Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 8
1.1 Эвтектические композиции из лекарственных и биологически активных веществ и их практическое применение 8
1.2 Методы экспериментального исследования эвтектик 14
1.3 Расчетные методы нахождения характеристик эвтектик 19
1.3.1 Определение температур и составов эвтектик двойных эвтектических систем 19
1.3.2 Определение энтальпий плавления эвтектик 24
1.4 Сравнение характеристик эвтектик, полученных расчетным и экспериментальным способами 26
1.5 Расчетно-экспериментальные методы нахождения эвтектических характеристик 32
2. Теоретическая часть 39
2.1 Разработка алгоритма метода. 39
2.2 Разработка программного обеспечения 52
3. Экспериментальная часть 55
3.1 Инструментальное обеспечение исследований 55
3.1.1 Дифференциальная сканирующая калориметрия 55
3.1.2 Рентгенофазовый анализ (РФА) 55
3.2 Исследование индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ, входящих в состав двойных эвтектик 56
3.2.1 Объекты исследования 56
3.2.2 Методика исследования индивидуальных биологически активных и лекарственных веществ 65
3.2.3 Определение температур плавления 66
Погрешность определения температуры плавления не превышала 68
1 К, энтальпии плавления – не более 10 % 68
3.2.4 Определение энтальпий и энтропий плавления 68
3.2.5 Определение криоскопических констант 77
3.2.6 Определение термической стабильности при термоциклировании 78
3.2.7 Воспроизводимость свойств после длительного хранения 84
3.3 Исследование двойных эвтектических систем 89
3.4 Термоциклирование эвтектических составов 93
3.5 Стабильность эвтектик после хранения 97
4. Обсуждение результатов 100
4.1 Двойные эвтектические системы 100
4.1.1 Система метронидазол-кларитромицин 100
4.1.2 Система сульфаметоксазол-триметоприм 103
4.1.3 Система сульфаметоксазол-карбамид 104
4.1.4 Система сульфаметоксазол-никодин 105
4.1.5 Система триметоприм-карбамид 106
4.2 Оценка погрешностей метода "оптимизации состава" 107
4.2.1 Влияние степени разделения пиков на результат расчета 107
4.2.2 Оценка инструментальных погрешностей ДСК 113
Выводы 118
Список литературы 120
- Методы экспериментального исследования эвтектик
- Разработка программного обеспечения
- Исследование индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ, входящих в состав двойных эвтектик
- Система сульфаметоксазол-триметоприм
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы наблюдается все возрастающий интерес к эвтектическим системам, состоящим из органических веществ с точки зрения практического применения. Например, все большее значение приобретают глубокие эвтектические растворители (deep eutectic solvents), обладающие повышенной растворяющей способностью, легко регенерирующиеся и безопасные для окружающей среды. Такие растворители, обладающие аномальными свойствами, начинают применяться в различных отраслях, в том числе в фармацевтике с целью повышения степени и скорости растворения лекарственного вещества для улучшенной и быстрой доставки в организм. Кроме того, было обнаружено, что эвтектический тип взаимодействия реализуется в уже готовых твердых лекарственных формах (например, таблетках), содержащих в своем составе несколько активных действующих компонентов – индивидуальных веществ лекарственного и биологически-активного типа, каждое из которых имеет свой спектр действия. При использовании нескольких компонентов в составе одного лекарственного препарата необходимо учитывать возможность протекания физико-химических процессов между ними, которые могут сказываться на свойствах препарата как положительно, так и отрицательно. Примером положительного влияния эвтектики является синергизм – когда индивидуальные вещества, будучи применёнными в смеси, дают терапевтический эффект намного больший, чем эффект, ожидаемый от простой арифметической суммы эффектов раздельно применяемых веществ. Применение комбинированных препаратов, в которых реализуется данный процесс, может позволить достичь желаемого терапевтического эффекта при уменьшенных дозах, чтобы снизить накопление этих веществ в организме и тем самым минимизировать риск побочных явлений. Но, поскольку растворимость и скорость растворения активного компонента в системе зависят от соотношения компонентов и от рода взаимодействия между ними, повышение биодоступности и растворимости при использовании компонентов в эвтектике связано не только со связью растворимости и температуры плавления, но и с не совсем еще изученными свойствами эвтектик. Существующие методики и приемы построения фазовых диаграмм бинарных простых эвтектических систем, состоящих из биологически активных и лекарственных веществ, требуют больших затрат времени. Это не всегда оправдано, особенно в случаях, когда нужно оперативно определить только такие свойства эвтектики, как соотношение компонентов, температуру и энтальпию плавления. Поэтому актуальна разработка экспрессных методов определения параметров эвтектического состава с целью оптимизации состава будущего лекарственного препарата.
Цель работы – разработка экспрессного расчетно-экспериментального метода определения параметров эвтектических точек (состава, температуры и энтальпии плавления) двойных систем, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ.
Для осуществления данной цели необходимо решить задачи:
определить или уточнить термодинамические характеристики плавления исследуемых индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ методом ДСК с целью применения их в расчетных и расчетно-экспериментальном методах;
определить характер изменения энтальпии индивидуального вещества при плавлении его в составе эвтектической системы;
разработать способ разделения пиков плавления, дающий наименьшую погрешность;
разработать программное обеспечение для определения состава и параметров плавления эвтектик различными методами, а также характеристик индивидуальных веществ (энтропии плавления, криоскопических констант, интегральной чистоты) и бинарных систем (энтальпии и энтропии плавления, смешения, коэффициентов активности), погрешности измерений по стандартной методике;
выявить источники и оценить погрешности разработанного метода.
Научная новизна работы. Предложен новый метод «оптимизации состава» для определения характеристик бинарных эвтектик, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ. Методом ДСК впервые определены или уточнены значения температур, энтальпий, энтропий плавления, крио-скопические константы 21 лекарственного и биологически активного вещества. С использованием этих значений впервые рассчитаны температуры и теплоты плавления эвтектических точек методом Шредера - Ле Шателье, а также найдены составы и температуры эвтектик 17 бинарных систем, проведено их сопоставление с экспериментальными значениями. Построены фазовые диаграммы изучаемых систем. Экспериментально определена чистота, стабильность свойств при длительном хранении и многократном плавлении (термоциклиро-вании) исследуемых индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ, а также в составе эвтектик.
Практическая значимость работы:
- впервые предложен и апробирован экспрессный расчетно-
экспериментальный метод «оптимизации состава», позволяющий с малыми
трудозатратами определять эвтектическое соотношение компонентов в
системах с простой эвтектикой;
расчетным, экспериментальным и расчетно-экспериментальным методами определены термодинамические характеристики эвтектик, состоящие из лекарственных и биологически активных веществ. Произведено сравнение данных, полученных с использованием этих методов;
разработано программное обеспечение для определения чистоты и расчета основных характеристик как индивидуальных веществ, так и веществ в составе смесей с использованием прибора ДСК-500.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика экспрессного расчетно-экспериментального метода «оптимизации состава» для определения эвтектических характеристик бинарных систем с простой эвтектикой, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ;
экспериментально определенные первичные характеристики плавления 21 исследуемых индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ и пяти эвтектик;
данные по стабильности исследуемых веществ и эвтектик после длительного хранения при комнатной температуре, а также при многократном плавлении.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались и докладывались на IX Международном Курнаковском совещании по физико-химическому анализу, Пермь, 2010; VI Международной научной конференции “Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании”, Иваново, 2010; V Общероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы современной науки и образования», Красноярск, 2010; V конференции и VI школе молодых ученых «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение», Н. Новгород, 2011; V Всероссийской конференции студентов и аспирантов с международным участием «Химия в современном мире», Санкт-Петербург, апрель 2011; XVIII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCT-2011, Самара, 2011; XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, Волгоград, 2011; VIII Всероссийской интерактивной конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», Саратов, 2011; Всероссийской очно-заочной научно-практической конференции "Актуальные проблемы химии и методики преподавания химии", Саранск, 2011; VII Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии “UCChT-2011-МКХТ”, Москва РХТУ им. Менделеева, 2011; Молодежной конференции «Международный год химии», Казань, 2011; Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в об-
ласти химических наук и наук о материалах в рамках Всероссийского фестиваля науки, Казань, 2011.
Публикации по теме работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 работах (в том числе трех рецензируемых) . Получено три авторских свидетельства о регистрации алгоритмов и электронных ресурсов.
Личный вклад автора. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Автор принимал личное участие в обсуждении идей, выполнении термодинамических расчетов, проведении экспериментов, исследовании полученных материалов, обработке полученных результатов, написании статей, докладов и разработке рекомендаций по оптимизации исследования двойных эвтектических систем из лекарственных и биологически активных веществ методом ДСК.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 169 страницах, включая 29 таблиц, 64 рисунка, и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы из 143 наименований, трех приложений.
Методы экспериментального исследования эвтектик
Используемые в промышленности материалы редко являются индивидуальными веществами, а представляют собой сложные многокомпонентные системы, которые при получении сплавлением образуют фазы. Для применения таких материалов на практике необходимо знать условия образования и существования стабильных фаз, их структуру и количественное соотношение компонентов при их образовании. Такую информацию может дать диаграмма состояния (фазовая диаграмма), для построения которой используют теоретические и экспериментальные методы. К последним относятся термические, рентгеновские, дилатометрические и другие методы.
На рисунке 1.1 приведены диаграммы двойных систем эвтектического типа [11]. На рисунках 1.1а и 1.1б показаны эвтектические системы, в которых отсутствует взаимная растворимость в твердом состоянии. На данной диаграмме имеется четыре области существования стабильных фаз: L – жидкость – в жидком состоянии компоненты смешиваются неограниченно, L + A, L + B – области сосуществования жидкого раствора и кристаллов одного из компонентов, А + В – область кристаллов.
Эвтектическая точка Е – точка пересечения двух линий ликвидуса, которая характеризуется эвтектическим составом и эвтектической температурой. На рисунке 1.1в приведена фазовая диаграмма эвтектической системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии – с образованием твердых растворов и на основе компонентов А и В. Данные системы не образуют промежуточных фаз и потому называются простыми эвтектическими. При образовании промежуточных фаз диаграмма состояния имеет вид, изображенный на рисунке 1.1г. Данная система может быть рассмотрена как система, состоящая из трех простых эвтектических систем, имеющих смежные компоненты. Рис.1.1. Виды эвтектических диаграмм: а) с отсутствием взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии, б) эвтектическая температура практически совпадает с температурой чистого компонента, в) эвтектическая система с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, г) с образованием промежуточных фаз, д) с образованием монотектики.
На рисунке 1.1д показано образование монотектических сплавов. При монотектическом превращении образуется жидкая и твердая фазы. Жидкая кристаллизуется при более низкой температуре. В случае эвтектического превращения обе фазы кристаллизуются одновременно [12]. Твердые лекарственные формы составляют 85% всей фармацевтической продукции. Большинство твердых лекарственных форм – таблетки. У таблеток большое количество преимуществ перед другими лекарственными формами – легкость использования, упаковки, транспортировки и хранения, высокая однородность состава и воспроизводимая кинетика растворения [5]. Однако у таблеток, как лекарственных форм, имеются и недостатки - плохая растворимость в воде и недостаточная проницаемость через оболочки организма (биодоступность). Это является причинами отказа в некоторых случаях от использования лекарственных веществ, имеющих хорошие терапевтические свойства и обладающих низкой токсичностью в составе таблеток. Иногда, чтобы улучшить биофармацевтические показатели в описанных случаях, труднорастворимое вещество в лекарственную форму вводится в составе твердой дисперсии эвтектического типа, при этом вторым компонентом лекарственной формы является гидрофильная технологическая добавка [13]. При образовании эвтектики между лекарственным компонентом и гидрофильным носителем увеличивается скорость перехода активного компонента в раствор, а также растворимость труднорастворимого лекарственного компонента [14]. «Последнее обстоятельство не может быть объяснено с позиции размеров кристаллов, а свидетельствует об особых свойствах эвтектических составов. Так, эвтектические составы, приготовленные простым механическим смешением компонентов и не обладающие обычно высокой дисперсностью, тем не менее имеют примерно такие же характеристики по растворимости, как и составы, приготовленные методом плавления с последующим охлаждением» [15]. Как известно, уникальным свойством эвтектической смеси является более низкая температура плавления, чем у чистых компонентов.
Образование эвтектик в лекарственных препаратах может иметь как положительный эффект, так и отрицательный. Тройные эвтектические смеси с целью улучшенной доставки лекарственного вещества с успехом были впервые применены еще в 1907, когда была разработан жидкий анестетик Бонаинса, состоящий из фенола, кокаина и ментола в эвтектических соотно-10 шениях [16, 17]. Эффект повышенного проникновения эвтектических концентраций через кожу был показан при образовании двойных эвтектических смесей ибупрофена с терпенами [18]. Увеличение проникновения через кожные оболочки также позже было показано для пропранола [19] и лидокаина [18] при их эвтектическом соотношении с жирными кислотами и ментолом соответственно. Примером положительного влияния эвтектики также является двойная система лидокаин - прилокаин. Лидокаин и прилокаин, как индивидуальные вещества, будучи твердыми при комнатной температуре, образуют жидкую эвтектику с температурой плавления 16 С и используются для приготовления EMLATM - местного анестетика для поверхностной анестезии. Лекарственный препарат с таким составом способен быстрее проникать через поверхность кожи, чем при применении каждого из компонентов по отдельности [20, 21]. При этом указывается, что в данном случае при образовании эвтектики изменений в молекулярной ориентации молекул методом инфракрасного спектроскопического анализа не было выявлено.
Были предприняты попытки с использованием математической модели и экспериментальных данных связать температуру плавления лекарственного вещества со способностью проникать через ткани человека, пытаясь этим самым объяснить, что именно по этой причине эвтектики более легко проникают через поверхность кожи и других оболочек [22, 23]. Согласно теории идеальных растворов, понижение температуры плавления вещества увеличивает его растворимость в любых растворителях, включая кожные липиды, однако эта растворимость в эвтектическом соотношении принимает аномально высокие значения, которые не вписываются в данную теорию.
В работе [24] изучено образование эвтектической системы между ибупрофеном и углеводородами терпенового ряда. Установлено, что данные системы имеют повышенную биодоступность при проникновении через кожу. Проникновение ибупрофена через человеческие эпидермальные мембраны из эвтектической системы измерялось и сравнивались со способностью к проникновению через кожу водных растворов углеводородов терпенового ряда. Каждый набор эвтектической системы «ибупрофен-терпен» образовывал значительные увеличения в проникновении через оболочки по сравнению с водными растворами терпенов. Например, система ибупрофен - тимол 40:60 % по массе имела проницаемость 150 мг/(см2ч), что в 5,9 раз больше насыщенного водного раствора с тимолом в случае предварительно обработанной кожи и 12,7 раз для кожи, предварительно необработанной. Состав и температура плавления эвтектики в данном случае определялись экспериментально при помощи ДСК и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье для определения природы взаимодействия. Инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием показала, что только терпены, которые образуют водородные связи с ибупрофеном, могут образовывать эвтектические системы.
Эвтектические системы применяют при изготовлении лекарственных препаратов ибупрофена с участием полоксамера 188 (BASF) и ментола [25]. В работе показано, что при использовании ибупрофена в эвтектическом соотношении с указанным веществом биодоступность его повышается.
Статья [26] посвящена «явлениям, проходящим в смеси салициламид — парацетамол, которая обладает аномальными значениями растворимости». Установлено, что изучаемая бинарная система салициламид — парацетамол относится к эвтектическому типу физико-химического взаимодействия. Показано, что «с увеличением содержания в системе парацетамола наблюдается повышение растворимости и скорости растворения салициламида с максимумами для эвтектического состава». Также показано, «что растворимость и скорость растворения парацетамола с увеличением в смеси доли салицила-мида понижаются с небольшим относительным максимумом этих показателей для эвтектического состава».
Разработка программного обеспечения
Основным методом поиска эвтектических точек является построение фазовых диаграмм на основе данных, полученных при помощи дифференциального термического анализа (ДТА) или дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Кроме того, эвтектическая система может быть дополнительно изучена методами высокотемпературной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, термическим гравиметрическим анализом, и др.
К плюсам экспериментальных методов нахождения эвтектической точки можно отнести наглядность работы – результат нагляден и не возникает сомнений, что система данных веществ является простой эвтектической. Экспериментальные методы построения основаны на проведении трудоемкой работы по исследованию температуры плавления твердых дисперсных систем с максимальным количеством возможных соотношений концентраций. Это необходимо для более точного экспериментального нахождения точки эвтектики. Трудоемкость экспериментальных методов заключается в большом количестве опытов, в обязательности их выполнения неоднократно. Кроме того, точность экспериментальных методов зависит от качества оборудования. Тем не менее, эта работа интенсивно ведется во всех промышлен-14 но развитых странах. Постановка опыта дает непосредственный результат, но требует, помимо больших затрат труда, также значительных затрат средств и материалов. Процесс сильно растянут во времени. Часто от начала серии опытов до ее завершения проходят месяцы или годы, особенно для систем с числом компонентов от пяти и выше.
Несомненно, что опыт является основным источником наших знаний о свойствах веществ и процессах, однако необходимо тщательно оценивать, действительно ли в данном конкретном случае требуется постановка новых опытов, или в нашем распоряжении уже имеется достаточно экспериментального материала и надо лишь суметь извлечь из него необходимые сведения. На рисунке 1.2 приведены ДСК кривые физических смесей и твердых дисперсий при различных концентрациях карбамазепина [29], выраженных в массовых долях. Аналогичным образом методом ДСК исследовано множество твердых дисперсных лекарственных систем с участием ибупрофена [25], холестерина [30], парацетамола [27, 31], салициламида, мочевины, пирацета-ма, кофеина, аминокапроновой кислоты, анестезина [32] и др.
Эвтектика может образовываться только в твердых дисперсиях. Причем эвтектический тип взаимодействия – далеко не единственный в таких системах. Что касается приготовления эвтектик, то в работе [29] сообщается, что эвтектическая смесь может быть приготовлена простым растиранием компонентов в ступке, а затем медленным расплавлением приготовленной смеси и медленным охлаждением. Второй вариант – это раздельное плавление компонентов и дальнейшее их смешивание в жидком состоянии. Известен также третий вариант – смешивание компонентов в ступке с добавлением небольшого количества растворителя. Рис.1.2. а) ДСК кривые физических смесей при различных концентрациях карбамазепина, выраженных в массовых долях (%): (1) 2.5; (2) 5; (3) 7.5; (4) 20; (5) 50; (6) 70; (7) 80; (8) 90; б) ДСК кривые медленно охлаждаемой твердой дисперсии при различных концентрациях карбамазепина, выраженных в массовых долях (%): (1) 2.5; (2) 5; (3) 7.5; (4) 17.5; (7) 20; (8) 30; (9) 40; (10) 50; (11) 60; (12) 70; (13) 80; (14) 90 [33] Калориметрические измерения смесей проводятся обычно со скоростью нагрева 10 С/мин в атмосфере азота с целью предотвращения окислительных реакций [32]. Вес образцов варьируют от 2,5 до 15 мг в зависимости от чувствительности используемого ДСК-прибора и исследуемого вещества [32, 34]. На рисунке 1.3 приведена графическая зависимость формы ДСК-кривой (температур начала плавления, середины пика и конца плавления) от массы образца. На рисунке 1.4 показано отличие пика плавления индивидуального вещества от пика плавления эвтектической смеси и твердого раствора [34, 35]. Рис.1.3. Влияние массы образца на форму пика ДСК-кривой, Тon – температура начала плавления, Tmax - температура максимума пика, Tend – температура конца плавления. Рис.1.4. Типичные формы ДСК-кривых для а) чистого вещества, b) эвтектической смеси, с) твердого раствора (Tm - температура плавления, To - температура начала плавления, Teu - температура плавления эвтектики, Tp – температура пика, Нf – энтальпия плавления)
Рентгеновская дифрактометрия (рентгенофазовый, рентгенострук-турный анализ) применяется при исследовании эвтектик лекарственных веществ с целью изучения их кристаллической структуры. Данный метод позволяет также определить качественный состав образца и исследовать его текстуру. При помощи данного метода можно распознать относится ли смесь к физическим смесям или к твердым дисперсиям [29]. Примеры профилей рентгеновских дифрактограмм физических смесей и твердых дисперсий при различных концентрациях карбамазепина приведены на рисунке 1.5. Рис. 1.5. Профили рентгеновской дифрактометрии некоторых физических смесей (А) и твердых дисперсий (Б) при различных концентрациях карбамазепина, выраженных в массовых долях (%)
Для определения температур и составов эвтектик выведено множество уравнений. Большинство из них эмпирического характера и могут использоваться лишь для определенного класса соединений. Рассмотрим методы определения эвтектических точек, применимые к органическим системам, не рассматривая методы определения эвтектических характеристик по зависимостям «гомолог – свойство», что при изучении лекарственных веществ не всегда является целесообразным, поскольку лекарственные вещества чаще всего не принадлежат конкретной гомологической группе, а принадлежат различным классам соединений.
Для нахождения точки эвтектики широко используется уравнение Шредера – Ле-Шателье [26, 36, 37], который рассматривает систему как идеальную: ІПХ: Л# R (1.1), где AH0 - энтальпия плавления чистого компонента, Т0 - измеряемая температура плавления чистого компонента, Т - точка плавления, х - мольная доля одного из компонентов в жидком виде.
Исследование индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ, входящих в состав двойных эвтектик
Методика экспериментального исследования заключалась в следующем. Образцы взвешивались на аналитических весах «Shimadzu» AUW 120D с точностью до 0,05 мг, а затем на специальном приспособлении запрессовывались в алюминиевые контейнеры, предварительно обезжиренные этиловым спиртом. Программированный нагрев образцов проводили в атмосфере воздуха. Исследуемые образцы индивидуальных веществ были предоставлены кафедрой фармацевтической химии Самарского государственного медицинского университета, отвечали всем требованиям нормативной документации и были дополнительно очищены методом перекристаллизации. Контроль за их чистотой осуществлялся по постоянству температур плавления, определяемой методом ДСК после двух последних перекристаллизаций.
Для получения экспериментальных данных по температурам и тепло-там плавления эвтектик образцы смесей формировали с шагом 15 – 5 % мол. в полном диапазоне концентраций. При обнаружении состояния, близкого к эвтектическому, исследовали составы с шагом концентрации 2 – 0,5 мол. %. Составы готовили путем растирания в ступке расчетных количеств компонентов в присутствии небольшого количества спирта до его полного испарения. Термические исследования систем проводили в режиме нагревания в интервале температур от 20 до 200 – 250 С, скорость нагревания составляла 4 – 8 С/мин. Масса навески опытных образцов смесей варьировали от 10 до 20 мг, индивидуальных веществ 4 – 15 мг. Эталоном служил такой же алюминиевый контейнер с навеской оксида алюминия, равной по массе исследуемому образцу. Измерения проводили в атмосферных условиях. 3.2.3 Определение температур плавления
Температура плавления – это температура, при которой твердая и жидкая фаза одного вещества находится в равновесии при внешнем давлении 1 атм. Температуру плавления Тon определяли в соответствии со стандартом ASTM E794 – 06 (2012) как точку на термограмме, соответствующую пересечению касательной, проведенной к фронтальной части пика плавления, и базовой линии в координатах «дифференциальная температура-время» (рис. 3.5) [138].
Определение температуры плавления по стандарту ASTM E794 – 06 (2012)
На рисунке 3.6 [139] изображены пики олова и индия, по которым проходила калибровка, и кофеина. Эти пики были получены в последовательных опытах и впоследствии совмещены на одном графике. Кофеин и олово плавятся при близких температурах и, благодаря этому, характеристики кофеина легко соотносить с реперным веществом и определять их максимально достоверно. Рис.3.6. Совмещенные термические кривые кофеина и калибровочных образцов индия, олова
Помимо энтальпии плавления индивидуальных веществ нами также были рассчитаны энтропии плавления. Энтропия плавления – это важное физическое свойство вещества, находящегося в твердом состоянии. Значение энтропии плавления связано со способностью вещества к растворимости в растворителях, а кроме того характеризует «укладку» молекул в кристаллах. Все значения энтропий плавления также приведены в таблице 3.5.
В данной работе энтропия плавления исследуемых веществ была найдена двумя способами: путем расчета по методу Чикоса [128-129] и с использованием полученных нами экспериментальных данных по следующей формуле [131]: A„S = (2.16). В таблице 3.6 приведены характеристики молекул (виды связей, количества связей, величины вкладов) для расчета энтропий и энтальпий плавления по аддитивному методу Чикоса [128-129]. Расчет по методу Чикоса для следующих молекул выглядит следующим образом:
В данной работе также изучалось поведение индивидуальных веществ при термоциклировании, а именно воспроизводимость пика плавления после второго и третьего проплавления. Воспроизводимость при термоциклирова-нии позволяет дать рекомендации для очистки лекарственного вещества ме-78 тодом зонной плавки, который был не раз предложен [141] как высокоэффективный способ очистки органических веществ. Одним из требований для проведения процесса очистки зонной плавкой является стабильность вещества при термоциклировании, то есть сохранность его структуры.
При термоциклировании нагревание образца проводили от температуры 30 С до окончания плавления и в некоторых случаях еще порядка 10-15 С. Затем нагревание останавливали и охлаждали образец до 30 С, после – нагревали вновь. Процесс повторяли до тех пор, пока не будет выявлен конкретный характер поведения образца. Эксперимент проводили в алюминиевых тиглях в атмосфере воздуха. По результатам проведенного эксперимента все вещества были разделены на две группы: 1 – вещества, пики плавления которых воспроизводятся при термоциклировании и 2 – вещества с невоспроизводимыми пиками плавления.
Вещества с воспроизводимыми пиками плавления - биологически активные и лекарственные вещества, которые при многократном переплавлении в атмосфере воздуха не меняют формы своего пика, а значит при плавлении не разлагаются и не загрязняются продуктами разложения, встречаются редко.
Среди объектов настоящей работы к таким веществам следует прежде всего отнести метронидазол (рис. 3.8), пирацетам и стрептоцид. Эти вещества при их соответствии также другим критериям процесса можно очищать методом зонной плавки даже в атмосфере воздуха. На рисунке 3.9 изображены пики плавления кофеина. Кофеин при плавлении не разлагается, однако при недостаточной герметизации тигля может испаряться.
Система сульфаметоксазол-триметоприм
Важным показателем эвтектических систем является стабильность систем при хранении. Только что приготовленные составы с эвтектическими концентрациями компонентов имеют единственный симметричный пик плавления.
Эвтектический состав системы метронидазол-кларитромицин, несмотря на сложное строение веществ, имеет высокую сохранность и пик плавления эвтектики воспроизводится без изменения через год хранения. Кларит-97 ромицин как индивидуальное вещество при хранении загрязняется продуктами разложения, однако в сочетании с метронидазолом образует систему с хорошей стабильностью при хранении.
К составам с хорошей воспроизводимостью пика плавления после хранения также относится эвтектика системы карбамид-триметоприм, пик плавления которой воспроизводится без изменений даже спустя два года. Таким образом система, состоящая из двух веществ с хорошей сохранностью, также обладает хорошей сохранностью. Эвтектические составы систем с участием сульфаметоксазола: сульфаметоксазол - триметоприм, сульфаметоксазол -карбамид, сульфаметоксазол - никодин после хранения в течение двух лет не воспроизводят пики эвтектического плавления с той же точностью, что может быть связано, например, с образованием из данного состава физической смеси той же концентрации. Практически не подвержена изменению эвтектика сульфаметоксазола с никодином.
На рисунке 3.31 изображена часть термической кривой, а именно пик плавления эвтектики системы сульфаметоксазол-мочевина массой 10,40 мг со сроком хранения 2 года, полученной при скорости сканирования 8 К/мин.
Рис. 3.31. Пик плавления эвтектики системы сульфаметоксазол-мочевина массой 10,40 мг со сроком хранения 2 года, скорость нагрева 8 К/мин. Из рисунка видно, что пик плавления изменяется несильно, о том же говорит энтальпия плавления системы после хранения, изменение величины которой находится в пределах погрешности, однако изменения в форме пика заметны визуально. На рисунке 3.32 изображен пик плавления эвтектики системы «сульфаметоксазол-триметоприм» массой 8,48 мг со сроком хранения 2 года, полученный при скорости сканирования 8 К/мин.
Пик плавления эвтектики системы сульфаметоксазол-триметоприм массой 8,48 мг со сроком хранения 2 года, скорость сканирования 8 К/мин.
Из рисунка видно, что при хранении пик плавления видоизменяется, образуя «плечо» второго пика. Такая картина часто возникает у систем, составы которых близки к эвтектическим, поэтому можно сделать предварительный вывод, что состав системы изменяется при хранении. Рентгенофазо-вый анализ вышеописанных систем с хранением со сроком хранения показал отсутствие твердых растворов и иных веществ с долей более 2% (предел погрешности измерений метода) в данных системах
Состав метронидазол - кларитромицин в мольном соотношении 50:50 относится к разряду так называемых «доэвтектических» составов. В данном составе присутствует эвтектика в весьма существенных количествах, но данная концентрация не является эвтектической, так как наблюдается избыток кларитромицина, судя по наличию третьего пика (первый пик – полиморфизм, второй и третий - плавления). ДСК-термограммы для составов метро-нидазол - кларитромицин 70:30 и 80:20 продолжают тенденцию, отмеченную для первой термограммы, т.е. типичную для «доэвтектических» составов. Здесь отчётливо видно постепенное увеличение площадей вторых (эвтектических) пиков и соответственное уменьшение интенсивностей и площадей третьих пиков в представленных диаграммах.
ДСК-кривая для состава 89:11 мол или 64,9:35,1 мас. % отвечает эвтектическому (или нонвариантному) составу исследуемой системы метронида-зол – кларитромицин. Пик этого состава является наибольшим по площади при примерно равных величинах масс образцов, взятых для сканирования при получении сравниваемых ДСК-термограмм и симметричным, без перегибов. Именно так обычно себя ведёт эвтектика в чистом виде без присутствия в составе в избытке как первого, так и второго компонентов бинарной конденсированной системы, кроме того их количества, которое входит в состав межмолекулярного образования, каким является эвтектика.
По температурам плавления эвтектики и компонентов была построена фазовая диаграмма системы, которая приведена на рис. 4.2. Построенная фазовая диаграмма говорит о том, что исследуемая система – эвтектического типа. Максимальная кривая моновариантных равновесий принадлежит кла-ритромицину. Однако фазовое поведение данной системы незначительно отклоняется от идеального. Мольная доля 1-го компонента, % Рис. 4.2. Фазовая диаграмма двойной системы метронидазол-кларитромицин, построенная по расчетным () и экспериментальным (-) данным
Кроме того, нами была предпринята попытка выяснить эвтектический состав системы путем построения треугольника Таммана [52, 53], в котором строится зависимость энтальпии плавления эвтектики от состава системы. По линиям пересечения различных составов системы можно найти состав точки эвтектики. На рисунке 4.3 представлен треугольник Таммана для системы метронидазол-кларитромицин и выявлен эвтектический состав 64 % масс, что примерно соответствует найденному экспериментально значению 89% мол.
