Gyógyszerhatóanyagok polimorfizmusa IV. Egykristályok növelése hogyan és hogyan NE Bényei Attila Öveges József ösztöndíjas Debreceni Egyetem, Fizikai Kémiai Tanszék 007 Tematika I http://puma.unideb.hu/~xray/oveges/gyogyszerhatoa/gyogyszerhatoa.html. Bevezetés. A polimorfizmus fogalma. Történeti áttekintés. Polimorfizmus a mindennapi életben és a gyógyszergyártásban. Vizsgálati módszerek áttekintése. Rendezıdési és konformációs polimorfizmus. Pszeudopolimorfizmus, szolvatopolimorfizmus? FDA, ICH, Q6A követelmények. A ritonavir és a cefuroxim esete. Irodalmi források.. Termodinamikai megfontolások. Termogravimetriai módszerek alapelvei és alkalmazhatóságuk polimorfok vizsgálatában. A Burger-Ramberger szabályok. Monotróp és enantriotróp polimorfok. 3. Szabadalmi alapfogalmak. Új meglepı hasznos. Igénypontok buktatói. Polimorfok szabadalmaztathatósága. Ranitidin hidroklorid és paroxetin hidroklorid. Tematika II http://puma.unideb.hu/~xray/oveges/gyogyszerhatoa/gyogyszerhatoa.html 4. A kristályok növekedésének termodinamikája és kinetikája. Gócképzıdés gócnövekedés, morfológia. A polimorfok képzıdésének kontrolálása. A kristályositás technológiai kérdései. Az aszpartám esete. 5. Számítási kémia - polimorfok elıfordulásának jóslása. 6. A röntgendiffrakció alapjai. A fázis probléma és megoldása. Pordiffrakció. A részecske méret hatása a pordiffrakciós felvételre. Preferred orientation. Mennyiségi XRPD. Saját eredmények. 7. Egykristály röntgen diffrakció. Polimorfok szerkezeti kérdései. Hidrogén hidas szerkezetek gráfelméleti leírása. Saját eredmények. Ellenırzı kérdések I. Mi a polimorfizmus? Mikor ismerték fel a jelenséget (kb.) Mit jelent: ANDA API Rendezıdési v. csomagolási packing polimorfizmus Konformációs polimorfizmus Ellenırzı kérdések II, mit jelent Gibbs energia Monotróp rendszer Enantiotróp rendszer DSC DTG Ellenırzı kérdések III, Burger- Ramberger szabályok Mi között teremt összefüggést? I. Átalakulási hı szabály Ha valamely hımérsékleten exoterm átalakulást tapasztalunk akkor ez alatt NINCS átalakulási pont, vagyis a két fázis monotróp. Ha valamely hımérsékleten endoterm átalakulást tapasztalunk akkor ez alatt lennie kell egy átalakulási pontnak, a két szilárd fázis enantiotróp. II. III. Olvadáshı szabály Ha a magasabb olvadáspontú formának kisebb az olvadáshıje a két forma enantiotróp Minden más esetben monotrotróp fázisok Sőrőség és IR sáv szabály Ha az egyik formának kisebb a sőrősége, akkor abszolút 0 fokon a kristályformája kevésbé stabilis. Ha egy hidrogén kötéses molekula esetén az adott módosulat IR spektrumának elsı sávja nagyobb hullámszámnál van, akkor ennek a módosulatnak nagyobb az entrópiája.
Ellenırzı kérdések IV. Mi a szabadalom? Mik a szabadalmaztathatóság követelményei? Ki a szabadalmas? Mi az igénypont? Mondjon példát (legalább ) a polimorfokkal kapcsolatos szabadalmi esetekre! Tartalom Bevezetés Mik az egykristályok és miért van rájuk szükség A kristálynövekedés termodinamikája és kinetikája Kristálynövelési technikák és tanácsok Javasolt menetrend Nehézségek és megoldási lehetıségek Összefoglalás Bevezetés Irodalom Google: single crystal growing 4.000 találat (000) 43.000 találat 009.03.09 Growing Crystals That Will Make Your Crystallographer Happy. National Crystal Growing Competition 00. Crystal Growing Kit. P.W. Atkins, Fizikai Kémia, I-III.. P.G. Jones, Chemistry in Britain, 7 (98). 3. http://laue.chem.ncsu.edu/web/growxtal.html 4. http://www.chem.wisc.edu/~powell/xtalgrow.html 5. http://www.chem.tamu.edu/services/crystal/lectures/lect.h tml 6. http://www.unige.ch/crystal/w3vlc/crystal.index.html 7. http://www-structure.llnl.gov/crystal_lab/cystalmake.html 8. http://www-cryst.bioc.cam.ac.uk/~dima/xtal-inaction/node3.html Folyóiratok Hókristály növekedése Welcome to CRYSTAL ENGINEERING. crystal-engineering.net Copyright 00, Elsevier Science, All rights reserved.
Lizozim kristályok növekedése Kristályosítás Elválasztási, tisztítási mővelet. Túltelített oldatból szilárd fázisban válik ki az anyag: Az elválasztandó anyagot fluid fázisból szilárd fázisba visszük csapadék képzıdés kristályosítás Utómőveletek: elválasztás, mosás, szárítás Kristályosítás, elınyök, hátrányok Egykristályok Nagy szelektivitás Jól kezelhetı termék Reprodukálhatóság Léptéknövelés Két fázisú rendszer, anyag- és energiaáram Szennyezıdések szerepe nem tisztázott Tökéletesen fejlett 0.-0.5 mm Anyalúgban Éles határvonalak Csillogó, szép kristálykák Polarizált fényben nincsenek fázishatárok Lehetıleg nem tőszerő vagy lapka A kristálynövekedés termodinamikája és kinetikája Egy komponenső rendszerek I. Termodinamikai leírás (Messze) nem ideális, több komponenső rendszerek Aktivitás fogalma Viriál együtthatók Termodinamikai többletfüggvények Fázisdiagram: Az a paraméter tartomány (p,c,t,v), ahol a különbözı fázisok termodinamikailag stabilisak Ideális és van der Waals gázok E Túltelített, metastabilis P V V Egyensúlyi P E E Metastabilis, túlexpandált V 0 P P V RT P = n T=const V nrt n P = a ( ) V 0 n b V 0 V 0 A fázisok stabilitása: T, n < 0 3
Viriál együtthatók Állapotegyenlet: nrt B C ( ) = + + V V V B=B(T) B meghatározása ozmózisnyomás vagy fényszórás mérésével B<0, vonzó kölcsönhatás Kristályosítási ablak D P v ( +...) 3 V K c = + B c R M 90 Több komponenső rendszerek U ( S, V ) = PV + TS Legendre transzformáció S H P U G V A T Változások: izochor, izentrópiás rendszerek /M Crystallization Success rate n G (,, x = + i) VdP SdT dxi dg( P, T, xi ) = VdP SdT + µ idxi dg P T i= xi Xj i n i= Slope = B 5 0-5 -0 c [protein] B [04 mol ml / g ] µ i az i-edik komponens kémiai potenciálja Termodinamikai többletfüggvények G E = G m = G (measured) G (ideal) = G (measured) Σn i RTΣx i lnx i Biner elegyek G-x diagramja A fázisok stabilitása G > 0 x i Egyensúlyban a kémiai potenciál mindegyik fázisban egyenlı minden komponensre 0 G G x P, T S S > 0 G x P, T B > 0 0 G 0 µ 0 µ B Metastabilis, túltelített 0 x Fázisdiagramok A termodinamikailag stabilis fázisok c(p) protein C D L+S c(p) folyadék+szilárd A F G B E m L Biner elegyek fázisdiagramja foly. Terner elegyek fázisdiagramja háromszögdiagram c(r) x (W) m L W P T L+S x (w) R A: Gyors bepárlás, csapadék c(r) lecsapószer B: Lassú bepárlás,. polimorf módosulat kristályai C: Kicsapószer lassú hozzáadása,. polimorf D: Gyors bepárlás a metastabil zónában E: Átkristályosodás a metastabil zónában F: Bepárlás, mikrokristályok növekedése, 3. polimorf G: Csapadékkiválás majd átkristályosítás 4
Valós rendszerek Lizozim Control of protein crystal nucleation around the metastable liquid liquid phase boundary Oleg Galkin and Peter G. Vekilov, PNAS Vol. 97, 677-68, www.pnas.org Tircsó Gyula, DE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék II. Kinetika A gócképzıdés és kristálynövekedés mehanizmusát kellene ismerni Diffúzió Konvekció Hibahelyek képzıdése, a kristálynövekedés mérgezése Kémiai stabilitás EMPIRIA Gócképzıdés Gócnövekedés Empirikus modell, nem lineáris kinetika: dn i = k (c c ) dt c: a túltelített oldat koncentrációja c * : a telített oldat koncentrációja i: empirikus paraméter Homogén : túltelítés hozza létre Heterogén : idegen anyagok, szennyezıdések, keverı Másodlagos : a meglévı kristályok összetörnek, újabb gócok Diffúziós dm = k A (c c ) dt k: tömegátadási együttható k= k( ρ; η;d) A: a kristály felülete Konvekciós dm = A (c c ) dt + k κ k: az áramlásra jellemzı állandó κ: felületi reakciósebességi állandó, a hımérséklettıl függ 5
A kristály jellemzı mérete dl ΦA = dt Φ ρ V k + κ (c c ) = k (c c ) Φ A, Φ V V felületi és térfogati alaktényezı A lineáris növekedés nem függ a kristályok méretétıl, csak a túltelítés mértékétıl A rendszer az egyenletes kristályméret felé törekszik g III. Javasolt menetrend. Kémiai reakció, az anyag elıállítása. Tisztítás, spektroszkópiás jellemzés (extrakció, oszlopkromatográfia, IR, NMR, UV-VIS) 3. Oldhatósági tulajdonságok felderítése (jó, közepes és rossz oldószerek) 4. Kristályosítási elıkísérletek - bepárlás - oldószer diffúzió (-3 oldószer, - hımérséklet, -3 arány, -3 kiindulási koncentráció, kb. 50 kísérlet) 5. A metastabilis zóna felderítése, ismételt próbálkozások Tanácsok egykristályok elıállítására Oldhatósági tulajdonságok, metastabil zóna felderítése Csíraképzıdés gátlása pormentes környezet, új üvegeszközök Mechanikai hatás kiküszöbölése IDİ Jegyzıkönyv vezetése a kristályosítási kísérletekrıl Automatizálás, robottechnika IV. Technikák Több oldószer Oldószer mentes T - Szublimálás, hımérséklet gradiens l - Gızdiffúzió sealed jar Egy oldószer - Lassú bepárlás (pormentes, parafilm, - lyuk) - Oldószer diffúzió Solution add solute slowly use glass wool to prevent mixing Solvent pipet extends to the bottom - Lassú hőtés (Dewar, forró víz, termosztát) Percipitating Solvent 5 : added first - Beoltás Solute 6
Reaktáns diffúzió Fehérjék Reactant Reactant Inert gel reactant/reactant interface Kémiai módosítás Ellenion megváltoztatása (merev ionok, PPN +, BPh 4-, szulfonátok) H-hidas szerkezetek kialakítása ph változtatás, protonálódás Másik származék, szubsztituens Adalékok (PPh 3 -oxid, PEG, só) Módosítás a fehérjeláncon V. Mit NE csináljunk NE kristályosítsunk reaktív rendszereket NE rázogassuk az edényünket NE kristályosítsunk nem tiszta, több komponenső rendszereket NE engedjük teljesen bepárolódni az anyagot (anyalúg) NE használjuk a ClO 4-, BF 4-, PF 6-, SiF 6-, Li +, Na + ionokat. NE használjunk könnyen párolgó oldószereket és vizet VI. (Ipari) alkalmazások CSD: Cambridge Structural database, 400.000 szerkezet (009) ICSD: Inorganic Crystal Structure Database 65.000 szerkezet PDB: Protein Data Bank 30.000 makromolekula 0M szerves és szervetlen anyag, M bázisszekvencia Félvezetı ipar Fémkohászat Ötvözetek Fehérjekrisztallográfia Gyógyszergyártás, polimorfizmus VII. Összefoglalás Az egykristályok képzıdésének elméleti összefüggései ismertek, de a konkrét rendszerek pontos leírása nagyon nehéz Az egykristályok elıállítása jórészt tapasztalati megfigyeléseken alapul Idıvel biztosan keletkeznek egykristályok. csak türelem. 7
Következik: Számítási kémia, polimorfok jóslása 8