Материал: Изучение кристаллизации N-(3-метилтио-5-ацетамидо-1,2,4-тиадиазолил) цитизина в различных средах

В свете уже опубликованных литературных данных и вопросов, связанных с проблемой определения полиморфов, оказывается, что использование простого и вместе тем однозначного правила для обозначения полиморфов не является общепринятой практикой. Метод Кофлера имеет бесспорные преимущества, поскольку обозначение с учетом температуры плавления может исключить некоторые вопросы идентификации и поэтому имеет смысл его использовать. Для таких исследований (и обозначений) полиморфных систем во избежание путаницы в номенклатуре очень важно иметь полную информацию о предыдущих работах, чтобы попытаться установить соответствие между полученным полиморфом и тем, что был изучен ранее.

.2.3 РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ПОЛИМОРФИЗМА

Наиболее широко известное утверждение о существовании полиморфизма, возможно, было дано МакКроном: - “Автор по крайней мере полагает, что каждое соединение существует в различных полиморфных формах и что в общем, число форм, известных для данного соединения, пропорционально времени и средствам, затраченным на его исследование”. Как вывод из этого утверждения МакКрон отметил, что “все известные соединения (и элементы) обладают полиморфизмом”, и привел множество примеров органических и неорганических соединений.

Отмеченное выше отражает утверждения Финдлэя: - “полиморфизм теперь действительно признан как частное явление”, Бюргера и Блума: - “полиморфизм - неотъемлемое свойство твердых тел, которое нельзя обнаружить только при особых условиях”, и Сироты: - “теперь считается, что полиморфизм является характеристикой всех соединений, а его отсутствие связано с тем, что полиморфный переход лежит выше температуры плавления или в области значений внешних равновесных факторов или других условий, необходимых для перехода, которых пока не удается достичь”.

Эти утверждения подчеркивают, что полиморфизм - скорее правило, чем исключение. Литературные данные свидетельствуют, что к таким выводам нужно подходить осторожно. Справедливо, что примеры полиморфизма оказываются общим явлением в тех областях промышленности, где получение и характеризация материалов в твердом состоянии являются интегральными аспектами разработки и производства продукции (т.е. когда большое внимание уделяется материальным затратам и затратам времени): кварца, железа, силиката кальция, серы, мыла, фармацевтической продукции, красителей и взрывчатых веществ. Такие материалы, в противоположность большинству получаемых соединений, производят не один раз, а многократно при условиях, которые время от времени могут немного изменяться (даже не преднамеренно). Аналогично, при выращивании кристаллов биомолекулярных соединений, в частности протеинов, много времени и усилий тратится на поиск оптимальных условий кристаллизации, которые могут несколько изменяться, и при этом полиморфизм наблюдается достаточно часто. Даже с ростом наших знаний и важности полиморфизма в прикладном аспекте, наиболее известные случаи полиморфизма были открыты скорее случайно, чем путем систематического поиска. Для некоторых широко известных веществ, таких как сахароза, нафталин, которые определенно кристаллизовались многократно, полиморфизм не был обнаружен. Возможность полиморфизма существует для любого соединения, но условия получения пока неизвестного полиморфа отнюдь не очевидны. К настоящему моменту не существует систематического подхода для надежного определения этих условий. Более того, мы практически не имеем представления о свойствах, которые можно ожидать от новых полиморфов. Предсказание существования какой-либо полиморфной формы для данного соединения, условия и методы, необходимые для его получения, а также его свойства остаются нерешенной проблемой для ученых уже много лет.

.2.4 ПОЛИМОРФНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В КБСД

Кембриджская база структурных данных (КБСД) - это архив результатов рентгеноструктурного исследования кристаллов органических и металлорганических соединений. Текущая версия КБСД (V5.32 от мая 2011 года) содержит 562000 записей. А недавно было сообщено о 500000 ной опубликованной структуре. Сегодня КБСД используется так же и как депозитарий кристаллографических данных, которые могут нигде больше не публиковаться. За последние десятилетия база данных оказала сильное влияние на характер работы химиков-структурщиков. За короткое время сейчас можно получить доступ к огромному объему структурной информации для проведения различных поисков: установления корреляций, поиска модельных соединений, мотивов упаковок, направлений реакций, типов водородных связей и.т.д. Быстрое увеличение количества доступных данных, сопровождающееся все более совершенным программным обеспечением, открыло такие возможности, которые нельзя было вообразить еще четверть века назад.

Как архив всех органических и металлорганических кристаллических структур КБСД содержит данные о полиморфных соединениях. В версии КБСД V5.32 от мая 2011 года приблизительно 17000 соединений можно классифицировать как полиморфные, около 95000 как сольваты, около 66000 как гидраты. Однако надо сказать несколько слов предостережения перед использованием этих данных. Каждая запись в КБСД содержит одномерную (1D), двумерную (2D) и трехмерную (3D) информацию. 2D информация используется для отображения структурной химической формулы и связей в ней, которые, очевидно, будут одинаковыми для полиморфов. 3D информация содержит результаты рентгеноструктурного исследования молекулы: параметры ячейки, пространственную группу, координаты атомов и параметры атомов, требующиеся для создания трехмерных молекулярных и кристаллических структур. 1D информация содержит библиографическую и химическую информацию (название соединения и эмпирическую формулу), включая некоторые пометки, такие как: “данные нейтронографии”, “абсолютная конфигурация” и др. Здесь же в КБСД находятся пометки о том, что соединение имеет полиморфы: “кристаллы данной фазы имеют красный цвет” или “метастабильный полиморф”, “Форма II” (если авторы первой публикации заметили это свойство, или если при реферировании было выявлено, что структура имеет полиморфы). Во многих случаях замечание о том, что это особая кристаллическая форма, делается лишь когда публикуется второе, третье и последующие соединения из серии полиморфов. Запись первого соединения может не содержать такого указания, поскольку авторам могло быть не известно о существовании полиморфов. Это может быть и в случае установления последующих структур. В начале существования КБСД записи полиморфных структур получали разные идентификаторы (Refcode) - уникальный идентификатор для каждого химического соединения. Усложненное программное обеспечение, использующееся сегодня для архивирования данных, предотвращает дублирование и устраняет многих из ранее появившихся “сирот”, хотя некоторые могут существовать и до сих пор. Как только один представитель из серии полиморфных соединений установлен, надо позаботиться о том, чтобы устранить все записи, относяшиеся к тому же соединению, включая те, которые не отмечены соответствующими дескрипторами. Резюмируя, можно сказать, что отсутствие дескриптора, свидетельствующего, что соединение относится к серии полиморфов, не является достаточным доказательством этого. Чтобы удостовериться в этом, необходимо обратиться к прочим литературным данным.

Пример осторожности, которую следует проявить при проведении подобных поисков и анализе полученных результатов, был показан Гавеззотти и Филиппини. Поиск был проведен для органических соединений, которые содержали только атомы C, H, N, O, F, Cl и S, и для которых были известны структурные данные более чем для одного полиморфа. Всего было найдено 163 кластера (под кластером понимается группа полиморфных кристаллических структур одного итого же соединения). Из них 147 содержали две структуры, 13 - три, 4 - четыре структуры. Авторы отмечают, что эти цифры - “первые свидетельства большой распространенности полиморфизма в органических соединениях”, хотя число кластеров составляет сравнительно небольшой процент всех записей в базе данных. Число этих кластеров скорее отражает интерес авторов к конкретной серии полиморфов. Мерой, отражающей реальную ситуацию того, как часто встречается полиморфизм в этих соединениях, является количество соединений в базе данных, для которых известно образование полиморфных модификаций, без учета того, определено ли более одной структуры или нет.

.2.5 МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛИМОРФОВ

Поведение при кристаллизации медного комплекса 1 демонстрирует эффект изменения концентрации при одновременном возникновении полиморфов, а также роль концентрации в соотношении модификаций. Келли с соавторами получил голубые кристаллы соединения 1, которые выпадали из “достаточно концентрированного раствора в ацетонитриле”, где атом меди находиться псевдотетраэдрическом координационном окружении.

Рис. 1.2. Соединение 1

Это простейший пример истинного полиморфизма. Синие кристаллы с плоскокоординированной медью при рекристаллизации приводят к смеси двух типов кристаллов. На самом деле авторы утверждали, что две формы срастались и вырастали, по-видимому, случайно. Зеленая форма получается только из разбавленного раствора, и как только она получается, синяя форма уже не может быт образована. Последовательность событий и экспериментальные условия согласуются с правилом Оствальда о стадиях (термодинамическая стабильность зеленой формы немного больше таковой синей формы) и явлением исчезновения полиморфов. Как только зародыш более устойчивой зеленой формы присутствует в среде, синяя форма уже не может быть получена.

Влияние температурного фактора на поведение полиморфов может быть продемонстрировано на примере дифенил карбамида 2 - одной из систем, которую изначально цитировал Грот, и позднее исследовали Эттер и Хунг.

Рис. 1.3. Соединение 2

Данное соединение кристаллизуется в трех формах: α - желтые призматические иглы; β - белые иглы; γ - плоские призмы. При кристаллизации из 95% ного этанола в диапазоне температур 30-75 ºC формы α и β всегда кристаллизуются совместно, даже в присутствии зародышей той или иной формы. Соотношения полиморфов можно регулировать посредством температуры, так как форма α предпочтительно кристаллизуется при более высоких температурах. При упаривании маточного раствора при обычной “лабораторной” температуре (13ºC) кристаллизуется только γ-полиморф, нагревание того же раствора приводит также к образованию β-формы. При 40ºC γ-полиморф больше не кристаллизуется, тогда как в незначительных количествах появляется α-форма. На основании экспериментов с использованием 95% ного спиртового раствора γ-формы авторы предполагают, что данный полиморф является стабильным при комнатной температуре. По мере повышения температуры сначала кристаллы β, а потом и α-формы являются стабильными. Тем не менее подобное поведение может также определяться влиянием растворителя. Данная система достаточно сложная, в ней присутствует особый баланс между относительными устойчивостями трех форм, а также кинетическими факторами, определяющими их появление.

Кристаллизация сопутствующих полиморфов (В ситуации, когда наблюдается перекрывание областей возникновения, две или более полиморфные модификации могут возникать одновременно или поочередно, что приводит к формированию нескольких модификаций при одинаковых условиях. Данное явление носит название - сопутствующих полиморфов.), безусловно, ограничена кристаллизацией из раствора, а не сохранением неизменной конформации молекулы.

При заданной температуре можно ожидать, что каждый из полиморфов будет обладать различными значениями давления насыщенного пара. Это на самом деле является основой метода очистки сублимацией. Тем не менее существуют примеры, когда две формы обладают близкими значениями давления насыщенного пара при заданной температуре. В таких случаях возможна одновременная сублимация двух полиморфов. Это явление может наблюдаться вблизи точки фазового перехода или вследствие сближения двух кривых на большом температурном интервале, либо при их сближенности в области температур, где происходит сублимация. Например, соединения 3 и 4 образуют две фазы при сублимации тогда как 5 существует в трех модификациях, обладающих разным цветом:

                                        4                                    5

Рис. 1.4. Соединения 3, 4, 5

Соединение 3 при медленной сублимации при 140ºC и 0,1 Тор привело к образованию нескольких игольчатых кристаллов (T_пл=192-193ºC), покрывающих основную массу “блестящих призм медного цвета” (T_пл=220-223ºC), которые можно механически отделить для дальнейшего анализа. Соединение 4 также получали очисткой путем сублимации в вакууме (120ºC/10^-2Тор), что привело к разделению игольчатых кристаллов насыщенного красного цвета (α-фаза, T_пл=157-160ºC) и призм (β-фаза, T_пл=165-168ºC). Определение кристаллической структуры 4 показало значительную разницу в молекулярной геометрии: цис-димеры в α-форме и транс-димеры в β-форме.

Другим примером совместного образования полиморфов при сублимации является соединение 6, для которого условия сублимации систематически изменяли с целью получения второго полиморфа. Форма α изначально была получена в виде игольчатых монокристаллов золотистого цвета при очень медленной сублимации в течении нескольких недель при 10^-6Тор, при этом образец нагревался до 180ºC, а охлаждающий элемент имел температуру 100ºC. Повышение давления до 10^-1-10^-2Тор и нагрев образца до 220ºC, а охлаждающего элемента до 120-140ºC также привели к образованию α-формы, но с небольшим количеством β-формы.

Электрокристаллизация, особенно для комплексов, состоящих из двух компонентов, - метод, предоставляющий допольнительные степени свободы, помимо остальных условий обычной кристаллизации: напряжение, сила тока, противоионы, природа электролита, материал электродов и т.д. изменяя силу тока и напряжение, можно добиться реализации различных условий кристаллизации: от термодинамического до кинетического контроля. Таким образом, предпринимаются попытки кристаллизации в различных условиях, и множество индивидуальных кристаллов, полученных в результате одного и того же эксперимента могут быть подвергнуты последующим структурным и физическим исследованиям. Это наиболее предпочтительные подходы для получения и распознавания полиморфизма и сопутствующих полиморфов.

Взаимная диффузия насыщенных растворов является другим методом приводящим к образованию нескольких полиморфов, которые включают в себя различные модификации, обладающие очень близкой растворимостью в исходных растворителях.

.2.6 ПОЛИМОРФИЗМ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

Возрастание осведомленности о полиморфизме и его важности, возможно, нигде так не очевидно, как в области лекарственных препаратов. Основополагающие работы Бюргера и Блума и МакКрона не делали какой-либо особый акцент на лекарственные препараты. Одним заметным исключением была книга Кофлер и Кофлер, авторы которой были членами академического департамента фармакагнозии. Конструктивной статьей в области полиморфизма лекарственных препаратов был обзор Хэлиблаена и МакКрона, установивший границы и стандарты для многих последующих работ. Литература по полиморфизму фармацевтических препаратов на данный момент представлена в большом количестве. Появились монографии, охватывающие различные аспекты этой проблемы, и постоянно увеличивается число обзоров, рассматривающие различные аспекты полиморфизма в приложении к проблемам фармацевтики и лекарственных соединений, включая права экономической и интеллектуальной собственности. Появляются все большее число исследований, посвященных обнаружению и описанию различных кристаллических модификаций фармацевтических соединений. Изучаются сложные зависимости энергии от температуры, явления необычной химии кристаллов, влияния состава лекарственного вещества на химическую реакционную способность.

Также возникают различные проблемы и при производственных процессах. Замена оборудования, различия между чистотой лабораторных и промышленных реагентов, колебания в скорости нагрева-охлаждения, процедурах перемешивания, использование затравок и т.д., все это может повлиять на результат кристаллизации и форму получаемого вещества. Лишь немногое из этой информации описано в литературе, поскольку это часто является предметом экспериментальных разработок и хранится как секрет фирмы или как информация, доступная только промышленному концерну, хотя упоминание о ней может быть найдено в литературе. Увеличение масштабов производства и последующий подбор состава также содержат большое число сложных процедур процесса производства, на который оказывают влияние физические и механические свойства твердых веществ как функции от получающейся кристаллической модификации. Некоторые из процедур были описаны Хуллигером, включая силу растяжения, сжатия, реологические свойства, параметры фильтрации и сушки.

Органы государственного регулирования уделяют все возрастающее внимание получению, определению, описанию, чистоте и свойствам кристаллической формы, используемой в фармацевтических продуктах. Бирн представил набор решений для представления данных по различным кристаллическим формам (полиморфам, сольватам, десольватированным сольватам и аморфным формам) в органы регулирования. Международный комитет по регулированию создал руководство (Q6A) для описания случаев полиморфизма в лекарственных препаратах.