三水合艾司奧美拉唑鎂反應(yīng)結(jié)晶過程晶型控制

高緒潔，李洪程，國建輝，于帥,,3，薛富民*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) a.山東省分析測試中心;b.藥學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014； 2.壽光富康制藥有限公司，山東 壽光 262700；3.復(fù)旦大學(xué) 藥學(xué)院，上海 201203)

三水合艾司奧美拉唑鎂(Esomeprazole magnesium trihydrate),化學(xué)名稱二(5-甲氧基-2-[(S)-[(4-甲氧基-3,5-二甲基-2-吡啶基)甲基]亞磺酰基]-1H-苯并咪唑-1-基)三水合鎂[1]，CAS號：217087-09-7?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三水合艾司奧美拉唑鎂的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of esomeprazole magnesium trihydrate

三水合艾司奧美拉唑鎂是一種新型質(zhì)子泵抑制劑，可抑制H+/K+-ATP酶活性，臨床上主要用于治療胃酸分泌過多引起的胃潰瘍、十二指腸潰瘍及反流性食管炎等消化系統(tǒng)疾病。在水和丙酮的混合溶劑中艾司奧美拉唑鉀鹽和七水硫酸鎂的反應(yīng)結(jié)晶(圖2)是工業(yè)生產(chǎn)制備三水合艾司奧美拉唑鎂的主要方式[2]。

圖2 三水合艾司奧美拉唑鎂的制備反應(yīng)方程式Fig.2 Preparation reaction equation of esomeprazole magnesium trihydrate

三水合艾司奧美拉唑鎂是艾司奧美拉唑鎂的一種水合物晶型，除此之外，艾司奧美拉唑鎂還有二水合物A晶型、二水合物B晶型、四水合物、五水合物[3-5]。水合物的形成主要是在結(jié)晶的過程中接觸水或者水蒸氣，一般在溶液結(jié)晶、凍干制備藥物、濕法造粒、噴霧干燥以及儲存過程中容易產(chǎn)生水合物。水分子的存在會(huì)影響晶體中藥物分子的排列，進(jìn)而影響藥物分子間的相互作用，從而導(dǎo)致藥物的溶出度產(chǎn)生很大的差異，最終影響藥效[6]。

林青等[7]制備了艾司奧美拉唑鎂水合物的4種不同晶型(二水合物A晶型、二水合物B晶型、三水合物、四水合物)并做了各晶型在水中的溶解度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明水體系中水合物穩(wěn)定性由高到低是三水合物、二水合物A、四水合物、二水合物B，并且各晶型最終都會(huì)轉(zhuǎn)晶成三水合物。艾司奧美拉唑是奧美拉唑的左旋異構(gòu)體，與目前的外消旋質(zhì)子泵抑制劑相比，該藥物具有更好的酸控制，并且與奧美拉唑相比，艾司奧美拉唑藥代動(dòng)力學(xué)特性更好、抑酸作用更強(qiáng)、起效更快、不良反應(yīng)更少[1,8]，使得艾司奧美拉唑鎂得到了廣泛的研究[9-11]。盡管如此，當(dāng)前對于三水合艾司奧美拉唑鎂晶型控制的研究較少，實(shí)際藥物生產(chǎn)中仍存在晶型純度差的問題。

多晶型是化學(xué)結(jié)構(gòu)相同的分子在不同的結(jié)晶條件下，形成兩種或兩種以上分子排列與晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，在有機(jī)藥物中廣泛存在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以固體形式存在的醫(yī)藥產(chǎn)品占醫(yī)藥產(chǎn)品總量的85%以上，而且其中大部分是晶體。據(jù)美國藥典記載，存在多晶型這一現(xiàn)象的藥物在片劑藥物中所占的比例約為40%[12]。隨著分析技術(shù)的發(fā)展，越來越多的藥物被發(fā)現(xiàn)存在多晶型現(xiàn)象。同一藥物的不同晶型往往具有不同的理化性質(zhì)，也可能具有不同的溶解度、溶解速率、顏色、穩(wěn)定性、生物利用度、流動(dòng)性等[13]，進(jìn)而影響藥效。工業(yè)生產(chǎn)中由于艾司奧美拉唑鎂的水合物在不同條件下每一批次的晶型不完全一致，而且由于反應(yīng)結(jié)晶反應(yīng)速率過快，局部過飽和度高，結(jié)晶后的產(chǎn)品每一批次質(zhì)量差異很大。因此,在制備三水合艾司奧美拉唑鎂的工藝過程中控制晶型是十分有必要的。

本文借助二維在線成像技術(shù)、馬爾文激光粒度儀等設(shè)備，對三水合艾司奧美拉唑鎂結(jié)晶過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用單因素試驗(yàn)法分別考察了結(jié)晶溫度、攪拌速率、滴加速率等工藝條件對三水合艾司奧美拉唑鎂晶型的影響，探尋三水合艾司奧美拉唑鎂反應(yīng)結(jié)晶晶型轉(zhuǎn)化的規(guī)律，以達(dá)到控制晶型的目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

二維成像系統(tǒng)(2DVP-17V16X200，晶格碼(青島)智能系統(tǒng)有限公司)；蠕動(dòng)泵(BT100-2J，蘭格恒流泵有限公司)；馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000,馬爾文帕納科公司；光學(xué)顯微鏡(BX53M,OLYMPUS公司)；X射線粉末衍射儀(EMPYREAN，荷蘭帕納科公司)；熱重/差熱同步熱分析儀(STA449F3，德國NETZSCH公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

艾司奧美拉唑鉀鹽(壽光富康制藥有限公司)，七水硫酸鎂(壽光富康制藥有限公司)，丙酮(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，超純水(德國賽多利斯arium mini純水機(jī)制備)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.4 X射線粉末衍射(XRPD)操作方法

產(chǎn)品過300目篩,使其粒徑保持在50 μm左右，符合國際標(biāo)準(zhǔn)，以減小粒徑差異而引起的誤差。測試條件為Cu靶,電壓40 kV,電流30 mA,掃描方式為步進(jìn)掃描,步寬為0. 02°，掃描速度為8 (°)/min，掃描范圍2θ為3°～50°，記錄圖譜。

1.5 熱失重與差示掃描量熱(TG-DSC)操作方法

本實(shí)驗(yàn)采用4 mg三水合艾司奧美拉唑鎂與鋁坩堝配合使用，測量溫度為0～400 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.6 粒度測量操作方法

過濾前的樣品作為待測樣，過濾后的濾液作為分散介質(zhì)，用濕法測定產(chǎn)品粒徑。測試條件：材料折射率1.589；密度1.2 g/cm3；折射率(藍(lán)光)1.6；紅光、藍(lán)光測量時(shí)間為10 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)晶過程

借助二維成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測觀察晶體形貌(圖3)。利用馬爾文激光粒度儀測定晶體生長過程的粒度變化(圖4)，為了解三水合艾司奧美拉唑鎂晶體的生長方式提供依據(jù)。

如圖3所示，開始體系無晶體，隨著反應(yīng)物七水硫酸鎂的加入，艾司奧美拉唑鉀立刻與七水硫酸鎂反應(yīng)生成固體小顆粒(圖3(a))。滴加20 min后養(yǎng)晶20 min，該過程中固體小顆粒逐漸溶解消失(圖3(b))。滴加完畢，小顆粒團(tuán)聚最后長成類似球狀的晶體(圖3(c))。每隔一段時(shí)間用馬爾文激光粒度儀測粒度，發(fā)現(xiàn)顆粒粒度逐漸增大(圖4)。該過程并非傳統(tǒng)的晶體長大，而是小顆粒逐漸團(tuán)聚為大顆粒，三水合艾司奧美拉唑鎂的結(jié)晶方式為球形結(jié)晶。

圖3 二維在線成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)晶過程圖片(25 ℃)Fig.3 2D online imaging system for the real-time monitoring of the crystallization process (25 ℃)

圖4 不同結(jié)晶時(shí)間產(chǎn)物粒度分布圖(25 ℃)Fig.4 Particle size distribution observed at hourly intervals (25 ℃)

2.2 晶型表征

2.2.1 XRPD分析

不同結(jié)晶溫度下最終三水合艾司奧美拉唑鎂產(chǎn)物的XRPD圖譜見圖5。通過測定不同溫度(15、20、25、30 ℃)、攪拌速率(50、75、100、125 r/min)、母液質(zhì)量濃度(0.083、0.125、0.167、0.200 g/mL)、滴加速率(0.500、0.750、1.000、1.250 mL/min)對三水合艾司奧美拉唑鎂XRPD圖譜的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)不同的攪拌速率、母液濃度、滴加速率的圖譜結(jié)果與文獻(xiàn)中的晶型一致(2θ=5.4°、13.3°、22.6°、25.4°)[14]，而在改變結(jié)晶溫度時(shí)(15、20 ℃)產(chǎn)物的XRPD圖譜與文獻(xiàn)中的晶型不同(圖5)，所以后期對結(jié)晶溫度進(jìn)行詳細(xì)考察。

圖5 不同溫度下最終三水合艾司奧美拉唑鎂產(chǎn)物的XRPD圖譜Fig.5 XRPD patterns of the final esomeprazole trihydrate magnesium product under different temperatures

2.2.2 TG-DSC分析

實(shí)驗(yàn)得到了低溫20 ℃和高溫30 ℃兩個(gè)結(jié)晶溫度下產(chǎn)品的TG-DSC曲線，如圖6所示。從TG-DSC加熱失重曲線上看出，結(jié)晶溫度是30 ℃時(shí)(圖6(a))，在100～160 ℃的溫度范圍內(nèi)有一個(gè)明顯的吸熱峰，對應(yīng)了晶格中水分子的脫除。在202.8 ℃有一個(gè)明顯的放熱峰，說明艾司奧美拉唑鎂分子在202.8 ℃分解。失重溫度范圍在113.0～163.7 ℃，有很明顯的一步失重臺階，說明水分子與艾司奧美拉唑鎂分子是結(jié)合型的水合物。根據(jù)失重量在7%左右，理論計(jì)算得一個(gè)艾司奧美拉唑鎂分子結(jié)合3個(gè)水分子。結(jié)晶溫度是20 ℃時(shí)(圖6(b))，失重溫度范圍是31.0～110.9 ℃、110.9～177.7 ℃，有兩個(gè)失重臺階，對應(yīng)DSC曲線中的前兩個(gè)吸熱峰，第一個(gè)失重臺階在31 ℃，說明有部分溶劑分子包藏在艾司奧美拉唑鎂分子中，游離的水分子會(huì)在較低的溫度下脫除。第二個(gè)失重臺階是與艾司奧美拉唑鎂結(jié)合的水分子脫除，失重量在3.34%，理論計(jì)算得一個(gè)艾司奧美拉唑鎂分子結(jié)合1.4個(gè)水分子。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)晶溫度高于25 ℃時(shí)，產(chǎn)物為三水合艾司奧美拉唑鎂，結(jié)晶溫度低于25 ℃時(shí)，產(chǎn)物結(jié)晶水小于3。

圖6 最終三水合艾司奧美拉唑鎂產(chǎn)物的熱分析(TG-DSC)圖譜Fig.6 Thermal analysis (TG-DSC) of the final esomeprazole trihydrate magnesium product

溫度較低時(shí)，艾司奧美拉唑鎂分子結(jié)合的水分子少，即藥物水合物的水含量受溫度影響。這可能是因?yàn)樵谳^高的溫度下，體系中的水活度較大，艾司奧美拉唑鎂分子更容易結(jié)合水分子，更傾向于得到目標(biāo)晶型艾司奧美拉唑鎂的三水合物。在較低的溫度下，體系中的水活度較小，艾司奧美拉唑鎂分子結(jié)合的水分子不穩(wěn)定，得到結(jié)合1.4個(gè)水分子的艾司奧美拉唑鎂。同時(shí)，溫度較低時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)減小，也可能對結(jié)晶水合物的形成起到抑制作用。

2.3 反應(yīng)溫度的影響

實(shí)驗(yàn)測定了15、20、25和30 ℃等4個(gè)溫度點(diǎn)下的反應(yīng)結(jié)晶過程(其他條件相同)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低溫條件下(15 ℃以下)，晶體粒度小，聚結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的流動(dòng)性差、黏度大以及三水合艾司奧美拉唑鎂與濾液難分離等問題(圖7(a)，圖8)。隨著溫度的升高，最終產(chǎn)物的晶體粒度越來越大，粒度分布均勻，晶體形貌更類似球形(圖7、8)，最終產(chǎn)品與濾液分離效率高、干燥后的產(chǎn)品流動(dòng)性好。所以，要想得到目標(biāo)晶型而且質(zhì)量好的產(chǎn)品，不宜選擇低溫條件。當(dāng)溫度為25 ℃或30 ℃時(shí)，產(chǎn)物粒度變化已經(jīng)不明顯，但是30 ℃的結(jié)晶產(chǎn)物顏色略黃(根據(jù)液相色譜結(jié)果，顏色對于產(chǎn)品純度影響不明顯，產(chǎn)品化學(xué)純度均大于98%)，因此，25 ℃為優(yōu)選的結(jié)晶溫度。

注：放大50倍；(a) 15 ℃; (b) 20 ℃; (c) 25 ℃; (d) 30 ℃。圖7 不同反應(yīng)溫度所得最終三水合艾司奧美拉唑鎂產(chǎn)物光學(xué)顯微鏡圖Fig.7 Optical microscopic images of the final esomeprazole trihydrate magnesium product under different temperatures

圖8 不同反應(yīng)溫度所得最終三水合艾司奧美拉唑鎂產(chǎn)物的粒度圖Fig.8 Particle size of the final esomeprazole trihydrate magnesium product under different temperatures

3 結(jié)論

本文通過二維成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測三水合艾司奧美拉唑鎂的結(jié)晶過程，用馬爾文激光粒度儀同步測量晶體粒度變化，發(fā)現(xiàn)晶體生長方式為球形結(jié)晶。同時(shí)，解決了三水合艾司奧美拉唑鎂在制備過程中的晶型控制問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高晶體粒度增大。采用XRPD、TG-DSC對最終產(chǎn)品的晶型進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)改變反應(yīng)物的濃度、滴加速率、攪拌速率不會(huì)影響晶型，而在不同結(jié)晶溫度下，艾司奧美拉唑鎂結(jié)晶水含量不同，隨著溫度降低，結(jié)晶水含量減少，表明溫度是影響三水合艾司奧美拉唑鎂晶型的關(guān)鍵因素。優(yōu)選的結(jié)晶溫度為25 ℃，該條件能夠穩(wěn)定制備目的晶型的三水合艾司奧美拉唑鎂藥物晶體，且產(chǎn)物粒度大、流動(dòng)性好。