水/乙醇溶劑中阿奇霉素的熱力學(xué)及多晶型研究

陳曉春，黃小權(quán),2，陳長保,2，付天松,2

(1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211800; 2.南陽同凱生物技術(shù)有限公司，南陽473000)

水/乙醇溶劑中阿奇霉素的熱力學(xué)及多晶型研究

陳曉春1，黃小權(quán)1,2，陳長保1,2，付天松1,2

(1.南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥工程學(xué)院，南京211800; 2.南陽同凱生物技術(shù)有限公司，南陽473000)

在278.2～308.2 K溫度范圍內(nèi),測(cè)定阿奇霉素在水/乙醇混合溶劑中的溶解度，根據(jù)固液平衡理論建立了該體系的溶解度修正模型。采用X線粉末衍射法和差示掃描量熱法,對(duì)阿奇霉素在不同溫度、不同體積比的水/乙醇混合溶劑中得到的晶體進(jìn)行鑒別。同時(shí)利用溶解度數(shù)據(jù)估算了阿奇霉素在水/乙醇體系中的溶解熱(-25.26～-16.11 kJ/mol)、混合熱(-9.94～-3.25 kJ/mol)。通過溶液化學(xué)理論推導(dǎo)了阿奇霉素溶劑化平衡常數(shù)K與活度系數(shù)γ2的方程:γ2=1/(1+K)，建立了溶劑化焓與溫度、水/乙醇兩者體積比(φ)之間的關(guān)系式，為ΔH=RTln(17.86exp(3.4φ)-1)。采用溶析結(jié)晶方法得到的6種阿奇霉素晶體，均屬單斜晶系，但具有不同的晶胞參數(shù)且其密度和熔點(diǎn)也不同。同時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度越高，水/乙醇體積比越大，得到的晶體穩(wěn)定性越差(晶體的熔點(diǎn)和密度降低)。在水/乙醇混合溶劑的溶析結(jié)晶體系中，產(chǎn)生阿齊霉素多晶型的現(xiàn)象與溶劑化作用的強(qiáng)弱有關(guān)。

阿奇霉素；溶解度；多晶型；混合熱；溶劑化平衡常數(shù)；溶劑化焓

近年來，隨著藥物多晶型在改善生物利用度及藥效作用方面的發(fā)現(xiàn)，藥物的多晶型研究受到了國內(nèi)外的高度重視。阿奇霉素是第一個(gè)半合成氮雜15元環(huán)大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，由于具有半衰期長、給藥次數(shù)少、療程較短和不良反應(yīng)發(fā)生率低等優(yōu)勢(shì)[1-2]，在抗感染藥物市場(chǎng)上一直是炙手可熱的品種。目前，國內(nèi)外關(guān)于阿奇霉素多晶型的研究僅局限于晶型的鑒別[3-6]，對(duì)阿奇霉素指定晶型的定向制備過程以及不同晶型對(duì)藥物溶出度、生物利用度影響的研究鮮有報(bào)道，因此對(duì)阿奇霉素多晶型制備過程的研究已迫在眉睫。

本文著手于阿奇霉素相平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定及熱力學(xué)研究，從溶劑化角度解釋了水/乙醇混合溶劑中產(chǎn)生多晶型的可能原因，為阿奇霉素指定晶型的定向制備提供了理論依據(jù)，同時(shí)為阿奇霉素多晶型對(duì)藥物生物利用度及藥效的研究奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

阿奇霉素原料,上?，F(xiàn)代制藥股份有限公司;其他試劑均為市售分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

X線粉末衍射儀，日本理學(xué)公司；DSC204差熱分析儀，德國耐馳公司；JSM-5900型掃描電鏡，日本電子公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 溶解度的測(cè)定方法

采用靜態(tài)法測(cè)定溶解度，即在恒定溫度、水/乙醇體積比等條件下將溶劑和過量溶質(zhì)攪拌混合，經(jīng)長時(shí)間溶解趨于平衡后，采用高效液相色譜法測(cè)定了278.2～308.2 K范圍內(nèi)，阿奇霉素在不同溫度、不同比例下的水/乙醇混合溶劑中的溶解度。

1.3.2 阿奇霉素多晶型的制備

以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，在相同的溶液濃度、pH、攪拌速度等條件下，溶析結(jié)晶得到6種不同溫度和水/乙醇兩者體積比(φ)下的阿奇霉素晶體，并采用X線粉末衍射法及差示掃描量熱法對(duì)其進(jìn)行了鑒定。

1.3.3 X線粉末衍射分析

在工作條件為2.2 kW銅靶Kα(λ=1.540 56)、固體探測(cè)器、掃描范圍5°～80°、掃描速度10 (°)/min時(shí)。分別測(cè)定不同溶劑結(jié)晶得到的阿奇霉素多晶型的X線粉末衍射圖。

1.3.4 差熱和熱重分析

分別稱取不同溶劑結(jié)晶得到的阿奇霉素多晶型9～37 mg裝入鋁坩堝，保護(hù)氣N2的氣速為30 mL/min，升溫范圍為17～200 ℃，升溫速率為10.0 K/min。分別測(cè)定DSC差示掃描量熱曲線和TGA熱重曲線。

1.3.5 掃描電鏡表征

采用JSM-5900型掃描電鏡觀察不同溶劑結(jié)晶得到的阿奇霉素多晶型200～8 000倍的放大圖并用數(shù)碼相機(jī)拍下顯微照片，觀察比較。

1.4 檢測(cè)方法

以pH=6.0的磷酸鹽緩沖溶液為溶出介質(zhì)，采用紫外-可見分光光度法測(cè)定,檢測(cè)波長為482 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶解度

在278.2～308.2 K范圍內(nèi)，測(cè)定阿奇霉素在不同溫度、不同比例下的水/乙醇混合溶劑中的溶解度曲線，結(jié)果分別見圖1和圖2(圖1中的B為初始結(jié)晶體積的倍數(shù))。

圖1 阿奇霉素溶解度隨溫度的變化曲線Fig.1 Variation of solubility of azithromycin with different temperature

圖2 阿奇霉素溶解度隨水/乙醇體積比的變化曲線Fig.2 Variation of solubility of azithromycin with the ratio between water and ethanol

由圖1和2可知：阿奇霉素在水/乙醇混合溶劑中的溶解度隨溫度升高而緩慢增大，這與阿奇霉素在溶液中的溶解為吸熱過程相一致；另一方面，溶解度隨水/乙醇體積比的增大而顯著減小，其原因可能是混合溶劑的極性隨純水含量的增加而增加，根據(jù)相似相溶原理，弱極性物質(zhì)阿奇霉素的溶解度也隨之降低。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，不同體積比的水/乙醇混合溶劑對(duì)阿奇霉素的溶解度影響較溫度顯著，所以在結(jié)晶體系的選擇上優(yōu)先考慮溶析結(jié)晶。

2.2 溶解度模型的建立

根據(jù)流體相平衡分子熱力學(xué)理論[7-11]，對(duì)固液二相共存物系，有普遍化的描述固液平衡溶解度方程

(1)

式中：γ2為溶質(zhì)活度系數(shù)；x2為溶質(zhì)摩爾分率；ΔHtp為融化焓(J/mol);ΔCp為定壓比熱容變化(KJ/(mol·K)));Ttp為熔點(diǎn)(K)；p為壓強(qiáng)(Pa);R為常數(shù)。當(dāng)忽略壓力和熱容的影響，三相點(diǎn)溫度用熔點(diǎn)替代時(shí)，方程可簡(jiǎn)化為

(2)

式中:ΔHmel為熔化焓(J/mol)；Tmel為溶質(zhì)的熔點(diǎn)(K)。

結(jié)合阿奇霉素溶解特性，推導(dǎo)出適合三元體系中溶質(zhì)摩爾組分的計(jì)算公式，建立了適合該體系的溶解度模型，并計(jì)算相關(guān)結(jié)晶熱力學(xué)數(shù)據(jù)。

在三元體系中，溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)可表達(dá)為

(3)

式中：c為單位體積飽和溶液中各組分的物質(zhì)的量(mol/L)；下標(biāo)1、2和3分別表示乙醇、溶質(zhì)和水，其中

(4)

(5)

式中：ρ1、M1和ρ3、M3分別為無水乙醇、純水的密度(g/cm)和摩爾質(zhì)量(g/mol)；V1和V3分別為乙醇和純水混合前的體積(mL)；f(T)為溫度函數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在溶液體系中，溶質(zhì)的摩爾濃度相對(duì)較低，因此式(3)可變形為

(6)

式中F(T，φ)為溫度和水/乙醇體積比的函數(shù)。

在三元體系中，溶質(zhì)的溶解必然會(huì)引起溶液體積的變化，特別是溶解度因溶液狀態(tài)的差異而變化顯著的物質(zhì)，溶解過程中體積的變化是不可忽視的。一般來說，溶液體積的變化與溶液的狀態(tài)有很大的關(guān)系，可表達(dá)為

(7)

式中：ΔV為溶質(zhì)溶解過程中引起的體積變化量；V為溶液的總體積。

假設(shè)V3=V1φ，而V1+ΔV+V3=V，可得到：

(8)

(9)

式中φ為水/乙醇的體積比。

采用本實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)的結(jié)晶器裝置測(cè)得乙醇與純水[12]在278.2～308.2 K下的密度ρ1、ρ3與 1/T的函數(shù)關(guān)系為:

ρ1=8.855×104/T+490.3

(10)

ρ3=3. 570×104/T+876.5

(11)

在278.2 ～308.2 K下，溶質(zhì)引起的溶液體積變化程度由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到

(12)

綜上所述，修正式F(T,φ)可表達(dá)為

(13)

根據(jù)固液平衡溶解度方程，建立了溶解度修正模型

(14)

采用非線性最小二乘法回歸模型參數(shù)，回歸結(jié)果如表1所示。

表1 模型參數(shù)回歸結(jié)果表

由表1可知，模型回歸得到的熔點(diǎn)范圍為385.6～389.5 K，此范圍與化工詞典中的數(shù)據(jù)基本吻合(385.2～388.2 K)。采用溶質(zhì)摩爾濃度為目標(biāo)函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，誤差采用式(15)表示的平均百分比形式。

(15)

阿奇霉素在不同體積比的水/乙醇混合溶劑中溶解度回歸結(jié)果誤差分析及模型回歸系數(shù)如表2所示。由表2中的模型回歸系數(shù)(R2)可以看出，此修正模型適合該溶液體系，對(duì)溶解度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)效果較好。

2.3 阿奇霉素的多晶型現(xiàn)象及鑒別

眾所周知，多晶型特征上的差異源于它們晶胞結(jié)構(gòu)的不同。按照有機(jī)分子在形成晶胞時(shí)的不同方式，主要有以下2種形成機(jī)制[13]：填充多晶型和構(gòu)象多晶型。此外，溶劑分子和溶質(zhì)分子之間的相互作用而形成的溶劑化晶體，稱為假多晶型現(xiàn)象。假多晶型現(xiàn)象在醫(yī)藥結(jié)晶中很常見[14-15]，研究表明[16-19]，藥物的多晶型產(chǎn)生與藥物分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，亦與結(jié)晶過程所用溶劑種類及組成、溶液濃度、溫度及工藝條件等有密切的關(guān)系。同時(shí)晶型表現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)、密度、溶解度、熔點(diǎn)等方面的差異可用作為晶型的鑒別的依據(jù)。

國內(nèi)外專利研究報(bào)道[3-6]，阿奇霉素在不同水/有機(jī)溶劑體系中可以形成多晶型，并通過核磁共振分析，其光譜中具有相應(yīng)的溶劑峰，目前對(duì)其結(jié)晶過程中操作條件對(duì)晶型的影響及機(jī)制研究未見報(bào)道。本論文實(shí)驗(yàn)得到6種的阿奇霉素晶體X線粉末衍射結(jié)果如圖3所示。

表2 阿奇霉素在不同溶劑溶解度回歸結(jié)果誤差分析

圖3 阿奇霉素6種晶體X線粉末衍射對(duì)照?qǐng)D譜Fig.3 XRD patterns of six azihromycin crystals

從圖3可知：6種晶體的主峰位置基本重合，衍射數(shù)據(jù)存在的差別，通過計(jì)算得到6種晶體均屬單斜晶系，但具有不同的晶胞參數(shù)。

從圖4阿奇霉素晶體差示掃描量熱分析對(duì)照?qǐng)D可以看出，6種晶體在120.0～143.7℃有不同的熔點(diǎn)，且熔點(diǎn)差別明顯，可作為專屬性鑒別方法。

n-AZM表示在相同的外界條件下，溫度和純水/乙醇比分別為283.2 K、0.6；283.2 K、1.0；283.2 K、1.5；303.2 K、0.6；303.2 K、1.0和303.2 K、1.5時(shí)結(jié)晶得到的阿奇霉素晶體(下同)。圖4 阿奇霉素6種晶體熱分析(DSC)對(duì)照?qǐng)DFig.4 DSC results of six azihromycin crystals

從表3可以看出，6種晶體均屬單斜晶系，但具有不同的晶胞參數(shù)，且其密度和熔點(diǎn)也不同。同時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度越高，水與乙醇體積比越大，得到的晶體熔點(diǎn)和密度，穩(wěn)定性越差。

表3 6種晶體的結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)差別

注：β為晶胞的夾角；V為晶胞體積；ρ為晶胞密度；tmel表示晶體的熔點(diǎn)。

2.4 水/乙醇混合溶劑中多晶型形成機(jī)制初探

2.4.1 溶劑化與混合熱

在固液平衡過程中，溶解度與溶解熱ΔHsol(J/mol)的近似關(guān)系為

(16)

式中c2ti表示ti時(shí)刻溶質(zhì)的摩爾濃度。而溶解熱、混合熱及熔化熱存在以下關(guān)系：

(17)

式中下標(biāo)sol和mix分別表示溶解和混合。

應(yīng)用溶解度數(shù)據(jù)估算阿奇霉素的溶解熱，比較模型回歸得到的熔化熱，可得阿奇霉素在不同體積比的水/乙醇混合溶劑中的混合熱，結(jié)果見表4。

表4 阿奇霉素在水/乙醇混合溶劑中的混合熱

由表4可知混合熱為負(fù)值，表明阿奇霉素在水/乙醇混合溶劑呈負(fù)偏差,發(fā)生了溶劑化作用，并且隨著水/乙醇體積比的升高其溶劑化作用相應(yīng)減弱。

2.4.2 溶劑化常數(shù)與活度系數(shù)

在水/乙醇混合溶劑中，根據(jù)溶液化學(xué)理論[10]，阿奇霉素溶劑化作用示意圖如下：

AZM+nB=(AZM)Bn

(18)

式中：B和(AZM)Bn分別為混合溶劑和阿奇霉素溶劑化物；n為系數(shù)。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，阿奇霉素摩爾分?jǐn)?shù)很小(x2<0.01)，混合溶劑摩爾分?jǐn)?shù)近似為1，故溶劑化過程中的平衡常數(shù)K為

(19)

存在溶劑化作用的溶液中：

(20)

(21)

式中ysolv、y((AZM)Bn)、y2分別表示水/乙醇混合溶劑、(AZM)Bn、溶質(zhì)真實(shí)摩爾分?jǐn)?shù)。

根據(jù)式(19)～ 式(21)可得到如下活度系數(shù)與溶劑化平衡常數(shù)K之間關(guān)系式：

(22)

實(shí)驗(yàn)條件下的阿奇霉素摩爾分?jǐn)?shù)很小，式(22)可簡(jiǎn)化為

(23)

2.4.3 溶劑化焓

溶劑化過程中，溶劑化平衡常數(shù)K與溫度的關(guān)系為

ΔH=RTlnK

(24)

式中ΔH為溶劑化焓(J/mol)。

將擬合出的γ2值，采用指數(shù)函數(shù)關(guān)聯(lián)φ得到

(25)

由式(23)～式(25)可得溶劑化焓與溫度和純水含量的關(guān)系如圖5所示，關(guān)系式為

ΔH=RTln(17.86exp(3.4φ)-1)

(26)

圖5 阿奇霉素溶劑化焓隨水/乙醇體積比 和溫度的變化圖Fig.5 Solvability of azithromycin vs.the volume ratio of ethanol to water and temperature

由圖5可以看出，溶劑化焓隨溫度和乙醇-水混合溶液中水的體積比增加而升高，所以在高溫及水/乙醇體積比較大的情況下不利于阿奇霉素的溶劑化，得到的阿奇霉素溶劑化物不穩(wěn)定，熔點(diǎn)較低，由于溶劑化作用的減弱，晶體晶腔中溶劑化數(shù)量和比例的相應(yīng)降低，晶體的密度也隨之下降，這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，因而說明了在不同溫度、不同體積比的水/乙醇混合溶劑中，阿奇霉素多晶型的產(chǎn)生的與阿奇霉素溶劑化作用的強(qiáng)弱有關(guān)。

3 結(jié) 論

1)測(cè)定了278.2～303.2 K下阿奇霉素在不同體積組成的水/乙醇混合溶劑體系中的溶解度，建立了該體系的溶解度修正模型，并采用誤差分析對(duì)模型進(jìn)行了評(píng)價(jià)，關(guān)聯(lián)效果較好。

2)在不同溫度、不同體積比的水/乙醇溶劑結(jié)晶得到了阿奇霉素6種晶體，通過鑒別證實(shí)了阿奇霉素多晶型的存在。

3)根據(jù)阿奇霉素在不同的水/乙醇溶劑中產(chǎn)生多晶型的機(jī)制，應(yīng)用溶液化學(xué)理論推導(dǎo)了溶劑化平衡常數(shù)表達(dá)式，利用溶解度數(shù)據(jù)估算了熔化熱，溶解熱、混合熱、活度系數(shù)，建立了阿奇霉素溶劑化焓與溫度、水/乙醇混合溶劑體積比之間的關(guān)系方程。嘗試從溶劑化作用角度解釋阿奇霉素在不同溫度，不同體積比的乙醇和水混合溶劑中產(chǎn)生多晶型的可能機(jī)制與溶劑化作用的強(qiáng)弱有關(guān)。

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(責(zé)任編輯 荀志金)

Polymorphism and thermodynamic of azihromycin in mixed water-ethanol solvent

CHEN Xiaochun1,HUANG Xiaoquan1,2，CHEN Changbao1,2,FU Tiansong1,2

(1.College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 211800，China； 2.Nanyang with Kay Biotechnology Co. Ltd.,Nangyang 473000,China)

The solubility of azithromycin in water-ethanol solvent was measured by the static method between 278.2 and 308.2 K.A modified general solubility model was established based on the solid-liquid equilibrium theory.The polymorphs of azithromycin prepared in the mixed solvent with different ratio of water to ethanol under different temperatures were identified by X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry(DSC).The dissolution heat (-25.26--16.11 kJ/mol) and the mixing heat (-9.94--3.25 kJ/mol) of azithromycin were estimated from the solubility experimental data.The relationship between the activity coefficient γ2and the solvation constantKof azithromycin was deduced as follows:γ2=1/(1+K). An expression correlating the solvation enthalpy with the temperature and the volume ratio of water and ethanol (φ) in the mixed solvent was established according to theory of the solution chemistry (ΔH=RTln(17.86exp(3.4φ)-1)).Six crystals of azithromycin obtained by the anti-solvent crystallization belong to clinorhombic system,but with different cell parameters,density and melting point.It was also observed that stability of the azithromycin crystal become weaker (the melting point and the density of crystals decreased) as the temperature and the ratio of water to ethanol in mixed solvent increased.As conclusion,in the water-ethanol anti-solvent crystallization system,the formation of azihromycin polymorphism could be related with the solvation interactions.

azithromycin;polymorphism;solubility;salvation constant;solvation enthalpy

10.3969/j.issn.1672-3678.2014.06.016

2013-04-16

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA021201)

陳曉春(1981—),男，江蘇啟東人，博士，助理研究員，研究方向:結(jié)晶生物化工，E-mail:cxc_1981@163.com

TQ4

A

1672-3678(2014)06-0084-06