Оптимизация исследования двойных эвтектических систем из лекарственных и биологически активных веществ методом ДСК тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ
|
Агафонова, Евгения Вячеславовна
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Самара
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2014
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Агафонова Евгения Вячеславовна
ОПТИМИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВОЙНЫХ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗ ЛЕКАРСТВЕННЫХ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ДСК
02.00.04 - Физическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Самара-2014
005553247
Работа выполнена иа кафедре "Радиотехнические устройства" федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".
Научный руководитель: Мощенский Юрий Васильевич
доктор химических паук, профессор Официальные оппоненты: Платонов Игорь Артемьевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химии ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» Мания Алексей Николаевич кандидат химических наук, научный сотрудник ФГБУН «Институт химии растворов им. Г. А. Крестова РАН» Ведущая организация: Национальный исследовательский
Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, г. Саратов
Защита состоится «16» сентября 2014 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.217.05 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская, 244, ауд. 200.
Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г.Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.05; тел./факс. (846) 3335255 Q-mail: kinterm@samgtu.ru. В отзыве просим указывать почтовый адрес, номер телефона, электронную почту, наименование организации и должность.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18) и на сайте диссертационного совета Д 212.217.05 ЬйЕ^ШЩШатвЁШ.
Автореферат разослан «JJ.» ¿Cf6JiiL 2014 г. Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.217.05
кандидат химических наук, доцент /А1- '•■> B.C. Саркисова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 а 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 бнодоступности 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 в 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 ДОС 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 расчетнскэкспериментальным 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 11ССТ-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 "иССЬТ-2011-МКХТ", Москва РХТУ им. Менделеева, 2011; Молодежной конференции «Международный год химии», Казань, 2011; Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в об-
з
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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена аналитическому обзору по расчетным, экспериментальным и расчетно-экспериментальным методам исследования эвтектик, определения температур, энтальпий и энтропий плавления и составов эвтектик в простых эвтектических системах, описаны основные физико-химические свойства и особенности эвтектик, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ. Отмечены преимущества применения расчетно-экспериментальных методов при исследовании эвтектических систем.
Во второй части разработан алгоритм расчетно-экспериментального метода «оптимизации состава» для нахождения эвтектической точки двойных систем простого эвтектического типа, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ. В его основе лежит определение эвтектического состава исходя из определения характеристик не пика кристаллизации, а из пика плавления индивидуального вещества, плавящегося отдельно после плавления эвтектики. Отличием предлагаемого нами метода также является его использование для первичного исследования составов, наиболее далеких от эвтектического соотношения, когда пики максимально удалены друг от друга, и их разделение практически не вызывает проблем. В тех случаях, когда пики накладывались друг на друга, разделение пиков осуществляли с учетом тепловой инер-
ционности системы и зависимости формы регистрируемого процесса от температуры.
Рис. 1. Алгоритм исследования системы двух веществ, образующих систему с простой эвтектикой.
Таким образом, предлагаемый нами метод, в отличие от известных, во-первых, предполагает использование процесса плавления, а не кристаллизации при нахождении эвтектической точки. Во-вторых, при разделении сливающих-
ся пиков учитывается влияние изменения условий теплообмена с ростом температуры. На рисунке 1 изображен алгоритм исследования систем с использованием метода «оптимизации состава». В основе алгоритма лежит процедура разделения пиков доэвтектического или заэвтектического состава. От способа и качества разделения пиков в наибольшей степени зависит измеренная теплота плавления индивидуального вещества, а значит и определенная масса индивидуального вещества.
Перенос восходящей части второго пика для разделения сливающихся пиков не всегда является точным в связи с изменением тыльной части пика с увеличением температуры. С увеличением температуры теплообмен в нагревательной печи увеличивается по закону Стефана-Больцмана, система становится менее инерционной, и, так называемая тыльная часть эндотермического пика приобретает менее пологий вид (рис. 2, 3), что необходимо учитывать при разделении пиков. Кроме того, форма тыльной части пика зависит от массы навески и скорости нагрева. Все вышесказанное также относится и к фронтальной части термической кривой второго пика, сливающегося с первым.
130 230
Температура. °С
Температура, °С
Рис.2. Схематическое изображение зависимости ширины тыльной части калориметрического пика от температуры плавления.
Рис. 3. График зависимости длительности спада пика плавления от температуры системы при одинаковой массе и скорости нагрева.
Расчетная часть алгоритма начинается с определения массы второго вещества, находящегося в избытке и давшего пик плавления после эвтектического (рис.4). Площадь пика после интегрирования может быть выражена в интегральных единицах теплоты (ед. АЦП — единицах аналого-цифрового преобразования) как общая площадь. Исходя из калибровки по тепловому потоку и калибровочного коэффициента К для данных условий определяем площади пиков в(Дж):.
5т{Дж) = К-8та{АЦЩ
>
где К - калибровочный коэффициент, Дж/ед. АЦП;
Зпжа (АЦП) _ Ш10щадь пика> ед АЦГ1.
Площадь иика плавления индивидуального вещества, выраженная в Дж равна интегральной энтальпии плавления индивидуального вещества, умноженной на его массу гптВ:
1
! ^ V ч /
2 \ /"Ч
1 ! з
ЭН»0
84 125
Температура, °С
Рис. 5. Термические кривые системы сульфаметоксазол-триметоприм с содержанием сульфаметоксазола 20 (1), 40 (2), 60 (3) мол %.
Рис.4. Термические кривые системы аспирин-пирацетам массой 20,8 мг с содержанием аспирина 20 масс %: эвтектический пик (1), полиморфизма (2), пик плавления индивидуального вещества
(3);
Далее определяем массу избытка индивидуально плавящегося компонента, исходя из стандартной энтальпии плавления индивидуального вещества и площади пика. Особый интерес представляет как изменение энтальпии плавления индивидуально плавящегося вещества, так и изменение энтальпии плавления эвтектики при варьировании состава системы. Что касается первого, при выполнении данной работы было сделано допущение, что с изменением состава системы энтальпия плавления отдельно плавящегося компонента не метается. Данное допущение было основано на работах по определению чистоты индивидуальных веществ криоскопическим методом, где говорится о неизменности энтальпии плавления индивидуально плавящегося загрязненного вещества в отличие от изменения его температуры плавления. Изменение температуры плавления в данном случае не влияет на результат эксперимента или расчета.
Тогда масса смеси, пошедшая на образование эвтектики, давшей 1-й пик плавления, составляет:
тс»~тиз6.
Масса вещества (в мг), полностью израсходованного на образование эвтектики определяется через массовую долю Х| этого вещества в составе смеси:
Щ = тс,Х\
Масса второго вещества в составе эвтектики равна разности массы этого вещества в смеси и как вещества-избытка, давшего отдельный пик плавления:
т2 =тЖт '1П2
Тогда массовая доля компонентов в составе эвтектики находится следующим образом:
т,
В данной главе также описано разработанное в работе программное обеспечение ББС-ЕСак 1.0-2.0, предназначенное для расчета свойств как индивидуальных веществ, так и в составе смесей.
Глава третья посвящена экспериментальному и расчетно-экспериментальному исследованию индивидуальных веществ и их двойных систем. В таблице 1 приведены объекты исследования - индивидуальные вещества, составляющие эвтектики и их интегральная чистота, выраженная в % мол.
Таблица 1.
Объекты исследования и их чистота
Вещество, степень чистоты Формула Вещество, степень чистоты Формула
нбупрофеп а-метил-4-(2-метилпропил) бензойная кислота > 98 % ннКН»* О И^С пикоднн > 98 % он
кофенн 3,7-дигидро-1,3,7-триметил-1 Ь-пурип-2,6-диоп > 99 % и РНз сн3 фенобарбитал 5-этил-5-фенил барбитуровая кислота > 98 % Ос Н
парацетамол п-ацетил-4-ашгаофепол >98% ; стрептоцид 4- аминобензолсульфамид > 99 % О ^—'
пирацетам 2-оксо-1 -пирролидин Ацетамид >98% о мн2 метронидазол 1 -(2-гидроксиэтил)-2-метил-5-шггроимидазол > 99 % ОН ^ .9 НзС-^ч^. 3 V // '0 N —'
карбамид мочевипа > 99 % мн2 пентоксифиллип 3,7-дигидро-3,7-диметил-1-(5-оксогексил)-1 Ь-пурин-2,6-дион > 99 % сн, о гн х и р ! ° Л'> сн3
анестезин 4-аминобензойной кислоты этиловый эфир > 98 % /— о ^-' нзС метилурацил диоксометил тетрагидропиримидшг > 98 % 0 11 НН ГШ
сульфадимидин 4,6-диметил-2-сульфаниламидопири-мидин > 99 % 0 ■ НзС-// СИ, иидометашш > 99 % он
салицнламид 2-гидрокси Бензамид > 98 % НО УЬ фуросемид 4-хлоро-п-фурфурол-5-сульфамойлантранило-вая кислота > 99 % 3 О он
сульфамстоксазол 5-метил-З- сульфаниламидоизокса-зол > 99 % V аспирин 2-ацетилокси бензойная кислота > 99 % О ОН
триметоприм 2,4-диамино-5-(3',4',5'-триметокси бепзил)-пиримидин > 99 % "Ъопх °-сн3 ацикловир 9-(2- гидроксиэтоксиме-тил)гуанин > 99 % ом г" г° т и -> С-
кларитромпцин > 99 % 1 1 — ..
Большой разброс в характеристиках плавления индивидуальных веществ (табл. 2) привел нас к необходимости их исследования ка калориметре теплового потока ДСК-500. Результаты измерений и расчетов вместе с литературными данными приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Термические и термодинамические свойства индивидуальных веществ
Вещество t °Г ДтН°, кДж/моль AmS°, Дж/(моль-К) А, К"1
Литер Эксп. Литер Эксп.
кофеин 230-239 235,5 19,86-27,65 19,6 38,5 0,009116
ибупрофен 47-86 75,8 24,88-27,80 25,6 79,2 0,025300
пирацетам 138-153 151,6 - 28,1 66,2 0,018743
фенобарбитал 169-175 171 21,90-27,80 27,9 62,8 0,017000
сульфометоксазол 166-171 169,3 33,76 31,1 70,2 0,019117
сульфадимидин 175-197 197,1 39,22 34,7 73,8 0,018883
парацетамол 164-170 170 27,10-27,85 27,5 62,1 0,016859
индометацин 152-162 158,4 13,40-35,40 35,4 82,0 0,022875
пентоксифиллин 104-106 104,5 - 49,8 131,8 0,041994
метронидазол 156-161 159,5 - 36,1 83,5 0,023228
стрептоцид 161-167 165,1 23,28 22,1 50,5 0,013861
метилурацил 275-326 321,0 - 33,0 55,6 0,011264
карбамид 110-135 133,0 12,93-14,53 16,5 40,7 0,012046
фуросемид 203-221 207* - разл - -
аспирин 112-141 129 19,28 34,3 85,2 0,025497
ацикловир 225-253 250,0* 26,86-30,44 разл - -
триметоприм 196-203 198,0 34,47 38,5 81,7 0,020871
никодин 141-149 153,0 - 32,9 77,1 0,021801
югаритромицин 220-228 225,7 49,29 60,8 91,2 0,021991
салициламид 136-144 140 27,40-29,00 - 70,2 0,020445
анестезии 76-94 88 26,57 23,6 64,7 0,021391
Методика экспериментального исследования индивидуальных веществ заключалась в следующем. Образцы взвешивались на аналитических весах «Shimadzu» AUW 120D с точностью до 0,05 мг, а затем на специальном при-
способлении запрессовывались в алюминиевые контейнеры, предварительно обезжиренные в этиловом спирте. 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. Термические исследования проводили в режиме нагревания в интервале температур от 20 до 200 - 250 °С, скорость нагревания составляла 4 — 8 °С/мин. Масса навески опытных образцов 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. Энтропия плавления (выраженная в Дж/(моль-К)) рассчитывалась по формуле:
. га А„Н° Ат5 --.
Таблица 3.
Двойные системы с простой эвтектикой, исследованные расче гно-_экспериментальным методом «оптимизации состава»_
Качественный состав системы Хь масс* У, %б Х|е, масс %' Д, масс %г
1 парацетамол - карбамид 85 0,08 54 2,2
2 парацетамол - пирацетам 90 0,04 48 1.5
3 кофеин - пирацетам 90 0,00 12 1,40
4 анестезин - пирацетам 90 0,00 65 2,30
5 салициламид - карбамид 90 0,08 68 1,10
6 салициламид - парацетамол 95 0,05 58 1,60
7 кофеин - парацетамол 15 0,06 51 2,90
,8 кофеин - салициламид 80 0,11 30 2,00
;9 ибупрофен - мочевина 10 0,12 88 2,70
¡10 ибупрофеп - пирацетам 10 0,00 75 2,10
;11 аспирин - пирацетам 20 0,00 62,8 1,20
12 | парацетамол - фенобарбитал 10 0,09 42,0 3,86
113 | сульфаметоксазол - триметоприм 8.8 0,05 59,0 2,00
!14 метронидазол - кларитромицин 50 0,10 66 1,10
I15 сульфаметоксазол - карбамид 80 0,03 70 2,12
¡16 сульфаметоксазол - никодин 80 0,04 56 2,64
117 триметоприм - карбамид 80 0,06 39 1,58
Примечание:" - массовая доля первого компонента в системе; - степень перекрывания пиков; в - массовая доля первого компонента в эвтектике;г - разница между полученными экспериментальным и экспериментально-расчетпым способом значениями массовой доли.
Первая криоскопияеская константа рассчитывалась по формуле:
„ AJtf0 А= т , RT2 '
m
где R — универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль-К).
Для получения экспериментальных данных по температурам и теплотам 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 бинарных 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 составляла от 10 до 20 мг. В таблице 3 представлены двойные системы с простой эвтектикой, исследованные расчетно-экспериментальным методом «оптимизации состава» и приведено сравнение составов эвтектик, найденных предложенным расчетно-экспериментальным методом «оптимизации состава» и экспериментальным. В качестве исследуемого состава выбирался состав, максимально далекий от найденного по методу Шредера-Ле Шателье, но достаточный для того, чтобы энтальпия плавления индивидуального вещества была определена с наименьшей погрешностью, состав.
В четвертой главе проведен сравнительный анализ предложенного расчет-но-экспериментального метода «оптимизации состава» с известными. Из таблицы 4 Видно, что для большинства эвтектик имеются значительные расхождения в свойствах (выделено серым цветом), определенных расчетным и экспериментальным методами. Расчетный метод с использованием разработанной программы является самым быстрым методом, однако большей точностью обладает экспериментальный метод. Наиболее очевидно расхождение между экспериментальными и расчетными данными при определении состава эвтектики. В этом случае максимальная абсолютная разница между полученными экспериментально и расчетными данными для исследуемых систем составляет 34,5 мол %. Данная погрешность является значительной и может служить причиной отказа от использования расчетного метода как единственного метода определения состава эвтектики.
Что касается определения температуры плавления эвтектики по методу Шредера-Ле Шателье, то он также имеет свои ограничения, поскольку наличие полиморфизма как в до-, так и в заэвтектической области заметно сказывается
на изменения не только состава эвтектики, но и ее температуры плавления. На данный момент в литературе имеются уравнения для прогнозирования температуры плавления эвтектики, однако для их использования необходимо с достаточной точностью определять полиморфные характеристики индивидуальных веществ, составляющих эвтектику. Разница между экспериментальным и расчетным значением при определении температуры плавления эвтектики для исследуемых соединений может составлять от -21 до +38 °С, что также является чрезвычайно высокой погрешностью при определении температуры расчетным методом.
Определение энтальпии плавления эвтектики осуществляли по аддитивному закону. Для четырех из пяти исследуемых систем были выявлены чрезвычайно высокие значения погрешности между экспериментальным и расчетным методами. Последнее можно объяснить дополнительным вкладом энтальпии смешения при образовании системы. Расчет энтальпии смешения через коэффициенты активности индивидуальных веществ, составляющих систему, достаточно сложен и требует введения значительных поправок даже для гомологов, например, алканов. Для рядов веществ не являющихся гомологами, и более сложных по своему строению и свойствам лекарственных и биологически активных веществ, данный метод с расчетом коэффициентов активности практически не применим или применим с большими сложностями и затратами.
Таким образом показано, что расчетный метод, основанный на методике Шредера-Ле Шателье, не может быть применим отдельно от других, уточняющих его, методов для определения эвтектических характеристик.
Экспериментальный метод является самым точным и достоверным, однако для определения эвтектической точки или построения фазовой диаграммы даже простой эвтектической системы необходимы достаточно большие затраты времени. Для построения фазовой диаграммы бинарной системы с достаточной точностью необходимо определение как минимум десяти экспериментальных точек в лучшем случае, а, значит, приготовление как минимум десяти составов системы. Реально же для более точного определения эвтектического состава при приближении к нему необходимо сужать интервал исследования до 1-0,5 мол %, что существенно повышает не только временные, но и материальные затраты, связанные с расходом веществ, зачастую являющихся достаточно дорогими. Время исследования системы складывается из времени приготовления составов для исследования и из времени собственно калориметрического исследования. При исследовании на калориметре ДСК-500 при скорости нагрева 4-8 °С /мин квалифицированное исследование одного состава и обработка результатов занимает один-два дня. А в особых случаях, когда требуется умень-
шить скорости нагрева (до 0,5 °С /мин) и массы навески (до 1 мг), определение одной точки может осуществляться гораздо дольше.
Таблица 4.
Характеристики эвтектик, найденные расчетным и экспериментальным
способами ______
Содержание, % ! мол. 1,°С ДтН°, Дж/г
Экс ! п \ Рас- | чет ! А Эксп Расчет Д Эксп Расчет д
парацетамол -карбамид 30 28,7 ь 1,3 1 >'■ - * 226,6 -
парацетамол -пирацетам 45 | 42,1 ! 2,9 | 107 124.3 М7.3 190.4 -
кофеин -пирацетам г, [:.о,5 • -22,5 П47 133 3 2 - 187,4 -
анестезин -пирацетам 64 _ 34.5 80 41,8 . 3 П - 160,6 -
салициламид -карбамид 47 37.7 | из 97,2 15.8 - 232,4 -
салициламид -парацетамол 62 62,8 -0.8 1 х • 118,5 5 5 - 199,6 -
кофеин -парацетамол 42 "•141 145,4 -4,4 - 142,9 -
кофеин -салициламид 25 27,2 -2,2 131 ¿9 - 176,0 -
ибупрофен -мочевина 74: 65 Н ■Г 9т ШЭД -19.9 65 60 5,0 - 138,1 -
ибупрофен-пирацетам « 72 69,6 2,4 - 144,0 -
аспирин -пирацетам 58,4 ...... 58,7 -0,3 ШЛ 1 -21,1: - 192,9 -
парацетамол -фенобарбитал 56-,5 ¡50,4 м ¡133.3 П,7 - 148,5 ШВДТО__
сульфаметоксазол -триметоприм 60 67,5 -7,5 153.0 149,6 3,4 126.5 1.!
метронидазол -кларитромицин 89 18 ! 84,85 ■В 4,15 155,2 152,55 2,65 189,8 194,6 -4,8
сульфаметоксазол -карбамид ■П.б 107 109 -2 ! 234,9 ищ
сульфаметоксазол -никояии 46 42,8 3,2 132,3 128,8 ! Щ 3,5 151.6 ШьШшЩШ. ХАЙ ---- -21.4'-
триметоприм -карбамид 11 114,4 -3,4 ¡128.7 [123,1 • 12 1*1.9 ! < •
Таким образом, возникла необходимость в разработке и апробации на исследуемых системах экспрессного расчетно-экспериментального метода определения эвтектических характеристик (состава, температуры и энтальпии плав-
ления) с целью уменьшения времени материальных и трудозатрат, не снижая точности эксперимента.
Температура плавления эвтектики системы метронидазол-кларитромицин составила 155,2 °С, и она не менялась при варьировании состава системы. Состав метронидазол - кларитромицин в мольном соотношении 50:50 относится к разряду так называемых «доэвтектических» составов. В данном составе присутствует эвтектический состав в весьма существенных количествах, но данная концентрация не является эвтектической, так как наблюдается избыток кларит-ромицина, судя по наличию третьего пика (первый пик - полиморфизм, второй и третий - пики плавления). ДСК-термограммы для составов метронидазол -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 мае. % отвечает эвтектическому (или нонвариантному) составу исследуемой системы метронидазол -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 з избытке ни первого, ни второго из 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. 6. Построенная фазовая диаграмма говорит о том, что исследуемая система - эвтектического типа. Максимальная кривая моновариантных равновесий принадлежит кларитромицину. Однако фазовое поведение данной системы незначительно отклоняется от идеального.
Кроме того, нами была предпринята попытка выяснить эвтектический состав системы путем построения треугольника Таммана, в котором строится зависимость энтальпии плавления эвтектики от состава системы. И по линиям пересечения с различных составов системы можно найти состав точки эвтектики. На рисунке 7 представлен треугольник Таммана для системы метронидазол-кларитромицин, и выявлен эвтектический состав 64 % масс, что примерно соответствует найденному экспериментально значению 89 % мол.
Из всех систем с участием сульфаметоксазола система сульфаметоксазол-триметоприм наиболее сильно отличается от полученной из расчетных данных.
Вогнутость кривых ликвидуса можно объяснить тенденцией к расслоению системы. Система сульфаметоксазол-карбамид относится к простым эвтектическим системам. Фазовая диаграмма данной системы приведена на рисунке 8В. На рисунке 8Г показана фазовая диаграмма системы сульфаметоксазол-никодин. Из данного рисунка видно, что поведение кривой ликвидуса со стороны избытка сульфаметоксазола повторяет идеальную линию ликвидуса. Однако, для кривой ликвидуса системы со стороны никодина видно отклонение поведения системы от идеального, рассчитанного методом Шредера-Ле Шателье.
Линия кривой ликвидуса системы триметоприм-карбамид со стороны избытка триметоприма отвечает уравнению Шредера-Ле Шателье, однако с приближением по составу к эвтектической точке (найденной расчетно-экспериментальным способом), поведение системы отклоняется от идеального. Фазовые диаграммы систем, построенные экспериментальным методом, в целом, несильно отклоняются от теоретических. Однако, для системы сульфаметоксазол-триметоприм видна тенденция системы к расслоению.
Рис. б. Фазовая диаграмма двойной Рис. 7. Треугольник Таммана для системы
системы метронидазол-кларитромицин, метронидазол-кларитромицин.
построенная по расчетным (■••) и экспериментальным (-)данным.
Методом РФА (рис. 9) было показано отсутствие твердых растворов в изучаемых системах при составах, близких к эвтектическому и в эвтектическом. Рентгенофазовый анализ составов проводили на автоматизированном дифрак-тометре марки ARL X'trA (Thermo Scientific) с использованием Си-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов 20 от 20 до 80 град со скоростью 2 град/мин. Полученные спектры обрабатывали с помощью специального пакета прикладных программ WinXRD. Качественный фазовый анализ осуществляли сравнением набора экспериментальных межплоскостных расстояний
din со штрих-рентгенограммами базы данных Международного центра дифракционных данных ICDD PDF2.
Могши лоз», мо i
Рис. 8. Фазовые диаграммы двойных систем: А) триметоприм-сульфаметоксазол; Б) карбамид-сульфаметоксазол; В) триметоприм-карбамид; Г) никодин-сульфаметоксазол, построенные по расчетным (■••) и экспериментальным (-)данным.
i Í
it I
niú i/ ^ AWuJ^A^^J
MEt'MiiüezuHk-ífitfymtóri.!;
KJsriftomtcio.i;
Угол, ©, 0
Рис.9. Дифрактограммы сульфаметоксазола (верхняя), карбамида (нижняя) и их эвтектического состава (средняя линия).
Съемка рентгенограмм проведена в лаборатории "Рентгеновская дифрак-тометрия, сканирующая и зондовая микроскопия" Центра коллективного пользования "Исследование физико-химических свойств веществ и материалов" Самарского государственного технического университета..
На примере бинарной системы с участием лекарственных веществ сульфа-метоксазола и триметоприма, получены зависимости результатов эксперимента и расчета от выбора состава системы и степени разделения пиков (табл. 5). Показано, что максимальная погрешность между экспериментальным и расчетно-экспериментальным методом определения составляет 10 %.
Таблица 5.
Определение состава эвтектики методом «оптимизации состава» для различной
степени разделения пиков плавления
хсуж4>., мол % од 0,2 0,3 0,4 0,5
ЛплНдаб, ДЖ 2,255 1,376 1,123 0,778 0,207
Шизб, мг 17,01 10,38 8,47 5,87 1,56
те, мг 2,99 9,62 11,53 14,13 18,44
П^ЬЭВТ: Сульф. 1,77 3,58 5,44 7,35 9,32
МГ Трим. 1,23 6,04 6,09 6,78 9,12
ХЬэвт, Сульф. г 0,59 0,37 0,47 0,52 0,51
масс Трим, 0,41 0,63 0,53 0,48 0,49
Д, масс 0,02 -0,19 -0,10 -0,05 -0,06
У,% »0,05 ~5 «8 ~10 -10
В таблице 6 обобщены все погрешности и указаны их вклады в суммарную погрешность эксперимента. Из таблицы видно, что наибольшую погрешность в результаты эксперимента вносит инструментальная погрешность и погрешность воспроизводимости энтальпии плавления самого образца.
Таблица 6.
Обобщающая таблица: виды погрешностей и их вклады в суммарную
погрешность
Вклад погрешности Д, Дж/г <В/вдк ■100%б
Погрешность взвешивания 0,0441 0,1556 1,43
Погрешность ограничения шишны пика 0,0720 0,2522 2,31
Инструментальная погрешность, скорость нагрева, °С /мин 4 3,03 2,99 4,78 4,82 96,26
8 3.14 5.04
16 2,79 4,63
Всего: 3,1061 100
Примечание: ^ - суммарная погрешность, g£=100%; - доля от общей погрешности.
Нами также было изучено поведение индивидуальных веществ и систем, состав которых отвечал эвтектическому, при термоциклировании, а именно воспроизводимость пика плавления после вторичного и третичного проплавле-ния. Воспроизводимость при термоциклировании позволяет дать рекомендации для очистки лекарственного вещества методом зонной плавки, так как 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 с превышением температуры плавления на 10-15°С. Затем нагревание останавливали и охлаждали образец до 30°С, после чего нагревали вновь. Процесс повторяли до тех пор, пока не был выявлен конкретный характер поведения образца. По результатам проведенного эксперимента по термоциклированию все вещества были разделены на две группы: 1. вещества, пики плавления которых воспроизводятся при термо-циклировании 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 достаточно редко. Среди объектов настоящей работы к таким веществам следует прежде всего отнести метронидазол (рис. 10), пирацетам и стрептоцид. Эти вещества можно очищать методом зонной плавки даже в атмосфере воздуха.
Темиература.'С
Рис. 10. Пики плавления одного образца метронидазола в четырех последовательных плавлениях со скоростью нагрева 8 °С /мин.
Температура. °С
Рис. 11. Пики плавления одного образца карбамида в трех последовательных плавлениях со скоростью нагрева 8 °С /мин.
Большинство исследуемых веществ относятся к веществам, разлагающемся сразу после плавления и загрязняющимся продуктами своего разложения,
что отражено на их пике плавления. В каждом последовательном опыте пик плавления становится более «размытым». Например, на рисунке 11 изображены пики плавления образца карбамида. Пик плавления 1 соответствует плавлению чистого вещества, 2,3 - последующим плавлениям. Среди объектов исследования разложение наиболее сильно для ацикловира, который имеет экзотермический пик разложения сразу после пика плавления. Термограмма плавления ацикловира после первичного плавления не воспроизводится. К данному типу веществ по стабильности относится наибольшее число изученных веществ: ибупрофен, сульфадимидин, индометацин, пентоксифиллин, метилурацил, фу-росемид, аспирин после первичного плавления не образуют даже «размытых» пиков плавления. При втором сканировании образца кдаритромицина на термической кривой до температуры 280°С никаких пиков, в том числе пика плавления, обнаружено не было.
Согласно разработанному алгоритму было проведено изучение ДСК пиков исследуемых веществ спустя один - три года обычного хранения при комнатной температуре. Такой режим обычно используется для хранения лекарственных веществ в составе готовых лекарственных форм в домашних условиях. Изменение форм пиков изученных лекарственных веществ при этом было выявлено в 4-х направлениях. Лекарственные вещества с первым типом хранения но истечении 3-х лет хранения не меняют формы своего пика, а, значит, не разлагаются, не загрязняются продуктами своего разложения и не абсорбируют воду. К таким веществам относятся: метронидазол, кофеин, ибупрофен, пирацетам. На рисунке 12 изображен пик плавления кларитромицина, загрязненного продуктами своего разложения в сравнении с пиком чистого кларитромицина {второй тип хранения). На пике перехода кларитромицина из низкотемпературной формы в высокотемпературную (полиморфный) срок хранения кларитромицина не сказывается. К веществам третьего типа относится, например, ацикловир, у которого при плавлении не наблюдается изменения пика плавления и разложения вещества, однако меняется другой параметр на термограмме - пик полиморфного перехода, который перекрывается со временем пиком, соответствующим процессу дегидратации. При хранении ацикловир накапливает воду, и ее высвобождение происходит в интервале температур, характерном для полиморфизма. На рисунке 13 показаны пики плавления фенобарбитала, загрязненного несколькими продуктами своего разложения {четвертый тип). Пробы взяты с различных частей бюкса для хранения, и поэтому показывают различный состав продуктов разложения фенобарбитала. Аналогично фенобарбиталу при хранении ведет себя метилурацил.
Таким образом, метод ДСК можно применять не только для определения чистоты, но и для экспрессного контроля качества описанных индивидуальных
лекарственных и биологически активных веществ. Данный метод применяется в ряде развитых стран, однако в России широкого применения пока не нашел. Возможно, это связано с отсутствием серийно выпускаемой аппаратуры ДСК в нашей стране.
Стабильность при хранении также является важной характеристикой эвтектических систем. Только что приготовленные составы с эвтектическими концентрациями компонентов имеют единственный симметричный пик плавления. Эвтектический состав системы метронидазол-кларитромицин, несмотря на сложное строение веществ, имеет хорошую сохраняемость, и пик плавления эвтектики воспроизводится без изменения через год хранения. Кларитромицин 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. Как видно, система, состоящая из двух веществ с хорошей стабильностью, также образовала систему с хорошей стабильностью.
Эвтектические составы систем с участием сульфаметоксазола: сульфаме-токсазол - триметоприм, сульфаметоксазол - карбамид, сульфаметоксазол - ни-кодин после хранения в течение двух лет не воспроизводят в точности пики эвтектического плавления, что может быть связано, например, с образованием из данного состава физической смеси той же концентрации. Практически не подвержена изменению система эвтектического состава сульфаметоксазола с нико-дином.
Рис. 12. Термограмма плавления образца; кларитромипина чистого (1) и со сроком хранения 1 год при комнатной температуре (2).
Рис. 13. Пики плавления образцов фенобарбитала со сроком хранения 2 года, загрязненного продуктами разложения.
выводы
1. Разработан новый метод «оптимизации состава» для определения эвтектических параметров двойных систем лекарственных и биологически активных веществ, сочетающий в себе, в отличие от известных, быстроту расчетных методов с точностью экспериментальных. Разработано программное обеспечение метода «оптимизации состава», позволяющее определять основные термодинамические характеристики плавления как эвтектик, так и индивидуальных веществ. Метод апробирован на 17 бинарных системах простого эвтектического типа, определены границы применимости метода и составляющие его погрешности.
2. Методом ДСК впервые определены характеристики плавления (температура, энтальпия, энтропия) и криоскопические константы 21 исследуемого биологически-активного и лекарственного вещества. Показано, что определение энтальпий плавления для чистых индивидуальных веществ, разлагающихся при
хранении, является не всегда возможным.
3. Экспериментально методом ДСК впервые исследованы пять эвтектических систем: кларитромицин - метронидазол, сульфаметоксазол-триметоприм, сульфаметоксазол - никодин, сульфаметоксазол - карбамид, триметоприм- карбамид, построены их фазовые диаграммы. Методом РФА подтверждено отсутствие твердых растворов. Расчетным методом по уравнению Шредера-Ле Ша-телье определены температуры плавления и составы эвтектик 17 эвтектических систем. Показано, что расхождение между экспериментальным и расчетным методами в определении состава может достигать 10 мол % и в определении
температуры плавления - 10 °С.
4. Впервые экспериментально исследованы характеристики стабильности ряда индивидуальных веществ и эвтектик при хранении. Предложено разделение исследованных в данной работе индивидуальных веществ по стабильности при комнатной температуре на четыре группы. Показано, что метод ДСК может быть применим для исследования качества лекарственных и биологически активных веществ, как индивидуальных, так и в составе эвтектик. Показано, что стабильность при хранении систем эвтектического состава может существенно отличаться от стабильности составляющих их индивидуальных веществ. Показано, что все эвтектики в той или иной степени не воспроизводят пики своего плавления после хранения в течение двух-трех лет, а значит, их стабильность хуже стабильности составляющих их индивидуальных веществ.
5. Изучена воспроизводимость характера термических кривых плавления индивидуальных веществ и эвтектик. Показано, что пики плавления большей части индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ не
воспроизводятся при повторном плавлении. Вещества, имеющие воспроизводимые пики плавления, можно подвергать очистке методом зонной плавки.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1. Agafonova Е. V., Moshchemkiy Y. V., Ткаскепко M.L . DSC study and calculation of metronidazole and clarithromycin thermodynamic melting parameters for individual substances and for eutectic mixture H Thermochimica Acta, 2014. V. 580. P.1-6.
2. Агафонова E.B., Мощенский Ю.В., Ткаченко M. Л. Определение термодинамических параметров плавления сульфаметоксазола, триметоприма, карбамида, никодина и их двойных эвтектик методом дифференциальной сканирующей калориметрии //Журнал физической химии, 2013, №8. Т. 87. С. 1301-1304.
3. Агафонова Е.В., Мощенский Ю.В., Ткаченко М. Л. Определение основных термодинамических параметров плавления кофеина методом ДСК // Журнал физической химии, 2012, №6. Т. 86. С. 1147-1149.
4. Agafonova Е. V., Moshchenskiy Y. F., Tkachenko M.L .The Determination Of Ibuprofen Melting Thermodynamic Parameters With Differential Scanning Calorimetry // Physical Chemistry: An Indian Journal, 2012. V. 8, Issue 1. P. 37-40.
5. Агафонова E.B., Мощенский Ю.В. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №18027. Алгоритм определения интегральной чистоты на отечественном калориметре ДСК-500. Дата регистрации: 15 марта 2012 г.
6. Агафонова Е.В., Макаров И.В., Мощенский Ю.В. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №18091. Алгоритм экспрессного определения характеристик двухкомпонентных эвтектических лекарственных систем на основе данных индивидуальных веществ, полученных с использованием высокоселективного калориметра теплового потока ДСК-500. Дата регистрации: 04 апреля 2012 г.
7. Агафонова Е.В., Макаров И.В., Мощенский Ю.В. Свидетельство о регистрации электронного ресурса №18494. Программное обеспечение «DSC-ECal 1.0». Дата регистрации: 14 августа 2012 г.
8. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В., Ткаченко М. Л. Определение термодинамических характеристик плавления лекарственных веществ методом ДСК Сб. материалов Междун. конф. «Исследование материалов с использованием методов термического анализа, калориметрии и сорбции газов» С.-Петербург, 2012. С. 105-107.
9. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В., Ткаченко М. Л. Расчетные и расчетно-экспериментальные методы построения фазовых диаграмм двух компонентных органических систем эвтектического типа // Доклады IX Международного Курнаковского совещания по физико-химическому анализу, Пермь, 2010. С.90.
10. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В., Ткаченко М. Л. Прогнозирование состава, температуры и энтальпии плавления двухкомпонентных эвтектических систем лекарственных веществ // VI Международная научная конференция "Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразова-нии", Иваново, 2010. С.ЗЗО.
11. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В., Ткаченко М. Л. Оценка основных методов построения фазовых диаграмм двойных систем эвтектического типа // V Общероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные вопросы современной науки и образования», Красноярск, 2010. С. 210-213.
12. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В. Определите суммарного количества примесей в лекарственных веществах на приборе ДСК-500 // V конференция и VI школа молодых ученых «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение», Н. Новгород, 2011. С.84-85.
13. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В. Определение криоскопической константы лекарственных веществ на приборе ДСК-500 // V Всероссийская конференция студентов и аспирантов с международным участием «Химия в современном мире», Санкт-Петербург, 2011. С.523-524.
14. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В. Medicinal substances melting characteristics determination // XVIII International Conference on chemical thermodynamics in Russia, Samara, 2011. P. 14.
15. Агафонова E. В., Мощенский Ю. В. Апробирование методики определения чистоты лекарственных веществ на приборе ДСК-500 // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Волгоград, 2011, том 4, с. 308.
16. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В. Определение чистоты некоторых лекарственных веществ на приборе ДСК-500 // VIII Всероссийская интерактивная конференция молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», Саратов, 2011.
17. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В. Определение термодинамических характеристик плавления лекарственных веществ // Всероссийская очно-заочная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы химии и методики преподавания химии", Саранск, 2011. С.72-73.
18. Агафонова Е.В., Мощенский Ю.В. Определение чистоты некоторых лекарственных и биологически активных веществ криоскопическим методом на приборе ДСК-500 // Молодежная конференция «Международный год химии», Казань, 2011. С. 4-5.
19. Агафонова Е.В. Определение чистоты лекарственных веществ методом дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе ДСК-500 // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в
области химических наук и наук о материалах в рамках Всероссийского фестиваля пауки, Казань, 2011, том.2. С. 99.
20. Агафонова Е. В., Мощенский Ю. В. Определение эвтектических характеристик бинарных систем, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ // VI Всероссийская конференция студентов и аспирантов с международным участием «Менделеев-2012», Санкт-Петербург, С.149-150.
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.05 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 2 от 01.07.2014 г.)
Заказ Тираж 100 экз.
Формат 60x84/16. Отпечатано на ризографе.
ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
АГАФОНОВА Евгения Вячеславовна
04201460499
ОПТИМИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВОЙНЫХ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗ ЛЕКАРСТВЕННЫХ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ
ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ДСК
02.00.04 - Физическая химия
диссертация
на соискание ученой степени кандидата химических наук
научный руководитель:
доктор химических наук Мощенский Юрий Васильевич
Самара-2014
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4
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
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.......................................94
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
ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................................................146
ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................................................167
ВВЕДЕНИЕ
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 [1, 2, 3, 4]. 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, в таблетках [5, 6, 7]), в своем составе содержащих 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 редко учитываются физико-химические процессы, протекающие между ними, которые могут как положительно, так и отрицательно сказываться на свойствах препарата. 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 [9, 10], 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 эвтектических соединений с целью оптимизации состава будущего лекарственного препарата.
Цель работы - разработка модифицированного экспрессного расчет-но-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 следующие задачи:
• определить характер изменения энтальпии индивидуального вещества при плавлении его в составе эвтектической системы;
• выявить, какой способ разделения пиков плавления дает наименьшую погрешность;
• определить или уточнить термодинамические характеристики плавления исследуемых индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ методом ДСК с целью применения их в расчетных и расчетно-экспериментальных методах;
• разработать программное обеспечение для определения состава и параметров плавления эвтектик различными методами, а также характеристик индивидуальных веществ (энтропия плавления, криоскопические константы, интегральную чистоту) и бинарных систем (энтальпию и энтропию плавления, смешения, коэффици-
енты активности), погрешности измерений по стандартной методике.
В диссертации предложен новый метод «оптимизации состава» для определения характеристик бинарных эвтектик, состоящих из лекарственных и биологически активных веществ. Метод разработан и апробирован на органических объектах, в отличие от известных методов, ориентированных, главным образом, на неорганические соединения. Методом ДСК впервые определены или уточнены значения температур, энтальпий, энтропий плавления и полиморфных переходов, криоскопические константы 21 лекарственного и биологически активного вещества. С использованием этих значений впервые рассчитаны температуры и теплоты плавления эвтектических точек методом Шредера - Ле Шателье, проведено их сопоставление с экспериментальными значениями. Впервые построены фазовые диаграммы изучаемых систем. Экспериментально определена чистота, сохранность при хранении и многократном плавлении (термоциклировании) исследуемых индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ.
В работе впервые предложен и апробирован экспрессный расчетно-экспериментальный метод «оптимизации состава», позволяющий с малыми трудозатратами определять эвтектическое соотношение систем с простой эвтектикой. Расчетным, расчетно-экспериментальным, а также 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 в составе смесей с использованием оригинального 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 или уточненные температуры, энтальпии и энтропии плавления 21 исследуемых индивидуальных лекарственных и биологически активных веществ и пяти эвтектик;
• данные по сохранности и стабильности исследуемых веществ и эвтектик при хранении при комнатной температуре, а также при многократном плавлении.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Эвтектические композиции из лекарственных и биологически активных веществ и их практическое применение
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 1.16 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 + В — 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 1.1 в приведена фазовая диаграмма эвтектической системы с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии - с образованием твердых растворов а и Р 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.
л- __ А "
я 1 ! 1
1 1 1 1 а+1' \
1
! —1™..,
%8 6
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-
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 ЕМЬА™ - 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 ибу-профеном и углеводородами терпенового ряда. Установлено, что данные системы имеют повышенную биодоступность при проникновении через кожу. Проникновение ибупрофена через человеческие эпидермальные мембраны из эвтектической системы изм
