2016, Vol. 51
表1(Table 1)
曲格列汀琥珀酸盐晶体结构和晶型稳定性研究
引用本文
YE Jia-li, ZHOU Xin-bo, WU Su-xiang, SUN Meng-ying, GU Jian-ming, HU Xiu-rong. Crystal structure and crystal form stability of trelagliptin succinate[J]. Acta Pharm Sin, 2016, 51(11): 1759-1764. 
叶佳丽, 周新波, 吴素香, 孙梦莹, 顾建明, 胡秀荣. 曲格列汀琥珀酸盐晶体结构和晶型稳定性研究[J]. 药学学报, 2016, 51(11): 1759-1764.
曲格列汀琥珀酸盐晶体结构和晶型稳定性研究
1. 浙江中医药大学药学院, 浙江 杭州 310053
;
2. 浙江大学化学系, 浙江 杭州 310028
2. 浙江大学化学系, 浙江 杭州 310028
摘要:
采用重结晶方法和混悬方法研究曲格列汀琥珀酸盐在极性溶剂（水和95%乙醇）中的转晶情况。采用X射线单晶衍射、X射线多晶衍射和热分析等多种分析方法，对曲格列汀琥珀酸盐转晶前后的结晶形式进行了结构表征。结果表明，曲格列汀琥珀酸盐在溶剂介导下特别是极性溶剂介导下容易转化成曲格列汀半琥珀酸盐。
关键词:
曲格列汀半琥珀酸盐
曲格列汀琥珀酸盐
晶体结构
稳定性
转晶
Crystal structure and crystal form stability of trelagliptin succinate
1. College of Pharmaceutical Science, Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou 310053, China
;
2. Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China
2. Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China
Abstract:
In order to investigate trelagliptin succinate's stability in solution, recrystallization and suspension methods in polar solvent (mainly in water and 95% alcohol) were used to study the crystal form transformation of trelagliptin succinate. Single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction and thermalgravimetric analysis, and differential scanning calorimetry were used to characterize the structure of the solid state form before and after transformation. The results showed that trelagliptin succinate can easily convert to trelagliptin hemi-succinate mediated by solvent, especially by polar solvent, namely trelagliptin hemi-succinate is more stable than trelagliptin succinate in solution.
Key words:
trelagliptin hemi-succinate
trelagliptin succinate
crystal structure
stability
transformation
糖尿病已成为继心血管病、癌症之后居人类第三位的致死疾病, 我国约有2%～3% 的患群, 其中2型糖尿病 (T2DM) 约占糖尿病患者总数的90%～95%[1]。曲格列汀 (trelagliptin), 化学名为2-[6-(3-氨基-哌啶- 1-基)-3-甲基-2, 4-二氧代-3, 4-二氢嘧啶-1(2H)-基甲基]-4-氟苄腈, 是由Takeda和Furiex研发的一种新型的超长效DPP-Ⅳ抑制剂, 每周口服一次, 市场上同类DPP-Ⅳ抑制剂需要每天口服一次, 相比其用药优势无疑将为糖尿病患者提供更为方便的治疗选择, 有望大幅改善患者的便利性和依从性。曲格列汀属于水难溶性化合物, 生物利用度低, 因此, 临床药物制剂使用的是曲格列汀琥珀酸盐[2] (QG-S), 其结构式见图 1。
专利文献[3-5]报道了QG-S的多种形态, 包括晶型A、B、C、D、E、F、G和无定形态及它们的制备方法和表征。化合物结晶形态会随着环境条件变化而 从一种晶型转变为另外一种晶型, 即为转晶现象[6]。本实验室在研究QG-S的稳定性时, 发现QG-S在 溶剂介导下 (特别是水) 会发生转晶, 转变成一种与QG-S晶型A、B、C、D、E、F、G和无定形态都不同的另外一种晶体形态。本研究采用X射线单晶衍射(SXRD)、X射线多晶衍射 (PXRD)、热分析(DSC、TG) 等分析方法对转变而成的新的结晶形态进行了分析表征, 并对QG-S的转晶机制进行了研究分析。
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Figure 1 Chemical structure of trelagliptin succinate (QG-S) |
药品与试剂 QG-S由杭州中美华东制药公司提供, 样品经HPLC测定 (按美国药典检测), 化学纯度大于99.5%, 经过PXRD鉴定为QG-S晶型A。乙醇、丙酮、四氢呋喃、二甲基亚砜、乙腈均为分析纯试剂 (天津永大化学试剂有限公司), 蒸馏水。
晶型表征 X射线单晶衍射表征: 英国牛津 (瓦里安) 公司Gemini A Ultra单晶X射线衍射仪室温下用CuKα射线 (λ = 1.540 8 Å)进行初步检验和数据收集。分别用SHELXS97(Sheldrick, 2008) 和SHELXL97 (Sheldrick, 2008) 进行结构解析和修正。使用ORTEP和Diamond获得结构图。X射线粉末衍射表征: Rigaku D/Max-2550PC多晶X射线衍射仪 (日本理学公司), 测试条件: CuKα射线 (λ = 1.540 6Å), 电压40 kV, 电流250 mA, 扫描范围3°～40° (2θ), 步宽0.02°, 扫描速度5°/min。所得数据用MDI-Jade version 7.5.1软件处理。热分析 (TG和DSC)测定: SDTQ600综合热分析仪 (美国TA公司) 和DSCQ100差示扫描量热仪 (美国TA公司) 测定条件: 以氮气为保护气, 升温速率为10℃·min-1, 升温范围为25～230℃, 进行DSC分析； 以氮气为保护气, 升温速率为10℃·min-1, 升温范围为25～420℃, 进行热重分析 (TG)。
稳定性实验 采用重结晶方法和混悬法, 研究QG-S在溶剂中的转晶情况。选择常用的重结晶溶剂: 95%乙醇、蒸馏水、有机溶剂 (丙酮、四氢呋喃、二甲基亚砜、乙腈等) 和少量水 (约5%) 的混合溶剂, 考察QG-S在上述溶剂中的转晶情况, 并研究析晶时间和溶解温度对转晶的影响。选择湿法制粒中常用的溶剂——水和95%乙醇, 考察QG-S在这两种溶剂中混悬后的转晶情况, 并研究混悬温度、混悬时间、搅拌强度等对转晶的影响。
单晶培养 根据QG-S在溶液中的稳定性, 采用两个不同的实验方案进行单晶培养, 以得到转晶前和转晶后的QG-S单晶。称取QG-S 0.1 g分别溶于95%丙酮或者98%丙酮6 mL中 (50 ℃溶清)。室温下, 95%丙酮于3 h得到长条状单晶, 为转晶后的结晶形态； 98%丙酮于1 h得到针状单晶, 为未转晶的结晶形态。
结果与讨论 1 溶剂介导下的转晶 1.1 重结晶法QG-S在水、95%乙醇、或混合溶剂 (如丙酮、四氢呋喃、乙腈、DMSO等与约5%水组成) 中重结晶, 即可得到一种新的晶体形态。析晶时间越长, 转晶越完全。结果表明, QG-S在水溶液介导下、50 ℃加热快速溶清, 若快速析晶 (0.5 h内析出), 析晶产物的XRD图显示QG-S晶型A的特征衍射谱线, 以衍射角 (2θ/°) 表示为4.81°、10.82°、11.26°、14.56°、15.96°、19.24°、21.08°、23.78°和25.40°等, 但同时在衍射角 (2θ/°)11.80°、12.52°、14.08°和21.30°等处也出现了衍射峰, 说明主要产物为QG-S, 但已出现了另一个晶型的特征衍射峰, 表明已有少量QG-S发生转晶； 若缓慢析晶 (析晶时间≥ 2 h), 析晶产物的XRD图上无QG-S晶型A的特征衍射谱线, 出现一组新的特征衍射谱线, 以衍射角 (2θ/°) 4.70°、9.48°、11.80°、12.52°、14.08°、15.88°、19.18°、21.30°、21.84°、22.44°、23.74°和26.78°, 见图 2A, 说明已经完全转晶。
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Figure 2 The comparison of XRD patterns of QG-S before and after recrystallization in aqueous solution (A), in alcohol (B) and in mixed solution of acetone and aqueous (C). For A and B, a: Before crystallization, b: Rapid crystallization, c: Slow crystallization; for C, a: Before crystallization, b: Crystallization 1 h in 98% acetone, c: Crystallization 1 h in 95% acetone, d: Crystallization 3 h in 95% acetone |
在混合溶剂中, 水的比例越少, 转晶相对较慢, 如在95%乙醇中重结晶, 若快速析晶 (0.5 h内析出), 析晶产物的XRD图显示QG-S晶型A的特征衍射谱线和11.80°、12.52°、14.08°、21.30°等特征谱线的叠加, 表明只有少量QG-S发生转晶；若缓慢析晶 (析晶时间≥ 3 h), 则析晶产物的X射线特征衍射谱线已与QG-S晶型A的特征衍射谱线完全不同, 见图 2B, 表明已完全转晶。如在95%丙酮中重结晶, 析晶1 h, 只有部分转晶； 析晶3 h, 几乎全部转晶； 而在98%丙酮中, 析晶1 h, 完全没有转晶, 见图 2C。同时, 四氢呋喃、乙腈、DMSO和少量水组成的混合溶剂中重结晶, 结果与含有少量水的丙酮混合溶剂中相同。
1.2 混悬法QG-S在水溶液和95%乙醇介导下, 37 ℃混悬搅拌0.5 h, 混悬产物的XRD图中即出现部分新物相的特征衍射谱线 (9.48°、11.80°、12.52°、14.08°、19.18°和21.30°等), 表明有部分QG-S发生转晶； 室温 (约25 ℃) 混悬搅拌0.5 h, 混悬产物的XRD显示, 主要特征衍射谱线仍以QG-S晶型A的特征衍射谱线为主, 但在衍射角 (11.80°、12.52°、14.08°和21.30°) 等处已有衍射峰, 表明有少量发生转晶。而室温下混悬 (不搅拌) 0.5 h, 其混悬产物的XRD图 仍显示为QG-S晶型A的特征衍射谱线, 室温下混 悬 (不搅拌) 2 h后混悬产物的XRD图上已出现了 少量新物相的特征衍射峰 (11.80°、12.52°、14.08°和21.30°等), 表明室温不搅拌的情况下, 转晶较缓慢, 见图 3。结果表明, 通过混悬转晶方法, QG-S在水溶液和95%乙醇中混悬, 温度越高, 转晶越快, 搅拌也会加速转晶。
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Figure 3 The comparison of XRD patterns of QG-S before and after suspension in aqueous solution (A) or in alcohol (B). a: Before suspension b: Suspension without stirring at room temperature c: Suspension with stirring at room temperature d: Suspension with stirring at high temperature |
利用重结晶方法获得两种不同形态的单晶, 用SXRD方法对它们进行了结构研究。结晶学参数见表 1。结果表明, 快速析晶 (1 h) 得到的为QG-S, 属于单斜晶系, P21空间群, 其最小不对称单元中含有1个曲格列汀分子和1个琥珀酸分子, 琥珀酸的其中一个羧基上的质子转移到1个曲格列汀分子中哌啶环上的伯胺基上, 两者之间通过氢键N1-H11···O4连接, 见图 4A。而缓慢析晶 (3 h) 得到的是转晶后的新结晶形式, 单晶X射线衍射分析结果表明, 其最小不 对称单元中含有4个曲格列汀分子、2个琥珀酸分子和4.5个水分子, 即曲格列汀半琥珀酸盐 (QG-1/2S), 2个曲格列汀分子共用1个琥珀酸, 琥珀酸作为二元羧酸, 其两个羧基上的质子分别转移到2个曲格列汀分子中哌啶环的伯胺基上, 见图 4B。
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Table 1 Crystal data of QG-S and trelagliptin hemi-succinate (QG-1/2S). CCDC: Cambridge crystallographic data centre |
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Figure 4 Molecular structure of QG-S(A) and new crystalline forms (QG-1/2S, H atoms are omitted) (B) |
QG-S的晶体结构研究表明, 氢键N1-H11···O4和分子间氢键O5-H5···O4i [对称代码: (i) x-1, y, z;]将QG-S分子连接成沿a轴方向无限延伸的分子链; 此分子链通过另一分子间氢键作用N1-H12···O31ii [对称代码: (ii) -x+1, y+0.5, -z+1] 沿c方向堆叠 (图 5A), 两组曲格列汀分子中夹了前后两组琥珀酸分子, 空间位阻很大。同时由于琥珀酸分子另一未成盐的羧基的酸性也较强 (pKa1 = 4.21, pKa2 = 5.64), 很容易与曲格列汀 (曲格列汀的pKa = 8.6)成盐。当有溶剂介导时, 其中一个琥珀酸分子非常容易从中“脱落”, 形成QG-1/2S。
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Figure 5 Hydrogen bonds packing diagram (A) for QG-S and A packing diagram (B) for QG-1/2S, along the b-c direction |
QG-1/2S的晶体结构研究表明, 两个曲格列汀分子“共用”一份琥珀酸分子, 它们之间通过N1A-H1A3···O4E和N1D-H1D3···O4E等氢键连接 (表 2); 水分子作为桥原子将这组分子通过分子间、O3W-H32W···O3E等氢键连接成一条沿a轴方向无限延伸的分子链; 此分子链通过分子间氢键沿b-c轴方向堆叠(图 5B), 中间的两组琥珀酸分子通过水分子作“桥原子”紧密相连接。这种丰富的氢键网络使得QG-1/2S的晶体结构堆叠非常紧密, 因而具有很高的稳定性。
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Table 2 Hydrogen-bond geometry (Å, ) for QG-S and QG-1/2S. ax-1, y, z; b-x+1, y+0.5, -z+1.ix+1, y, z; ii x, y+1, z; iiix, y, z-1; ivx, y-1, z-1; vx+1, y, z-1; vix+1, y+1, z; viix-1, y, z; viiix-1, y+1, z. D: Donor; H: Hydrogen; A: Acceptor |
QG-S晶型A在单晶制备时需要合适的溶剂体系和合适的浓度配合, 才能确保在转晶前能制备得到适用于单晶衍射分析用的晶体。
3 PXRD分析转晶后产生的新结晶的PXRD实验图和QG-1/2S的单晶衍射分析结果计算得到的模拟图完全一致, 说明QG-S转晶后, 转变为QG-1/2S。QG-S的XRD实验图与其单晶分析结果所得的模拟图也完全一致, 其特征衍射谱线显示为文献报道的QG-S晶型A[3-5]。比较两种盐型的X射线特征衍射谱线, 两者的特征衍射峰的位置和相对强度都存在明显差异, 是两种不同的盐型, 且是单一晶型。QG-S和QG-1/2S的主要特征衍射谱线明显不同, 如表 3所示, 表中2θ为衍射角, d为晶面间距, 均表示衍射峰的位置, I/I0为相对强度, 表示衍射峰的强度。
结论研究表明, QG-S在有机溶剂 (甲醇、乙醇、丙酮、二甲基亚砜、乙腈等) 或混合溶剂, 尤其在乙醇、水或乙醇与水的混合溶剂中的晶浆, 不能维持原有的结晶形态, 而是转变成QG-1/2S, 即QG-1/2S具有更好的结构稳定性。这一性质使得QG-1/2S更适合固体制剂的湿法制粒工艺, 有利于药物在制造、存储、运输等过程中保持稳定。QG-1/2S结构中的琥珀酸发挥二元羧酸的作用, 二个羧基同时与曲格列汀成盐, 即曲格列汀与琥珀酸的比例为2∶1。相比于QG-S, 药物有效活性成分含量更高, 琥珀酸更少, 减少了非活性成分的摄入, 在制剂中应用可能更加安全、有效, 也更适用于高剂量药物的临床适用。
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Table 3 X-ray characteristic diffraction peaks of QG-S and QG-1/2S. d: Interplanar distance; I/I0: Relative intensity |
药物的不同晶型往往有不同的溶解度、溶出速率、稳定性和生物利用度, 有时还能影响其压片成型性等。由于药物晶型不同而导致的制剂质量、疗 效差异、甚至不良反应也时有报道[7-9], 因此各国药典规定对多晶型药物进行质量控制, 尤其是制剂过程、贮存过程。研究表明QG-S可能会在制剂过程中发生转晶, 转变成QG-1/2S, 同时还产生游离的琥珀酸, 对制剂的安全性和有效性可能会产生不良的影响。
参考文献
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