Speciální analytické metody pro léčiva doc. RNDr. Ing. Pavel Řezanka, Ph.D. E-mail: pavel.rezanka@vscht.cz 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 reálný plyn krystalická fáze amorfní fáze pára tekuté krystaly Polymorf 1 Polymorf 2 amorfní fáze Polymorf 3 T b teplota varu T m teplota tání T g teplota skelného přechodu 6
Plyn Ideální plyn isotropní pv = nrt bez molekulárních interakcí p tot = p 1 + p 2 + + p n jedna fáze Charakterizace: mikrovlnná spektroskopie infračervená spektroskopie Reálný plyn isotropní Van der Waalsova rovnice nenulový objem molekul molekuly se ovlivňují Ochlazování: snižování entropie uvolňování kondenzačního tepla teplota varu/kondenzace závisí na interakcích molekul 7
Kapalina Kapalina isotropní translační pohyb molekulární interakce molekuly už nejsou náhodně orientovány pouze určité konformace může existovat více fází Rovnováha s plynnou fází relativní vlhkost = 100*p H2O /p nas % var nastává při rovnosti tlaku páry a atmosférického tlaku Charakterizace: SAXS infračervená spektroskopie 8
Krystalická fáze Kapalina -> krystal 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 Krystalická fáze 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 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 11
Bravaisovy mříže Symbol Typ centrování P C A B I F R primitivní bazálně centrovaná bazálně centrovaná bazálně centrovaná prostorově centrovaná plošně centrovaná romboedricky centrovaná vzhledem k hexagonálním osám 12
Krystal Hustota ρ = Z M w / (V N A ) Z počet vzorcových jednotek (často jedna molekula) M w molární hmotnost V objem elementární buňky Avogadrova konstanta N A 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* 1 2 Jaký je stupeň krystalinity vzorku? 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 1 * Při SXRD se analyzuje pouze několik krystalů, což nevypovídá o celém vzorku ** SXRD je jednodušší, ale XRPD je přesnější SXRD krystalová difrakce XRPD prášková difrakce PLM polarizační mikroskopie 14
Amorfní fáze Vznik 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 T m ) Amorfní fáze většinou jen jediná konformace molekuly jsou k sobě vázány slabými mezimolekulárními interakcemi isotropní velká viskozita stanovení měrné tepelné kapacity C p stanovení měrného objemu V sp Charakterizace: PLM XRPD DSC(diferenční skenovací kalorimetrie) 15
Amorfní fáze Závislost C p jako funkce teploty pro přechod kapaliny na amorfní látku pro různé rychlosti ochlazování (v) Závislost V sp jako funkce teploty pro přechod kapaliny na amorfní látku pro různé rychlosti ochlazování (v) 16
Gibbsův zákon fází f + v = s + 2 f počet fází v volnost s počet nezávislých složek 2 tlak a teplota Fáze vnitřně homogenní část systému od ostatních fází oddělená fázovým rozhraním Unární systém = jednosložkový v = 3 f 17
Binární systém Dvousložkový p = 1 atm v = 3 - f E eutektický bod Teplota T a 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 %) Eutektický bod rovnováha mezi dvěma pevnými fázemi a jednou kapalnou nejnižší teplota, při které může tavenina tát 18
Třísložkový p = 1 atm T = konst. v = 3 - f A léčivo B a C rozpouštědla s(a) rozpustnost látky A Ternární systém Y X 19
Farmaceutické molekuly pk A 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) K D distribuční koeficient mezi vodu a olej vypovídá o rozpustnosti hydrofilní část (polární skupiny: -OH, -NH 2, >C=O, -COOH, ) hydrofobní část (uhlovodíkový řetězec) povrchově aktivní látky (část hydrofilní a část hydrofobní) 20
Farmaceutické molekuly ρ závisí na molekulární hustotě (M w / V M ) a na koeficientu zaplnění (krystalová mříž) obvykle 1,2 1,4 kg/l, pro Si, S, P je vyšší Kvantové výpočty zjištění konformace modelování interakcí lze zahrnout vliv prostředí v případě složitějších systémů selhávají Chromofory konjugované násobné vazby 21
Farmaceutické molekuly (s) Krystalová struktura minimální energie molekulárních konformací minimalizace nábojové nerovnováhy nejvýhodnější uspořádání v krystalu globální minimum energie: termodynamicky stabilní lokální minima energií: metastabilní polymorfy Uspořádání v krystalu 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 kyselina + báze pk A pk A1 pk A2 >2 Charakterizace roztok: H-NMR, Raman krystal: ss-nmr, Raman, XRPD 23
Fázový diagram soli 24
Fázový diagram soli 25
Polymorfy Rozdílné fyzikální vlastnosti: 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 Polymorfismus Schopnost molekul tvořit rozdílné krystalové struktury Charakterizace XRPD, TA, spektroskopie T 26
Polymorfismus (NH 4 NO 3 ) 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 (t t )) 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 ostrý DSC pík ostrý přechod v TGA při podobné teplotě jako var rozp. molekuly rozp. jsou v krystalové mřížce izolované Solváty iontů kovů podobné izolovaným solvátům molekuly rozp. navázány na ionty kovu dehydratace TGA je kroková Kanálové hydráty molekuly rozp. tvoří v krystalové mřížce kanálky nebo vrstvy široký DSC pík méně ostrý přechod v TGA, začíná už pří nízké teplotě 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 z roztoku nebo taveniny 1. nukleace - primární (homogenní, heterogenní) - sekundární 2. růst krystalu Krystalizace 34
Fázový přechod s s 35
Literatura http://www.xray.cz/krystalografie/ 36