se též označují solvatomorfy, příp. pseudopolymorfy. Nejdůležitěj mezi solváty jsou hydráty a ve farmacii se velmi často žívají. Molekuly vody se ve struktuře solvátu často zapojí do systému H-vazeb. Obrazně řečeno molekuly vody působí v solvátu lepidlo pro molekuly API. Rozdíl mezi solváty a kokrystaly je v tom, že když za pokojové teploty je jedna složka kapalná (solvent) a druhá pevná (API), tak se jedná o solvát. Když jsou obě složky pevné, tak se jedná o kokrystal. Základní rozděl je na stechiometrické solváty a nestechiometrické solváty. Stechiometrické solváty jsou molekulární sloučeniny, kde je jasně vyjádřen poměr zastoup obou složek. Molekuly solventu se zapojí do systému slabých interakcí. Desolvatace stechiometrického solvátu vždy vede buď k jiné krystalické fázi (polymorfu, desolvatovaný solvát), nebo k neuspořádáné resp. amorfní fázi. Desolvatovaný solvát je ovšem velmi choulostivý ve srovnání se stejnou fází (polymorfem) připraveným jiným způsobem. Nejžívaněj jsou monohydráty. Vyš koordinace di-, tri- semi- jsou daleko méně časté. 3

Nestechiometrické solváty jsou hůře definovatelné. Jsou to nejspíše intersticiální tuhé roztoky. Krystalová struktura je vybudována z molekul API a v dutinách (kavitách) této struktury jsou zachyceny molekuly solventu, které se nezúčastní slabých interakcí s molekulami API. Charakteristickým rysem nestechiometrických solvátů je skutečnost, že molekuly solventu mohou být z dutin vypuzeny, aniž se struktura zbourá (změní). Zachycené množství solventu závisí na jeho parciálním tlaku a na teplotě. Typickými nestechiometrickými solváty jsou nanotrubičky, které v kanálcích obsahují molekuly solventu, z hlediska RTG difrakce většinou disordrovaného. Pro nestechiometrické solváty jsou typické desetinné poměry např. 1: 0,88 apod. Nestechiometrické hydráty se pro formulaci téměř nežívají. Důvodem je např. i skutečnost, že velmi slabě v nich vázaná voda ( free water ) může reagovat snadno s excipienty. Desolvatace stechiometrického solvátu je téměř vždy spojena se změnou krystalové struktury, zatímco při desolvataci nestechiometrického solvátu může struktura zůstat zachována. Ve farmacii jsou solváty často žívány a jsou podstatou velmi pestré solvatomorfie některých API (sulfathiazol, okolo 100 solvátů). Screening solvátů je součástí celkového polymorfního screeningu API. Vysoce metastabilní solváty desolvatují a tak dávají vznik novým čistým polymorfům (zejména u stechiometrických solvátů). Nejčastějm případem stechiometrických solvátů jsou hydráty. Vzhledem k tomu, že v technologii výroby API často dochází ke kontaktu s vodou, je pravděpodobný i vznik stabilních hydrátů (vlhká granulace, ale i vzdušná vlhkost). Také při lyofilizaci může dojít ke vzniku neobvyklých solvátů, např. fenobarbital dioxan solvát. Solváty mohou také snadno vzniknout ve vodných (a jiných) suspenzích nebo při expozici API vodními parami fázovou transformací. Vzhledem k tomu, že solvent (voda) drží v solvátu slabými interakcemi, je nutné solváty uchovávat za citlivých podmínek (suchá atmosféra, parciální tlak, přesná teplota). Při pozorování desolvatace se původně transparentní krystalický alí do běla vlivem velmi rozsáhlé povrchové nukleace nové fáze (pseudomorfóza). 6.3. Solvatující molekuly Inspekce databáze CSD ukazuje, že daleko nejčastějm solventem je voda, následovaná dichlormethanem, methanolem, benzenem, acetonitrilem, toluenem, tetrahydrofuranem, ethanolem a acetonem. 6.4. Stabilita a rozpustnost solvátů 4

Stabilita solvátů je citlivá věc. Většinou se solváty stabilizují s klesající teplotou. Někdy však může být hydrát stabilní fází v systému (tergurid). Stabilita solvátů se často zkoumá při tepelném rozkladu (TG, DTA, DSC). Stanov teploty přechodu metastabilního hydrátu a stabilního hydrátu na anhydrát. Obr. Schematické znázornění přechodu hydrátů na anhydrát Stechiometrické hydráty ští vodu tak při 105 150 o C, zatímco rozklad organické fáze nastává až po 200 o C. Tzn. desolvatací solvátu (hydrátu) vznikne jiná fáze téže API. Proto jsou obecně anhydráty (ansolváty) stabilněj. Jedna z výhod žití solvátu může např. spočívat ve vět odolnosti proti degradaci. Nestechiometrický prednisolon tert-butylacetát solvát obsahuje v kanálech struktury molekuly solventu, které zabraňují přístupu (penetraci) vzduchu a tak je zabráněno vzniku oxidačních resp. hydratačních produktů. 6.5. Procesing solvátů V preformulačním stadiu může být zvolen hydrát API. Důvodem je např. že je lépe rozpustný než anhydrát nebo má lep schopnost tabletace a tablety se lépe a rychleji rozští. Solváty se prakticky pro formulaci nežívají, mají význam, že mohou být prekursorem, jinak těžko krystalizovatelného polymorfu, který se získá jejich desolvatací (cabergolin, forma I). 6.6. Soli Převed báze nebo kyseliny na sůl umožňuje modifikovat vlastnosti původní API, pokud nevyhovují. Např. zvýšit nebo snížit rozpustnost, zvýšit stabilitu, snížit toxicitu nebo redukovat hygroskopicitu. Soli mají obecně vyš rozpustnost a biodostupnost než volné báze nebo kyseliny. Dále mají jiné fyzikálně-chemické a vlastnosti (stabilitu, hygroskopičnost, tekutost neboli sypnost práškovitého stavu atd.) a proto jsou pro farmacii velmi zajímavé. API formulujeme sůl např. když rozpustnost soli je podstatně lep než báze. Volbou různých solí od jedné substance tak můžeme měnit 5

výsledné vlastnosti léčiva. Nejzastoupeněj aniontovou solí je ve farmacii hydrochlorid, ale spektrum se stále rozšiřuje, takže se dále můžeme setkat s hydrobromidy, dusičnany, sulfáty, methansulfonáty (mesyláty), maleáty, tartaráty, fosfáty, ethylendiamináty, paratoluensulfonáty (tosyláty) naftalensulfonáty (napsyláty) aj. a na druhé straně se solemi vápenatými (např. atorvastatin vápenatý), sodnými, lithnými, amonnými aj. Přibližně polovina všech substancí je uváděna na trh v podobě solí. Např. analgetikum propoxyfen bylo originálně formulováno hydrochlorid a užíváno spolu s aspirinem. Aspirin se však v přítomnosti propoxyfenu hydrochloridu snadno rozkládal, byl nestabilní. Teprve po přeformulování na propoxyfen napsylát (obr. 5.6.) se aspirin stabilizoval. Kromě toho propoxyfen napsylát má ve srovnání s propoxyfenem hydrochloridem Obr.5.6. Propoxyfen napsylát monohydrát (Darvocet) poloviční orální toxicitu, jak bylo zjištěno na krysách a mych, a del dobu účinku (jiný farmakokinetický profil). 6.7. Kokrystaly Jinou technikou je krystalizovat tzv. kokrystal. Kokrystal je obecná sloučenina typu hostitel-host, kdy původní hostitelská struktura substance je synteticky něna hostem, který n solventem. Host ze struktury kokrystalu snadno nevytěká (nedesolvatuje) a tím se kokrystaly li od solvátů. To proto, že se mezi složkami často vytváří pevné H-můstky. Je popsána řada kokrystalů, většinou s jednoduchým poměrem mezi hostem a hostitelem (1:1, 1:2 nebo 2:1). Příkladem je kokrystal mezi acetaminofenem a piperazinem a mnoho dalch. Kokrystaly lze definovat i jinak, např. obecné multikomponentní sloučeniny, kam patří i soli, hydráty a solváty. Pokud dále definujeme solvent, můžeme z této skupiny vydělit solváty (hydráty). 6.8. Amorfní formy Amorfní, nekrystalické nebo skelné formy. Tyto tři pojmy lze ve farmacii považovat zhruba za synonyma. Důvodů, proč farmaceutické firmy volí při formulaci léčiva amorfní nebo semikrystalické API, je několik. Některé molekuly jen velmi obtížně tvoří krystalické fáze a proto nezbývá než žít fázi amorfní. Většinou se jedná o vysokomolekulární polymery, např. polyvinylpyrrolidon, PVP nebo polyethylenglykol, 6

PEG. Z důvodu patentové kolize generické firmy někdy dají přednost amorfní fázi před fází krystalickou (např. Torvacard vyráběný Zentivou obsahuje API amorfní formu atorvastatinu). Léčiva formulovaná z amorfních forem jsou zpravidla rozpustněj a proto mají rychlej nástup účinku než krystalické formy. Příkladem je novobiocin (antibiotikum), který je v amorfní formě 10x rychleji rozpustný než krystalická forma. Vždy je však třeba počítat s tím, že amorfní formy vykazují termodynamickou nestabilitu, jiné fyzikální a chemické chování a tendenci přecházet ve stabilněj fáze. Amorfní stav může být také přechodnou formou při transformaci dvou krystalických fází. Amorfní fáze vykazují vnitřní uspořádání ze na krátkou vzdálenost (SRO short range order ), což znamená že pravidelné translační opakování molekul je rychle nahrazeno jejich nahodilou distribucí (viz obr. 1.1.). V současné době převládá názor, že amorfní (resp. semikrystalický ) stav je ze prekurzorem stavu krystalického. Tento názor lze podpořit optickou mikroskopií a RTG práškovou difrakcí (obr.6.x). 7

Obr.6. RTG difraktogramy tří forem atorvastatinu (shora dolů: krystalická fáze I, semikrystalická fáze V a amorfní fáze). Z polohy difrakčních maxim je patrné, že mezi těmito třemi formami je souvislost Tradičně jsou amorfní fáze považovány za zmrzlé kapaliny, které mají reologické vlastnosti pevné fáze. Flexibilní molekuly, které mají mnoho vnitřních stupňů volnosti (torzních úhlů), často pomalu a obtížně krystalují, protože existuje řada možností jak se mohou zabudovat do krystalové struktury (např. polysacharidy nebo syntetické polymery). Tyto molekuly snadněji vytváří skelné fáze než molekuly rigidní. Ostrý přechod mezi amorfními a krystalickými fázemi neexistuje. V téměř spojité linii mezi 100% krystalickou fází a 100 % amorfní fází si přechod můžeme představit postupné hromadění defektů krystalové struktury vedoucí nakonec k jejímu úplnému rozbourání (amorfizaci). Částečně krystalické fáze nazýváme semikrystaly (někdy též parakrystaly nebo mezofáze). 6.9. Termodynamika a kinetika vzniku amorfního stavu Nepatrně pod teplotou tání (T t ) nastává u většiny látek krystalizace, jejímž úvodním krokem je nukleace (přesně v T t je nukleární bariéra nekonečně vysoká!). Jestliže sledujeme křivky na obr.6.. tak vidíme, že při krystalizaci se skokově mění objem. Obr. 6.. Objemové změny během ochlazování kapaliny Některé kapaliny (taveniny) však mohou pod T t přejít do stavu přechlazené kapaliny a nekrystalovat. Oblast přechlazené kapaliny je metastabilním stavem, kde objem zvolna klesá a viskozita stoupá se snižující se teplotou. Po dosaž viskozity řádu 10 12 Pa.s (hranice mezi kapalným a tuhým stavem) vzniká na horní křivce zaoblený zlom, který nazýváme skelným přechodem. Skelný přechod je transformací, které na ose teploty 8

odpovídá určitý teplotní interval, jehož pomyslný střed (průsečík směrnic) se označuje teplota skelného přechodu T g. Hodnota T g n konstantou, protože výrazně závisí na rychlosti chlaz kapaliny. Při vzniku skla se musíme krystalizaci vyhnout, takže rychlost ochlazování kapaliny musí být dostatečně velká, aby koncentrace nukleí nepřekročila kritickou mez. Struktura skla je neuspořádaná, resp. uspořádaná jen na velmi krátkou vzdálenost, protože při skelném přechodu se struktura nestačí uspořádat a zamrzne ve stavu přechlazené kapaliny. Při stejných množstvích zaujímá sklo vět objem než krystalická látka, protože neuspořádaná struktura zaujímá vět objem než uspořádaná. 6.10. Příprava amorfních fází Amorfní fáze ve farmaceutické výrobě nepřipravujeme ze skelným přechodem. Amorfní fázi lze získat také neobvyklými podmínkami při krystalizaci (např. rychlé sráž) nebo procesy amorfizující krystalickou fázi (např. suš, desolvatace, mletí, komprese) nebo speciálními technikami (lyofilizace, sprejové suš). Základním předpokladem uplatnění metody tzv. quench-cooling (rychlé chlaz nebo také vitrifikace) je, že tavenina látky se nesmí rozkládat. Tomu někdy můžeme zabránit, že tavicí proces probíhá v dusíkové atmosféře. Principem je skelný přechod v tavenině, který vede k sirupovitým amorfním fázím s vysokou viskoelasticitou. Rychlost ochlaz taveniny je vysoká. Obvykle se během několika vteřin sníží teplota ze stavu nad T t do teploty kapalného dusíku. Takto se připravují amorfní fáze např. indomethacinu, felodipinu, nifedipinu. Rychlost chlaz ovšem nemusí být vždy vysoká, někdy stačí taveninu, která má tendenci dobře přecházet do skelného stavu, ochladit ze na laboratorní teplotu (např. amorfní benperidol). Při žití metody rychlého sráž je předpokladem vysoce přesycený roztok. Vylouč amorfní nebo semikrystalické fáze lze dosáhnout přidáním srážedla (antisolventu) nebo změnou ph. Např. amorfní piretanid byl připraven rychlým okyselm jeho zásaditého roztoku. Mikronizace (obecné zmenšování zrna pevných substancí) je obecně prováděna mletím. Přitom se přítomná zrna zmenšují z velikosti 10 50 µm na velikost 5 10 µm. Při mikronizaci dochází ke změnám ve vzhledu RTG práškových difraktogramů difrakční linie se rozšiřují (obr.. 9

Obr.. Dva difraktogramy terguridu E: a) před mikronizací, b) po mikronizaci Pokud dal intenzivní mikronizací klesne velikost zrn na 0,1 µm, substance se jeví pro RTG zář amorfní (viz vzhled difraktogramu na obr.6 dole). Ačkoliv je tato jemně umletá substance ve svých zrnech krystalická, jsou její vlastnosti skoro stejné u amorfní fáze po skelném přechodu. RTG prášková difraktometrie n schopna tyto dva stavy rozlišit. Obecně se však dá říci že amorfní fáze vzniklé intenzivní mikronizací jsou reaktivněj než amorfní fáze vzniklé např. skelným přechodem. Důvod zřejmě spočívá v tom, že mikronizací je do fáze vložena energie, takže se jedná o vysoce energetický stav. K přípravě amorfních fází lze rovněž využít i rychlou desolvataci (dehydrataci). Např. dehydratací karbamazepinu dihydrátu pod atmosférou dusíku lze připravit čistou amorfní fázi karbamazepinu. Rychlé vytrhávání molekul vody z krystalové struktury původně uspořádanou krystalovou strukturu nutně amorfizuje ( rozuspořádává ). Princip technologie sprejového suš ( spray drying ) spočívá v rozstřikování koncentrovaného roztoku nebo jemné suspenze do horkého plynu. Je nutné, aby rozstřikovací zaříz produkovalo velmi jemné kapičky, které se vysu během několika vteřin. Produktem jsou dokonale sférická (kulovitá) zrnka, což zajišťuje výborné tokové vlastnosti výsledné amorfní pevné látky. Některé amorfní API produkované sprejovým sušm mají tendenci krystalizovat (např. indomethacin, laktóza), čemuž je při formulaci bráněno přídavkem vhodných excipientů (stearan hořečnatý nebo mikrokrystalická celulóza). Metoda sprejového suš může být žita i pro produkci nanočástic v technologii RESS (Rapid Expansion of Supercritical Solution), kdy substance je rozpuštěna v superkritickém CO 2. Touto technologií je možné získat nanokuličky předem zvolené velikosti. Nejžívaněj metodou pro přípravu amorfní fáze je lyofilizace ( freeze drying ). Již hé srovnání anglických termínů pro lyofilizaci a sprejové suš napovídá, že se jedná o příbuzné postupy. Lyofilizace zahrnuje tři hlavní kroky: a) zmraž roztoku b) primární suš c) sekundární suš 6.11. Krystalizace amorfních fází Termodynamická nestabilita amorfní fáze způsobuje, že amorfní látka má tendenci krystalizovat. Amorfní fáze obsahuje nahromaděnou energii spojenou s entropií, která nebyla uvolněna při krystalizaci (viz krystalizační teplo). Krystalizace předpokládá dostatečnou nukleační rychlost a růst krystalů. Nuklece probíhá dostatečně rychle ze v přesyceném roztoku a klíčovou roli má teplota. Nukleační rychlost exponenciálně stoupá se snižující se teplotou, zatímco intenzita molekulárního pohybu má tendenci právě opačnou (obr. ). Pokud je formulována amorfní API, tak jedním z úkolů formulace je amorfní fázi stabilizovat a zabránit její krystalizaci 10

Obr.. Vliv teploty na nukleační rychlost a míru molekulárního pohybu v přechlazených kapalinách 11