Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 12
1.1. Биофармацевтическая классификация лекарственных соединений 12
1.2. Подходы к повышению растворимости лекарственных соединений 15
1.3. Многокомпонентные кристаллы лекарственного назначения 1.3.1. Терминология многокомпонентных кристаллов 19
1.3.2. Границы использования термина «сокристалл» 20
1.3.3. Улучшение растворимости и кинетики растворения лекарственных соединений с использованием сокристаллизации 22
1.4. Методы поиска новых кристаллических форм 28
1.4.1. Инженерия кристаллических структур 28
1.4.2. Экспериментальный скрининг сокристаллов 32
1.5. Термодинамическая стабильность многокомпонентных кристаллов 39
1.5.1. Теоретические подходы к описанию нековалентных взаимодействий в
кристаллах 40
1.6. Объекты исследования 44
1.6.1. Кристаллические структуры изомеров гидроксибензамида 46
1.6.2. Многокомпонентные кристаллы изомеров гидроксибензамида 51
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 52
2.1. Использованные реактивы и растворители 52
2.2. Методы скрининга сокристаллов
2.2.1. Дифференциальная сканирующая калориметрия 52
2.2.2. Использование термомикроскопии для поиска многокомпонентных кристаллов 53
2.2.3. Скрининг по методу изменения температуры насыщения 53
2.3. Методы получения 55
2.3.1. Получение сокристаллов методом перемола 55
2.3.2. Получение сокристаллов из суспензии 55
2.3.3. Выращивание монокристаллов из раствора 56
2.4. Аналитические методы 56
2.4.1. Порошковая рентгенография 56
2.4.2. Рентгеноструктурный анализ от монокристалла 56
2.4.3. Сублимационный эксперимент 57
2.4.4. Калориметрия растворения 62
2.4.5. Определение растворимости по методу изотермического насыщения 63
2.4.6. Определение скорости высвобождения соединения из таблетированного образца 65
2.4.7. Высокопроизводительная жидкостная хроматография 66
2.5. Вычислительные методы 66
2.5.1. Оценка межмолекулярных взаимодействий и энергии решётки подходом CLP/PIXEL 66
2.5.2. Оценка энергии нековалентных связей из топологического анализа расчётной периодической волновой функции 67
2.5.3. Анализ поверхностей Хиршфельда для молекул в кристаллах 68
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение 69
3.1 Скрининг бинарных систем различными методами 69
3.1.1. Поиск сокристаллов с помощью перемола с добавлением растворителя и рентгенофазового анализа 69
3.1.2. Результаты скрининга методом ДСК 71
3.1.3. Поиск сокристаллов с использованием термомикроскопии 74
3.1.4. Скрининг сокристаллов методом изменения температуры насыщения 77
3.1.5. Практическая применимость комбинированных методик скрининга 80
3.2. Анализ кристаллической структуры исследованных соединений 87
3.2.1. Сокристалл [салициламид + салициловая кислота] (1:1) 88
3.2.2. Сокристалл [4-гидроксибензамид + салициловая кислота] (1:1) 91
3.2.3. Сокристалл [салициламид + 4-ацетамидобензойная кислота] (1:1) 94
3.2.4. Сокристалл [салициламид + 4-аминобензойная кислота] (1:1)
3.3. Анализ процессов плавления сокристаллов и их компонентов 100
3.4. Термодинамика сублимации многокомпонентных кристаллов 110
3.5. Теоретическая оценка энергии кристаллической решётки 121
3.5.1. Анализ нековалентных взаимодействий в кристаллических структурах методом PIXEL 121
3.5.2. Анализ нековалентных взаимодействий в кристаллических структурах с помощью подхода QTAIMC 1 3.6. Термохимия растворения двухкомпонентных кристаллов 131
3.7. Определение растворимости и скорости растворения в биологически значимых средах 1 3.7.1 Анализ сокристаллов с салициловой кислотой в качестве второго компонента 141
3.7.2 Анализ сокристаллов с щавелевой кислотой в качестве второго компонента 143
3.7.3 Анализ сокристаллов с салициламидом 145
3.7.4 Анализ растворимости сокристаллов салициловой кислоты с изомерами гидроксибензамида 147
3.7.5 Термодинамика образования сокристаллов на основе салициламида 148
3.8. Изучение полиморфных форм I и II сокристалла [салициламид + щавелевая кислота] (2:1) 156
3.8.1. Получение монокристаллов исследуемых полиморфных форм 156
3.8.2. Кристаллические структуры полиморфных форм I и II 157
3.8.3. Получение поликристаллических образцов полиморфных форм 162
3.8.4. Сравнение нековалентных взаимодействий в исследуемых полиморфных формах 164
3.8.5. Термофизические свойства полиморфных форм 175
3.8.6. Растворение полиморфных форм в ацетонитриле 177
3.8.7. Растворение полиморфных форм в буферном растворе
4. Заключение 181
5. Список условных обозначений 183
6. Список использованной литературы 190
- Улучшение растворимости и кинетики растворения лекарственных соединений с использованием сокристаллизации
- Использование термомикроскопии для поиска многокомпонентных кристаллов
- Поиск сокристаллов с помощью перемола с добавлением растворителя и рентгенофазового анализа
- Анализ растворимости сокристаллов салициловой кислоты с изомерами гидроксибензамида
Введение к работе
Актуальность работы: Одной из ключевых проблем при разработке новых
лекарственных соединений является их плохая растворимость в воде и
ограниченная мембранная проницаемость. Как следствие, препараты имеют
низкую биодоступность, обладают побочными эффектами и показывают
невысокую терапевтическую эффективность. В связи с этим большое внимание в
настоящее время уделяется созданию растворимых форм лекарственных
соединений на основе новых фармацевтических материалов. Наиболее
перспективными системами, значительно улучшающими растворимость и
биодоступность активных фармацевтических ингредиентов, являются смешанные
кристаллы (сокристаллы) фармацевтического назначения. Помимо значительного
увеличения растворимости, к преимуществам таких систем следует отнести
высокую термодинамическую стабильность, возможность модификации
кристаллических форм и целенаправленного корректирования
фармакологических и физико-химических характеристик для улучшения клинических свойств.
Несмотря на высокий интерес к фармацевтическим сокристаллам, до сих пор не существует строго обоснованных подходов для получения смешанных кристаллов с заданными свойствами. Это связано как с трудностью предсказания образования сокристаллов из индивидуальных компонентов, так и с тем, что не каждый сокристалл увеличивает растворимость активного фармацевтического ингредиента. В связи с этим изучение влияния структуры многокомпонентных молекулярных кристаллов на процессы сублимации и растворения является актуальной задачей современной физической химии.
Целью работы являлось выявление основных закономерностей изменения физико-химических свойств сокристаллов изомеров гидроксибензамида с карбоновыми кислотами в зависимости от структуры вещества и его кристаллического строения для оптимизации поиска многокомпонентных кристаллов фармацевтического назначения.
Для достижения этой цели нами были определены следующие задачи:
Провести скрининг бинарных систем выбранных соединений на
предмет возможности образования сокристаллов с использованием широкого
4 спектра методик: рентгеноструктурного анализа, ДСК, термомикроскопии, метода изменения температуры насыщения.
Провести сравнительную оценку эффективности методов скрининга бинарных систем на предмет образования сокристаллов на примере ДСК, термомикроскопии и метода изменения температуры насыщения.
Вырастить монокристаллы сокристаллов, пригодные для рентгеноструктурного анализа, и расшифровать их кристаллические структуры. Описать упаковки молекул в кристаллах, их конформационные состояния и топологию сеток водородных связей.
Получить характеристики процессов сублимации и плавления выбранного класса соединений, рассчитать энергии кристаллических решеток, провести оценку межмолекулярных взаимодействий и вкладов каждого из компонентов в упаковочную энергию. Выявить закономерности поведения термофизических параметров сокристаллов и индивидуальных соединений.
Определить характеристики процессов растворения сокристаллов в буферных растворах, моделирующих биологические среды.
Найти закономерности поведения термодинамических характеристик процессов сублимации, плавления и растворения сокристаллов от физико-химических и структурных дескрипторов.
Научная новизна.
На примере бинарных систем изомеров гидроксибензамида с карбоновыми кислотами впервые оценена сравнительная эффективность и определены границы применения трёх (ДСК, термомикроскопии, метода изменения температуры насыщения) методов скрининга многокомпонентных кристаллов.
Впервые выращены монокристаллы сокристаллов на основе салициламида, проведен рентгеноструктурный анализ с расшифровкой их кристаллических структур. Осуществлен сравнительный анализ упаковок и конформационных состояний молекул в кристаллах, а также геометрии и топологии сеток водородных связей. Проанализированы энергии кристаллических решеток сокристаллов с применением методов теории функционала плотности и PIXEL. Проведена оценка энтальпий образования сокристаллов с использованием калориметрии растворения и термохимии.
Впервые изучены процессы плавления, сублимации, растворения и высвобождения полученных в результате скрининга сокристаллов. Обнаружена линейная зависимость между температурами плавления сокристаллов и коформеров, а также между температурами плавления сокристаллов и физико-химическими параметрами. Выявлены закономерности изменения растворимости активного фармацевтического ингредиента по отношению к аналогичному значению индивидуального соединения от физико-химических дескрипторов компонентов сокристалла. Предложены корреляционные уравнения для оценки скорости высвобождения активного компонента, исходя из температуры плавления сокристалла и физико-химических дескрипторов.
Впервые получены полиморфные формы I и II сокристалла [салициламид + щавелевая кислота] (2:1), выращены монокристаллы и расшифрованы их кристаллические структуры. Проведен сравнительный анализ энергий кристаллических решеток с применением методов теории функционала плотности и PIXEL. На основании термохимических, калориметрических и экспериментов по растворимости показано, что полиморфные модификации являются монотропными, а форма I показывает большую термодинамическую стабильность.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Получены и охарактеризованы девять новых сокристаллов изомеров гидроксибензамида с рядом структурно родственных карбоновых кислот, что позволило найти закономерности между молекулярной структурой компонентов, кристаллической структурой образующихся сокристаллов и их физико-химическими свойствами. Кристаллографические данные были внесены в Кембриджскую структурную базу данных. Копии этих данных могут быть получены при обращении в CCDC (Cambridge Crystallographic Data Center), 12 Union Road, Cambridge CB2 1EZ, UK (Fax: +44-1223/336 - 033, E-mail: )
Экспериментально полученные термодинамические функции сублимации многокомпонентных кристаллов могут быть использованы для создания эффективных расчётных подходов для оценки энергий кристаллических решёток смешанных кристаллов.
Установленные критерии эффективности скрининговых методов и предложенные корреляционные уравнения для оценки температуры плавления, энтальпии образования и растворимости сокристаллов могут быть использованы для целенаправленного скрининга и получения многокомпонентных кристаллов лекарственных, высокоэнергетических и флуоресцентных соединений с заданными свойствами.
Были получены патенты на сокристаллы салициламида с салициловой (патент РФ № 2539350, 2015) и 4-аминобензойной кислотами (патент РФ № 2497804, 2013). Запатентованные сокристаллы могут быть использованы в качестве противовоспалительных препаратов.
Методология и методы исследования.
Методологической основой исследования выступали общенаучные и специальные методы, такие как анализ, обобщение, сравнение, эксперимент и моделирование.
Выбор методов исследования был обусловлен поставленными задачами и
особенностями исследуемых соединений. В работе использовались следующие
экспериментальные методы: дифференциальная сканирующая калориметрия,
термомикроскопия, рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ,
калориметрия растворения, спектрофотометрия, жидкостная хроматография и другие, а также расчётные методы: теория функционала плотности для изолированных и трёхмерных периодических систем, метод парных потенциалов PIXEL, топологический анализ функции электронной плотности и анализ поверхностей Хиршфельда.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты скрининга двухкомпонентных систем гидроксибензамидов с бензойными кислотами на предмет образования сокристаллов. Данные по относительной эффективности различных экспериментальных методов скрининга и возможность создания многоступенчатых универсальных алгоритмов поиска смешанных кристаллов на их основе;
Результаты скрининга и способы получения 9 сокристаллов изомеров гидроксибензамида с различными карбоновыми кислотами, включая две полиморфные модификации сокристалла салициламида с щавелевой кислотой;
Способы получения монокристаллов 6 сокристаллов и данные об их кристаллических структурах. Результаты расчетов энергий кристаллических решеток сокристаллов с применением методов теории функционала плотности и PIXEL. Данные калориметрии растворения и ДСК экспериментов сокристаллов и индивидуальных соединений для оценки энтальпий образования сокристаллов;
Данные о процессах сублимации сокристаллов и индивидуальных соединений; Результаты расчетов термодинамических функций образования сокристаллов;
Данные о процессах плавления полученных в результате скрининга сокристаллов. Результаты анализа влияния природы второго компонента сокристалла при постоянстве первого. Линейная зависимость между температурами плавления сокристаллов и коформеров, а также между температурами плавления сокристаллов и физико-химическими параметрами HYBOT;
Данные о процессах растворения и высвобождения компонентов сокристалла в фосфатном буферном растворе, дающие представление об эффективности использования анализируемых сокристаллов для повышения кажущейся растворимости салициламида;
Способы получения полиморфных форм I и II сокристалла [салициламид + щавелевая кислота] (2:1). Данные о кристаллических структурах и расчет энергий кристаллических решеток с применением методов теории функционала плотности и PIXEL. Термохимические, калориметрические исследования, а также данные процессов растворения с анализом стабильности полиморфных модификаций.
Достоверность полученных результатов и выводов обусловлена
использованием высокоточного откалиброванного оборудования и реактивов высокой степени чистоты, статистической обработкой экспериментальных данных и сопоставлением между собой результатов, полученных различными независимыми методами, а также публикацией основных результатов в международных журналах с высоким импакт-фактором.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями.
Работа была выполнена в лаборатории IV-1 “Физическая химия лекарственных соединений” ИХР РАН в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2017 гг., тема
8 “Разработка научных основ получения растворимых форм лекарственных соединений и физиологически активных субстанций, разработка современных систем доставки лекарств”. Диссертационное исследование соответствует пункту 4 “Науки о жизни” Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и Перечню критических технологий Российской Федерации в пункте “Технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний” (Указ Президента РФ от 7 июля 2011 года № 899).
Исследования финансировались Федеральной программой поддержки науки и инноваций (№ 02.740.11.0857), Грантом Президента РФ для молодых учёных (MK-2309.2013.3), грантами Российского научного фонда (заявка № 14-13-00640), Российского фонда фундаментальных исследований (заявка № 14-03-01031) и программой У.М.Н.И.К. (договор № 0018787).
Апробация работы проводилась на Международном молодёжном научном
форуме «ЛОМОНОСОВ-2013» (Москва, 8-12 апреля 2013 г.), VIII Всероссийской
школе-конференции молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия
жидкофазных систем (Крестовские чтения)" (Иваново, 7-11 октября 2013 г.), VIII
Всероссийской конференции с международным участием молодых учёных по
химии (Санкт-Петербург, 1-4 апреля 2014 г.), III Всероссийской школе молодых
ученых по кинетике и механизму кристаллизации (Иваново, 24-27 июня 2014 г.),
международной конференции “Molecular Complexity in Modern Chemistry
(MCMC-2014)”, (Москва, 13-19 сентября 2014 г.), IX Международной
конференции молодых учёных по химии «Менделеев-2015» (Санкт-Петербург, 7-
10 апреля 2015 г.) и VII Всероссийской молодёжной школе-конференции
«Квантово-химические расчёты: структура и реакционная способность
органических и неорганических молекул» (Иваново, 14-17 апреля 2015 г.).
Личный вклад автора в работу заключается в подготовке и проведении большинства экспериментов и расчётов, обработке полученных данных и их интерпретации в соответствии с современными представлениями, а также поиске закономерностей и обсуждении результатов совместно с соавторами, а также представление результатов исследований на международных конференциях и симпозиумах.
Анализ чистоты полученных образцов осуществлялся с помощью ДСК и порошковой рентгенографии на приборах Верхневолжского регионального
9 центра физико-химических исследований. Рентгеноструктурный анализ от монокристалла проводился на рентгеновском дифрактометре Bruker-Nonius X8-APEXII CCD (ИОНХ РАН, Москва).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 статьях из Перечня, рекомендованного ВАК Российской Федерации, 2 патентах Российской Федерации и тезисах 10 докладов, опубликованных в трудах научных конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 211 страницах, содержит 35 таблиц, 73 рисунка и состоит из следующих частей: введение, теоретическая часть (обзор литературы), экспериментальная часть, результаты и обсуждение, заключение, включающее основные итоги работы и перспективы дальнейшего исследования, и список цитируемой литературы (222 источника).
Улучшение растворимости и кинетики растворения лекарственных соединений с использованием сокристаллизации
Как было показано выше, изменение или разрушение кристаллической структуры соединения способно существенно изменить его физико-химические свойства. Одним из наиболее надёжных методов модификации кристаллической структуры является введение в неё второго компонента. Под многокомпонентным, или смешанным кристаллом чаще всего подразумевается упорядоченная кристаллическая структура определённого стехиометрического состава, состоящая из молекул двух или более различных типов [14, 15]. Двумя чётко определёнными видами смешанных кристаллов являются кристаллосольваты (многокомпонентные кристаллы, содержащие молекулы жидкого растворителя, в том числе воды) и соли (кристаллы, состоящие из разноимённых ионов). Определение для третьего вида смешанных кристаллов – сокристаллов появилось несколько позже.
Долгое время понятие «сокристалл» было предметом споров между исследовательскими группами. В широком смысле «сокристалл» используется как синоним к понятию «многокомпонентный кристалл», включая в себя соли и кристаллосольваты [16, 17]. В более узком значении определения сокристалла специально исключают элементы, присущие кристаллосольватам и солям [18, 19]. Более поздние публикации показывают тенденцию употребления термина «сокристалл» именно в его узком значении [20], что нашло отражение в рекомендациях, данных Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами Департамента здравоохранения и социальных служб США [21]. В ходе международной встречи, посвящённой роли химии твёрдого тела в фармацевтике [22] было выработано следующее определение, «сокристалл – твёрдое тело, представляющее собой однородную кристаллическую фазу, состоящую из двух или более различных молекулярных или ионных компонентов, как правило, в стехиометрическом соотношении, не являющуюся в то же время сольватом или простой солью». Таким образом, авторы предлагают расширить термин «сокристалл» на кристаллы из трёх и более компонентов вне зависимости от их природы, что является промежуточным между широкой и узкой интерпретацией.
В настоящей работе под термином «сокристалл» будет подразумеваться гомогенный многокомпонентный кристалл, состоящий из двух или более нейтральных структурных единиц, находящихся между собой в строго стехиометрическом соотношении и являющихся по отдельности при стандартных условиях твёрдыми телами [18]. Данное определение исключает из рассмотрения смешанные кристаллы с жидкими или заряженными компонентами и таким образом находится в согласии с актуальной классификацией, предложенной в 2016 году Гроте с соавторами [23]. При этом для простоты под «сокристаллизацией» будет подразумеваться процесс образования любого многокомпонентного кристалла вне зависимости от его природы.
Исходя из вышесказанного, сокристаллы занимают особое место в ряду фармацевтических систем. По сравнению с кристаллосольватами/ кристаллогидратами возможность существования фармацевтически приемлемого сокристалла для отдельного лекарственного соединения на порядки выше, поскольку количество безопасных для человека жидких растворителей, разрешенных к применению в фармацевтике, крайне мало по сравнению с безопасными твёрдыми коформерами.
Рассмотрим различие между сокристаллами и солями. Для большинства АФИ связь внутри структурной единицы как в соли, так и в сокристалле обусловлена прочными водородными связями [24]. Согласно Штайнеру, любая водородная связь может быть представлена как кислотно-основное равновесие с переносом протона между молекулами донора и акцептора [25]:
В случае, если константа этого равновесия меньше единицы, речь идёт о «классической» водородной связи между нейтральными молекулами. Если константа равновесия больше единицы, мы наблюдаем водородную связь с переносом протона. Основываясь на сходных представлениях и богатом экспериментальном материале, предпринимались попытки установить закономерность между образованием сокристаллов/солей и разностью рКа компонентов. Наиболее масштабной работой такого рода стало исследование Круз-Кабезы, включавшее в себя анализ 6465 пар кислот и оснований из Кембриджской структурной базы данных [26]. Было установлено, что значения ЬрКа -1 и АрКа 4 соответствуют образованию сокристалла или соли более чем в 99% случаев. В промежуточной области -1 ЬрКа 4 вероятность переноса протона в кристалле линейно зависит от разности рКа. Таким образом, соли могут быть рассмотрены как предельный случай континуума кристаллических фаз с частичным переносом протона [27]. При этом различия между сокристаллом и солью могут приводить к изменению зарядов на молекулах компонентов, что способствует изменению кристаллической решетки и упаковки молекул. [28]. Для корректной интерпретации экспериментальных данных необходимо правильное рассмотрение исследуемого кристалла, либо как сокристалла, либо как соли [29]. Контролируя переход между ними, исследователи получают возможность управлять стехиометрией, степенью сольватации, полиморфизмом и, как следствие, физико-химическими свойствами получаемого кристалла. Для более точного определения принадлежности получаемого продукта к тому или другому классу нередко приходится прибегать к точному определению положения участвующего в образовании водородной связи протона с использованием физико-химических методов анализа.
Использование термомикроскопии для поиска многокомпонентных кристаллов
В качестве растворителей были использованы этанол, метанол и ацетон. Предварительно растворимости индивидуальных компонентов при стартовой температуре T0 = 20C определялись методом изотермического насыщения спектрофотометрически либо гравиметрически (в случае щавелевой кислоты, не поглощающей в ближнем УФ и видимой области) по процедуре, описанной в разделе 2.5.2. Затем для каждой бинарной системы готовились навески обоих компонентов, соответствующих 1 мл насыщенного раствора при T0, и к ним добавлялось соответствующее количество растворителя. Полученная суспензия перемешивалась в установке по измерению растворимости, и растворение осадка определялось визуально каждые три-четыре часа. Если растворение осадка не произошло, температура термостата повышалась на один градус. В другом варианте метода вместо перемешивания в термостате суспензия обрабатывалась в ультразвуковой ванне в течение получаса.
Получение сокристаллов методом механоактивации перемолом проводилось в планетарной микромельнице Fritsch Pulverisette 7. Стехиометрическая смесь компонентов общей массой 50-70 мг помещалась в агатовые ячейки объёмом 12 мл с добавлением соответствующего растворителя в количестве примерно 1 мкл на 1 мг смеси и перемалывалась вместе с 10 агатовыми шарами диаметром 5 мм в течение 60 минут со скоростью 600 об./мин до образования однородного мелкодисперсного порошка. Процесс перемола был разбит на два этапа по 30 минут с пятиминутным перерывом между ними во избежание перегрева установки. По окончании смесь оставлялась на 5-10 минут при комнатной температуре для испарения растворителя. Чистота полученных сокристаллов контролировалась при помощи ДСК и порошковой рентгенографии. Выход полученного продукта составлял в среднем 95%.
Для получения стабильного сокристалла методом фазового перехода через раствор к навеске смеси компонентов стехиометрического состава добавлялось количество растворителя, достаточное для смачивания и частичного растворения реагентов. Полученная гетерогенная система обрабатывалась ультразвуковом в течение 30-45 минут, затем перемешивалась в течение суток на магнитной мешалке со скоростью вращения 300 об./мин.
Для сокристалла [салициламид + щавелевая кислота] (2:1) (форма I) методика получения аналогична указанной выше, однако в качестве растворителя использовался ацетонитрил. Для получения инконгруэнтно растворимой формы II сокристалла [салициламид + щавелевая кислота] (2:1) навеска соответствовала растворимостям обоих компонентов в этиловом спирте, как в методе ИТН, что составляло примерно 20-кратный избыток щавелевой кислоты по сравнению с салициламидом.
Получение монокристаллических образцов для рентгеноструктурного анализа осуществлялось по методу медленного испарения растворителя. Некоторое количество физической смеси или заранее приготовленного сокристалла полностью растворялось при нагревании в подходящем растворителе. Полученный раствор осторожно охлаждался до комнатной температуры, фильтровался через тефлоновый фильтр с диаметром пор 0.45 мкм в бюкс и накрывался тонким слоем парафиновой плёнки с проделанными отверстиями для медленного испарения растворителя. Бюкс оставлялся при комнатной температуре в вытяжном шкафу на несколько дней для выращивания кристаллов, подходящих для рентгеноструктурного анализа. Состав полученных монокристаллов контролировался при помощи ДСК, прозрачность и отсутствие дефектов – с помощью поляризационного микроскопа.
2.4. Аналитические методы
2.4.1. Порошковая рентгенография
Для идентификации порошкообразных образцов использовался порошковый дифрактометр D8 Advance фирмы Bruker AXS с молибденовым излучателем Верхневолжского регионального центра физико-химических исследований. Напряжение и сила тока на рентгеновской трубке были установлены равными соответственно 40 кВ и 40 мА. Съёмка проводилась по схеме Брэггов-Брентано -2 в угловом диапазоне 2 от 5 до 30 с шагом 0.03.
Рентгеноструктурный анализ (РСА) проводился на рентгеновском дифрактометре Bruker-Nonius X8-APEXII CCD (Институт общей и неорганической химии РАН, Москва) с молибденовым излучением, монохроматизированным графитом (( = 0.71073 )). Поправки на поглощение были произведены на основании измерений эквивалентных отражений. Расшифровка и уточнение кристаллической структуры проводились в программном пакете SHELX [158] прямым методом на основании экспериментальных отражений. Уточнение структуры производилось полноматричным методом наименьших квадратов по параметру F2 с учётом анизотропии для всех тяжёлых атомов (кроме атомов водорода). Координаты атомов водорода были найдены по разностной схеме Фурье и уточнены изотропно.
Эксперимент по изучению процессов сублимации проводился по методу переноса инертным газом-носителем, в качестве которого использовался предварительно осушенный азот. Суть данного метода заключается в прохождении инертного газа над образцом в квазиравновесных условиях при постоянной температуре. Поскольку скорость потока достаточно мала, состав газовой фазы, выходящей из рабочей зоны, соответствует давлению насыщенных паров над твёрдым образцом при температуре эксперимента. Далее газ охлаждается, и вещество конденсируется в приёмной трубке, где определяется количество сублимата.
Поиск сокристаллов с помощью перемола с добавлением растворителя и рентгенофазового анализа
Поскольку термограммы, получаемые из скрининга ДСК, не всегда могут быть однозначно интерпретированы в пользу образования или отсутствия сокристалла, в дополнение к ДСК скринингу нами был проведён анализ исследуемых систем методом термомикроскопии [119].
Термомикроскопический анализ заключается в наблюдении за фазовыми переходами, происходящими в системе при нагреве. Критериями образования сокристалла при этом Перемолотая эвтектическая смесь не может быть гомогенной на уровне отдельных кристаллов, и различные её являются [172,173]: а) равномерное плавление образца при фиксированной температуре; б) совместная кристаллизация компонентов из расплава; в) отличие морфологии полученных кристаллов от морфологии кристаллов исходных соединений. Преимущество термомикроскопии по сравнению с ДСК заключается в том, что методика позволяет отличить плавление химического соединения от плавления смеси эвтектического состава [173]. участки будут переходить в жидкое состояние при разных температурах, в отличие от сокристаллов или чистых соединений, плавящихся равномерно при фиксированной температуре.
При анализе однородных физических смесей состава (1:1) было установлено образование 5 сокристаллов. В системах (2-OHBZA + BA), (2-OHBZA + SA) и (4-OHBZA + SA) вначале плавилась эвтектическая смесь, из которой затем образовывались более тугоплавкие кристаллы, плавящиеся при Тm сокристалла. Для смесей (3-OHBZA + 2-AcAmBA) и (4-OHBZA + 2-AcAmBA) происходило частичное плавление образца при эвтектической температуре с последующим плавлением второго компонента в широком интервале температур, что объясняется отличием состава анализируемой смеси от стехиометрии сокристалла. Выпадение кристаллов при охлаждении образца для всех систем происходило одновременно во всём объёме расплава, что свидетельствовало об однородности смеси. (Рисунок 3.6). Повторный нагрев образовавшихся кристаллов показал, что они плавятся при температуре, не соответствующей ни одному из компонентов смеси, но совпадающей с температурой пика ДСК перемолотой смеси, т.е. представляют собой сокристалл. Рисунок 3.6. Выпадение сокристалла [4-OHBZA + SA] (1:1) из расплава физической смеси компонентов при медленном охлаждении [174]. В случае физических смесей (4-OHBZA + SA) (1:1), (3-OHBZA + 2-AcAmBA) (1:1) и (4-OHBZA + 2-AcAmBA) (1:1) сама морфология выпавших кристаллов не соответствовала кристаллам ни одного из соединений, полученным в отсутствие второго компонента (Рисунок 3.7).
Для бинарных систем с разностью температур плавления компонентов выше 60С компоненты кристаллизовались из расплава по отдельности. Данный вывод подтверждается формой полученных кристаллов и температурами их плавления при повторном нагреве. Это говорит о невозможности получения устойчивого сокристалла из расплава для этих смесей.
Поскольку исследуемые соединения обладают сравнительно высокой растворимостью в полярных органических растворителях, в качестве метода скрининга может быть использован метод изменения температуры насыщения (МИТН) [94]. Данная скрининговая техника имеет много общего с широко распространённой методикой получения сокристаллов с использованием кристаллизации [114], так как они обе основаны на одном и том же процессе фазового перехода через раствор и предназначены для получения термодинамически стабильных сокристаллов из пересыщенного раствора их компонентов.
Если сокристалл термодинамически стабилен при данных условиях (т.е. самопроизвольно образуется в растворе из смеси компонентов), его растворимость будет ниже, чем у смеси индивидуальных компонентов соответствующего состава. Если при заданной температуре T0 концентрации компонентов будут соответствовать насыщенному раствору, образование сокристалла гарантированно приведёт к выпадению его в осадок. Растворение этого осадка потребует нагрева до более высокой температуры. На практике, зная растворимости исходных соединений в растворителе при T0, можно приготовить навеску, соответствующую определённому объёму насыщенного раствора обоих компонентов при этой температуре и по изменению температуры насыщения T(МИТН) в соответствующем объёме растворителя определить, образуется ли сокристалл [94]. Образующийся осадок представляет собой чистый сокристалл, который далее может быть проанализирован другими методами.
Анализ растворимости сокристаллов салициловой кислоты с изомерами гидроксибензамида
Для оценки температур плавления сокристаллов был использован корреляционный подход, разработанный ранее в нашей лаборатории [183]. На основании литературных данных о температурах плавления сокристаллы разбивались на группы с общим компонентом (условно обозначенным в [183] как API). Для каждой группы строилось корреляционное уравнение, линейно сязывающее температуру плавления сокристалла Tm (CC) и температуру плавления второго компонента Tm (CF): Tm (CC) = A + B Tm (CF) (3.2)
В общей выборке были использованы данные 727 отдельных многокомпонентных кристаллов. Следует отметить, что анализируемые значения включали в себя как смешанные кристаллы с различным соотношением компонентов, так и различные полиморфные модификации. В случае с полиморфными модификациями, каждая из них была рассмотрена как самостоятельный сокристалл. Кристаллы с различным стехиометрическим составом были сгруппированы в кластеры, которые анализировались отдельно либо объединялись, если корреляционные параметры объединенного кластера не уступали аналогичным параметрам индивидуальных кластеров.
Для сокристаллов салициламида график зависимости Tm(CC) от температуры плавления второго компонента представлен на Рисунке 3.20. Нетрудно заметить, что корреляция между температурами плавления имеет место. Параметры линейного уравнения (3.2) для сокристаллов салициламида приведены в Таблице 3.8.
Любопытно, что для сокристаллов салициламида с бензойной кислотой и её монозамещёнными производными наблюдается практически линейная зависимость, описываемая уравнением:
Зависимость между температурой плавления второго компонента Tm(CF) и температурой плавления сокристалла Тт(СС) для известных сокристаллов салициламида. Сокристалл с щавелевой кислотой стехиометрии 2:1 показан красным маркером. Предположительно эта корреляция может быть связана с активностью замещающей функциональной группы как донора/акцептора водородных связей. Однако малый размер выборки (бензойная кислота и три её производных) и выпадение из зависимости коформера с более объёмным заместителем (4-АсАтВА) не позволяет делать каких-либо однозначных комментариев относительно данной зависимости.
Параметры корреляционных зависимостей величины Тт (СС) от температур плавления вторых компонентов сокристаллов салициламида, бензойной и салициловой кислоты. Соединение Стехиометрия А В Rа SDб Nв Салициламид (1:1) 187+50 0.489+0.109 0.9140 10.9 6 Бензойная кислота (1:1), (1:2) 119+37 0.662+0.082 0.9246 17.5 13 Салициловая кислота (1:1) 115+46 0.701+0.098 0.8668 18.5 19 а Парный коэффициент корреляции; б Стандартное отклонение; в Количество кристаллов в кластере выборки; Аналогичная тенденция повышения температуры плавления сокристалла с увеличением температуры плавления второго компонента наблюдается для сокристаллов бензойной и салициловой кислоты. Наличие подобной закономерности для серии кристаллов различной структуры говорит о температуре плавления как об универсальной характеристике, описывающей связывание молекул в кристалле. В отличие от салициламида, бензойная и салициловая кислота образуют синтоны различных типов (карбоксильно-амидный, карбоксильно-пиридиновый, карбоксильно-гидроксильный и др.), что приводит к большому различию в значениях Tm(СС) и не даёт возможности однозначно интерпретировать зависимости в терминах кристаллической структуры.
Зависимость между температурой плавления активного ингредиента Tm(АФИ) и температурой плавления сокристалла Tm(CC) для известных сокристаллов бензойной кислоты. Сокристалл с салициламидом, являющийся одним из объектов исследования настоящей работы, отмечен красным.
Для анализа зависимостей между температурой плавления сокристаллов и свойствами молекул, входящих в их состав, был проведён поиск корреляций с дескрипторами HYBOT [184]. Для минимизации числа независимых параметров в качестве объектов были выбраны сокристаллы с салициламидом в качестве основного соединения, поскольку эта группа является наиболее многочисленной в ряду исследуемых сокристаллов.
Зависимость между температурой плавления активного ингредиента Тт(АФИ) и температурой плавления сокристалла Тт(СС) для известных сокристаллов салициловой кислоты. Сокристаллы с салициламидом и 4-гидроксибензамидом, исследуемые в настоящей работе, отмечены красным. Корреляция проводилась для свойств второго (изменяющегося) компонента с использованием всех доступных в программе дескрипторов [184]. Помимо соединений, изученных в настоящей работе, выборка была дополнена сокристаллами салициламида, известными в литературе.
В результате проведённого анализа наилучшая корреляция величины Тт(СС) наблюдалась со значениями акцепторной способности атомов в молекуле образовывать водородные связи (Z(CJ) (Рисунок 3.23). Была установлена тенденция, согласно которой при увеличении суммарной акцепторной способности второго соединения температура плавления также возрастает. Данная корреляция имеет физический смысл, поскольку количество доноров водородной связи в молекуле салициламида превышает количество активных акцепторов, и, таким образом, в большинстве связей в роли акцептора выступает второй компонент. Подтверждением этих предположений может служить тот факт, что для донорной способности атомов Z(Cd) корреляции с температурой плавления обнаружено не было.
Экспериментальные значения температур плавления сокристаллов салициламида от суммарной акцепторной способности атомов в молекуле коформера образовывать водородные связи ( (Ca ) ) Ещё одна закономерность была обнаружена при анализе относительного повышения температуры плавления сокристалла по сравнению с температурой плавления физической смеси соответствующего состава. Эта величина может служить косвенной мерой термодинамической стабильности сокристалла.