关于药物多晶型的专述

关于药物多晶型的专述 内容提要 对于固体制剂、半固体制剂、混悬剂等剂型，应注意药物是否存在多晶型。因为同一固体药物可因结晶条件、制备工艺不同而得到不同晶型的晶体。由于药物晶型的不同，其物理化学性质也不同，直接影响药物的质量与药效，因此在新药申报生产过程中，需要进行实验研究。为此，本章在介绍晶体基本概念与基本规律的基础上，重点阐述药物多晶型的产生与分类、多晶型的制备与鉴定、多晶型转变条件与控制、多晶型的理化性质变化、多晶型与药物制剂工艺、生物利用度的关系，为研究药物多晶型奠定理论与实验基础。 第一节 药物晶体特性与点阵结构 一、药物晶体特性 (一)晶体与非晶体 固体药物从内部结构质点排列状态可分为晶体与无定形体。晶体(crystal)是固体药物内部结构中的质点(原子、离子、分子)在空间有规律的周期性排列。质点排列有规律性反映在三个方面:质点间距离一定、质点在空间排列方式上一定、与某一质点最邻近的质点数(配位数)一定。质点排列的周期性是指在一定方向上每隔一定距离就重复出现相同质点的排列。 固体药物内部结构中质点无规则排列的固态物质称无定形体(amorphism)，或称非晶体。如图2-1。 (a)晶 体 (b)非晶体 图2-1 晶体与非晶体 (二)晶体的特性 1.晶体的自范性 晶体具有自发地生长成为一个结晶多面体，即以平面作为与周围介质的分界面，称此性 8 质为晶体的自范性。因此晶体的外表具有整齐、规则的几何外形,无定形体则无此种特征。 2.晶体的各向异性与均匀性 (1)各向异性 由于晶体内部质点在各个方向上排列的距离不同，其性质也表现出差异。例如晶体的光学性质如折射率、电学性质如导电系数、力学性质如弹性系数等在不同方向上具有不同的数值，称此为晶体的各向异性。无定形体是各向同性。 (2)均匀性 在宏观情况下，晶体中每一点上的物理性质与化学组成均是一致的。例如各部分的密度，微观结构上的基本单位(晶胞)在空间排列的规律也是一致的。称此性质为晶体的均匀性。 3.晶体的对称性 晶体的内部结构是质点在空间按一定几何形式有规律的排列，这样导致晶体具有对称性。 二、晶体的点阵结构 (一)点阵与晶体 点阵是质点有规律排列的具体方式，也是反映晶体结构周期性的几何形式与科学的抽象。点阵的定义是，按连接中任意两点的向量进行平移后能复原的一组点，并不是任意的一组点，它是由晶体中无数个在相同方向上具有相同环境的几何点构成。点阵结构是把与某一点阵相应的平移群所复原的任何结构。 点阵结构种类:直线点阵结构–一维点阵，如AF、BE点阵等;平面点阵结构–二维点阵，如ABEF、CDGH等;空间点阵结构–三维点阵，如图2-2质点在空间排列的点阵图。晶体是具有点阵结构的固态物质。 图2-2 晶格点阵 晶体内部的原子、分子、离子在空间有规律的周期性排列，这是晶体结构的最基本特征。一个周期性结构可分解为两个要素:一个是周期性重复的单元，称结构单元;另一个是重复周期的大小与方向。将晶体中每一个结构单元用一个点表示，从晶体结构中抽象出来的无数个点，形成一个点阵，点阵中每个点称为点阵点。例如，聚乙烯分子,(CHCH)n—具有一22维周期性。如图2-3。 9 图2-3 聚乙烯分子 取C原子的中心到相隔一个C原子的中心，则为一个最小的重复周期，这种周期性最小的重复单位便是结构单元。当点取在C,C键的中心或其它位置时，其重复周期与内容都是一样的，即每个结构单元均包括2个C原子和4个H原子。在结构单元中选点是任意的，但一旦选定，各个结构单元中的点都应该一致。结构单元与点阵点是一一对应的。结构单元有时只包括一个原子，有时可包括几个甚至上千个原子。 (二)晶格与晶胞 晶体中点阵划分出的空间格子称为晶格，空间格子是由一个一个并置的完全等同的小平行六面体所组成，其中每个小平行六面体称为晶胞，它代表晶体内的基本重复单元，晶格是由晶胞组成。 晶胞由晶胞参数描写。它是小平行六面体的三个边长及其三个夹角。边长a、b、c对应于右手坐标系所规定的三个轴。夹角α、β、γ分别为b与c之间的夹角、c与a之间的夹角、a与b之间的夹角。如图2-4。 图2-4 晶胞示意图 由于三个单位向量的选择是任意的，不同的选择划分的晶格也不同，因此一个晶体的晶格可以有无穷多个划分方式。晶格的划分方式不同，晶胞的大小形状等性质也不相同。晶胞根据其包含点阵点的多少可分为素晶胞和复晶胞两大类。无论晶格如何划分，晶格中各格点均有一个点阵点，这个点阵点为相邻的8个晶胞所共有，故每一晶胞只分摊到该点的1/8。同理，晶胞棱上的点只属该晶胞1/4，面上的点只属该晶胞1/2，晶胞体内的点全部属于该晶 10 胞。如此计算下来，晶胞中只包含一个点阵点，即仅各顶点有点阵点者，称为素晶胞。每个晶胞中包含两个或两个以上点阵点的称为复晶胞。 空间点阵和空间点阵结构与晶体的诸多概念之间有相互对应关系，可见表2-1。 表2-1 点阵、点阵结构与晶体的对应关系 空间点阵 (点)阵素单位 复单正当单位 平面点阵 直线点阵 (科学的抽点 位 象) 晶 体 结构单素晶胞 复晶正当晶胞 晶 面 晶 棱 (具体的实元 胞 际) (原子、 分子、离 子) 三、点阵结构理论 晶体中周期性重复的结构单元，从微观角度看其数目非常大，近似地可看成无限大。将每个结构单元都抽象成在该单元中某一确定位置上的点，则晶体结构就由一个点阵组成，而每个点阵点的内容就是晶体的周期性重复的几个单元，各点的内容是完全一样的。晶体结构的实质就是点阵加结构单元，称此为晶体的点阵结构理论。图2-5是晶体结构等于点阵加结构单元的示意图。研究晶体结构就是要研究组成该晶体的点阵的性质以及其中一个点阵点的具体内容。 晶体结构 = 点阵 + 结构单元 图2-5 晶体结构和点阵的关系 第二节 药物晶体的基本规律 一、晶面、晶棱定律与晶面交角守恒定律 (一)晶面晶棱定律 在一定的适宜的外界条件下，晶体在其形成过程中会自发生长出具有晶面、晶棱及顶点的多面体外形， 称此为晶面、晶棱定律。 11 (二)晶面交角守恒定律 晶体及其晶面的具体形状、大小和成长速度因外界条件的不同而有所差异，但同一晶体的每两个相应晶面间的夹角却不受外界条件影响，保持恒定不变的数值(当然，相应晶棱间的夹角也保持恒定)。若对各相应的晶面分别引法线，则每两条法线间的夹角(称为“晶面交角”)也必保持常数，这一规律叫做“晶面夹角(或交角)守恒定律”。同一种晶体具有相同的点阵结构，因而在外形上也服从相同的规律。 二、晶面符号与有理指数定律 (一)晶面符号(晶面指数) 由于晶体中质点(原子、分子、离子)的排列情况不同，它的性质表现也就不可能相同。对这些不同的晶面(亦即结构不同的平面点阵组)，以晶面符号(或晶面指数)标记。 确定晶面指数的具体做法是:选取一套空间坐标轴X、Y、Z，它的方向一般与晶胞的三个单位矢量a、b、c的方向一致，如图2-6所示。设晶面ABC在三个轴上的截距分别为OA、OB、OC。这些截距如分别用相应坐标轴的单位矢量数来表示，则分别为OA/a、OB/b、OC/c。晶体的点阵式结构必然使这些截数成简单的整数比。也可以用这个比值来标记晶面，但如晶面与某轴平行时，则这个轴上的截距将是无穷大。为避免这一缺点，习惯上取三个轴上截数的倒数比来标记晶面，即取 abc ::,h:k:lOAOBOC 比值h、k、l称为晶面指数，又称为密勒(Miller)指数，它也是简单的整数比。如晶面ABC的指数为1/2:1/2:1/3=3:3:2。 图2-6晶面在坐标轴上的截距 图2-7立方晶体的几组晶面指标 (二)有理指数定律 晶体的每个晶面在三个晶轴上的倒易截数都成互质的整数比(而且一般是成简单整数比)。例如简单的立方晶胞的晶体。如图2-7标出了各种立方晶格中一些晶面的指数及其面间距。 12 (100)表示与X轴相交，而与Y及Z两轴都平行的晶面; (110)表示与Z轴平行而与X、Y两轴相截，倒易截数之比为1:1的晶面; (111)表示与三个轴都相截，倒易截数之比为1:1:1的晶面。 第三节 晶体的七个晶系和十四种空间点阵形式 晶体根据其晶胞参数可分为七个晶系和十四种空间点阵形式。 一、晶体的七个晶系 晶胞参数以a、b、c分别表示晶胞或平行六面体相交三边的边长;α、β、γ则分别表示其三个夹角的度数。a、b、c与α、β、γ合称为晶胞参数，它共同规定了晶胞的大小和形状，亦即晶胞的类型。 七个晶系按对称性高低分为三个晶族:高级晶族包括立方晶系;中级晶族包括六方、四方、三方三个晶系;低级晶族包括正交、单斜、三斜三个晶系，如表2-2。 -2 七个晶系 表2 晶族 晶系 特征对称元素 晶胞 高级 立方晶系 四个按立方体的对角线取向的三重旋a= b = c 转轴 α=β=γ=90? 六方晶系 六重旋转轴或反轴 a = b ?c α=β=90 γ=120? 中级 四方晶系 四重旋转轴或反轴 a= b ?c α=β=γ=90? 三方晶系 三重旋转轴或反轴 a = b = c α=β=γ?90? 正交晶系 两个互相垂直的镜面或三个互相垂直a?b?c 的二重旋转轴 α=β=γ=90? 低级 单斜晶系 二重旋转轴或镜面 a ?b ?c α=γ=90??β 三斜晶系 无 a?b?c α?β?γ?90? 二、晶体的十四种空间点阵形式 同一晶系可以有几种不同的晶胞，总计有14种，如图2-8。 13 图2-8 十四种空间点阵型式 立方晶系的正常晶胞是立方体，其三边等长并互相垂直，其规则性最强，外形上，宏观对称性最高，有四个不同方向的三重旋转轴。六方、四方、三方晶系有一个共同特点，就是它都有一个高次轴。图2-8中P表示简单晶胞，I表示体心，C表示底心，F表示面心，R表示三方，H表示六方晶胞。例如磺胺药物的几种晶型的晶胞参数如表2-3。 表2-3 磺胺的几种晶型的晶胞参数 3晶型 晶系 a b c 夹角 晶胞体积/nm 0 α 单斜 0.9042 0.9034 1.006 11042ˊ 0.7687 0β 单斜 0.895 0.906 0.996 110 0.7588 0 γ 单斜 0.7783 1.2944 0.795 1061ˊ 0.7692 δ 正交 1.481 0.565 1.846 — 1.5447 第四节 多晶型的产生与分类 一、多晶型的产生 物质在结晶时由于受各种因素影响，使分子内或分子间键合方式发生改变,所以分子或原子在晶格空间排列不同，形成不同的晶体结构。即同一物质具有两种或两种以上的空间排列和晶胞参数，形成多种晶型的现象称为多晶现象(polymorphism)。当物质被溶解或熔融后晶格结构被破坏，多晶型现象也就消失。 多晶型在固体有机化合物中是一种非常普遍的现象。磺胺噻唑有三种晶型，黄体酮有五种晶型，烟酰胺有四种晶型，法莫替丁也发现有两种晶型。对于不同晶型的编号尚无科学界定，人们习惯用罗马数字表示同一物质的各种晶型，通常以它发现的先后依次表示为I、?、?、?型等等，有时这种先后次序也反映它在室温的稳定性。在科技文献中，也经常可以看到用希腊字母或英文字母依次相应表示不同晶型，有时同一药物的多晶型也有不同的标记，但所有这些编号均与晶型的特征常数无关。 二、多晶型的类型 14 (一)构象型多晶型 晶体中分子在晶格空间的排列不同形成的晶体称为构象型多晶型(conformational polymorphism)。多数药物的晶型均属此类，如呋喃氟尿嘧啶的多晶型有四种，分别用希腊字母α、β、γ、δ标出。如图2-9的α、β型，分子在晶体内排列不同。 α型 β型 图2-9 呋喃氟脲嘧啶(α、β 型)的晶型 (二)构型型多晶型 晶体中的原子在分子中的位置不同形成的晶体称为构型型多晶型(configurational polymorphism)。 例如 氯苯亚甲基氯苯胺具有两种晶型。?型稳定，为三斜晶系;?型为斜方晶系，是构型不同的多晶型。?型分子呈平面状;?型分子中两个苯环平面分别沿A轴与B轴转动24.8º,转动的方向相反。 轴A ClCH ClN 轴B 15 –1 量子力学计算表明，?型分子能量比?型低2.09,6.27kJ?mol。 再如，β–苄胺基丁烯酸乙酯具有两种晶型。?型熔点低，23?，为顺式;?型熔点高，75,80?，为反式。在溶液中两种构型相互转化达成平衡。 ?型的晶胞参数为a=1.965nm ,b=0.5778nm ,c=1.063nm ,在二甲基亚砜中,?型向?型转 –1化，转化活化能为56.8kJ?mol。 (三)色多晶型 药物在不同的溶剂中结晶时，形成不同颜色的晶体，这是由于晶型不同，光学性质亦不同，从而产生了不同的颜色，这种晶体称为色多晶型(color polymorphism)。 例如14-羟基吗啡酮有两种晶型，从乙醇等极性溶剂中结晶为?型，黄色晶体;而从苯等非极性溶剂中结晶者为无色晶体。 –1–1?型的IR羰基吸收峰为1685cm,?型为1660cm;?型在分子间存在HO„H氢键，?型在分子内存在HO„H氢键。?型中的分子间氢键是造成黄色的原因。另一种解释是有一种微弱的电荷转移反应在C=O与相邻苯环之间发生，故产生黄色。 O NCH3OH O 14–羟基吗啡酮 色多晶型也是多晶型的一种。Stephenson等利用X-射线单晶体进行结构分析对5-甲基 [1]-2-[(2-硝基苯基)氨基]-3-硫代苯腈多晶型颜色不同的原因进行了研究。 (四)假多晶型 药物在结晶时，溶剂分子以化学计量比例结合在晶格中而构成分子复合物，称假多晶型(pseudocrystalline forms)，亦称为溶剂加成物。 若结合的溶剂分子是水，则称为水合物。溶剂分子在假多晶型结构中直接影响晶体内的空间排列。例如40种甾体激素中50%有多晶型，约50%有假多晶型;雌二醇可与全部30种溶剂生成加成物;氨苄青霉素有无水晶型与三水合物;头孢来星可与多种溶剂如水、甲酰胺、 16 甲醇、乙腈、乙酸、乙酸–甲醇、乙醇–水等生成溶剂化物。 第五节 药物多晶型的制备 近年来对合成药物中的甾体激素类、巴比妥类、磺胺类、醋柳酸等，抗生素中的无味氯霉素、利福霉素类、四环素类、半合成青霉素类、头孢菌素类、红霉素、新生霉素、灰黄霉 [2，3]素、多烯类抗生素等，及植化、生化药物中存在的多晶现象进行了研究。 药物的晶型属于何种晶系、何种点阵结构与药物分子结构有关，同时亦与制备时结晶过程所用溶剂种类、溶液浓度、结晶析出时冷却、蒸发速度等均有关系。多晶型制备常用以下方法: 一、重结晶法 选用不同溶剂，如非极性溶剂乙醚、石油醚、氯仿、苯等，极性溶剂水、乙酸、吡啶等，中等极性溶剂甲醇、乙醇、丙酮及有机溶剂与水的混合溶剂等在一定条件下进行重结晶，可以制备相对应的晶型。结晶时，改变、控制结晶条件(浓度、温度)、结晶速率，可以得到不同晶型。例如，吲哚拉新系非甾体类镇痛消炎药，采用不同溶剂进行重结晶，可得到四种晶 o型α、β、γ、δ。其制备方法分别为:吲哚拉新溶解在无水乙醇中，于70~80C制成饱和溶液，滤除未溶药物，于室温下析出结晶，结晶自然挥干得α型;吲哚拉新溶解在苯溶液中， o加热至60C溶解制成饱和溶液，滤除未溶的药物，饱和溶液在室温下析出结晶，结晶放在净化通风橱中自然挥干得β型;吲哚拉新溶解在乙醚中，室温下制成饱和溶液，滤除未溶的药物，饱和溶液在通风橱中自然挥干得γ型;吲哚拉新溶解在氯仿中，室温下制成饱和溶液， [4]滤除未溶的药物，放置结晶，在净化通风橱中自然挥干得δ型。 采用混合溶剂或不同组成对西咪替丁进行重结晶可得到A、B、C、D四种晶型与一种单水合物。制备方法分别为:西咪替丁溶解于80%甲醇–水中，加热60?重结晶，或者在室温下以异丙醇重结晶可得A型;西咪替丁溶解于15%甲醇–水溶液加热至70?，缓慢冷却，析出结晶为B型;西咪替丁溶解于50%水溶液，迅速冷却至5?，析出结晶C型;在25?配制pH6(以醋酸调pH)的西咪替丁甲醇/水(1:1，V/V)的饱和溶液置于冰浴加入浓氨水调至pH8.5，放置1小时后过滤分离结晶，用冷水冲洗，可得结晶D型;西咪替丁15%甲醇水溶液，加热 [5]使全溶，倒入三倍量的冰中，结晶析出，为单水合物M。 1 [6]总之，采用不同溶剂对药物进行结晶可得到不同的晶型或由不同比例晶型组成的混晶。 采用合适的溶剂才能得到所需晶型。除溶剂种类、溶液的浓度、结晶条件与结晶速度等 17 影响晶型的形成外，在同一溶剂中加入不同高分子或表面活性剂进行重结晶时也可得到不同 [7]的多晶型。 在制备多晶型过程中除了使用不同溶剂、调控降温速度、及蒸发溶剂等方法外，对于弱酸、弱碱性药物还可以使用酸碱中和方法，并加晶种可制得多晶型。例如R.A.Cariton等就 [8]采用这种方法制备了RG12525一种新的LTD的拮抗剂的两种晶型。 4 二、熔融法 一般情况下，低熔点的晶型能在一定温度条件下转化为高熔点的晶型。将低熔点的晶体加热熔化后即可转型。例如甲氧氯普胺在应用差动热分析法测定过程中发现原料药存在两个吸热峰，分别在125,129?和147,150?，其中第一个峰为固–固转变峰，即甲氧氯普胺?型转变为?型的吸热峰，第二个峰为固–液吸热峰，是?型熔点峰。将此药物原料在135?加热15分钟，再测得DSC图谱只出现第二个吸热峰。说明在高于?型熔点的温度下，?型可 [9]迅速地转化为?型。 三、升华法 采用升华法将药物置于蒸发皿中，上面盖上玻璃漏斗，逐渐加热，可在上部与皿的边缘 [10]得到大量升华的晶体。如药物乙胺嘧啶原为A型，经升华法可制得B型。 四、粉碎研磨法 粉碎研磨时，由于机械力作用，可使晶体粒子变小，表面积增大，局部能量增高，引起晶型的错位和晶型边界变形，从而产生新的晶型或晶型转变。一般由亚稳定型向稳定型转变， [11]也有按相反方向转化。例如无水咖啡因研磨时很容易由稳定型转变为亚稳定型。 在制备同一药物不同晶型时应采用不同方法，如磺胺甲氧嘧啶存在5种晶型。?型是在沸水中重结晶制得;在乙醇中加热饱和急速冷却析出结晶为?型;?型是在乙酸中重结晶制得;?型是在二氧六环中重结晶制得;?型是在氯仿中重结晶制得。其中无论哪一种晶型加热熔融，慢慢冷却，均能成为无定型;若加热150?均可转变为?型;在水中悬浮放置可转变为?型;在乳钵中研磨也可转变为?型。可见在多晶型制备时应该从溶剂、结晶条件、工艺条件等多方面研究。 第六节 药物多晶型的确定方法 确定药物多晶型的实验方法较多，有X-射线单晶体结构分析法、X-射线粉末衍射法、红外光谱法、差热分析法、差动扫描量热法、核磁共振法、偏光显微镜、电子显微镜、磁性异 18 向仪法、膨胀计等。只要能把由晶型转变所引起的物理性质的差异显示出来，如晶型改变后会引起密度、晶体结构、分子间的振动能、光学性质、热函(焓)、吉布斯自由能、溶解度、熔点等的改变, 就能用作多晶型的确定。 一、热台显微镜法、偏光显微镜法、扫描隧道显微镜法 (一) 热台显微镜法 热台显微镜自二十世纪六十年代以来已被广泛应用，是测定多晶型熔点的常用方法之一，它能直接观察晶体的相变、熔化、分解、重结晶等热力学动态过程，是简便有用的工具。它可按药典中规定的熔点测定法测定多晶型的熔点。晶型不同晶格能不同，因而会引起熔点的差异。熔点的差异已成为判别一种药物是否存在多晶型的依据之一。例如地高辛?型270?、?型265?、?型240?、?型235?，熔点明显不同。但也有熔点相同，晶型不同。例如无味氯霉素A型mp 91,92?;B型mp 87,88?，无定型mp 87,88?。因此以熔点差异确定多晶型，只是初步检测方法之一。 一般熔点较高的是稳定晶型。两种晶型的熔点差距大小，可以相对地估计出它之间的稳定性关系。如果两种晶型熔点相差不到1?时，则这两种晶型在结晶过程中就可以同时析出，且两者的相对稳定性较难判别。如相差25,50?，一般低熔点的晶型很难结晶出来，一旦结晶出来也会很快转变成高熔点型。两者熔点越接近，不稳定的晶型越不易得到。 (二) 偏光显微镜法 应用偏光显微镜(polarizing microscope)研究透明固体药物的某些物理性质是一种很有用的技术，它可以测定有无晶体的双折射(birefringence)来分辨药物晶体和非晶体结构，研究晶体的光学性质，鉴别药物结晶，装有热台的偏光显微镜还可以研究多晶型及其相变，可以准确测定晶体的熔点;对于具有各向异性的动植物材料(如纤维蛋白、淀粉粒)的结构，具有特殊的鉴定作用。 1.偏光显微镜结构 偏光显微镜除了含有一般光学显微镜的结构外，最主要的特点是装有两个偏光零件，即装在载物台下方的起偏镜(又称下偏光镜)和装在镜筒中的分析镜(又称上偏光镜)。偏光显微镜的类型很多，但其基本结构相似，图为我国江南光学仪器厂出品的XPT型偏光显微镜。 起偏镜:由人工合成偏光片组成，从光源投射来的普通光线通过起偏镜后，既成为振动方向固定的偏光，其振动方向通常以PP表示。下偏光镜可以转动，以便调节其振动方向。 分析镜:也由人工合成偏光片组成，装在镜筒中部，可根据需要推进或拉出，通常以AA 19 表示。 图2-10 偏光显微镜结构示意图 图2-11 偏光显微镜工作原理 2.偏光显微镜法测定消光角 固体药物的观测一般是在正交偏光下进行。所谓正交偏光，就是除用下偏光镜外，再推入上偏光镜，并使上下偏光镜的振动方向互相垂直。若把药物晶体或无定型样品的载玻片放在载物台上，可出现不同的光学现象。在正交偏光镜间，放非晶体的试样载玻片时，视域完全黑暗。因为由光源射来的光线经反射镜进入下偏光镜后，就成为振动方向平行PP的偏光。在正交偏光镜间呈现全消光，偏光由氯化钠晶体的晶轴方向射入时，也出现消光现象，由于晶体结构不同和偏光射入时的双折射作用，在上、下偏光镜的正交作用下，晶体样品置于载物台上旋转360:时，则晶体显现短暂的隐失和闪亮，晶体隐失时晶体与偏振器振动方向所成的交角称为消光角，通过不同的消光角，也可决定晶体所属的晶系。一般四方晶系的对称消光角近于45:，近于30:和60:的则为六方晶系，Watnabe等用该方法鉴定盐酸硫胺、溴戊酰尿素、氨苄青霉素等。 (三) 扫描隧道显微镜法 扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)可使人类能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相应的物理和化学特性;可以直接观测晶体 [12]的晶格和原子结构、晶面分子原子排列、晶面缺陷等。STM用于药物多晶型研究非常有利，具有广阔的应用前景，但目前只限于应用在纳米材料，在多晶型应用方面尚无报道，有待开发研究。其基本原理是根据量子的隧道效应，利用极细的钨针尖(直径50,100nm)在样品的表面上进行扫描，扫描时针尖与样品表面距离非常接近，大约为0.5,1.0nm，所以它之间的电子云互相重叠。当在它之间施加偏置电压时，电子就可以因量子隧道效应由针尖(或样品) 20 转移到样品(或针尖)，在表面之间形成隧道电流。在恒电流模式下，以压电陶瓷P和P控制xy针尖在表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在表面扫描过程中它之间距离变化的信息(可反映样品表面的起伏)，就可以得到样品表面的原子图象。也可得到原子在表面上的三维结构图像。如图2-12、图2-13。 [13] 图2-12 STM的基本原理图 图2-13 Si(111)-7?7(硅)表面的原子图像 (a)和(b)的扫描偏压分别为+2V和–2V，图片尺寸为8.4nm?8.4nm 二、热分析法 热分析在药物多晶型的研究中是常规手段之一，可测出药物晶型上的差异，晶型不同吸热峰不同。例如吡二丙胺，两种晶型的差热分析图如图2-14，其中?型熔点是86?，?型熔点是97?。在多晶型研究中DTA比DSC法更多用于定性。DTA曲线是将样品与一种热稳定参 21 比材料同置于一可控的加热器中，以一定速度加热或冷却，随时测定样品与参比材料之间的温差，然后以此温差作为纵坐标，以温度为横坐标，得到的热谱图。两种晶型的初熔温度与峰温度不同，以此法确定是否存在多晶型。 图2-14 吡二丙胺两种晶型的DTA热谱图 (一) 差热分析法 热分析是在程序控温下，测量物质的物理化学性质与温度关系的一种技术，其物理量与温度关系的曲线，称为热分析曲线。以纵坐标表示试样与参比物之间的温差,T，对温度或时间作图，所得曲线称为差热曲线，此法称差热分析法(differential thermal analysis,DTA)。根据国际热分析协会(international confederation for thermal analysis,ICTA)规定， -15苦味酸的DTA曲线。 DTA曲线放热峰向上，吸热峰向下，灵敏度单位为,V。如图2 图2-15 三硝基苯酚(苦味酸)在动态空气中的DTA曲线 试样名称:三硝基苯酚,苦味酸，2, 4, 6-trinitrophenol;试样量45.3mg 测试结果: ?熔融过程:T390K;T394K;T401K。 iep ?分解过程:T503K;T510K。 ie 差热分析就是在程序控温下，不断加热或冷却降温情况下，使物质按照它固有的运动规 22 律而发生量变或质变，从而产生吸热或放热，根据吸热或放热来判定物质内在变化。如晶型变化、熔化、升华、挥发、氧化、还原、分解、脱水、降解等。 差热分析测量原理如图2-16所示。 温度Ts 图2-16 差热分析仪工作原理示意图 测定时将试样与参比物(常用,-AlO)分别放在两只坩埚中，置于样品杆托盘上(底部装有23 -1一对热电偶，并接成差接形式)，然后使加热炉按一定速度升温如10??min。在升温过程中试样如果没有热反应(吸热或放热)，则与参比物之间的温度差,T=0。当试样产生相变或气化则吸热，氧化分解则放热，从而产生温差,T，把,T所对应的电势差(电位)放大并记录，得到差热曲线。各种物质都有自己特有的差热曲线，所以差热分析是物质物理特性分析的一种重要手段。 (二) 差动热分析法 差示扫描量热法(differential scanning calorimeter, DSC)是在程序控温下，测量物质与参比物之间的能量差随温度变化的一种技术。其测定原理如图2-17、2-18。 图2-17 差动热分析仪工作原理示意图 23 图2-18 热补偿DSC方框图 1,电炉;2, 5,容器;3,参比物(R);4,支持器;6,试样(S); 7, 8,加热器;9,测温热电偶;10,温差热电偶 差动热分析原理和差热分析相似，所不同的是在试样和参比物的容器下面，设置一组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热反应而出现温差,T时，通过微伏放大器和热量补偿器，使流入补偿加热丝的电流发生变化。当试样吸热时，温度T下降，热量补偿放大器使电流Iss增大。反之在试样放热时，则参比物一边的温度下降，热量补偿放大器使电流增大，直TIrr至试样与参比物之间的温度达到平衡，温差,T?0。由此可知，试样的热量变化(吸热或放热)是由输入电功率来进行补偿，所以只要测得功率的大小，就可测得吸热或放热的多少。 吸(放)热量与功率补偿之间的关系式为: (2-1) ,T,C(W,W)SC (2-2) WKT,,C 式中:C为热容量;W为吸(放)热量(即样品产生的热量变化);W为电功率补偿量;K为放大SC 器放大倍数。 将(2-1)式代入(2-2)式可得到下式: (2-3) W,KC(W,W)CSC 移项整理 ,,W,S (2-4) ,,,,C,,,KWC ,,WS 若K>>1，则 C,,,,,,W,,C K值越大越好，从而使，即电功率补偿量近似于试样吸(放)的热量。 24 DSC曲线的纵轴为热流速率，表示当保持试样和参比物的温度相等时输给两者的dQ/dt ,,功率之差，横轴为温度或时间。曲线的吸热峰朝上，放热峰朝下，灵敏度单位为。 mJs, 如扑热息痛的DSC曲线，测得熔点为170.5?，存在一个吸热峰，如图2-19。无味氯霉素(氯霉素棕榈酸酯)有两种多晶型，在DSC曲线中可见二个吸热峰。第一个熔化吸热峰在358K(为B型);第二个熔化吸热峰在363K(为A型)。熔化物冷却后所得结晶再测定，仅有358K一个熔化吸热峰，如图2-20。 温度/? 图2-19 扑热息痛的DSC曲线 图2-20 无味氯霉素的DSC曲线 用DSC不仅可区别无味氯霉素的不同晶型，而且可定量测定混合晶型中A、B型的比率。 [14-16] 常用差动热分析法确定多晶型，文献报道很多。例如尼群地平(NTD)经溶剂法和熔融法制得多晶型，由差动热分析确定其熔点NTD158.5?、NTD155.9?、NTD125.9?。 ???(三) 热重分析 TG是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度或时间的变化的一种技术，只适用于在加热过程中试样有脱溶剂化(脱水)、升华、蒸发、分解等量的变化。TG曲线以质量减少百分率或质量减少速率为纵轴，温度或时间为横轴，称此为热重分析(thermogravimetric analysis, TG)其仪器设备与TG曲线如图2-21、2-22。 图2-21 热重分析仪示意图 25 图2-22 热重(TG)曲线 例如氨苄青霉素三水合物的水合质量分数的测定及法莫替丁的分解温度测定，如图2-23。 图2-23 氨苄青霉素三水合物的TG曲线 -1试样名称:氨苄青霉素三水合物;试样量2.46mg;升温速率2.0??min 测试结果:?失水13.6%。 (四) 影响热分析测量的实验因素 1. 升温速率的影响 升温速率对热分析实验结果有十分明显的影响，总体来说，可概括为如下几点: (1) 对于以TG、DTA(或DSC)曲线表示的试样的某种反应(如热分解反应)，提高升温速率通常是使反应的起始温度T，峰温T和终止温度T增高。因为快速升温，使得反应尚未来得及进ipf 行，便进入更高的温度，造成反应滞后。如FeCO在氮气中升温失去CO的反应，当升温速率32 -1-1从1??min提高到20??min时，则T从400?升高到480?，T从500?升高到610?。 if (2) 快速升温是将反应推向在高温区以更快的速度进行，即不仅使DTA曲线的峰温T升高，p且峰幅变窄，呈针尖状。 (3) 对多阶反应，慢速升温有利于阶段反应的相互分离，使DTA曲线呈分离的多重峰，TG曲线由本来快速升温时的转折，转而呈现平台。 26 (4) DTA曲线的峰面积随升温速率的降低而略有减小的趋势，但一般来讲相差不大，如高岭 -1土在大约600?的脱水吸热反应，当升温速率范围为5,20??min时，峰面积最大相差在?3%以内。 (5) 升温速率影响试样内各部位的温度分布。如厚度为1mm的低密度聚乙烯DSC测定表明， -1-1当升温速率为2??min时，试样内外温差不大;而80??min时温差可达10?以上。 对结晶高聚物，慢速升温熔融过程可能伴有再结晶，而快速升温易产生过热，这是两个相互矛盾的过程，故试验时应选择适当的升温速率，遵从相应的有关规定。如无特殊要 -1-1求和说明，通常选取10??min或5??min。 2. 气氛的影响 热分析实验常需变换气氛，借以辨析热分析曲线热效应的物理化学归属。如在空气中测定的热分析曲线呈现放热峰，而在惰性气氛中测定，依不同的反应可分为几种情形:如象结晶或固化反应，则放热峰大小不变;如为吸热效应，则是分解燃烧反应;如无峰或呈现非常小的放热峰，则为金属氧化之类的反应。借此可观测有机聚合物等物质热裂解与热氧化裂解之间的差异。 对于形成气体产物的反应，如不将气体产物及时排出，或通过其它方式提高气氛中气体产物的分压，则会使反应向高温移动。如水气使含水硫酸钙CaSO?2HO失水反应受到抑制，42 与在空气中测定的结果相比，反应温度移向高温，呈双重峰及分步脱水过程。 气氛中气体的导热性良好，有利于向体系提供更充分的热量，提高分解反应速率。例如氩、氮和氦这3种惰性气体导热系数与温度的关系是依次递增的，因此碳酸钙CaCO的热分解3速率是在氦气中最快，其次是氦气，再次为氩气。 3. 试样用量和粒度的影响 少量试样有利于气体产物的扩散和试样内温度的均衡，减小温度梯度，降低试样温度与环境线性升温的偏差，这是由于试样的吸、放热效应而引起的。 一般来讲，表面反应或多或少要受到试样粒度的影响，这要比对化学分解的影响更加明显;而相转变受粒度的影响较小。为便于相互比较，应尽量采用粒度相近的试样，如通过一定筛孔的细粉。 试样质量不仅对热分析曲线的峰温和峰面积有影响，还对其形态特征有影响。有些物质由于质量的减少而形态特征发生根本的变化，这就为用热分析形态特征来鉴定物质的方法带来困难。 27 另外，堆砌松散的试样颗粒之间的空隙可使试样导热变差，而颗粒越小，堆得越紧密，导热良好。不管试样的粒度如何，堆砌密度不是很容易重复的，这也会影响TG曲线的形貌特征。 4. 测量时所用坩埚的材料和形状的影响 坩埚的材料有非金属-氧化铝、石英等低热传导材料制成的;也有金属，铝、银、铂等高热传导材料制成的。形状有微量平底、常量块体、杯型、压盖等。测定时根据DTA、DSC、TG测量目的与试样性质进行选择。一般常用铝杯与陶瓷杯。测定时要选用相同坩埚。 (五) 热分析技术对药物熔融和结晶温度的测定 1. 熔融和结晶温度的DTA或DSC测定法 由试样DTA或DSC曲线的熔融吸热峰和结晶放热峰可确定各自的转变温度。为消除升降温历程的影响，并考虑到在升、降温过程过热、过冷和再结晶等的作用，实验可按如下规程进行: (1) 测定前将试样在温度23?2?、相对湿度50?5%放置24小时以上，进行状态调节。 (2) 称约10mg试样(称准到0.1mg)，试样含有大量填充剂时，被测物质量应有5,10mg。试样应具有代表性。 (3) 将经状态调节后的试样放入DSC或DTA装置的容器中，升温到比熔融峰终止时温度高约 -1-1?的温度熔融，在该温度保持10分钟后，以5??min30或10??min的降温速率冷却到比出现转变峰至少低约50?的温度。 2 测定熔融温度与结晶温度 (1) 熔融温度的测定 -1 首先要在比熔融温度低约100?的温度使装置保持到稳定之后，以10??min的升温速率加热到比熔融终止时的温度高约30?，记录DTA或DSC曲线。按上述(3)测定熔融温度时， -1在进行状态调节后应立即使装置稳定下来，以10??min的升温速率加热到熔融峰以上约30?的温度，记录DTA或DSC曲线。 (2) 结晶温度的测定 按上述操作加热到比熔融峰终止时温度高约30?的温度，在该温度保持10分钟后，以5 -1-1??min或10??min的降温速率冷却到比结晶峰终止时温度低约50?的温度，记录DTA或DSC曲线。另外，当结晶缓慢持续进行，结晶峰低温侧的基线难于决定时，可结束实验。 仪器灵敏度调节到可记录整个DTA或DSC曲线，峰高要居记录纸满刻度25%以上。氮气 28 -1流量在10,50mL?min范围内适当设定，并保持不变。 (3) 熔融温度和结晶温度的读取方法见图2-24、2-25。 图2-24 熔融温度求法 (a)呈单一峰;(b)存在两个以上重叠峰 图2-25 结晶温度求法 (a)呈单一峰;(b)存在两个以上重叠峰 a. 熔融温度的求法 熔融峰温(T)取熔融峰顶温度;外推熔融起始温度(T)是取低温侧基线向高温侧延长的pmim 直线和通过熔融峰低温侧曲线斜率最大点所引切线的交点的温度;外推熔融终止温度(T)是em取高温侧基线向低温侧延长的直线和通过熔融峰高温侧曲线斜率最大点所引切线的交点温度。对于呈现两个以上独立的熔融峰时，求出各自的T、T和T。另外，熔融缓慢发生，熔pmimem 融峰低温侧的基线难于决定时，也可不求出T。 im b. 结晶温度的求法 结晶峰温(T)取结晶峰顶温度;外推结晶起始温度(T)取高温侧基线向低温侧延长的直pcic 线和通过结晶线高温侧曲线斜率最大点所引的切线的交点温度;外推结晶终止温度(T)取低ec温侧基线向高温侧延长的直线和通过结晶峰低温侧曲线斜率最大点所引的切线的交点温度。 29 呈现两个以上的独立结晶峰时，则求出各自峰的T、T和T。另外，存在两个以上重叠峰时，pcicec 则求出T，若干个T、T。再有，结晶缓慢持续发生，结晶峰低温侧的基线难于决定时，也icpcec 可不求出T。 ec 三、红外吸收光谱法 (一) 红外吸收光谱法 红外光谱可用于药物多晶型的定性、定量分析。红外光谱是分子的振动-转动能级跃迁引起的吸收光谱。晶体结构的改变也会引起红外吸收光谱的改变。 某些化合物虽然具有相同的化学结构式，但若构成不同晶体结构时，某些化学键(键长、键角)发生不同程度的变化，这些变化会导致红外吸收光谱某些主要特征吸收带的频率、峰形、强度出现显著的差异。例如三种晶型的甲苯咪唑的红外光谱也反映出这一点，特别是羰基(氨 -1-1-1-1基甲酸酯)伸缩振动频率1690cm,1730cm和氨基(N,H)伸缩振动频率3330cm,3400cm的差异尤为显著。再如非甾体类药物吲哚拉新，其分子式为CNOH主要用于治疗类风湿，经溶15414 剂法重结晶发现存在四种晶型,、,、,、,，其红外吸收光谱不同，如表2-4。 表2-4 吲哚拉新的四种晶型红外吸收带频率 -1波数/cm *No , , , , 1 1222 1083 1230 1094 2 1373 1354 1680 1363 3 1725 209 1696 1217 4 1094 1328 1094 1461 5 1153 1470 1332 178 6 1475 1454 1370 1336 7 1605 1715 1480 1372 8 759 1665 1613 1629 9 1645 1608 190 1292 10 1330 755 1450 767 11 970 1280 1394 984 12 804 1025 760 804 * The peak intensity decrease as the number increased [17][18][19] 近年来，在药物乙胺嘧啶、联苯双酯、苯乙阿托品的多晶型研究中红外吸收光谱发挥重要作用。水合物、溶剂化物的假多晶型亦广泛应用。呱胺甲尿啶的单水化物、三水化物及五水化物的红外光谱图的羰基区谱带特征发生变化，研究表明在其不同水合物中分子的不同氢键键合类型影响了羰基伸缩振动模式。人们现已成功地应用红外光谱法研究了乌拉地 30 尔的甲醇化物，呋喃苯胺酸的二甲酰胺及二氧六环溶剂化物，苯巴比妥的二氧六环溶剂化物[20~23]。 在多晶型的红外光谱测定时，一般采用石蜡油糊法(Nujol法)，避免晶型在研磨压片中发生变化。红外光谱较易受样品中杂质干扰、影响，不同晶型的谱线差别不及X射线衍射谱明显，需仔细鉴别。另外有时红外吸收光谱两种晶型相同，而X-射线衍射谱明显不同，因此确定是否存在多晶型，不能只用红外吸收光谱。 (二) 扩散反射红外傅立叶变换光谱法 红外光谱测定时需压制KBr片，晶体受压作用可发生晶型转变，为此采用将被测样品分散于KBr中测定扩散反射光谱，称此为扩散反射红外傅立叶变换光谱法(DRIFT法)。例如 -1Roston等应用此法研究SC-41930的多晶型，发现至少有两种晶型，低熔点样品在波数1760cm [24]处没有吸收，而高熔点样品却有吸收。 (三) 近红外傅立叶变换拉曼光谱法 当用一束频率为υ的光照射到分子上时，有一部分光被散射出来，可以在与入射光垂直0 的方向对它进行测定。散射光的频率与入射光的频率相同的部分称为瑞利散射。此外，还有较弱的与入射光频率υ相差υ的散射光，υ=υ +υ，υ的大小即为该物质散射的红外00,,, 频率。这一现象称之为拉曼散射。 红外分子光谱研究极大受益于以迈克尔逊干涉仪和计算机为基础的傅立叶变换法，因为红外傅立叶变换拉曼光谱(FT-IR)具有高精度和高信噪比(S/N)。拉曼光谱测定中最普遍的问是背景干扰掩盖了信号，同时也增大了检测噪声。拉曼光谱的背景干扰主要来源于荧光，拉曼散射效应本身是一个非共振现象，而荧光则是一个共振过程，因此杂质荧光或样品的弱荧光均会给拉曼测定带来不利因素。此外，光解的发生也是干扰的因素之一，近红外光源可以解决样品荧光和光解问题，而且FT-Raman仪具有极高的分辨能力和极快的扫描速度，且对弱信号的测定具有一定的优越性。FT-Raman技术既可克服散射截面损失、荧光背景干扰，减 [25]少光解的发生，又不需要太多地增加仪器的复杂程度，采用基于干涉调频分光的FT技术。 同红外光谱一样，近红外傅立叶变换拉曼光谱法(NIR-FTRS)可用于药物多晶型的定性、定量分析，晶体结构的改变会引起拉曼光谱的改变。因拉曼散射是与晶体分子之间的排列有关，即晶体不同，其拉曼光谱也不同。 Tuder等人利用NIR-FTRS研究了氯磺丙脲的两种晶型。由乙醇-水混合物(7:1)作为溶剂 -1-1-1结晶而得到的A型在1400,1300cm为两峰，1300,1200cm为单峰，1100,1000cm为两峰， 31 -1-11000,800cm为尖锐双峰。而在热苯中结晶得到的B型在1400,1300cm处为单峰，1300, -1-1-11200cm为双峰，1100,1000cm为一单峰、一双峰，1000,800cm处为宽的双峰和一低强度 [26]的三峰。 此方法不仅可用于多晶型的定性分析，还可用于多晶型的定量分析。Tuder AM等人利用FTR光谱和因子分析程序的有机结合，定量地分析氯磺丁脲二元混合物的组成。因子分析为化学计量学中的一种分析方法，便于解释光谱信息同预测未知成分的最主要因子的相关性。所采用的程序是利用主成分回归，将每一样品已知性质同拉曼光谱的频谱位移、强度变化相关。在这一过程中，确定每一个多晶型混合物相联系的光谱特征被确定，测定未知样品的光谱特征，利用前面的因子分析程序便可求得未知样品中A、B两晶型的含量。 FTRS法样品制备简单，且只要有基团就会有拉曼散射，将因子分析程序装配在FTR仪中可使得样品在加工过程中可直接被分析，从而获得最为理想的晶型比例。 (四) 红外吸收光谱法测定结晶度 红外光谱法测定结晶度经研究证明地高辛的生物利用度取决于颗粒大小、溶解度以及口服药物的溶解速率。这样其生物利用度部分地取决于口服药物是否为无定形或结晶，或是二者的混合物。由于无定形药物制剂不稳定，且亚稳态无定形药物能变成稳定的结晶型，故应测定地高辛的结晶度。 结晶度的定义是药物中无定形和晶体两者的质量分数比，它是根据红外光谱特定吸收峰的峰高比求得的。 -1-1 例如:结晶型地高辛红外光谱有1800cm、3095cm吸收峰，无定型中没有。无定型地高 -1-1-1-1-1辛在1775cm峰增强，在500,1500cm间也有许多不同。通过3050cm、3150cm、1550cm、 -1-1-1-1-11900cm分别作基线，从基线上分别求出3095 cm、1775 cm、1618cm的峰高，计算3095cm -1-1-1与1618cm峰高比，即峰高比R3095;1775cm与1618cm峰高比，即峰高比R1775。 测定结晶型和无定型地高辛混合物的峰高比R1775和峰高比R3095的比值，然后用比值 ，由标准曲线求出结晶度。 对结晶度作标准曲线，再测样品的峰高比R 四、X-射线衍射法测定药物晶型 X-射线衍射是研究药物多晶型的主要手段，它有单晶和粉末X-射线衍射法两种。可用于区别晶态和非晶态，鉴别晶体的品种，区别混合物和化合物。用于测定药物晶型结构，测出晶胞参数，如原子间的距离、环平面的距离、双面夹角等，可用于不同晶型的比较。 [27~30]X-射线粉末衍射法是研究药物多晶型的最常用和有效的方法，粉末法研究的对象不是 32 单晶体，而是许多取向随机的小晶体的总和。 (一)X-射线衍射法测定晶体结构原理 当X-射线(电磁波)射入晶体后，在晶体内产生周期性变化的电磁场，迫使晶体内原子中的电子和原子核跟着发生周期振动。原子核的这种振动比电子要弱得多，所以可忽略不记。振动的电子就成为一个新的发射电磁波波源，以球面波方式往各个方向散发出频率相同的电磁波，入射X-射线虽按一定方向射入晶体，但和晶体内电子发生作用后，就由电子向各个方向发射射线。 当波长为λ的X-射线射到这族平面点阵时，每一个平面点阵都对X-射线产生散射，如图2-26。 图2-26 晶体的衍射-Bragg方式 先考虑任一平面点阵1对X-射线的散射作用:X-射线射到同一点阵平面的点阵点上，如果入射的X-射线与点阵平面的交角为θ，而散射线在相当于平面镜反射方向上的交角也是θ，则射到相邻两个点阵点上的入射线和散射线所经过的光程相等，即PP′=QQ′=RR′。根据光的干涉原理，它互相加强。并且入射线、散射线和点阵平面的法线在同一平面上。 再考虑整个平面点阵族对X-射线的作用: 相邻两个平面点阵的间距为d，射到面1和面2上的X-射线的光程差为CB+BD，而CB=BD=dsinθ，即相邻两个点阵平面上光程差为2dsinθ。 (2-5) 根据衍射条件，光程差必须是波长λ的整数倍才能产生衍射。这样就得到X-射线衍射的基本公式: 2dsin,,n, 这是Bragg衍射公式。θ也称为衍射角，或Bragg角，随n不同而异;n是1，2，3„„等整数。此法为:一般用粉末作样品，用X-射线光谱仪测定X-射线的衍射强度I时，通常用2θ来定角度。所得的X-射线光谱是以I为纵坐标，以2θ为横坐标的衍射图。 (二)X-射线粉末衍射法 X-射线粉末衍射定性分析的主要参数测定:从衍射峰位置测量2θ值，再经计算得出晶面间距d值;从图谱内相应d值的衍射峰强度I与最强衍射峰的强度I(习惯以100计)的o 33 比值求出衍射峰强度比I/I。从X-射线衍射谱上可得出晶型变化、结晶度、晶构状态、有无o 混晶等信息。X-射线粉末衍射是以计数管衍射仪测定，如图2-27。 图2-27 计数管衍射仪示意图 S,样品架;C,计数器;R,记录仪;P,测角圆台;A,放大器 X-射线衍射仪法是将样品装在测角圆台P中心架上，圆台的圆周边上装置有X-射线计数管C，接受来自样品的衍射线，转变成电讯号，然后经过放大器放大，输入记录器记录下来，此法方便、迅速。 用衍射仪法测定衍射数据时，需注意粉末细度(约数微米)，研磨过筛时特别要注意样是否有改变，此法准确度高，分辨能力强。每一种晶体的粉末图谱，几乎同人的指纹一样，它的衍射线的分布位置和强度有着特征性规律，因而成为物相鉴定的基础。它在药物多晶的定性与定量方面都起着决定性作用。 例2-1 尼莫地平(nimodipine，NMD)的两种多晶形分别为NMD与NMD，其粉末X-射线衍射?? 测定如下:工作条件为:Cu-K靶，λ=0.154nm石墨单色器衍射束单色比，高压50KV，管流α O1000A，放大倍数6，扫描速度2/min，NMD、NMD的衍射结果、相对强度见图2-28、表2-4。 ?? 2θ 2θ -28 尼莫地平X-射线衍射谱 图2 X-射线衍射图谱如同人的指纹，衍射线的分布位置和强度有着特征性的规律，选择各晶 34 型8个强峰进行比较，如表2-4。 表2-4 尼莫地平的多晶型的X-射线衍射峰数据 多 晶 型 衍 射 峰 位 置 与 强 度 1 2 3 4 5 6 7 8 NMD 2θ 6.525 20.2412.8417.3424.755 19.660 12.305 26.316 ? 8 1 2 I/I/% 100.0 84.10 67.10 57.40 44.70 38.10 36.40 32.20 0 NMD 2θ 15.2020.4616.6611.9219.389 17.734 21.638 26.870 ? 6 3 8 3 I/I/% 100.0 13.80 13.80 12.10 8.60 7.30 7.10 6.90 0 目前正在研究利用测得的粉末图谱来分析其结构，就是根据其衍射峰的位置(2θ值) [31]和衍射强度分析晶胞结构的原理，利用Powder X软件，推算出不同的衍射峰所代表的各衍射方向的结构因子值，即相对强度。将推算出的2θ与实际测得的2θ相比较，差值均小于0.05即在误差范围内，表明该软件对X-射线粉末衍射数据处理，结果可靠、令人信服。直接利用粉末X-射线衍射数据推算晶胞参数，不必制备单晶，使实验过程更为简便，表明Powder X软件具有很大的实用性。 (三)X-射线单晶结构分析法 国际上公认的确证多晶型的最可靠方法是X-射线单晶结构测定。随着电子计算机等现代技术的飞跃发展，使我们能够应用X-射线衍射技术对含有C、O、H、N原子的复杂有机物的晶体结构作出迅速精确的测定，这是多晶研究领域的重要进展。从微观的分子水平上阐明药物多晶型的构效关系，是该领域内研究动向之一。 单晶X-射线衍射法的主要应用包括:1.晶体结构测定;2.通过同类药物结构分析，推断可能的生物活性基团;3.同分异构体的构象研究，结合生物活性测定，确定最佳构型。我国在单晶X-射线法研究结构与生物活性关系方面有新的发现，如用单晶X-射线衍射法测定了伊维菌素的结构，是由大于80%的HB和小于20%的HB组成。HB属单斜晶系，HB呈沿C轴212216212212排列的链状结构，同时通过两次轴对称，实际结构为两条链状分子平行分布，相互间距离一定，但方向相反的双链，类似生物大分子的链状结构。伊维菌素是阿弗菌素的衍生物。文中 [32]指出HB的结构特征基本上能代表伊维菌素的结构，也可能是有别于阿弗菌素的主要原因。 212 再如运用单晶结构分析双烃碳酯(2，17-二己炔基-A环失碳-5α雄甾烷-2β，17β-二醇二丙酸酯)，α、β差向异构体晶体结构，它均属正交晶系，小鼠试验表明:α构型有药理作用，而β构型无药理作用，两种差向异构体的形状和作用力场的三维分布的差别，可能 35 是造成两种差向异构体生物活性差别的更重要的原因，这对双炔失碳酯进行三维空间设计， [33]奠定了理论基础。 (四)X-射线衍射法测定结晶度 药物有时存在晶型与无定型的混合型，欲测定晶型占有的质量分数，即结晶度(C)。可由晶型与无定型的X-射线衍射峰的强度计算求得: IcC (2-6) ,()，100%II，ca 式中，I为结晶型X-射线衍射峰的强度;I为无定型的X-射线衍射峰的强度。 ca 五、核磁法测定药物多晶型 13固态CNMR法是研究固态药物的新方法，由于分子或原子的空间排列不同，改变了碳核 13周围的环境，因此其CNMR谱图不同，利用谱图差异，便可进行药物多晶型的研究。特别是近几年来高效质子去耦合、交叉极化(CP)、幻角自旋(CAS)等新技术的应用，使得我们能 13获得高分辩率的CNMR谱。这种谱图能给出有关动力学和局部化学环境的详细原子水平的信 13息。因此利用这种高分辩率的CNMR谱图可进行多晶型的混晶分析以及某种特征晶型的测定。 [34]13Harris等人利用CP/MAS NMR研究了醋酸可的松的多晶型现象，发现其六种晶型的CNMR谱是完全不同的，其部分谱图如下: 13图2-29 醋酸可的松多晶型的C NMR谱 人们通过研究发现，晶体的多晶型或溶剂化物的分子中同一原子核，在NMR谱中的不同位置，发生核磁共振吸收峰。这是因为不同的晶体结构中分子中的原子所处化学环境存在细 36 微差异，类似的核对施加的外磁场产生不同的响应，最终使得类似的核在不同化学位移处发 生共振。将所观测的核磁共振吸收峰以官能团进行归属，分析多晶型间差异的原因。 在药物开发的初始阶段，当不能很好解决多晶型或假多晶型的单晶结构问题时，利用固 [35~37]相NMR技术所获信息是极有价值的。 六、药物多晶型确定的其它方法 上述的几种方法是常用的方法，另外尚有溶解度法、密度法、折射率法等，其原理都是根据晶型结构的不同所产生的物理性质差别而提出的。在此仅就溶解度法作一介绍。 溶解度法:是根据药物晶型不同，其溶解速度、溶解度、溶解热等不同，来确定该药物是否存在多晶型。例2-2 吡罗昔康药物经过其它方法确定存在A、B、C三种多晶型，测定其在水中的溶解度与溶解热的数据如下: 表2-5 吡罗昔康多晶型在25?下的溶解度与溶解热 晶 型 A B C 溶解度/(mg/100ml) 2.67 2.87 1.36 -1溶解热/kJ?mol 33.43 28.59 21.89 测得结果同样说明吡罗昔康存在三种晶型，其中以吡罗昔康水合物(假多晶型)的溶解度为小。溶解度法所用仪器设备简单、方便，各实验室均可进行，同时也是研究晶型转变的一种方法。 第七节 药物的多晶型转变与无定型 一、药物晶型的转变类型 药物晶型改变是由于结晶时所用溶剂、结晶条件、制剂工艺条件、贮存条件等的不同，使晶体内分子、原子等质点在晶格空间排列不同而发生晶型转变，也有的是晶体结构中某些键发生部分转动，键距和角度的微细扭曲以及共振结构等，使分子相对排列发生变化，从而使晶型转变。 (一)不可逆变型 同一晶体有两种晶型分别为α，β。当晶型仅能从α型转变成β型，而不能从β型转变为α型，称此为不可逆变型，亦称单向变型(monotroplc form)。晶型转变一般多是从亚稳型转变为稳定型。例如对喹诺酮的多晶型研究发现，它的?型可以转变为?型，?型却 [38]不能转变为?型。 (二)可逆变型 同一种药物存在两种以上晶型，在一定条件下可以相互转变，称此为可逆变型，亦称互变型(enantlotroplc form)。例如甲磺灭脓药物的?型加热至200?转变成?型，而?型在 37 室温放置即可转变成?型。 (三)非晶体无定型 多晶型药物经过研磨、高温、高压、骤冷等特殊处理，可引起晶型错位、边境变形并发生完全无序，晶型破坏，形成无定型(amorphous)。无定型不是多晶型的一种类型，无定型物质的微观结构是分子或原子的无序结合。同一药物既能形成不同晶型也能成为无定型。无定型粉末的非晶性在偏光显微镜下既无晶体的双折射现象也无晶体的偏振光熄灭现象，使我们很容易与结晶粉末区别。无定型与晶体的物理性质有很大差别，因此有时特意将药物制成无定型。但是，无定型与晶型在一定条件下同样可以转变。例如将药物苯妥英钠在振动球磨机混合研磨，可转变为无定型。为保持其无定型状态则在研磨时加入微晶纤维素，防止它由无定型转变为晶型。 二、药物的晶型转变条件 在药物制剂的生产制备过程中，许多因素会影响到晶型的转变，为确保固体制剂中的药物为有效晶型，就需要了解与掌握晶型转变的因素，以利于合理设计处方，制定工艺，避免产生不希望的晶型，使亚稳定型稳定化，从而保证药品质量及临床药效。 (一)溶剂的影响 采用不同溶剂可以使药物的晶型发生转变。例如药物制剂采用湿法制粒时加入5%PVP乙醇溶液作为粘合剂，如果该药物遇乙醇发生晶型转变，就要选择其它溶剂。此外混悬剂中药 [39]物也容易转型，如尼莫地平α型混悬于水中在50?振摇3天后，可部分转变为β型。巴比妥、新生霉素、可的松类等混悬剂在贮存中晶型发生转变，甚至造成结块。湿法制粒以水为溶剂时有可能使药物形成水合物(假多晶型)，影响药物制剂的溶出速度。因此，就要选择其它溶剂或者加入稳定剂。 (二)研磨的影响 研磨粉碎是使药物颗粒变小，充分混合的一种方法，也是将多晶型变为无定型常用的方法。研究发现许多药物进行研磨时晶型发生转变。例如甲苯咪唑、咖啡因、苯巴比妥、无味氯霉素等，研磨也会加速转型，如甲氰咪胍的多晶型转变。研磨一般是使亚稳型转变为稳定型，但也有由稳定型转变为亚稳型。此外在研磨过程中注意考察研磨时间的长短、球磨机中球的直径大小、球磨时物料温度、添加晶种、添加高分子聚合物和表面活性剂时对晶型转变 [40]的影响。 [41]Shakhlsheide对磺胺噻唑(ST)在球磨粉碎的机械作用过程中的转型解释为:在ST ? 38 ST过程中，?型固体首先变成非晶固体，而后再转成?型，并在热显微镜观察发现由?型向? ?型转化是通过晶核，而后在晶体界面迅速发展形成的。同时发现，转型温度在20,30?时并不存在?型，而只有在40,50?时，机械作用下，样品才部分转化为?型。 (三)温度、湿度的影响 对于互变型晶体，在不同的温度湿度下，可能引起晶型的转变，尤其是在生产、运输、贮存的温度、湿度条件下，晶型变化情况应注意考察研究，在这方面一般采用高温、高湿条件下研究，再推测在室温下的情况。 例如将尼莫地平α、β两种晶型敞开放置于40?、60?、80?烘箱中20天，105?放置12小时，取出后测定的X–射线衍射图谱明显不同，说明高温对尼莫地平晶型转变有影响。 [39]在相对湿度(RH)为75%、温度在 40?及RH75%、 80?的高温、高湿下也发现转型。而Grunenbeig研究发现尼莫地平的转型温度为90?，并分别在80?和95?进一步试验。结果 [42]得出，80?时?型转变为?型，95?时?型转变为?型。 [43]Jozwiaxowski MJ等将盐酸氨氯吡咪在150?干燥40分钟后，置入RH75%条件下，测定83%转为A型。 [44]温度对于药物晶型转变稳定性的影响很大，而湿度的影响在于对假多晶型转型的作用，这方面也有文献报导，如Andronis V等对吲哚美辛吸湿后从无定型向晶型转变的研究表明， [45]当RH<43%时，只转化成稳定的γ型，而相对湿度增大时则转变为亚稳型α型。 (四)添加物的影响 在药物重结晶与研磨粉碎过程中加入其它物质可以促进晶型转变并控制为亚稳型或保持某一有效晶型和无定型。因为药物多晶型中亚稳型有时比稳定型具有更好的溶解度、溶出速率及生物利用度，但亚稳型自由能较大，不稳定，会自发转变为稳定型，使药效降低，所以要设法控制固体制剂中药物的亚稳型。生产上常常使用快速冷却来制得亚稳型并加入某些高分子材料或表面活性剂，如CMC,Na、微晶纤维素、PVP等等，使其保持亚稳型。 用共研磨法将难溶性药物与微晶纤维素制成分散物，研究其晶型结构的变化，发现药物由稳定型转变为亚稳型，或由结晶转变为无定型，自由能增加，溶解速率增大，这可能是因为药物附着或吸附在微晶纤维素表面，避免了粒子间聚结变大。此法可增加灰黄霉素、红霉素、阿司匹林等药物的溶出速率和生物利用度。 有人利用特定晶核、过饱和溶液及加入特定抑制剂等辅助剂手段达到控制药物保持亚稳 [46]型及有效晶型的目的，如甘氨酸的多晶型制备，还有在抗疟药盐酸甲氟喹的重结晶时加入 39 [47]微晶纤维素，可以加速其由E型向D型的转变。Olives等研究降血糖药物甲磺丁脲多晶型 3+2+2+时，将痕量(5,500ppm)金属阳离子Fe、Mn、Ni等加入到有药理活性的A型乙醇–水溶 2+[48]液中重结晶，能够阻碍A型向B型转变，而Ca加入则可引起新晶型的出现。 (五) 压力的影响 压片过程会使药物多晶型内部能量发生变化，直接造成晶体结构的改变，因而可能导致晶型转变，使药物制剂的质量与药效发生变化。例如咖啡因片制备过程中，当压力增加到约300MPa时，咖啡因A型向B型转变要增加20%。所以，既要提高片剂的硬度，又要使药物保持有效多晶型，这就需要考查合适的压力和压程。药物多晶型还能影响直接压片中粉末的成形性能，例如对乙酰氨基酚晶体一般为单斜晶系，而它转变为正交晶系后，由于分子内部结构中存在滑动面，所以直接压片能力强，这样直接压成的片剂药物的生物活性和稳定性均有 [49]改善。 多晶型转变除受以上因素影响外，尚有结晶时的药物浓度、加热、冷却速度与方式、溶剂种类等。 例2-3 田村千桑等对无味氯霉素(CPP)多晶型在不同条件下的相互转变的研究，可为我们制备多晶型提供参考。 CPP加热融熔 无晶型(玻璃状) mp86,87? 极缓慢 冷却 恒温槽中45? mp91? 冷却 放置结晶 mp86,87? β型 α 型 室温放置 自然蒸发 饱和溶液 加水 室温放置 饱和溶液 冷却 急冷 乙醇、丙酮、吡啶溶 解 苯、四氯化碳、乙醚 溶解 徐徐冷却自然蒸发 图2-30 无味氯霉素多晶型互变示意图 40 表2-6 CPP多晶型的热力学参数 -1-1-1–1晶型 转移温度/? 溶解热/kJ?mol ΔG/J?mol ΔS/J?Kmol α 64.434 88 –3238.4 –75.3 β 91.211 (六) 药物加工过程中的晶型转变 1.喷雾干燥 喷雾干燥是在药剂制造过程中经常应用的技术，药物经喷雾干燥处理后其晶型很可能因所用的溶剂、温度和干燥速度等条件的不同而出现变化，所以研究喷雾干燥的条件和检查成品的晶型是一项重要的工作。将5%保泰松的二氯甲烷溶液在不同的条件下进行喷雾干燥，经DSC研究发现，随着入口温度的改变可得到不同晶型的混合物。在120?喷干的保泰松是δ型，而在80?和100?喷干得到的是β和δ两种晶型的混合物，在70?制备的混合物中则出现ε型。在100?和120?制备的保泰松的DTA曲线在103?有一个δ晶型的吸热峰，而在70?和80?制备的样品在91,92?出现熔融吸热峰。 对于一些在喷雾干燥中形成亚稳定型结晶或无定型粉末的药物，在贮存过程中向稳定性转变。这是影响治疗效果和加工重现性差的重要因素。如果把这些药物与某些辅料同时喷雾干燥则有可能减缓向稳定型转变的过程。例如一些噻嗪类药物乙醇溶液在喷雾干燥时可得到无定形粉末，晶型转变率降低。又如喷雾干燥的氢氯噻嗪中如果不含PVP，则10天后完全转型;当加入1%的PVP时则转型需要6个月，在PVP浓度继续提高后，则基本上观察不到晶型转变。 2.微囊化 在喷雾干燥制备微囊的过程中会出现晶型改变，选择适当的附加剂是保证得到预期晶型的重要条件。例如将磺胺噻唑(ST)用邻苯二甲酸醋酸纤维素包囊可将?型转变成?型并使之稳定化。这是由于附加剂的存在，增加了空间位阻以及它与药物间形成了氢键，从而限制了磺胺噻唑分子间的重排。与之类似，将磺胺噻唑与滑石粉、白陶土、微粉硅胶等配伍并采用喷雾干燥法制备微囊时，可形成具有不同晶型药物的微囊:与滑石粉配伍导致形成磺胺噻唑?型;硅胶有助于形成无定型的ST;而白陶土对药物晶型的影响则与喷雾混悬液的pH值有关，以蒸馏水为分散介质得到的仍然是?型药物的微囊;在碱性氨液中则得到含无定形药物的微囊。 3.球形结聚 41 球形结聚是改变结晶外形以便于压片的一种新技术。近来将药物结合一些高分子材料用以制备药物缓释颗粒。在球形结聚过程中出现晶型转变。例如氨茶碱球形结晶包含有三种晶型，DSC曲线表明三种晶型均在120?左右受热释放出乙二胺，但在球形结聚中结晶水则以不同的比例与各种晶型结合，TG曲线证实在β型和γ型中大约每分子氨茶碱分别与1个和2.5个水分子结合，而α型仅与少于0.5个水分子结合，如图2–31。 图2–31 氨茶碱球形结晶的DSC曲线及TG曲线 „„ α型球型结晶;———β型球型结晶; γ型球型结晶 4.沉淀吸附 沉淀吸附是将药物从溶液中沉淀并吸附在另一载体物质表面的分散过程。在粘滞性液体中，随着溶剂的蒸发或体系的冷却，药物常以微晶析出，当体系中含有不溶性的载体时，这些微晶与载体之间通过范德华力或氢键结合。在利用DSC或DTA研究这些沉淀物时，往往可以发现药物的熔融峰与它在物理混合物中的不同，沉淀物熔融峰的两侧不对称，熔融温度范围变宽，峰形平坦。这可能是在升温过程中，首先被破坏的是范德华力或氢键力，然后是吸附的微晶熔融，而一些较大的结晶最后发生熔融。此外，沉淀物的熔融温度一般也较低，可能是由于无定型微粉或亚稳定型微晶的形成。例如吲哚美辛、氢氯噻嗪、阿司匹林等多种药物在二氧化硅表面的沉淀吸附均出现上述现象。增加二氧化硅的用量有利于低熔点晶型的形成。但是在沉淀中使用的溶剂与载体的性质对晶型仍有重要影响。例如螺内酯水合物从甲醇或丙酮中沉淀至乳糖表面则生成难溶性的稳定晶型，据认为是由于溶剂及载体的脱溶剂化作用。 三、晶型转变的研究方法 药物的多晶型研究中对多晶型转型动力学、热力学、转型机理都有研究。例如对无味氯 42 霉素β型转变成α型;无水氨苄青霉素转变成三水氨苄青霉素;茶碱转变成茶碱-水合物进 行了热力学研究，找出晶型转变的转型温度、转变速率和热力学参数等，找出α型转变成β 型的热力学关系。对晶型转变的机理也作了研究。在此只就晶型转变热力学进行介绍。 (一)热力学参数推算晶型转化稳定性 利用热力学参数推算晶型转变稳定性，推算出晶型转变温度T。若药物存在两种晶型A、pB，其熔点分别为T、T;晶型转变温度为T。当TT>T时，则两种晶型为单变关系。 pm,Bm,A 1.晶型转变的热力学参数可由下式表示: 晶型A(T)?晶型B(T) m,Am,A 上述过程可分解为以下步骤: (1) 晶型A(T)?液态A(T) ΔH，ΔS m,Am,A 11 (2) 液态A(T)?液态A(T) ΔH，ΔS m,Am,B 22 (3) 液态B(T)? 晶型B(T) ΔH，ΔS m,Bm,B33 (4) 晶态B(T)? 晶型B(T) ΔH，ΔS m,Bm,A44a(晶型A转变为晶型B的总焓变为ΔH(T=T时的热力学函数): 0m,A ΔH =ΔH+ΔH +ΔH +ΔH (2-7) 01234 ΔH为晶型A的熔化热ΔH; 1m,A ΔH 为液态A从T?T的焓变: 2m,Am,B Tm,BΔH =，C为液态A的等压热容; 2p,LCdT,pL,Tm,A ΔH 为晶型B析出时焓变，是等于晶型B熔化热的负值即–ΔH; 3m,B ΔH 为晶型B从T变为T时的焓变: 4m,Bm,A Tm,AΔH = ，C为晶型B的等压热容; 4p，BCdT,p,B,Tm,B Tm,B则ΔH =ΔH –ΔH+ΔH + (2-8) 0m,Am,B4(C,C)dTp,LP,B,Tm,A b(晶型A转变为晶型B的总熵变为ΔS，ΔS=ΔS+ΔS+ΔS+ΔS001234 H,m,AΔS=为晶型A的熔化熵; 1Tm,A Tm,BdTΔS=为溶液A从TT的熵变; ,,,2m,A m,BCp,L,Tm,AT H,m,B,ΔS=为液态B析出晶体B的熵变; 3Tm,B 43 Tm,AdTΔS=为晶体B从TT的熵变，则总熵变为: C4m,B m,A,,,p,B,TTm,B TΔHΔHTm,Bdm,Am,B (2-9) S(CC),,,，,0p,LP,B,TTTTm,Am,Am,B 由于T和T的差值通常低于20K，因此(C–C)可视为常数，所以(2–8)、(2–9)m,Am,BP,LP,B式为: H,,H,,H,(C，,C)(T,T) (2-10) 0m,Am,BP,LP,Bm,Bm,A HHT,,m,Am,Bm,BSCC (2-11) ,,,，(,)ln0P,LP,BTTTm,Am,Bm,Ac(晶型A转变为晶型B的吉布斯自由能变化:将(2–10)、(2–11)代入 ΔG = ΔH–TΔS 式，整理可得: 0 00 TTm,Am,B (2-12) GHCCTTT,,,(,1)，(,)(,,ln)0m,BP,LP,Bm,Bm,Am,ATTm,Bm,A T,Tm,Bm,A将(2–12)式简化作近似处理，令则 x,,Tm,A Tm,B ()[ln]CCTTT,,,P,LP,Bm,Bm,Am,AT m,A ()[ln(1)],,,，CCTxxP,LP,Bm,A (2x(),,CCTP,LP,Bm,A2-13) 2 当x?0时，由Taylor公式 234xxx ln(1，x),x,，,，......234 T2mA(,x(1)(),,,,，,GHCCTmBPLPBmA20,,,,2-14) TmB, 当T,T时，若ΔG与T成线性关系，则 m,A d,G ,,,S dT ,GT(),,G,,S(T,T) (2-15) 00m,A 当T=T时，ΔG(T)=0，则 P ,G,,S(T,T) (2-16) 00Pm,A ,G，T,S0m,A0T,P (2-17) ,S0 利用(2–17)式可求出晶型转化温度T，若(C–C)值不易测量，ΔH已知，可PP，LP，Bm,B 依据 (C–C)/ΔH=0.007K,近似求出，从而求得ΔG 、ΔS代入(2–17)式求得T。 P，LP，Bm,B0 0P 44 2.药物多晶型A、B的能量与温度图的绘制 根据药物的晶体热函(H)随温度(T)变化: dH (),C (2-18) PP dT dH (),C,0当T?0，由热力学第三定律，对理想晶体，则理想晶体A、B的H、HABPP dT 在T=0K时，H、H为零。 AB 以热函(焓)H对热力学温度T作图，分别绘出晶体A、B及液态的热函H、H、H对热ABL力学温度T的曲线，如图2–32、图2–33。 T 图2–32 热函–温度曲线 图2–33 晶型A，B变化H-T曲线 dG(2-19) (),,SP dT根据药物晶体的吉布斯自由能G随温度T变化: 当T?0，由热力学第三定律S=0，则T=0K时，理想晶体的G、G等于零，以G对T作图，0AB分别绘出G、G、G对温度T的曲线图如图2–37、图2–38。 ABL 自 自 由 由 能 能 温度/K 温度/K 图2-34 晶型A的自由能-温度曲线 图2–35 晶型A、B变化的自由能-温度曲线 45 将图2-33与图2-35合并成一图，若晶型A、B是双变型如图2-36;若晶型A、B是单变型如图2–37。 能 能 量 量 温度/K 温度/K 图2-36 晶型A、B双变的能量-温度曲线 图2-37 晶型A、B单变的能量-温度曲线 3.能量-温度图的应用 图中T,热力学温度; T,晶型互变温度，此时G=G，亦称热力学转变点;mP、mP分PABAB别为晶型A、B的熔点; H,热函;H、H、H分别为晶型A、B及液态的热函;ΔH,热函变ABL 、Δ、Δ分别为晶体A、B的熔化焓变及晶型转化焓变;,吉布斯自由能，化，ΔHHHGf,Af,BB/A G、G、G分别为晶型A、B及液态的吉布斯自由能。 ABL 由图2–39可以看出，当T=T时，晶型A、B处于热力学平衡态，G=G;T,T时，G,PABPAG，A型向B型转化;T,T时，G,G，B型向A型转化;由于晶型A，B可以互变，所以称为BPBA 双变型。 由图2–40可见在所有温度范围内只存在G,G，仅有B型向A型转化，所以称为单变BA 型。 Grunenbeig绘出尼莫地平的能量-温度图，体现了两种多晶的熔融特征，找出转型温度T=88?,表明?型在0,88?之间稳定，而?型在88?,124?间稳定，并求出ΔG等其它热p [50]力学函数。 Griesser对乙酰唑胺的结构研究中，描绘能量-温度图做为比较依据，在能量-温度图上 [51]找出的室温热稳定型与结构推测的稳定型一致。 能量-温度图法是两晶型在温度作用下H与G的曲线，曲线可描绘出晶型变化类型，两晶型的转型ΔH、及转型温度等热力学函数，直观清晰，在晶型转变的热力学研究中广泛应用。 例2-4 由差动扫描量热法测得不同晶型的尼莫地平(NMD)和尼群地平(NTD)的熔点和熔化焓ΔH见表2-7，根据以上热力学关系式计算求得不同晶型的热力学函数及晶型转变温度f (T),结果见表2–8。 p 46 由表2-7、表2-8数据可知NMD多晶型的能量-温度曲线与图2-36相同，为双变关系，若T,366.16K时，NMD可转化NMD型;T,366.16K时，NMD型可转化为NMD型，两种晶型????的转变温度为366.16K。NTD多晶型的能量-温度曲线与图2-37相同，其相变温度均大于NTD的熔点，为单变关系。其相变顺序为:NTD转变为NTD再转变为NTD。NTD是稳定型，NTD?????，NTD为亚稳型。 ?? 表2-7 NMD和NTD多晶型的熔点与熔化焓 参数 多晶型 NMD NMD NTD NTD NTD ????? 熔点/K 396.19 388.26 431.63 429.08 399.09 –1熔化焓/kJ.mol 4.307 5.616 29.12 3.086 0.1142 表2-8 NMD和NTD晶型转变的热力学函数 –1–1–1–1多晶型 ΔH/kJ? mol ΔS/J?mol?K ΔG/J?mol T/K 000p NMDNMD1.206 3.854 –85.19 366.16 ?? NTDNTD–25.09 –58.08 –171.0 432.03 ?? ,,, NTDNTD–26.16 –60.33 –218.5 435.32 ?? ,,, NTDNTD –3.350 –151.6 –253.7 432.80 ??,,, 根据DSC法测得多晶型药物热容、热函随温度变化，求得晶型转变时熵变、吉布斯函数变化，来判断晶型转化的稳定性，可以使我们区分何种晶型是稳定型，何种是亚稳定型。以上是从多晶型能量差异来研究晶型转变。 (二)溶解度测定法 通过多晶型研究我们知道，药物的晶型不同，溶解度随温度变化亦不同，因此可以利用不同晶型的溶解度曲线，了解晶型相互转变的可能性，并可求得晶型转变的热力学函数。 设有三种药物a、b、c 均有二种多晶型?、?。分别测定不同晶型在不同温度下的溶解度。以溶解度(S)对温度(T)的作图，如图2-38。 图2-38 二种晶型的溶解度-温度图 47 图2-38是二种晶型的S-T图，S,溶解度;T,热力学温度;?、?表示两种晶型。其中药物(a)表示?型和?型在高温区可能会相交;药物(b)表示?型和?型在常温下相交，Tp是二线相交温度，即热力学转变温度;药物(c)表示?型和?型在低温处可能会相交。由图可找到转变温度,并看出在室温附近的区间内，哪一种晶型是稳定的。对(a)、(c)来说，Tp ?型是稳定的。对(b)来说，当T>T时?型是稳定的。当T