enalapril polymorfní

6. Isotermická kalorimetrická
analýza
Příprava předmětu byla podpořena
projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253
1
Analýza chemických reakcí
Isotermická titrační kalorimetrie
2
Analýza chemických reakcí
- IM může být použita ke zjištění entalpie a kinetiky
chemických procesů
REAKCE V ROZTOKU
𝐴→𝐵
- Kinetika je dána
𝑑𝑐
𝑑𝑡
=𝑘∙( 𝐴
𝑛
−
𝑐)
0
k je rychlostní konstanta, n je řád reakce
- Množství zreagovaného materiálu
𝑞 (J)
𝑛 mol =
𝐻 (J mol−1 )
3
Analýza chemických reakcí
- doplněním objemu lze odvodit koncentraci
zreagovaného materiálu
𝑞 (J)
−3
𝑐 mol dm
=
𝑉 (dm3 ) ∙ 𝐻 (J mol−1 )
- dosazením do předchozích rovnic dostaneme
kalorimetrickou rovnici
𝑑𝑞
𝑞
= 𝑘 ∙ 𝐻 ∙ 𝑉 ∙ ( 𝐴 0 −
)𝑛
𝑑𝑡
𝐻 ∙ 𝑉
- z tohoto vztahu můžeme vypočítat uvolněné teplo
v každém bodě grafu závislosti výkonu na čase
4
Analýza chemických reakcí
Závislost výkonu na čase ze záznamu kalorimetrického experimentu
5
Analýza chemických reakcí
Závislost výkonu na uvolněném teple získaná integrací předchozího grafu
6
Analýza chemických reakcí
- použitím vhodného fitovacího softwaru lze získat
hodnoty H, k a n
- problémem je ale oblast na začátku záznamu
- experiment často začne ještě před samotným
spuštěním měření
a) reakce začne probíhat po smíchání látek,
ne až v kalorimetru
b) ke vzniku tepla dochází třením při umístění
ampule do kalorimetru
- integrovaná data tak obsahují počáteční chybu
- pro vyhodnocení je tedy lepší použít přímo
naměřená data
- uvedenou rovnici měření je tedy třeba integrovat
7
Analýza chemických reakcí
8
Analýza chemických reakcí
ANALÝZA DAT
- export naměřené křivky do programu schopného
prokládat naměřená data
- výběr vhodné rovnice (na základě literatury, …)
- iterace naměřených dat, získání entalpie a rychlostní
konstanty reakce a řádu reakce sledovaného procesu
- IM neobsahuje žádné informace o mechanismu
- v případě neznalosti mechanismu je vybrána
nejjednodušší rovnice, která adekvátně prokládá
naměřená data
- mechanismus může být ověřen dalšími analýzami
(HPLC, spektofotometrie)
9
Reakce v pevném stavu
- kinetika reakcí v pevném stavu se významně liší od
procesů v kapalné fázi
- analýza reakcí není často tak jednoduchá jako
v kapalné fázi zejména kvůli nehomogenitě prostředí
- nelze použít vztahy odvozené pro reakce v kapalině
- je obtížné studovat mechaniku, neboť produkt není
snadno měřitelný klasickými technikami (např.
spektroskopickými), výjimkou je produkt ve formě plynu
- pomocí IM lze studovat vznik produktu bez problému
- je možné studovat i velmi pomalé rozkladné procesy,
například 1% rozklad/rok
10
Reakce v pevném stavu
- mnoho farmaceutických substancí je v pevné formě
(prášky, tablety, granule) a je třeba charakterizovat
jejich stabilitu a kompatibilitu v lékových formulacích
- studium je prováděno zvýšením teploty, která urychluje
probíhající reakce. Produkty reakce jsou charakterizovány dostupnými technikami, např. HPLC
- kompletní popis mechanismů probíhajících v pevné fázi
je komplikovaný, neboť může probíhat několik dějů
současně
- nalezení vhodného modelu se řeší zkusmo
11
Reakce v pevném stavu
- pro fitování a výpočet kinetiky byla vypracována
řada modelů, kterými lze popsat různé procesy
probíhající v pevném stavu, zahrnující nukleaci,
růst fází a difuzí kontrolovanou reakci
- problémem je výpočet výchozího množství reaktantů,
protože na rozdíl od kapalné fáze se reakce účastní jen
molekuly na povrchu
- při samotném experimentu je třeba důsledně
kontrolovat, zda naměřený signál odpovídá
sledovanému procesu a ne třeba sorpci vody
- např. oxidace kyseliny askorbové v pevném stavu
může být popsána rovnicí:
𝑑𝑞
𝑑𝑡
= 𝐴 ∙ 𝑘 ∙ 𝐻
𝑞
∙(
)𝑚
𝐻∙𝐴
∙ (1 −
𝑞
)𝑛
𝐻∙𝐴
12
Reakce v pevném stavu
Závislost výkonu na čase pro oxidaci kyseliny askorbové v závislosti na přídavku
13
vody
Reakce v pevném stavu
14
Reakce v pevném stavu
- je nezbytné poznamenat, že kalorimetrický signál je
kombinací kinetických a termodynamických procesů
a závisí na množství sledovaného materiálu
- IM je vhodná pro studium dlouhotrvajících reakcí
- nenaměření signálu neznamená nutně důkaz, že reakce
neprobíhá, jen její entalpie nebo kinetika může být malá
- pokud je znám reakční mechanismus, vhodnost IM pro
sledování tohoto procesu může být odhadnuta na
základě entalpických dat nalezených v literatuře
- změna entalpie pro různé rychlosti reakce může být
odhadnuta a jako funkce času může být simulován
tepelný výstup
15
Kompatibilita excipientů
- kompatibilita excipientů je důležitý faktor při vývoji
formulací léčiv
- i léčiva s dobrou chemickou stabilitou mohou po
reakci s excipientem degradovat
- IM může být použita pro screening kompatibility:
porovnáváme měření s léčivem a bez léčiva za
různých experimentálních podmínek
- pokud neprobíhají žádné interakce, je výsledná léková
forma součtem signálů jednotlivých složek
- data mohou být analyzována použitím vhodných
rovnic a fitovacího softwaru, lze tak určit
termodynamiku procesu a kinetické parametry
16
Kompatibilita excipientů
Kalorimetrická odpověď léčiva, mikrokrystalické celulózy a jejich směsi
17
Kompatibilita excipientů
Kalorimetrická odpověď léčiva (ABT-627), CaHPO4.H2O a jejich směsi
18
Kompatibilita excipientů
- je dobré použít další techniky pro potvrzení
mechanizmu reakce a výběru vhodného modelu
- v současnosti jsou vyvíjeny matematické,
chemometrické metody a statistické metody pro
dekonvoluci naměřených dat
- moderní kalorimetry jsou konstruovány jako
multikalorimetry pro široké použití
- IM poskytuje rychlou metodu pro screening
použitelnosti formulací
- rozdíl kalorimetrické odezvy lékové formy a jejich složek
může být nulový i v případě, že je entalpie příliš malá
nebo kinetika příliš pomalá
19
Rozpouštěcí kalorimetrie
Příprava předmětu byla podpořena
projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253
20
Rozpouštěcí kalorimetrie
-
-
-
intramolekulární síly v pevných materiálech se liší,
jedná-li se o krystalické a amorfní látky
tyto rozdíly nemusí být v pevném stavu zjevné, ale
mohou se projevit v léčivové formě, in vivo nebo
různou rozpustností
amorfní materiál může krystalizovat, zatím co
polymorfní materiál může přecházet na stabilní
polymorfní formu, což může mít dopad na účinnost
léčiv
citlivou technikou na rozlišení mezi polymorfními
a amorfními látkami s kvantifikací i malého množství
amorfního obsahu je rozpouštěcí kalorimetrie
21
Rozpouštěcí kalorimetrie
-
-
-
-
principem této metody je měření změny tepla při dispergaci
malého množství pevné látky nebo kapaliny ve velkém
množství rozpouštědla
čisté látky při rozpouštění charakterizujeme rozpouštěcí
entalpií (rozpH)
rozpH = mřížH + solvataceH
v závislosti na velikosti mřížH a solvataceH může být rozpH
kladné (endotermní) nebo záporné (exotermní)
v přímé kalorimetrii jsou započítány všechny efekty jako
proražení ampule, míchání vzorku, změna aktivity
rozpouštědla způsobená jeho ředěním, změna
v odpařovaní rozpouštědla vlivem smísení fází
je třeba vždy provádět současně slepé měření
22
Rozpouštěcí kalorimetrie
Schématický diagram změn energie zahrnující rozpouštění krystalu (vlevo)
a amorfní formy (vpravo)
23
Rozpouštěcí kalorimetrie
-
-
-
pro ideální amorfní látku je mřížH = 0, což
u stejného materiálu způsobí výrazné rozdíly
mezi krystalickými a amorfními látkami
rozpH obsahuje informaci o přitažlivých silách uvnitř pevné
látky a poskytuje fundamentální informaci
o multikomponentních systémech
většina amorfních systémů ale vykazuje částečnou
uspořádanost, což snižuje citlivost této metody
v praxi jsou dostupné dva způsoby měření:
a) semi-adiabatický (zaznamenává změnu tepla)
b) tepelně vodivostní (zaznamenává změnu výkonu)
24
Rozpouštěcí kalorimetrie
a) semi-adiabatická rozpouštěcí kalorimetrie
- v ideálním adiabatickém kalorimetru je vzorek izolován od
okolí a změna entalpie souvisí pouze se změnami vzorku
při reakci; teplo roste (exotermní proces) nebo klesá
(endotermní proces)
- změna entalpie je rovna změně tepla
𝑞
𝑑𝑇

𝑇 =
a
=
𝜀
𝑑𝑡
𝜀
 kalibrační konstanta, určena elektrickou kalibrací přístroje
 výkon
- ideální adiabatické podmínky je těžké dosáhnout
25
Rozpouštěcí kalorimetrie
vždy se uplatňuje alespoň malá výměna tepla
s okolím
- v semiadiabatickém systému je výměna tepla do okolí
zahrnuta do konstrukce přístroje a pro přesný výsledek
musí být tento příspěvek odečten od experimentální teploty
(Texp)
Texp = Tteor + Tkorekce
-  Tkorekce je změna teplota všech dalších příspěvků
v nádobě
-
𝑡𝑘𝑜𝑛𝑐
𝑇𝑘𝑜𝑟𝑒𝑘𝑐𝑒 =
𝑡𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡
-
𝜏 je časová konstanta přístroje
1
𝑇∞ − 𝑇 𝑑𝑡
𝜏
26
Rozpouštěcí kalorimetrie
-
𝜀
𝜏=
𝑘
k koeficient výměny tepla nádoby
T lze spočítat z analýzy základní linie
-
𝑇 = 𝑇∞ +
kalibrační konstantu lze vypočíst jako
−𝑡
(𝑇0 − 𝑇∞ )𝑒 𝜏
𝜀=
-
-
𝑄𝑘𝑎𝑙
∆𝑇𝑡𝑒𝑜𝑟,𝑘𝑎𝑙
změna reakčního tepla může být určena
∆𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘𝑐𝑒 = 𝜀 ∙ ∆𝑇𝑡𝑒𝑜𝑟
důležitým aspektem použití semi-adiabatického
kalorimetru je, že reakční nádoba není v tepelné
rovnováze s okolím, proto lze měřit vzorky max. 30 min,
než dojde k vyrovnání teplot s okolím (= lázní)
27
Rozpouštěcí kalorimetrie
b) tepelně-vodivostní kalorimetrie
- tepelně-vodivostní kalorimetr je obklopen lázní, která
zajišťuje konstantní teplotu
- mezi nádobou a lázní je tepelně-vodivostní stěna
- tepelně-vodivostní stěna generuje napětí, které je
přímo úměrné výkonu procházejícímu skrz
- tento signál je vynásoben konstantou cely (𝜀) a je
zaznamenáván graf výkonu v závislosti na čase
- tento způsob měření není limitován časem na rozdíl
od semi-adiabatického systému
- citlivější než semi-adiabatický systém
28
Smísení vzorku
a rozpouštědla
-
-
-
-
existuje řada způsobů jak smísit roztok
a rozpouštědlo
vzorek a rozpouštědlo může být v oddělených
komorách v jedné cele, jejichž následnou rotací dochází
k jejich mísení a interakci
vzorek může být umístěn ve skleněné ampuli, jejíž rozbitím
dochází ke smísení s rozpouštědlem
a zahájení reakce
vzorek může být umístěn v kovové nádobě
a může být vypuštěn, čímž dochází ke smísení
s rozpouštědlem a zahájení reakce
v případě roztoků může být ke smísení použita titrace
29
Kalibrace
-
-
-
-
v případě elektrické kalibrace je použit odporový
prvek, který při průchodu proudu generuje známé
množství tepla, které je přístrojem měřeno
naměřený tepelný výkon se vynásobí vhodným číslem
(konstantou přístroje 𝜀), aby byl roven
předpokládanému tepelnému výkonu
ke kalibraci lze také použít chemické standardy jako
rozpouštění KCl, NaCl nebo propan-1-olu ve vodě
entalpie rozpouštění těchto standardů jsou tabelovány
rozpH (KCl/H2O) = 17,584 ± 0,017 kJ mol-1
30
Aplikace
POLYMORFISMUS
- rozpouštěcí kalorimetrie je často používána pro detekci a
charakterizaci polymorfismu
- polymorfní forma cyklopenthiazidu (forma I a II), obě
Hrozp = 6 kJ mol-1, zatím co forma III má
Hrozp = 15 kJ mol-1
- Urapidil, forma I (21,96 kJ mol-1), II (23,89 kJ mol-1) a nová
forma III, kterou nebylo možné získat v čisté formě.
Kombinací DSC a rozpouštěcí kalorimetrií bylo určeno
procentní zastoupení polymorfů (7,4 % formy I, 2,7 %
formy II a 89,9 % formy III), Hrozp (III) = 22,98 kJ mol-1
směsH = (XIHI) + (XIIHII) + (XIIIHIII)
31
Hessův zákon
entalpie tání
= zánik krystalové mřížky
Rozpouštěcí
entalpie
entalpie mísení
a solvatace
Popis rozpouštění, založen na Hessově zákonu
32
Hessův zákon
-
-
-
-
Hessův zákon umožňuje interpretovat rozpH v několika
krocích, jehož počáteční stav je pevná látka a finální stav
je roztok
celý proces lze rozdělit na dvě části: první je zánik pevných
vazeb a druhá je solvatace molekul
zánik pevných vazeb je podobný procesu tání pevných
látek může být vyjádřen jako entalpie podchlazené
kapaliny při 298 K (fH298)
entalpie mísení a solvatace může být vyjádřena jako mH
tento model je používán pro solvataci polyethylenglykolů
ve vodě
fH298 jsou získány z DSC a rozpH z rozpouštěcí
kalorimetrie
pro různé PEG bylo zjištěno, že mH je konstantní
33
Hessův zákon
-
-
Hessův zákon lze také využít při zjišťování chování
různých polymorfních forem
tento postup byl použit např. pro polymorfy enalapril
maleátu při jeho rozpouštění v acetonu a methanolu
rozdíl mezi rozpouštěcím teplem pro formy I a II
v methanolu v porovnání s acetonem byl
23,53 kJ mol-1
z toho plyne, že rozpouštěcí teplo v methanolu bylo více
exotermní než v acetonu, což souvisí
se vznikem jedné vodíkové vazby
34
Stanovení krystalinity
(amorfního obsahu)
-
-
-
je třeba změřit kalibrační řadu se standardy
s různým obsahem amorfní fáze
nevýhoda spočívá v možném polymorfismu krystalické
fáze použité na přípravu standardů
interakce krystalů a amorfní formy je jiná ve standardu
(smísení dvou látek) než v reálném vzorku
(krystaly s amorfní fází na jejich povrchu)
lze stanovit krystalinitu již od 0,5 % (w/w)
je třeba pracovat v suché atmosféře, aby nedošlo ke
krystalizaci amorfní složky
použití: b-laktamová antibiotika, warfarin, sulfamethoxazol
35
Charakterizace interakcí
-
-
-
stanovení entalpie interakcí, například energie potřebnou
k proniknutí micelou nebo buněčnou stěnou
(systém bez a s micelami nebo membránami)
stanovení konstanty stability a zjištění stechiometrického
poměr vzniklého komplexu
(například interakce léčiv s cyklodextriny)
vyhodnocení in vitro kompatibility různých léčiv
predikce rozpustnosti nebo solvatace léčiv v různých
prostředích
zjištění stability různých polymorfů
studium polymerů používaných pro kontrolované
uvolňování léčiv
36
Literatura
https://www.youtube.com/watch?v=o_IpWcWKNXI
https://www.youtube.com/watch?v=dpmr0665FFA
37