close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Скрининг получение и физико-химические свойства сокристаллов изомеров гидроксибензамида с карбоновыми кислотами

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Воронин Александр Павлович
СКРИНИНГ, ПОЛУЧЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СОКРИСТАЛЛОВ ИЗОМЕРОВ ГИДРОКСИБЕНЗАМИДА
С КАРБОНОВЫМИ КИСЛОТАМИ
02.00.04 – физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново – 2016
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте
химии растворов им. Г. А. Крестова Российской академии наук (ИХР РАН).
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор
Перлович Герман Леонидович
Клюев Михаил Васильевич
доктор химических наук, профессор,
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ивановский государственный университет»,
кафедра органической и физической химии,
профессор кафедры
Чуев Геннадий Николаевич
доктор физико-математических наук,
Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Институт теоретической и
экспериментальной биофизики
Российской академии наук (ИТЭБ РАН),
лаборатория биофизики возбудимых сред,
ведущий научный сотрудник
Ведущая организация:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
"Казанский (Приволжский) федеральный университет".
Защита состоится 15 декабря 2016 года в 10 часов на заседании совета по защите диссертаций
на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук
Д 002.106.01 при ИХР РАН по адресу: 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д.1, тел.:
(4932)336272, e-mail: dissovet@isc-ras.ru, факс (4932)336237.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ИХР РАН
http://www.isc-ras.ru/?q=ru/deyatelnost/dissertacionnyy-sovet/
Автореферат разослан «_____» ________________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Антина Е. В.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
кристаллических
форм
фармакологических
и
стабильность,
и
возможность
целенаправленного
физико-химических
характеристик
модификации
корректирования
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 физикохимических 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
салициламида,
выращены
проведен
монокристаллы
рентгеноструктурный
сокристаллов
анализ
с
на
основе
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.
5
•
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 физикохимическими 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:
deposit@ccdc.cam.ac.uk)
Экспериментально полученные термодинамические функции сублимации
многокомпонентных кристаллов могут быть использованы для создания
эффективных расчётных подходов для оценки энергий кристаллических решёток
смешанных кристаллов.
6
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
гидроксибензамидов
сокристаллов.
скрининга
с
Данные
экспериментальных
бензойными
по
методов
двухкомпонентных
кислотами
относительной
скрининга
и
на
систем
предмет
образования
эффективности
различных
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;
7
•
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, 710 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 X8APEXII 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).
Во Введении обоснована актуальность разработки выбранного научного
направления, сформулирована тема и задачи исследований, представлены
положения, выносимые на защиту, установлены научная новизна, теоретическая и
практическая значимость работы, даны сведения об апробации работы и личном
вкладе соискателя.
В Главе 1 обоснована важность проблемы повышения растворимости плохо
растворимых лекарственных соединений для фармацевтической индустрии,
рассмотрены основные подходы получения растворимых форм препаратов на
основе
многокомпонентных
кристаллов,
показано
текущее
состояние
исследований в области смешанных кристаллов лекарственного назначения
(сокристаллов, солей и кристаллосольватов), описаны главные факторы,
приводящие к повышению растворимости и изменению характера кинетических
кривых растворения, представлены основные методы экспериментального и
компьютерного поиска новых смешанных кристаллов.
10
В
последнем
описаны
разделе
кристаллические
структуры
модельных
лекарственных соединений,
выбранных
объектов
в
качестве
исследования
настоящей
работе
в
–
изомеров
гидроксибензамида (Рис 1)
и
их
сокристаллов.
основании
данных
цели
На
изложенных
аргументированы
и
задачи
работы,
обоснован выбор объектов и
методов исследования.
В
сведения
Главе
2
о
даны
чистоте
использованных реактивов
и
соединений,
описаны
Рисунок 1 – Молекулярные структуры объектов
исследования и коформеров, использованных в ходе
скрининга.
экспериментальные методики скрининга, получения, идентификации и анализа
физико-химических свойств, обнаруженных сокристаллов, а также теоретические
методы описания нековалентных взаимодействий в кристаллах.
В главе 3 содержатся сведения о результатах проведённых экспериментов,
обсуждаются найденные закономерности.
Скрининг бинарных систем различными методами
Были проведены скрининговые эксперименты 18 бинарных смесей
изомеров
гидроксибензамида
с
бензойными
кислотами
методами
дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), термомикроскопии (ТМ)
и методом изменения температуры насыщения (МИТН). Полученные данные
были сопоставлены с результатами порошковой рентгенографии, выбранной в
качестве
эталона.
В
ходе
скрининга
было
подтверждено
образование
сокристаллов в шести системах: [2-OHBZA + BA] (1:1), [2-OHBZA + SA] (1:1), [2OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1), [3-OHBZA + 2-AcAmBA] (2:1), [4-OHBZA + SA]
11
(1:1) и [4-OHBZA + 2-AcAmBA] (2:1). Было установлено, что величина
повышения температуры насыщения в МИТН для систем, образующих
сокристалл, обратно коррелирует с отношением растворимостей чистых
компонентов в данном растворителе.
Сравнительный анализ эффективности скрининговых методик показал, что
ДСК скрининг обладает удовлетворительной точностью, позволяя производить
анализ за короткое время без дополнительной стадии получения сокристалла.
Однако из-за высокой доли неоднозначных результатов не может быть
использован в качестве единственной методики. Обнаружено, что сочетание
методик (ДСК + ТМ) является эффективной альтернативой существующим
алгоритмам на основе порошковой рентгенографии. Скрининг по МИТН обладает
наибольшей степенью отсева и не даёт неоднозначных результатов, однако
эффективность его резко падает, если растворимости компонентов в выбранном
растворителе отличаются более чем на порядок. Кроме этого, МИТН позволяет не
только обнаружить перспективные системы, но и одновременно получить
стабильную форму сокристалла из раствора, пригодную для анализа другими
методами.
В ходе апробации скрининга было установлено образование сокристалла в
системах [салициламид + 4-аминобензойная кислота] (1:1) и [салициламид +
щавелевая кислота] (2:1). Обнаружено, что сокристалл с щавелевой кислотой
имеет две полиморфные формы, образующиеся из ацетонитрила (форма I) и из
концентрированного этанольного раствора щавелевой кислоты (форма II).
Анализ кристаллической структуры исследованных соединений
Для сокристаллов [2-OHBZA + SA] (1:1), [2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1), [2OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1), [2-OHBZA + OxA] (2:1) (формы I и II) и [4-OHBZA +
SA] (1:1) выращены монокристаллы, расшифрованы кристаллические структуры
и проведён анализ топологии сеток водородных связей. Установлено, что
основной структурной единицей во всех сокристаллах является карбоксильноамидный гетеросинтон, объединяющий молекулы компонентов в димеры
(тримеры для сокристаллов (2:1)) (Рисунок 2). Мерность водородной связи
зависит от количества свободных доноров водородной связи, оставшихся после
образования синтонов. Так, сокристалл [2-OHBZA + SA] (1:1) с одной боковой
водородной связью имеет ленточную упаковку, тогда как в кристалле
12
[4-OHBZA
боковыми
+
SA]
(1:1)
с
водородными
двумя
связями
реализуется трёхмерная структура из
двух
Рисунок 2 – Структура гетеродимера в
сокристалле [4-OHBZA + SA] (1:1)
взаимопроникающих
сеток
(Рисунок
замещение
3).
атома
ячеистых
Аналогично,
водорода
в
аминогруппе молекулы 4-ацетамидобензойной кислоты приводит к слоистой
упаковке молекул в сокристалле [2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1) по сравнению с
трёхмерной сеткой водородных связей в [2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1).
Асимметрические единицы сокристаллов с 4-AmBA и 4-AcAmBA состоят из двух
гетеродимеров, различающихся конформациями молекул кислоты, в то время как
сокристаллы
с
более
жёсткой
молекулой
SA
содержат
только
один
симметрически независимый гетеродимер.
Рисунок 3 – Упаковка димеров в
сокристалле [2-OHBZA + SA] (1:1)
Рисунок 4 – Сетка водородных связей в
сокристалле [4-OHBZA + SA] (1:1)
Анализ процессов плавления сокристаллов и их компонентов
На основании температур плавления сокристаллов и чистых компонентов,
полученных из ДСК, были построены корреляционные зависимости, линейно
связывающие температуру плавления сокристалла Tm(CC) и температуру плавления
второго компонента Tm(CF) для сокристаллов, содержащих салициламид, бензойную
и салициловую кислоту:
Tm(CC) = A + B· Tm(CF)
(1)
Также из ДСК экспериментов было установлено, что сокристалл [2-OHBZA +
4-AcAmBA] (1:1) плавится инконгруэнтно с разложением на расплав салициламида
13
и кристаллы тугоплавкой 4-ацетамидобензойной кислоты. Была построена фазовая
диаграмма плавления, проиллюстрированная данными термомикроскопии.
Термодинамика сублимации многокомпонентных кристаллов
В ходе сублимационного эксперимента, проведённого для сокристаллов [2OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1) и [2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1), на УФ-детекторе
наблюдался сигнал, соответствующий более летучему салициламиду.
Изученные сокристаллы демонстрируют угол наклона температурной
зависимости давления насыщенных паров, близкий к таковому у салициламида.
Сокристалл с аминобензойной кислотой, с температурой плавления близкой к
температуре плавления салициламида, показывает сходные закономерности в
сублимационном
эксперименте
с
чистым
2-OHBZA.
Сокристалл
с
4-
ацетамидобензойной кислотой (с более высокой температурой плавления) имеет
энтальпию сублимации на 35 кДж·моль-1 выше, чем сокристалл с 4-AmBA.
Таблица 1 – Термодинамические функции сублимации сокристаллов и их компонентов (ΔsubY,),
определённые по методу переноса инертным газом-носителем и отнесённые к 298.15 К и
термодинамические
функции
образования
(ΔfY)
сокристаллов,
оцененные
из
термодинамического цикла сублимации
[2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1)
2-OHBZA
4-AcAmBA
Объект
Функция
G
H
TS
G
H
TS
G
H
TS
298
51.9 143  4
ΔsubY
90.9  5 44.4 106.6  0.7 62.2  1.5 72.3 138.0  2 65.7  3
298
-6.5 20.7  6.7 27.0  8.5
ΔfY
[2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1)
2-OHBZA
4-AmBA
Объект
Функция
G
H
TS
G
H
TS
G
H
TS
298
44.1 108.0  1.3 63.9  2 44.4 106.6  0.7 62.2  1.5 52.5 118.0 ± 1.0 65.5  1.7
ΔsubY
-4.4 -4.3  3.0 -8.8  5.2
ΔfY298
1
Все величины даны в кДж·моль-1.
На основании термодинамического цикла сублимации сокристаллов и чистых
компонентов были получены энтальпия, энтропия и энергия Гиббса образования
сокристалла из индивидуальных компонентов. Для обоих кристаллов энергия
Гиббса образования ΔfG(CC) является малой по модулю отрицательной величиной и
равна -6.5 кДж·моль-1 для [2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1) и -4.4 кДж·моль-1 для [2OHBZA + 4-AmBA] (1:1).
Теоретическая оценка энергии кристаллической решётки
Используя
выведенные
корреляционные
уравнения,
связывающие
температуры плавления и энтальпии сублимации, а также энтальпии сублимации и
энергии Гиббса сублимации исследуемых соединений, были оценены энергии
Гиббса сокристаллизации для всех обнаруженных сокристаллов. Полученные
14
данные соответствуют экспериментальным величинам ΔfG(CC) для [2-OHBZA + 4AcAmBA] (1:1) и [2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1) с точностью ± 2 кДж·моль-1.
Была произведена теоретическая оценка энергий кристаллических решёток
сокристаллов и их компонентов с использованием независимых подходов PIXEL и
QTAIMC и проанализированы вклады. Было установлено, что взаимодействия
между молекулами бензамида и коформера вносят более 50% энергии решётки.
Рассчитанные энергии отдельных водородных связей и синтонов для родственных
структур варьируются в узком диапазоне, что может быть использовано для
создания групповых методов оценки Elatt. Вместе с тем, значительное расхождение
между значениями Elatt, оцененными PIXEL и QTAIMC, и экспериментальной
величиной ΔsubH298 не позволяет использовать данные расчётов для количественного
определения энтальпии сублимации.
Таблица 2 – Вклады взаимодействий «лекарственное соединение – лекарственное соединение»,
«лекарственное соединение - коформер» и «коформер - коформер» в энергию кристаллической
решётки, рассчитанные по методу PIXEL
Кристалл
Евз/д(AФИ-AФИ)/% Eвз/д(AФИ-CF)/% Eвз/д(CF-CF)/%
[2-OHBZA + SA] (1:1)
30.2%
52.2%
17.7%
[2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1)
10.2%
71.7%
18.2%
[2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1)
11.8%
66.8%
21.4%
[2-OHBZA + OxA] (2:1) форма I
46.2%
57.6%
-3.8%
[2-OHBZA + OxA] (2:1) форма II
37.7%
61.1%
1.2%
[4-OHBZA + SA] (1:1)
27.5%
54.9%
17.7%
Термохимия растворения двухкомпонентных кристаллов
Энтальпии сокристаллизации [2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1), [2-OHBZA +
4-AmBA] (1:1) и [4-OHBZA + SA] (1:1) были оценены, исходя из измеренных
энтальпий растворения сокристаллов и их компонентов в этаноле по следующему
уравнению (Таблица 3):
ΔfHT(CC) =  sol H T (CC )   sol H BT ( A)   sol H AT ( B)
(2)
где ΔsolHT(CC) – энтальпия растворения сокристалла в чистом растворителе
при температуре T,  sol H BT ( A) и  sol H AT (B ) – энтальпии растворения компонентов A
и B в растворе, содержащем соответственно компоненты B и A таким образом,
чтобы
мольное
соотношение
компонентов
в
растворе
эксперимента было равным стехиометрии сокристалла.
после
проведения
15
Таблица 3 – Энтальпии растворения в этаноле при 298 К сокристаллов гидроксибензамида (А) и
бензойных кислот (B), отдельных компонентов в присутствии друг друга, и энтальпия
сокристаллизации1
Сокристалл
ΔsolH298(CC)
ΔsolH298(A)
ΔsolH298(B)
ΔfH298(CC)
[2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1)
36.4 ± 0.2
16.1 ± 0.1
18.0 ± 0.3
-2.2 ± 0.7
[2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1)
33.4 ± 0.1
20.0 ± 0.2
11.3 ± 0.2
-2.2 ± 0.5
[4-OHBZA + SA] (1:1)
31.0 ± 0.2
8.1 ± 0.3
14.7 ± 0.2
-8.2 ± 0.8
1
Все величины даны в кДж·моль-1.
Данные значения были сопоставлены с полученными на основании
термодинамических циклов плавления и сублимации, а также с рассчитанными
значениями энергий кристаллических решёток (Таблица 4). Обнаружено, что ни
один из использованных методов не даёт реалистичных значений для всех
исследованных кристаллов, в отличие от данных, полученных из калориметрии
растворения.
Таблица 4 – Сопоставление результатов различных методов оценки энтальпии
сокристаллизации по сравнению с калориметрией растворения1
[2-OHBZA +
[2-OHBZA +
[4-OHBZA + SA] (1:1)
Метод оценки ΔfH298
4-AcAmBA] (1:1)
Из ΔsubH298 (корреляция)
Из Elatt (PIXEL)
Из Elatt (QTAIMC)
Калориметрия растворения
1
Все величины даны в кДж·моль-1.
4-AmBA] (1:1)
-5.1
-6.8
15.2
-2.2 ± 0.7
-3.9
-16.2
-14.9
-2.2 ± 0.5
86.9
5.8
-18.6
-8.2 ± 0.8
Определение растворимости и скорости растворения в биологически
значимых средах
Все исследованные сокристаллы салициламида повышают его растворимость в
течение первых 8 часов. Кинетические профили растворения и высвобождения с
фиксированной поверхности таблетированного образца представлены на Рисунках 5 и
6. Максимальное повышение растворимости (в 2.1 раза) достигается для сокристалла
с салициловой кислотой, наибольшее увеличение скорости высвобождения (1.6 раз) –
в сокристалле с бензойной кислотой. Сокристаллы [2-OHBZA + OxA] (2:1) в растворе
переходят в чистый салициламид, поскольку растворимости компонентов в буфере с
pH 7.4 различаются на порядки.
Для серии сокристаллов с салициловой кислотой в качестве коформера
обнаружена корреляционная зависимость между относительным повышением
растворимости σS и дескриптором HYBOT (Сa ) /  , показывающим отношение
суммарной
акцепторной
способности
к
поляризуемости
молекулы
второго
16
компонента.
Используя
эту
зависимость,
можно
предсказать
повышение
растворимости, зная только структурную формулу второго компонента.
Для сокристаллов изомеров гидроксибензамида была найдена закономерность
изменения величины σS с температурой плавления сокристаллов. Обнаружено, что
более тугоплавкие сокристаллы показывают меньшее повышение растворимости
активного компонента. Кроме этого, была обнаружена корреляция между
повышением скорости высвобождения салициламида в сокристаллах (1:1) и
уменьшением суммарной донорно-акцепторной способностью атомов в молекуле
коформера к образованию водородных связей.
Рисунок 5 – Профили растворения чистого Рисунок 6 – Кинетика высвобождения 2-OHBZA
салициламида и его сокристаллов в
с поверхности таблетированных образцов
фосфатном буфере с pH 7.4 при 25.0 ± 0.1°С.
сокристаллов и чистого салициламида в
фосфатном буфере с pH 7.4 при 37.0 ± 0.1°С.
Сопоставляя данные растворимости с упаковкой молекул в кристаллах
исследуемых систем, была обнаружена тенденция, согласно которой сокристаллы с
трёхмерной сеткой водородных связей имеют меньшую растворимость по
сравнению с кристаллами со слоистой или цепочечной структурами.
Для изучения процессов комплексообразования были построены фазовые
диаграммы растворимости в фосфатном буфере с pH 7.4 при 25°С. Установлено, что
константа комплексообразования K11 близка к нулю, что свидетельствует об
отсутствии комплексов в растворе. Из величин равновесных растворимостей
сокристалла и компонентов получены произведение растворимости и энергия
Гиббса образования сокристалла. Результаты представлены в Таблице 5. Значения
ΔfG0 для всех стабильных в воде сокристаллов салициламида являются малыми по
модулю отрицательными величинами, что согласуется с данными, полученными из
термодинамического цикла сублимации.
17
Таблица 5 – Равновесные растворимости чистых компонентов исследованных сокристаллов 2OHBZA: салициламида (A) и коформера (B) по отдельности S 20 и в сокристалле S 2 ,
произведение растворимости сокристалла Ksp и энергия Гиббса сокристаллизации ΔfG0
Сокристалл
[2-OHBZA + BA] (1:1)
[2-OHBZA + SA] (1:1)
[2-OHBZA + 4-AmBA] (1:1)
[2-OHBZA + 4-AcAmBA] (1:1)
S 20 ( A) 102
моль·л-1
2.04 ± 0.08
2.04 ± 0.08
2.04 ± 0.08
2.04 ± 0.08
S 20 ( B) 102
моль·л-1
7.40 ± 0.22
8.30 ± 0.25
8.00 ± 0.24
4.03 ± 0.16
S2(A)102
моль·л-1
S2(B)102
моль·л-1
Ksp104
ΔfG0
кДж·моль-1
1.69 ± 0.05
4.07 ± 0.12
2.65 ± 0.08
2.50 ± 0.08
1.50 ± 0.05
3.60 ± 0.11
2.50 ± 0.08
2.20 ± 0.07
2.54± 0.03
14.7 ± 0.2
6.63 ± 0.08
5.50 ± 0.07
-4.3 ± 0.4
-0.4 ± 0.4
-2.2 ± 0.4
-1.0 ± 0.4
Изучение полиморфных форм I и II сокристалла [салициламид +
щавелевая кислота] (2:1)
Особый интерес представляет явление полиморфизма в сокристаллах
[салициламид + щавелевая кислота] (2:1). Для обеих полиморфных форм были
выращены монокристаллы и расшифрованы их кристаллические структуры.
(а)
(б)
Рисунок 7 – Водородносвязанные цепочки тримеров (вверху) и упаковка отдельных цепочек в
кристаллах формы I (а) и формы II (б) сокристалла [2-OHBZA + OxA] (2:1).
Форма I кристаллизуется из ацетонитрила в пространственной группе C2/c,
тогда как форма II образуется из этанола в присутствии сильного избытка
щавелевой кислоты и имеет симметрию P21/c. Для обеих форм сокристалла
[салициламид + щавелевая кислота] (2:1) структурными блоками выступают
центросимметричные
тримеры
(2:1),
образованные
двумя
идентичными
карбоксильно-амидными гетеросинтонами. За счёт боковых водородных связей
18
амидной группы тримеры объединяются в бесконечные цепочки, удерживаемые
вместе за счёт слабых взаимодействий. (Рисунок 7) Идентичные мотивы
водородного связывания позволяют сделать вывод о наличии только упаковочного
полиморфизма в системе [салициламид + щавелевая кислота].
Расчёт энергий изолированных тримеров в вакууме показал, что вторая форма
является более конформационно напряжённой, что соответствует разнице энергий
тримеров между формой II и I в 1.6 кДж·моль-1.
Бейдеровский анализ и анализ поверхностей Хиршфельда свидетельствуют о
преобладании в форме I С-H···π контактов, в то время, как в форме II сильнее
проявляются π-стекинговые взаимодействия.
Температуры плавления форм I и II практически идентичны и составляют
167.7 ± 0.2°С (I) и 167.5 ± 0.8°С (II). Разность энтальпий плавления,
экстраполированная на 25°С, составляет -8.5 кДж·моль-1. Термомикроскопия и ДСК
не фиксируют фазовых переходов между формами до температуры плавления, что
говорит о том, что форма I и форма II являются монотропными полиморфными
модификациями с виртуальной/кажущейся температурой фазового перехода 173.3
°С.
Из калориметрии растворения обеих форм в ацетонитриле было установлено,
что энтальпия фазового перехода из формы II в форму I составляет -16.4 кДж·моль-1,
что удовлетворительно согласуется с данными, полученными из ДСК (-8.5
кДж·моль-1), и расчётами энергии решетки по методу PIXEL (-11.3 кДж·моль-1).
Эксперимент
по
измерению
кинетики растворения обеих форм в
ацетонитриле
позволил
оценить
энергию Гиббса фазового перехода
между
формами
из
термодинамического
растворимости.
формы
II
При
цикла
растворении
происходит
фазовый
переход в более стабильную форму I,
Рисунок 8 – Профили растворимости 2-OHBZA в
ацетонитриле из полиморфных форм I и II
сокристалла [2-OHBZA + OxA] (2:1).
что
проявляется
«пружины
и
как
эффект
парашюта»
на
19
кинетической кривой (Рисунок 8). Из равновесной растворимости формы I и
максимальной концентрации формы II величина ΔtrG0(II→I) оказывается равной
0.45 кДж·моль-1, а энтропия фазового перехода ΔtrS0(II→I) – 53.5 Дж·моль-1·K-1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
• Проведен
скрининг
двухкомпонентных
гидроксибензамида
с
рентгеноструктурного
анализа,
температуры
карбоновыми
насыщения.
В
ДСК,
систем
на
кислотами
с
основе
использованием
термомикроскопии,
результате
получено
9
изомеров
метода
новых
изменения
сокристаллов.
Осуществлена оценка эффективности используемых методов скрининга на предмет
образования сокристаллов. Показано, что сочетание ДСК метода и термомикроскопии
эквивалентно
по
эффективности
отсева
скринингу
с
использованием
ренгеноструктурного анализа.
• Выращены монокристаллы 6 сокристаллов, проведен рентгеноструктурный
анализ с расшифровкой их кристаллических структур. Представлен 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.
• Изучены
процессы
сублимации
сокристаллов
[салициламид
+
4-
аминобензойная кислота] и [салициламид + 4-ацетамидобензойная кислота].
Проведен сравнительный анализ термодинамических характеристик сокристаллов и
индивидуальных компонентов. Показано, что значения термодинамических функций
сокристаллов находятся между аналогичными величинами для индивидуальных
компонентов.
• Изучены
процессы
плавления
полученных
в
результате
скрининга
сокристаллов. Проанализировано влияние природы второго компонента
на
температуру плавления сокристалла при постоянстве первого. Обнаружена линейная
зависимость между температурами плавления сокристаллов и коформеров, а также
между температурами плавления сокристаллов и физико-химическими параметрами
HYBOT.
Полученные
закономерности
дают
возможность
прогнозирования
20
температур плавления неизвестных сокристаллов, зная только значение температуры
плавления коформера и его структурную формулу.
• Получены равновесные значения растворимости компонентов сокристалла и
кинетические профили процессов растворения. Выявлены закономерности изменения
растворимости активного фармацевтического ингредиента в сокристалле по
отношению к аналогичному значению индивидуального соединения от физикохимических дескрипторов компонентов сокристалла.
• Изучены процессы высвобождения компонент из сокристалла и проведен
сравнительный анализ аналогичных процессов для индивидуальных соединений.
Предложены корреляционные уравнения для оценки скорости высвобождения
активного компонента, исходя из температуры плавления сокристалла и физикохимических дескрипторов.
• 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 демонстрирует большую термодинамическую
стабильность.
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы
Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем для создания
биодоступных
лекарственных
соединений
нового
поколения
и
развития
скрининговых алгоритмов для получения многокомпонентных молекулярных
кристаллов с заданными свойствами.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1. Manin A.N., Voronin A.P., Manin N.G., Vener M.V., Shishkina A.V., Lermontov
A.S., Perlovich G.L. Salicylamide cocrystals: Screening, crystal structure, sublimation
thermodynamics, dissolution, and solid-state DFT calculation // The Journal of Physical
Chemistry B – 2014. – № 118. – С. 6803–6814.
2. Manin A.N., Voronin A.P., Drozd K.V., Manin N.G., Bauer-Brandl A., Perlovich
G.L. Cocrystal screening of hydroxybenzamides with benzoic acid derivatives: A
21
comparative study of thermal and solution-based methods // European Journal of
Pharmaceutical Sciences – 2014. – № 65. –С. 56–64.
3. Vener M.V., Levina E.O., Koloskov O.A., Rykounov A.A., Voronin A.P., Tsirelson
V.G. Evaluation of the lattice energy of the two-component molecular crystals using solidstate density functional theory // Crystal Growth Des. – 2014. – № 14 (10). – С. 4997–
5003.
4. Manin, A.N.; Voronin, A.P.; Shishkina, A.V.; Vener, M.V.; Churakov, A.V.;
Perlovich, G.L. Influence of secondary interactions on the structure, sublimation
thermodynamics, and solubility of salicylate:4-hydroxybenzamide cocrystals. Combined
experimental and theoretical study // The Journal of Physical Chemistry B – 2015. – № 119
(33). – С. 10466–10477.
5. Перлович Г.Л., Манин А.Н., Манин Н.Г., Воронин А.П. Сокристаллическая
форма 2-гидроксибензамида с 4-аминобензойной кислотой. Патент № 2497804,
Бюллетень 31, 10 ноября 2013.
6. Перлович Г.Л., Манин А.Н., Манин Н.Г., Воронин А.П. Сокристаллическая
форма 2-гидроксибензамида с салициловой кислотой. Патент № 2539350, Бюллетень
2, 20 января 2015.
7. Воронин А.П, Манин А.Н. Разработка многоступенчатого скрининга
фармацевтических сокристаллов гидроксибензамида //Материалы Международного
молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2013» / Отв. ред. А.И. Андреев,
А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, М.В. Чистякова. [Электронный ресурс] — М.:
МАКС Пресс, 2013. — 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM); 12 см.
8. Воронин А.П., Манин А.Н., Перлович Г.Л. Апробация комплексного подхода
к скринингу сокристаллов // VIII всероссийская школа-конференция молодых
ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем»
(Крестовские чтения). Сборник тезисов. – Иваново. – 2013. – С. 89-90.
9. Манин А.Н., Воронин А.П. Термодинамика сокристалла салициламида // VIII
всероссийская
школа-конференция
молодых
ученых
«Теоретическая
и
экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения). Сборник
тезисов. – Иваново. – 2013. – С. 131-132.
10. Воронин А.П., Манин А.Н. Сокристаллизация производных салициловой
кислоты
с
4-гидроксибензамидом
//
Менделеев-2014.
Биоорганическая
и
22
медицинская химия. Металлоорганическая и координационная химия. Современный
химический катализ и моделирование химических процессов. VIII Всероссийская
конференция с международным участием молодых учёных по химии. Тезисы
докладов. – СПб., 2014. – 402 с. – С. 37-38.
11. Воронин А.П., Венер М.В. Теоретическая оценка энергии кристаллической
решётки сокристалла салициламида // VIII Международная научная конференция
«Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация как форма самоорганизации
вещества». III Всероссийская школа молодых ученых по кинетике и механизму
кристаллизации (Тезисы докладов). – Иваново, 2014. – 312 с. – С. 287.
12. Voronin A.P., Vener M.V. A theoretical and experimental study of an unusually
strong hydrogen bond in a salicylamide cocrystal // Molecular Complexity in modern
chemistry (MCMC-2014). Book of abstracts. September 13-19, 2014. Moscow, Russia. –
M., 2014. – 335 с. – С. 291.
13. Manin A.N., Voronin A.P., Perlovich G.L. An experimental approach for the
estimation of crystal lattice energy of co-crystal // Molecular Complexity in modern
chemistry (MCMC-2014). Book of abstracts. September 13-19, 2014. Moscow, Russia. –
M., 2014. – 335 с. – С. 207.
14. Voronin A.P., Manin A.N. Thermal and solution-based techniques of cocrystal
screening: evaluating the efectiveness. // IX International conference of young scientists on
chemistry “Mendeleev-2015”, Saint Petersburg, 7-10 April 2015 / СПб, 2015. – 482 с. – С.
326.
15. Manin A.N., Voronin A.P. Determination of co-crystal sublimation enthalpy by inert
gas flow method // IX International conference of young scientists on chemistry
“Mendeleev-2015”, Saint Petersburg, 7-10 April 2015 / СПб, 2015. – 482 с. – С. 266.
16. Воронин А.П., Венер М.В. Вклад слабых взаимодействий в энергию
кристаллической
решётки
многокомпонентных
молекулярных
кристаллов
фармацевтического назначения. // Квантово-химические расчеты: структура и
реакционная
способность
органических
и
неорганических
молекул:
VII
Всероссийская молодежная школа-конференция. Иваново, 14-17 апреля 2015 г. –
Иваново: Иван. гос. ун-т., 2015 – 404 с. – С. 60-61.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа