小分子化合物通常具有明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物活性,在藥物研發(fā)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。許多藥物都是小分子化合物,這是因?yàn)樗鼈兡軌虼┰郊?xì)胞膜并與特定的生物大分子(例如蛋白質(zhì))相互作用,進(jìn)而發(fā)揮藥效。結(jié)晶是處理有機(jī)化合物的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù),而在小分子化合物的結(jié)晶過程中,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)油析現(xiàn)象。
油析現(xiàn)象,也稱為“出油(oiling out)”,或液-液脫混或液-液相分離(LLPS),是制藥行業(yè)結(jié)晶開發(fā)過程中常見的現(xiàn)象。油析過程產(chǎn)生的溶質(zhì)富集相稱之為油相,而溶質(zhì)含量較少的被稱為水相。LLPS 通常是不希望發(fā)生的,因?yàn)樗鼤?huì)阻礙藥物的結(jié)晶。油析在試驗(yàn)中的出現(xiàn)的頻率取決于試驗(yàn)條件和所涉及的物質(zhì)體系。
首先,我們來看一下哪些化合物類型更傾向于發(fā)生油析:
(1)化合物熔點(diǎn)相對(duì)較低:一般是指溫度低于100℃,通常在70℃-80℃,甚至更低,這類化合物在結(jié)晶過程中更容易發(fā)生油析。
(2)相對(duì)分子量較大的化合物,如多肽、環(huán)脂肽類,它們比較難結(jié)晶,通常會(huì)得到無定型產(chǎn)品。
(3)分子中含有柔性結(jié)構(gòu)的化合物,比如長碳鏈,因?yàn)樘兼溑で蛿[動(dòng)容易旋轉(zhuǎn),很難以比較好的排列方式形成晶體
(4)糖類化合物,通常糖類比較難結(jié)晶。
(5)吸水性較大的化合物,在有溶劑的情況下很容易受潮變油,粘附在過濾紙上。
油析現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品純度、溶殘、雜質(zhì)含量無法達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求。油析通常會(huì)使雜質(zhì)聚集在粘稠的油相中,并由于擴(kuò)散阻力,晶體不易長大,導(dǎo)致聚結(jié)嚴(yán)重,雜質(zhì)包藏在產(chǎn)品晶體中。同時(shí),由于油析的發(fā)生干擾了結(jié)晶的成核過程,導(dǎo)致難以制備穩(wěn)定單一的目標(biāo)晶型。總之,在實(shí)驗(yàn)中,油析現(xiàn)象的出現(xiàn)可能導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確、反應(yīng)速率變慢,產(chǎn)物回收困難,設(shè)備堵塞等問題,影響實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)行。
如覆盆子酮是一種可以用于合成醫(yī)藥、染料、誘蟲劑和香料等的化合物。研究發(fā)現(xiàn)在正丙醇-水的混合溶劑中進(jìn)行冷卻結(jié)晶時(shí),覆盆子酮可能會(huì)發(fā)生油析現(xiàn)象,這會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品的結(jié)晶質(zhì)量。為了減少這種影響,研究者系統(tǒng)地研究了這一現(xiàn)象。它們使用FBRM結(jié)束測定了覆盆子酮在正丙醇-水混合溶劑中的油析熱力學(xué)數(shù)據(jù),確定了油析曲線、澄清曲線、溶解度曲線與超溶解度曲線,并測定了油析介穩(wěn)區(qū)。他們還繪制了油析結(jié)晶介穩(wěn)相圖,并系統(tǒng)考察了影響覆盆子酮油析行為的關(guān)鍵因素,以及有效的油析行為抑制方法。
該實(shí)驗(yàn)研究表明,溶液的初始濃度、降溫速率和攪拌速率是影響覆盆子酮結(jié)晶過程油析現(xiàn)象形成的主要因素,研究者同時(shí)考察了晶種添加量、晶種添加時(shí)機(jī)以及養(yǎng)晶時(shí)間等結(jié)晶工藝參數(shù)對(duì)覆盆子酮油析行為的影響,建立并優(yōu)化了油析抑制工藝[1]。
為了避免或解決油析現(xiàn)象,可以通過控制溶液濃度、溫度、攪拌速率、添加晶種等操作條件來降低油析的可能性,F(xiàn)在,我們來簡單簡單了解一下在小分子化合物結(jié)晶過程中,避免油析的一些策略。
1、溶劑的選擇
選擇合適的溶劑對(duì)于避免油析現(xiàn)象至關(guān)重要。理想的溶劑應(yīng)該是合適的極性,并且能夠與待結(jié)晶物質(zhì)形成穩(wěn)定的溶液。如果當(dāng)前使用的溶劑體系容易出現(xiàn)油析,可以考慮更換更適合的溶劑體系。
2、溶液濃度的控制
溶液的濃度也是影響結(jié)晶過程中油析的重要因素,過高或者過低的溶劑濃度都可能會(huì)導(dǎo)致油析的發(fā)生。因此需要通過精確控制溶液的濃度,保持在一個(gè)適宜的水平,有助于減少油析的風(fēng)險(xiǎn)。
3、適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?/strong>
保持穩(wěn)定結(jié)晶系統(tǒng)溫度,以避免因溫度波動(dòng)引起的局部過飽和或出油現(xiàn)象。
4、優(yōu)化攪拌速度
適當(dāng)?shù)臄嚢杩梢源龠M(jìn)晶體均勻生長,但過快或過慢的攪拌都可能導(dǎo)致油析,因此需要控制合適的攪拌速度。
5、漿料熟化管理
在漿料熟化過程中,需要持續(xù)攪拌以保證混懸液的穩(wěn)定性,并促使亞穩(wěn)態(tài)或無定型物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的結(jié)晶形式。
漿料轉(zhuǎn)化是一個(gè)熟化的過程,漿料顧名思義是沒有一個(gè)溶清的體系,是一個(gè)混懸的狀態(tài),樣品加入到某種溶劑中形成混懸液,混懸液在長時(shí)間攪拌下,會(huì)像奧斯特瓦爾德規(guī)則一樣,假設(shè)是亞穩(wěn)定結(jié)晶或者無定型,有可能會(huì)慢慢地轉(zhuǎn)化到能量更低的結(jié)晶形式,這就是熟化。
漿料熟化過程中需要一直攪拌,攪拌能夠加速擾動(dòng),否則晶種加入后保持在一個(gè)位置,很難起到誘導(dǎo)作用。攪拌對(duì)于漿料熟化很重要,磁力攪拌和機(jī)械攪拌都是可以的[2]。
6、添加晶種
在結(jié)晶過程中引入晶種可以促進(jìn)晶體的生長,有助于控制晶體的大小和形狀,減少油析的可能性。
在反溶劑結(jié)晶過程中,加晶種的時(shí)候,晶種也變成了油狀物,該如何處理呢?假設(shè)在加晶種的時(shí)候,出現(xiàn)這種狀況,我們可以選擇把晶種的量加大,或者需要注意加料的順序。例如,前面是反溶劑加到良溶劑中的結(jié)晶方式,那可以考慮先把晶種加入到不良溶劑中,形成混懸液,再把需要的結(jié)晶的樣品慢慢滴加到帶有晶種的溶液中,要注意加料的速度要慢,這樣可能會(huì)誘導(dǎo)出來。
保證原料的純度,去除可能誘發(fā)油析的雜質(zhì),對(duì)于提高結(jié)晶過程中的控制性也是至關(guān)重要的。
如何在產(chǎn)品中除去結(jié)構(gòu)類似的晶型呢?用來誘導(dǎo)的晶種量是非常小的,外來物加入后誘導(dǎo)出一批樣品,接下來再用誘導(dǎo)出來的產(chǎn)品作為晶種,再去誘導(dǎo)下一批,慢慢地,加入的外來物就會(huì)被逐漸稀釋,逐漸就被去除了。
7、晶型純度和混晶的判定
通過單晶的數(shù)據(jù)模擬出粉末圖進(jìn)行判斷,這個(gè)是最標(biāo)準(zhǔn)的方式。如果有些化合物很難制備出單晶,則可以通過多批次的試驗(yàn),比如通過不同的結(jié)晶手段,結(jié)果發(fā)現(xiàn)拿到的樣品的XRPD, DSC和TGA,所有的數(shù)據(jù)都能夠吻合,XRPD圖都一致,那這個(gè)時(shí)候你可以基本可以判定它是單一的晶型。
混合物的XRPD譜圖是各個(gè)組分XRPD譜圖的疊加,所以XRPD多峰最有可能的情況就是混入了該化合物的其它晶型,假設(shè) A 和B 混晶,兩種晶型的特征峰可能都會(huì)出現(xiàn)。由于具備指紋屬性,所以可以通過XRPD 圖能觀察到包含A和B的特征那么就可以判斷是混晶。如果判斷晶型純度的話,則需要定量分析方法開發(fā)。僅僅通過一張XRPD圖,很難看出晶型比例的。
如果在-10℃明顯出現(xiàn)混懸有固體產(chǎn)生,后續(xù)過濾時(shí)候變成粘液應(yīng)該如何解決?看起來像是固體,但其實(shí)他不是真正的固體(晶體),實(shí)際上是一種膠狀物,當(dāng)用一次性吸管把他吸上來會(huì)發(fā)現(xiàn)立刻吸潮然后融化。解決方案可以參考視頻【云講堂】小分子化合物結(jié)晶過程中避免油析的策略中的案例的方案,或者可以嘗試溫度降低一些再考察,也可以考慮延長攪拌時(shí)間。
為了降低小分子化合物結(jié)晶過程中油析的風(fēng)險(xiǎn),我們需要深入了解所處理的小分子化合物的物理化學(xué)性質(zhì),包括熔點(diǎn)、溶解度等,以便更好地控制結(jié)晶條件。某些化合物的溶解度會(huì)隨pH值的變化而變化,適當(dāng)調(diào)整pH值可能有助于改善結(jié)晶過程。在實(shí)際生產(chǎn)前,也需要進(jìn)行充分的工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以確定最佳的結(jié)晶條件和操作窗口。
醫(yī)藥中間體是指用于合成藥物活性成分(APIs,Active Pharmaceutical Ingredients)的化學(xué)物質(zhì)。它們是藥物合成路徑中的中間產(chǎn)品,可以是原料、前體或者半成品,通過一系列化學(xué)反應(yīng)最終轉(zhuǎn)化為目標(biāo)藥物分子。筑藥網(wǎng)致力于為客戶提供滿足科研需求的醫(yī)藥中間體產(chǎn)品,我們的產(chǎn)品不僅可以滿足醫(yī)藥研發(fā)工作者的化合物篩選需要,還可以滿足科研人員的藥物合成的需要;同時(shí)我們提供從前期的醫(yī)藥中間體產(chǎn)品小量定制和后期工藝放大生產(chǎn)服務(wù),滿足客戶從新藥研發(fā)到后期臨床階段的產(chǎn)品需求,助力加快創(chuàng)新藥企的藥物研發(fā)速度。
參考文獻(xiàn)
[1]韋健,朱亮,沙作良等.覆盆子酮油析結(jié)晶過程研究[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2022,39(01):66-74.DOI:10.13353/j.issn.1004.9533.20210103.
[2] 關(guān)于小分子化合物結(jié)晶過程中避免油析的策略