茶堿、煙酰胺與異丙醇三元系統(tǒng)在298.15和308.15 K的相圖研究

郭晶晶，黨樂平，衛(wèi)宏遠(yuǎn)

（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072）

共晶是一類已為人所知但研究甚少的復(fù)合物，室溫下為固體的各組分熱力學(xué)、動力學(xué)、分子識別的平衡的結(jié)果［1］。當(dāng)活性藥物成分（API）與其他生理可接受的酸、堿、非離子化合物，以氫鍵等非共價鍵形式結(jié)合在同一晶格中，形成藥物共晶，其組分中至少有1個是分子或者離子型API，同時任意組分在室溫下為固體［2］即為藥物共晶。在共晶體系中，其間的相互作用力一般是氫鍵、π-π鍵和分子間作用力，氫鍵鍵能遠(yuǎn)大于其他的幾種作用力，所以氫鍵是共晶形成的最重要的作用力［3］。制藥共結(jié)晶物可以在不損害活性藥物成分（API）結(jié)構(gòu)的情況下，改善藥物的溶解度和溶解速率并且增加藥物的穩(wěn)定性［4-5］。

共晶形成的體系可以由活性藥物成分（API）、配體（coformer）和溶劑（solvent）組成的三元相圖描述，是用固相和液相的總體組成表示的三角相圖［6-7］，簡稱TPD。目前藥物共晶的研究主要集中在共晶體的溶解度［8］、共晶體篩選［9-10］、形成機制、形成動力學(xué)和穩(wěn)定性［11］，只有少數(shù)的相圖被研究并報道［12］。共晶三元相圖的繪制有助于幫助人們了解共晶是如何從溶液中形成的，對藥物活性成分共晶的制備提供了理論指導(dǎo)。

茶堿（theophylline，TP）是存在于茶葉、咖啡等植物中的一種生物堿，有較強的松弛支氣管平滑肌、興奮心臟和利尿作用［13］。茶堿在臨床上的應(yīng)用很普遍，主要用于治療支氣管哮喘、心原性哮喘和心原性水腫等［14］。雖然這種藥物已經(jīng)使用了30多年，但是由于它在水中的溶解度較小，生物利用率受藥物溶出速率的影響，要達到治療的效果必須要通過大量的用藥。煙酰胺（nicotinamide，NCT）是一種水溶性維生素類藥，是制藥工業(yè)中常用的材料，它作為配體可以與茶堿形成共結(jié)晶。因此考慮通過制備茶堿-煙酰胺共晶來改變藥物活性成分的一些理化性質(zhì)。由于在異丙醇中茶堿-煙酰胺共晶的溶解度比較小，且茶堿和煙酰胺在異丙醇中的溶解度相差較大，可以形成非對稱三元相圖，對于此類體系通過溶劑蒸發(fā)不能獲得純共晶，繪制三元相圖對于純共晶的制備更有意義。目前關(guān)于茶堿、煙酰胺和異丙醇三元體系相圖的研究還未有相關(guān)的報道，因此本研究以茶堿-煙酰胺-異丙醇三元體系為研究對象，通過測定不同溫度下該體系的三元相圖幫助了解相圖隨溫度的變化，為藥物共晶生產(chǎn)過程中的目標(biāo)產(chǎn)物的控制提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料

煙酰胺，分析純，天津市光復(fù)經(jīng)濟化工研究所；茶堿，分析純，阿拉丁試劑（中國）有限公司；異丙醇，分析純，天津市科威公司；實驗用水為市售去離子水。

1.2 儀器

電子分析天平，JHS-2190型，上海上平儀器公司；水浴恒溫振蕩器，WE-1型，天津市歐諾儀器儀表有限公司；真空干燥箱，DZF-6020501，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，SHB-Ⅲ，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；差示掃描量熱儀（DSC），Mettler DSC204 型；高效液相色譜（HPLC），Lab A lliance液相色譜儀，Ultimate AQ-C18色譜柱（5μm，4.6mm×250mm），柱溫：303.15 K，流速：1 mL/min，進樣量：10μL，檢測波長為 271nm。流動相：16.56 mmol/L的乙酸緩沖溶液，用冰乙酸調(diào)節(jié) pH值為4.05，然后加入體積分?jǐn)?shù)為7%的乙腈；X-射線粉末衍射（XRD），日本理學(xué)（Rigaku）D/max-2500 型單色X-射線衍射儀。

1.3 茶堿-煙酰胺共晶的三元相圖繪制

稱取不同比例的茶堿、煙酰胺、異丙醇，混合后，加入密封的50 mL錐形瓶中，并加入小玻璃珠。然后將錐形瓶放入水浴恒溫振蕩器中，設(shè)定一定溫度，振蕩24 h，使其充分混合以達到固液平衡狀態(tài)。水浴恒溫振蕩器的溫度波動小于0.1 K。靜置一段時間后，用0.45μm PTFE過濾頭進行固液分離，并用高效液相色譜對液體樣品進行含量分析，用X射線粉末衍射法對干燥后的固體進行分析。重復(fù)前面的步驟，繪制茶堿-煙酰胺共晶在不同溫度的條件下的三元相圖。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 茶堿-煙酰胺共晶的溶度積理論

由共晶的定義可知，藥物共晶的組分在常溫下均為固體，可以將溶度積理論引入到共晶中來，建立數(shù)學(xué)模型，從而解釋共晶的形成機理、共晶的相圖等等。以1∶1共晶為例，用A表示活性藥物成分，B表示共晶配體，AB表示1∶1的共晶。當(dāng)共晶 AB溶解于溶液中時，存在的化學(xué)平衡如式（1）和（2）：

因為純固體的活度aAB為1，難溶強電解質(zhì)的溶解度很小，溶液的濃度很稀，可以用濃度代替活度來進行計算，由式（2）可以得到共晶溶度積的表達式。

若共晶在溶液中不形成溶液絡(luò)合物，那么［A］T=［A］，［B］T=［B］，上式整理可得：

式（4）中，下標(biāo)“T”代表溶液中的總濃度。

若溶液中存在1∶1的溶液絡(luò)合，其化學(xué)平衡式如式（5）：

利用質(zhì)量守恒與上式結(jié)合可得K11和Ksp的表達式：

式（7）中，K11表示絡(luò)合常數(shù)［15］。

為了考察茶堿-煙酰胺共晶在溶液中是否形成絡(luò)合及絡(luò)合的形式，以異丙醇為溶劑，分別測定298.15 K及308.15 K時茶堿-煙酰胺共晶在溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)如表1所示，利用式（4）和式（7）分別對實驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合。

表1 298.15 K和308.15 K茶堿-煙酰胺共晶的溶解度數(shù)據(jù)Table 1 Solubility data for 1：1 TP-NCT cocrystal at 298.15 K and 308.15 K

將表1中298.15 K茶堿-煙酰胺共晶的溶解度數(shù)據(jù)按式（4）進行非線性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可得到Ksp，實驗數(shù)據(jù)非線性擬合結(jié)果度如圖1所示。

圖1 298.15 K異丙醇中的溶解度實驗數(shù)據(jù)按式（4）非線性擬合結(jié)果Fig.1 Non-Linear relation curve according to equation（4）for solubility data of 1：1 TP-NCT cocrystal at 298.15 K

將上述數(shù)據(jù)按式（7）進行非線性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可得到Ksp和K11，實驗數(shù)據(jù)非線性擬合結(jié)果度如圖2所示。

圖2 298.15 K異丙醇中的溶解度實驗數(shù)據(jù)按式（7）非線性擬合結(jié)果Fig.2 Non-Linear relation curve according to equation（7）for solubility data of 1：1 TP-NCT cocrystal at 298.15 K

同理將表1中茶堿-煙酰胺共晶在308.15 K的溶解度數(shù)據(jù)按式（4）進行非線性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可得到 Ksp，實驗數(shù)據(jù)非線性擬合結(jié)果度如圖3所示。

同理將表1所示的308.15 K茶堿-煙酰胺的溶解度數(shù)據(jù)按絡(luò)合模型式（7）進行非線性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可得到 Ksp，K11實驗數(shù)據(jù)非線性擬合結(jié)果度如下圖4所示。

從上述圖2和圖4中可以看出R2極高，用絡(luò)合模型擬合得到的結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相差不大，而若使用無絡(luò)合模型，可以看出298.15 K時擬合得到的結(jié)果與實驗結(jié)果偏差較大，所以茶堿-煙酰胺共晶溶解于異丙醇中時，共晶組元茶堿與煙酰胺濃度之間的關(guān)系可以用1∶1絡(luò)合形式的絡(luò)合模型進行描述。

圖3 308.15 K異丙醇中的溶解度實驗數(shù)據(jù)按式（4）非線性擬合結(jié)果Fig.3 Non-Linear relation curve according to equation（4）for solubility data of 1：1 TP-NCT cocrystal at 308.15 K

圖4 308.15 K異丙醇中的溶解度實驗數(shù)據(jù)按照式（7）非線性擬合結(jié)果Fig.4 Non-linear relation curve according to equation（7）for solubility data of 1：1 TP-NCT cocrystal at 308.15 K

將表1中的茶堿-煙酰胺的溶解度數(shù)據(jù)按式（7）進行非線性擬合，根據(jù)擬合結(jié)果可得到Ksp及K11，實驗數(shù)據(jù)非線性擬合結(jié)果見表2。

表2 TP-NCT共晶在異丙醇中的溶度積K sp，絡(luò)合常數(shù)K11Table 2 Complexation and solubility product constant for 1：1 TP-NCT cocrystal

由表2可看出在298.15 K時茶堿-煙酰胺共晶的溶度積為 0.002 16，308.15 K時的溶度積為0.006 67。溶度積隨溫度的升高而增大，表明茶堿、煙酰胺與異丙醇之間的作用力增強。298.15 K時K11為 1.587 46，308.15 K時 K11為 0.127 59，隨著溫度的升高，溶液絡(luò)合常數(shù)K11減小，與溶度積的變化趨勢相反，這是因為相對于茶堿與煙酰胺之間的作用力而言，茶堿、煙酰胺與異丙醇分子間的作用力增強，所以茶堿與煙酰胺分子之間形成絡(luò)合的可能性減小，故絡(luò)合常數(shù)減小。隨著溶液體系溫度的升高，共晶組元茶堿、煙酰胺與異丙醇的分子間的氫鍵作用增強，而共晶組元間的氫鍵作用相對減弱，所以茶堿-煙酰胺共晶的溶解度升高，溶度積增大。

2.2 茶堿-煙酰胺共晶的三元相圖

三元相圖的測定及繪制是件工作量龐大的工作，共晶三元相圖中，共晶的溶解度曲線即是共晶的溶度積曲線，因此可以利用上述共晶溶度積曲線的測定方法，獲得共晶三元相圖中的溶解度曲線。通過實驗測得的茶堿-煙酰胺共晶三元相圖的相關(guān)數(shù)據(jù)后，繪制三元相圖。因為相對于溶劑質(zhì)量而言，茶堿和煙酰胺的溶解度很小，很接近頂部，按照實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)繪制出的相圖，因此圖5和圖6為共晶的三元相圖頂部的局部放大圖，表3為三元相圖相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖5 298.15 K TP-NCT共晶三元相圖的局部放大圖Fig.5 Section of ternary phase diagram of TP-NCT-isopropanol at 298.15 K

圖6 308.15 K TP-NCT共晶三元相圖的局部放大圖Fig.6 Section of ternary phase diagram of TP-NCT-isop ropanol at 308.15 K

表3 298.15和308.15 K茶堿、煙酰胺和異丙醇三元體系的溶解度數(shù)據(jù)Table 3 Solubility data of TP，NCT and Isopropanol system at 298.15 and 308.15 K

從圖5和圖6中三元相圖的局部放大圖可以看出溫度對三元相圖的影響。當(dāng)溫度從298.15 K上升到308.15 K時，共晶的溶解度隨著溫度的升高而升高，不飽和液相區(qū)的面積變大，但是溶解度曲線的變化趨勢保持一致。通過實驗中對相圖的一系列研究發(fā)現(xiàn)，對共晶的溶度積的研究可以幫助我們繪制三元相圖，并能根據(jù)已知相圖對未知相圖進行合理、有效的預(yù)測，為以后的工藝放大提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

3 結(jié)論

1）考察了茶堿-煙酰胺共晶在異丙醇溶劑中是否形成絡(luò)合以及溫度對溶度積的影響。隨著溶液中煙酰胺總濃度的增加，茶堿的總濃度呈現(xiàn)出減小的趨勢，兩者之間為非線性變化關(guān)系。通過對實驗所得數(shù)據(jù)進行擬合可以得出茶堿-煙酰胺共晶溶解于異丙醇中時，共晶組元茶堿與煙酰胺濃度之間的關(guān)系可以用1∶1絡(luò)合形式的絡(luò)合模型進行描述。隨著溫度的升高，茶堿-煙酰胺共晶的溶解度升高，溶度積增大，絡(luò)合常數(shù)則與溶度積的變化趨勢相反，隨著溫度的升高減小。

2）繪制了不同溫度下茶堿-煙酰胺共晶在異丙醇中的三元相圖。在同種溶劑中，共晶溶解度隨著溫度的升高而增大，溶解度曲線的變化趨勢保持一致，但不飽和液相區(qū)的面積變大。通過測定不同溫度下的三元相圖幫助了解了相圖隨溫度的變化，為藥物共晶生產(chǎn)過程中的目標(biāo)產(chǎn)物的控制提供理論基礎(chǔ)。

［1］Schultheiss N，Newman A.Pharmaceutical co-crystals and their physicochemical properties［J］.Cryst Growth Des，2009，9：2950-2967

［2］聞聰，金方.藥物共晶在藥學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國新藥雜志，2007，16（15）：1167-1171 Wen Cong，Jin Fang.The application of pharmaceutical co-crystals in pharmacy［J］.Chinese Journal of New Drugs，2007，16（15）：1167-1171（in Chinese）

［3］Kim SD，Ryoo I J，Kim C J.Taxonomy，fermentation，isolation and characterization of a herbicida compound［J］.JMicrobiolo Biotechnol，1993，3（1）：57-60

［4］Hickey M B，Peterson M L，Scoppettuolo L A，et al.Performance comparison of a co-crystal of carbamazepine with marketed product［J］.Eur J Pharm Biopharm，2007，67（1）：112-119

［5］Schultheiss N，Newman A.Pharmaceutical cocrystals and their physicochemical properties［J］.Cryst Growth Des 2009，9（6）：2950-2967

［6］Renato A，Chiarella，Roger J，et al.Making co-crystals the utility of ternary phase diagrams［J］.Crystal Growth and Design，2007，7（7）：1223-1226

［7］Ainouz A，Authelin JR，Billot P，et al.Modeling and prediction ofcocrystal phase diagrams［J］.International Journal of Pharmaceutics，2009，374：82-89

［8］Good D J，Rodríguez-Hornedo N R.Solubility advantage of pharmaceutical cocrystals［J］.Cryst Growth Des，2009，9（5）：2252-2264

［9］Lu E，Rodríguez-Hornedo N，Suryanarayanan R.A rapid thermal method for cocrystal screening［J］.Cryst Eng Comm，2008，10（6）：665-665

［10］Ter Horst JH，Deij M A，Cains PW.Discovering new co-crystals［J］.Cryst Growth Des，2009，9（3）：1531-1537

［11］Chieng N，Hubert M，Saville D，et al.Formation kinetics and stability of Carbamazepine-nicotinamide cocrystals prepared by mechanical activation［J］.Cryst Growth Des，2009，9（5）：2377-2386

［12］Gagnière E，Mangin D，Puel F，et al.Formation of cocrystals：Kinetic and thermodynamic aspects［J］.Cryst Growth，2009，311（9）：2689-2695

［13］馬康，趙敏，王海峰，等.茶堿標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制與定值［J］.分析測試學(xué)報，2011，30（4）：418-424 Ma Kang，Zhao Min，Wang Haifeng，et al.Development and certification of theophylline certified reference material［J］.Journal of Instrumental Analysis，2011，30（4）：418-424（in Chinese）

［14］Schreiber D E，Bruguerolle B.Simultaneous high-perfor mance liquid chromatographic determination of caffeine and theophylline for routine drug monitoring in human plasma［J］.JChromatogr：B，1996，677（2）：305-312

［15］Sarah J N，Rodríguez-Spong B.Phase solubility diagrams of cocrystals are explained by solubility product and solution complexation［J］.Crystal Growth and Design，2006，6（2）：592-600