Kémia | Biokémia » Kristályosság

5.16 Kristályosság Ph.HgVIII – PhEur74 - 1 04/2012:51600 javított 7.6 5.16 KRISTÁLYOSSÁG E fejezet általánosságban tárgyalja a kristályosságot, és utal a különböző eljárásokra, amelyeket az Európai Gyógyszerkönyv a kristályosság meghatározására alkalmaz. BEVEZETÉS – A KRISTÁLYOSSÁG FOGALMA A gyógyszerészeti fontosságú szerves és szervetlen vegyületek többsége szilárd anyag, melynek rendezettsége a tökéletes rendezettségű kristály és az amorf anyag között található. A valódi kristályok az ideális kristályos állapot és az amorf állapot között helyezkednek el. Adott kristálynak e két szélső állapot által meghatározott skálán elfoglalt helyzetét nevezzük a kristály kristályosságának. A tökéletes rendezettségű kristály nagyon ritka, ha egyáltalán elérhető állapot. Adott kristály szerkezeti egységei – az elemi cellák – a tér mindhárom dimenziójában szabályosan és korlátlanul ismétlődnek.

Az elemi cellának meghatározott irányítottsága és alakja van, amelyeket transzlációs vektorok (a, b és c), valamint szögek (α, β és γ) határoznak meg, következésképpen meghatározott – a kristály képződéséhez szükséges atomokat és molekulákat tartalmazó – térfogata (V) van. Egy kristályrendszert 3 hosszútávú rendezettségű (transzlációs, orientációs és konformációs) szimmetriaoperátor határoz meg; A különböző mezofázisoknak (folyadékkristály, kristály és plasztikus kristály) 1 vagy 2 hosszútávú rendezettségű szimmetriaoperátora van, az ideális amorf állapotot pedig mint mindhárom operátor hiányát határozzuk meg. Minden kristály besorolható a 7 lehetséges kristályrendszer valamelyikébe, amelyeket az elemi cella egyedi méretei (a, b és c) és szögei (α, β és γ) között fennálló kölcsönös összefüggések határoznak meg. Adott kristályszerkezet besorolható a 7 kristályrendszer vagy a 14

Bravais-rács vagy a 230 tércsoport egyikébe. A Nemzetközi Krisztallográfiás Táblázatokban (International Tables for Crystallography) a 230 lehetséges tércsoport mindegyike, ezek szimmetriái és diffrakciós mintázatuk szimmetriái összefoglalva megtalálhatók. Sok anyag több kristályrács típusban is képes kristályosodni; ez a jelenség polimorfia néven ismert. Szerves molekulák körében gyakran előfordul a polimorfia, ami eltérő fizikai-kémiai tulajdonságokat eredményez. A polimorf kristályok kémiai összetétele azonos, de belső kristályszerkezetük különböző, ezért térnek el a fizikai-kémiai tulajdonságok. A polimorf anyagok különböző kristályszerkezete az atomcsoportok különböző elrendeződésének és/vagy a molekulák különböző konformációjának köszönhető (lásd Polimorfia, 5.9 fejezet) A másik szélsőséges kristályállapot az ideális vagy valódi amorf állapot, amelyből mindennemű hosszútávú rendezettség

hiányzik. A szerves rendszerek többségében megmarad bizonyos mértékű, rövidtávú rendezettség, de nem várható, hogy ez a legközelebbi szomszédnál (NN; nearest neighbour) vagy következő legközelebbi szomszédnál (NNN; next nearest neighbour) sokkal hosszabb távú kölcsönhatásokra is kiterjed; e távolság kis méretű szerves molekulák esetében általában kisebb, mint 2–2,5 nm. Az amorf anyagokra jellemző, hogy röntgen pordiffrakciós (XRPD; X-ray powder diffraction) képükből hiányoznak az elkülönülő reflexiók (2.933) Egy valóságos por kristályosságát két modellel írhatjuk le. Az 1 modellben minden részecske kristályossága azonos, míg a 2. modellben az egyes részecskék vagy kristályosak vagy amorfok, tehát a por aktuális kristályosságát e két szélsőséges kristályosság súlyozott átlaga fejezi ki. Ilyen port előállíthatunk tisztán kristályos és tisztán amorf fázis fizikai összekeverésével. A valóságban egy por

valószínűleg különböző fokú kristályossággal rendelkező részecskéket tartalmaz, mint ahogy különböző méretű és alakú részecskéket is tartalmazhat. 5.16 Kristályosság Ph.HgVIII – PhEur74 - 2 A szilárd kristályos anyagokban jelenlevő rendezetlenség mértéke hatással van a gyógyszeranyagok számos fizikai-kémiai tulajdonságára. E tulajdonságok fontossága miatt szükséges, hogy alkalmas kvantitatív módszerekkel megbecsülhessük a szilárd anyagokban uralkodó rendezetlenség vagy kristályosság mértékét. MÓDSZEREK A KRISTÁLYOSSÁG FIGYELEMMEL KÍSÉRÉSÉRE ÉS MEGHATÁROZÁSÁRA Szilárd anyagok kristályosságának meghatározására különböző módszerek állnak rendelkezésre. Vannak eljárások, amelyek önmagukban nem alkalmasak ezen tulajdonságok független kimutatására, illetve mennyiségi meghatározására, ezért hasznos néhány alább ismertetett módszert összekapcsolni. Az ilyen módszerek sok esetben nem adnak

pontos eredményt, és a mennyiségi meghatározások határértékei általában jóval nagyobbak, mint kémiai szennyezők esetében. Ráadásul bizonyos hipotézisünk kell, hogy legyen a kalibrálásra használt standardok (melyek rendszerint kristályos és amorf részecskék keverékei (2. modell)) és a vizsgálandó minták közötti rokonságról (ez utóbbiakban feltehetően az anyagnak legalább egy kis összetevője az 1. modell tulajdonságait mutatja) Végül, az ilyen módszerek validálását a jól definiált standardok – 100%-ban kristályos és 100%-ban amorf anyagok – hiánya is bonyolítja. A fentiekből nyilvánvaló, hogy adott szilárd por akár egymás mellett, egyidejűleg tartalmazhat különböző amorf vagy nemkristályos fázisokat. A szilárd anyagnak ezek a különböző, nemkristályos formái különböző válaszokat adhatnak a kristályosság mértékének megállapítására alkalmazott eljárástól függően. Röntgen pordiffrakció (2.933) A

röntgen pordiffrakció (XRPD) még mindig a leggyakrabban alkalmazott módszer a kristályosság mértékének meghatározására, annak ellenére, hogy ezt a módszert némileg hátrányosan korlátozza a sávszélesedés, az amorf fényudvar és a kitüntetett orientáció; ezek ugyanis megnehezítik az értelmezést és a mennyiségi meghatározást. Az XRPD önmagában ritkán elegendő ahhoz, hogy a különböző nemkristályos fázisokat megkülönböztessük. A tisztán amorf és nanokristályos fázis röntgendiffrakciós mintázatára jellemző egy széles, diffúz fényudvar A röntgen pordiffrakciós mintázat részletes analízise rávilágít, hogy nanokristályos anyag mintázatában a diffúz fényudvar valamelyes korrelációt mutat az eredeti kristályos fázis mintázatával, míg tisztán amorf fázis esetében nincs ilyen korreláció. A röntgen pordiffrakcióval amorfnak mutatkozó anyagok valódi természetének megállapítására egyéb eljárásokat is be

kell vonni. Termoanalízis. Kristályos anyagok termoanalízise (2234) alkalmas a gyakran bomlással vagy oldószer elpárolgásával társuló olvadási folyamatok követésére. Valódi amorf anyagok esetében a termoanalízis kimutatja az üvegesedési folyamatot, míg nanokristályos anyagok esetében csak olvadás várható. Mikrokalorimetria (2.261) A mikrokalorimetria igen érzékeny módszer, amely lehetővé teszi kémiai reakciók, valamint fázis- és szerkezet-átalakulások sebességének és mértékének meghatározását. Ha egy mintát nagyobb relatív nedvességtartalmú térbe vagy szerves vegyület gőzterébe helyezünk, az anyag amorf részei átkristályosodhatnak. Az átkristályosodási hő mérése az átkristályosodási entalpia révén lehetővé teszi az amorf rész mennyiségi meghatározását. Mikrokaloriméterrel – a mintára kapott értékeket egy amorf standardra kapott értékhez viszonyítva – kvantitatíve meghatározhatjuk a minta amorf

részének mennyiségét. Az amorf-tartalomnak a módszer által vizsgálható tartománya függ magától a vizsgálandó anyagtól; kedvező esetben 1% alatti kimutatási határ elérhető. Oldat kalorimetria (2.261) Az oldat kalorimetria alkalmas szilárd anyagok oldási entalpiájának megározására. A vizsgálandó szilárd minta kristályosságát megkapjuk, ha a szilárd minta oldási entalpiájából (ΔH sx ) kivonjuk az ugyanazon anyag kiválasztott referenciastandardjának azonos körülmények között mért oldási entalpiáját (ΔH sr ). Mivel a referenciastandardot nagyfokúnak tartott kristályossága alapján szokás megválasztani, oldási entalpiája algebrailag általában nagyobb (inkább endoterm vagy kevésbé exoterm), mint a vizsgálandó szilárd mintáé ugyanazon oldószerben. Következésképpen, a mért kristályosság SI egységekben (kJ/mól-ban vagy J/g-ban) kifejezve negatív 5.16 Kristályosság Ph.HgVIII – PhEur74 - 3 mennyiség (a J/kg-ot

nehézkes kezelhetősége és hibalehetősége miatt kerüljük). Az, hogy egy nagy mértékben kristályos referenciastandarddal szemben mérve legtöbbször negatív a kapott érték, összhangban van azzal a ténnyel, hogy a minták többségének kristályossága kisebb, mint a referenciastandardé. Közeli infravörös (NIR) spektroszkópia. A kristályosság fokának mérésére közeli infravörös (NIR) spektroszkópia (2.240) is alkalmazható, ezért e módszer is hasznosnak bizonyult a polimorfia tanulmányozására. Adott minta NIR-spektruma fizikai és kémiai információkat egyaránt tartalmaz Mivel e módszer noninvazív, nondestruktív, és szobahőmérsékleten is alkalmazható, értékes eszközt jelent az amorf és kristályos átalakulások értékelésében. Infravörös abszorpciós spektrofotometria és Raman spektrometria. Az infravörös abszorpciós spektrofotometria (2.224) és a Raman spektrometria (2248) szintén használatos módszer a kristályosság

fokának mérésére, és mindkettő alkalmasnak bizonyult a polimorfia tanulmányozására is. Adott minta IR spektruma és a Raman spektruma fizikai és kémiai információkat egyaránt tartalmaz. Szilárd fázisú NMR. A szilárd fázisú magrezonancia spektroszkópia (ss NMR; solid-state NMR) alkalmas a polimorfia és az ezzel összefüggő relatív molekulakonformációk vizsgálatára. Az eredmények értelmezése során azonban óvatosan kell eljárni, minthogy nem mindig egyszerű különbséget tenni a különböző fizikai állapotú formák keverékét tartalmazó minták (2. modell) és azon minták között, amelyekben a kristályok rendezetlensége változik, és ez a változás az NMR időskálán lassú. Hasonlóképpen, az olyan minták spektrumában, amelyeknek kristályrácsában a különböző molekulakonformációk vagy a kissé eltérő rendezettség (1. modell) miatt hibák vannak, többlet jel mutatkozhat. A szilárd fázisú NMR meglehetősen lehet érzékeny

erre, olyankor is, amikor a rács-paraméterek alig érintettek, és ezért az XRPD nem mutat ki változást. Nyilvánvaló, hogy a gyógyszeranyagok kristályossága bonyolult lehet, és hibás kristályok és amorf anyagok akár egymás mellett létezhetnek. Optikai mikroszkópia. A részecskék kristályos vagy nemkristályos volta polarizáló mikroszkóppal (2.937) kimutatható; a mikroszóp állványát forgatva a részecskék kettőstörést és kioltási helyeket mutatnak