Сокристалл
В материаловедении (в частности , кристаллографии ) сокристаллы — это « твердые вещества , которые представляют собой кристаллические однофазные материалы , состоящие из двух или более различных молекулярных или ионных соединений, обычно в стехиометрическом соотношении , которые не являются ни сольватами , ни простыми солями ». [ 1 ] Более широкое определение состоит в том, что сокристаллы «состоят из двух или более компонентов, которые образуют уникальную кристаллическую структуру, имеющую уникальные свойства». Существует несколько подклассификаций сокристаллов. [ 2 ] [ 3 ]
Сокристаллы могут включать в себя многие типы соединений, включая гидраты , сольваты и клатраты , которые представляют собой основной принцип химии хозяин-гость . Ежегодно сообщается о сотнях примеров сокристаллизации.
История
[ редактировать ]Первый зарегистрированный сокристалл, хингидрон , был изучен Фридрихом Вёлером в 1844 году. Хингидрон представляет собой сокристалл хинона и гидрохинона (известного архаично как хинол). Он обнаружил, что этот материал состоит из молярной комбинации компонентов 1:1. В течение следующего десятилетия хингидрон анализировали многочисленные группы, и несколько связанных с ним сокристаллов были получены из галогенированных хинонов. [ 4 ]
О многих сокристаллах, обнаруженных в конце 1800-х и начале 1900-х годов, сообщалось в Organische Molekulverbindungen , опубликованном Полом Пфайффером в 1922 году. [ 4 ] В этой книге сокристаллы разделены на две категории; те, которые состоят из неорганических: органических компонентов, и те, которые состоят только из органических компонентов. Неорганические:органические сокристаллы включают органические молекулы, сокристаллизованные с солями щелочных и щелочноземельных металлов, минеральными кислотами и галогенами, как и в случае галогенированных хинонов. Большинство органических:органических сокристаллов содержали ароматические соединения , при этом значительная часть содержала ди- или тринитроароматические соединения. Существование нескольких сокристаллов, содержащих эвкалиптол , соединение, не имеющее ароматических групп, стало важным открытием, которое научило ученых тому, что укладка пи не является необходимой для образования сокристаллов. [ 4 ]
Сокристаллы продолжали обнаруживать на протяжении 1900-х годов. Некоторые из них были обнаружены случайно, а другие — с помощью методов скрининга . Знание межмолекулярных взаимодействий и их влияния на упаковку кристаллов позволило создать сокристаллы с желаемыми физическими и химическими свойствами. В последнее десятилетие возрос интерес к исследованиям сокристаллов, в первую очередь из-за их применения в фармацевтической промышленности. [ 5 ]
Сокристаллы составляют около 0,5% кристаллических структур, заархивированных в Кембриджской структурной базе данных (CSD). [ 5 ] Однако изучение сокристаллов имеет долгую историю, насчитывающую более 160 лет. Они нашли применение в ряде отраслей промышленности, включая фармацевтическую, текстильную, бумажную, химическую, фотографическую, топливную и электронную. [ 4 ]
Определение
[ редактировать ]Значение термина сокристалл является предметом разногласий. В одном определении говорится, что сокристалл представляет собой кристаллическую структуру, состоящую как минимум из двух компонентов, причем компонентами могут быть атомы, ионы или молекулы. [ 4 ] Это определение иногда расширяется, чтобы указать, что компоненты в своих чистых формах являются твердыми в условиях окружающей среды. [ 6 ] Однако утверждалось, что такое разделение на основе окружающей фазы является произвольным. [ 7 ] Более широкое определение состоит в том, что сокристаллы «состоят из двух или более компонентов, которые образуют уникальную кристаллическую структуру, имеющую уникальные свойства». [ 8 ] Из-за различий в использовании этого термина такие структуры, как сольваты и клатраты, могут считаться или не считаться сокристаллами в конкретной ситуации. Разница между кристаллической солью и сокристаллом заключается лишь в переносе протона. Перенос протонов от одного компонента к другому в кристалле зависит от окружающей среды. По этой причине кристаллические соли и сокристаллы можно рассматривать как два конца спектра переноса протона, где соль завершила перенос протона на одном конце, а для сокристаллов перенос протона на другом конце отсутствует. [ 8 ]
Характеристики
[ редактировать ]Компоненты взаимодействуют посредством нековалентных взаимодействий, таких как водородные связи , ионные взаимодействия, взаимодействия Ван-дер-Ваальса и Π-взаимодействия . Эти взаимодействия приводят к образованию энергии сокристаллической решетки, которая обычно более стабильна, чем кристаллические структуры отдельных компонентов. [ 9 ] Межмолекулярные взаимодействия и возникающие в результате кристаллические структуры могут создавать физические и химические свойства, которые отличаются от свойств отдельных компонентов. [ 10 ] К таким свойствам относятся температура плавления, растворимость, химическая стабильность и механические свойства. Было замечено, что некоторые сокристаллы существуют в виде полиморфов , которые могут проявлять различные физические свойства в зависимости от формы кристалла. [ 10 ]
Фазовые диаграммы , определенные «контактным методом» термической микроскопии, полезны при обнаружении сокристаллов. [ 4 ] Построение таких диаграмм состояния стало возможным благодаря изменению температуры плавления при сокристаллизации. Два кристаллических вещества осаждаются по обе стороны предметного стекла микроскопа и последовательно плавятся и повторно затвердевают. В результате этого процесса создаются тонкие пленки каждого вещества с зоной контакта посередине. Фазовая диаграмма точки плавления может быть построена путем медленного нагревания предметного стекла под микроскопом и наблюдения за точками плавления различных частей предметного стекла. Для простой бинарной фазовой диаграммы, если наблюдается одна эвтектическая точка , вещества не образуют сокристалл. Если наблюдаются две эвтектические точки, то состав между этими двумя точками соответствует сокристаллу.
Производство и характеристика
[ редактировать ]Производство
[ редактировать ]Существует множество синтетических стратегий получения сокристаллов. Однако подготовить отдельные сокристаллы для дифракции рентгеновских лучей может быть затруднительно, поскольку известно, что подготовка этих материалов занимает до 6 месяцев. [ 8 ]
Сокристаллы обычно образуются в результате медленного испарения растворов двух компонентов. Этот подход оказался успешным с молекулами, имеющими дополнительные свойства водородных связей, и в этом случае сокристаллизация, вероятно, будет термодинамически выгодной. [ 11 ]
Существует множество других методов получения сокристаллов. Кристаллизация с молярным избытком одного сокристаллообразователя может привести к образованию сокристалла за счет уменьшения растворимости этого одного компонента. Другой метод синтеза сокристаллов — проведение кристаллизации в суспензии . Как и при любой кристаллизации, важен растворитель. Смена растворителя изменит межмолекулярные взаимодействия и, возможно, приведет к образованию сокристаллов. Кроме того, путем замены растворителя можно учитывать фазовые соображения. Роль растворителя в зарождении сокристаллов остается малоизученной, но имеет решающее значение для получения сокристаллов из раствора. [ 11 ]
Охлаждение расплавленной смеси сокристаллообразователей часто приводит к образованию сокристаллов. Посев может быть полезен. [ 10 ] Другой подход, использующий фазовые изменения, — это сублимация , при которой часто образуются гидраты . [ 12 ]
Для получения сокристалла применяют измельчение, как тепловое, так и жидкостное, например, с использованием ступки и пестика , с использованием шаровой мельницы или с использованием вибрационной мельницы. При измельчении с использованием жидкости или замешивании к измельченной смеси добавляют небольшое или субстехиометрическое количество жидкости (растворителя). Этот метод был разработан для увеличения скорости образования сокристаллов, но он имеет преимущества перед чистым измельчением, такие как повышенный выход, возможность контролировать образование полиморфов, лучшую кристалличность продукта и применим к значительно большему числу сокристаллообразователей. [ 13 ] и зародышеобразование посредством посева. [ 12 ]
Сверхкритические жидкости (СКЖ) служат средой для выращивания сокристаллов. Рост кристаллов достигается за счет уникальных свойств СКФ за счет использования различных свойств сверхкритической жидкости: сверхкритической растворяющей способности CO 2 , антирастворительного эффекта и усиления его распыления. [ 14 ] [ 15 ]
Также применяется использование промежуточных фаз для синтеза твердотельных соединений. Использование гидрата или аморфной фазы в качестве промежуточного продукта во время синтеза твердотельным способом оказалось успешным в формировании сокристаллов. Также может быть использовано использование метастабильной полиморфной формы одного сокристаллообразователя. В этом методе метастабильная форма действует как нестабильный промежуточный продукт на пути зарождения сокристалла. Как всегда, для образования этих соединений помимо термодинамических требований необходима четкая связь между парными компонентами сокристалла. [ 10 ]
Важно отметить, что полученная фаза не зависит от используемой методологии синтеза. Синтезировать эти материалы может показаться простым делом, но, наоборот, синтез далек от рутинной работы. [ 11 ]
Характеристика
[ редактировать ]Сокристаллы можно охарактеризовать по-разному. Порошковая дифракция рентгеновских лучей оказывается наиболее часто используемым методом для характеристики сокристаллов. Легко увидеть, что образуется уникальное соединение и может ли оно быть сокристаллом или нет, поскольку каждое соединение имеет свою собственную отчетливую порошковую дифрактограмму. [ 6 ] Дифракция рентгеновских лучей на монокристаллах может оказаться затруднительной для некоторых сокристаллов, особенно тех, которые образовались путем измельчения, поскольку этот метод чаще всего дает порошки. Однако эти формы часто можно формировать с помощью других методов, чтобы получить монокристаллы. [ 13 ]
Помимо обычных спектроскопических методов, таких как ИК-Фурье и рамановская спектроскопия , ЯМР-спектроскопия твердого тела позволяет различать хиральные и рацемические сокристаллы аналогичной структуры. [ 13 ]
Могут быть использованы и другие физические методы определения характеристик. Термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) — два широко используемых метода для определения температур плавления, фазовых переходов и энтальпийных факторов, которые можно сравнить с каждым отдельным сокристаллообразователем.
Приложения
[ редактировать ]Сокристаллическая инженерия актуальна для производства энергетических материалов, фармацевтических препаратов и других соединений. Из них наиболее широко изученное и используемое применение связано с разработкой лекарств, а точнее, созданием, разработкой и внедрением активных фармацевтических ингредиентов (API). Изменение структуры и состава АФИ может существенно повлиять на биодоступность лекарства. [ 11 ] При разработке сокристаллов используются особые свойства каждого компонента, чтобы создать наиболее благоприятные условия для растворимости, что в конечном итоге может повысить биодоступность препарата. Основная идея состоит в том, чтобы разработать превосходные физико-химические свойства API, сохраняя при этом постоянные свойства самой молекулы лекарственного средства. [ 12 ] Сокристаллические структуры также стали основой для открытия лекарств. , основанные на структуре Методы виртуального скрининга , такие как стыковка, используют сокристаллические структуры известных белков или рецепторов для выяснения новых конформаций связывания лиганд-рецептор. [ 16 ]
Фармацевтика
[ редактировать ]Сокристаллическая инженерия приобрела такое большое значение в области фармацевтики, что конкретному подразделению многокомпонентных сокристаллов был присвоен термин «фармацевтические сокристаллы» для обозначения твердого сокристаллообразующего компонента и молекулярного или ионного API (активного фармацевтического ингредиента). Однако существуют и другие классификации, когда один или несколько компонентов не находятся в твердой форме в условиях окружающей среды. Например, если один компонент представляет собой жидкость в условиях окружающей среды, сокристалл фактически можно считать сокристаллическим сольватом, как обсуждалось ранее. Физическое состояние отдельных компонентов в условиях окружающей среды является единственным источником разделения между этими классификациями. Может показаться, что схема классификации сокристаллов не имеет большого значения для самого сокристалла, но классификация содержит важную информацию о физических свойствах, таких как растворимость и температура плавления, а также стабильность АФС. [ 11 ]
Целью фармацевтических сокристаллов является получение свойств, отличающихся от свойств, ожидаемых от чистых АФИ, без образования и/или разрыва ковалентных связей. [ 17 ] Среди первых фармацевтических сокристаллов, о которых сообщалось, были сульфонамиды. [ 12 ] Таким образом, площадь фармацевтических сокристаллов увеличилась за счет взаимодействия между АФИ и сокристаллообразователями. Чаще всего АФИ обладают способностью образовывать водородные связи на внешней стороне, что делает их более восприимчивыми к полиморфизму , особенно в случае сокристаллических сольватов, которые, как известно, имеют различные полиморфные формы. Подобный случай имеет место с препаратом сульфатиазолом , распространенным противомикробным средством для перорального и местного применения , имеющим более сотни различных сольватов. Таким образом, в области фармацевтики важно проверять каждую полиморфную форму сокристалла, прежде чем ее можно будет рассматривать как реалистичное улучшение существующего API. Образование фармацевтических сокристаллов также может быть обусловлено несколькими функциональными группами API, что открывает возможность образования бинарных, тройных и более упорядоченных сокристаллических форм. [ 18 ] Тем не менее, сокристаллообразователь используется для оптимизации свойств АФИ, но также может использоваться исключительно при выделении и/или очистке АФИ, например, при отделении энантиомеров друг от друга, а также и удалении перед производством лекарственного препарата. . [ 11 ]
Логично предположить, что физические свойства фармацевтических сокристаллов могут в конечном итоге меняться при изменении количества и концентрации отдельных компонентов. Одним из наиболее важных свойств, которое меняется при изменении концентрации компонентов, является растворимость . [ 17 ] Показано, что если стабильность компонентов меньше, чем у сокристалла, образовавшегося между ними, то растворимость сокристалла будет ниже, чем у чистой комбинации отдельных составляющих. Если растворимость сокристалла ниже, это означает, что существует движущая сила для возникновения сокристаллизации. [ 6 ] Еще более важной для фармацевтических применений является способность изменять устойчивость к гидратации и биодоступность АФИ с образованием сокристаллов, что имеет огромное значение для разработки лекарств. Сокристалл может увеличивать или уменьшать такие свойства, как температура плавления и устойчивость к относительной влажности, по сравнению с чистым API, и поэтому его необходимо изучать в каждом конкретном случае для его использования при улучшении фармацевтического препарата на рынке. [ 12 ]
Разработана процедура скрининга, позволяющая определить образование сокристаллов из двух компонентов и возможность улучшения свойств чистого АФИ. Сначала определяют растворимость отдельных соединений. Во-вторых, оценивается сокристаллизация двух компонентов. Наконец, скрининг фазовой диаграммы и порошковая рентгеновская дифракция (PXRD) дополнительно исследуются для оптимизации условий совместной кристаллизации компонентов. [ 6 ] Эта процедура до сих пор проводится для обнаружения сокристаллов, представляющих фармацевтический интерес, включая простые АФИ, такие как карбамазепин (CBZ), который является распространенным средством лечения эпилепсии , невралгии тройничного нерва и биполярного расстройства . CBZ имеет только одну первичную функциональную группу, участвующую в образовании водородных связей, что упрощает возможности образования сокристаллов, что может значительно улучшить его низкую биодоступность при растворении. [ 11 ]
Другим примером изучаемого API может быть пирацетам или (2-оксо-1-пирролидинил)ацетамид, который используется для стимуляции центральной нервной системы и, таким образом, для улучшения обучения и памяти. Существуют четыре полиморфные модификации пирацетама, которые включают водородные связи карбонила и первичного амида. Именно эти функциональные группы водородных связей взаимодействуют и усиливают сокристаллизацию пирацетама с гентизиновой кислотой, нестероидным противовоспалительным препаратом (НПВП), и с п-гидроксибензойной кислотой, изомером салициловой кислоты, предшественника аспирина. [ 11 ] Независимо от того, какой API исследуется, совершенно очевидно его широкая применимость и возможность постоянного улучшения в области разработки лекарств, что дает понять, что движущей силой сокристаллизации по-прежнему являются попытки улучшить физические свойства, которых нет у существующих сокристаллов. [ 6 ] [ 11 ]
Регулирование
[ редактировать ]16 августа 2016 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США ( FDA ) опубликовало проект руководства «Регуляторная классификация фармацевтических сокристаллов» . В этом руководстве FDA предлагает рассматривать сокристаллы как полиморфы, если будут представлены доказательства, исключающие существование ионных связей .
Энергетические материалы
[ редактировать ]Два взрывчатых вещества октоген и CL-20 сокристаллизовались в соотношении 1:2, образуя гибридное взрывчатое вещество. Это взрывчатое вещество имело такую же низкую чувствительность, как октоген, и почти такую же взрывную мощность, как CL-20. Физическое смешивание взрывчатых веществ создает смесь, имеющую ту же чувствительность, что и наиболее чувствительный компонент, которую преодолевает сокристаллизация. [ 19 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Айтипамула, Шринивасулу (2012). «Полиморфы, соли и сокристаллы: что в названии?». Рост и дизайн кристаллов . 12 (5): 2147–2152. дои : 10.1021/cg3002948 .
- ^ Тилборг, Анаэль (2014). «Как сокристаллизация влияет на таутомерию в твердом состоянии: практический пример станозолола». Рост и дизайн кристаллов . 14 (7): 3408–3422. дои : 10.1021/cg500358h .
- ^ Тилборг, Анаэль (2014). «Фармацевтические соли и сокристаллы с участием аминокислот: краткий структурный обзор современного состояния». Европейский журнал медицинской химии . 74 : 411–426. дои : 10.1016/j.ejmech.2013.11.045 . ПМИД 24487190 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Стали, врач общей практики (2009). «Обзор сокристаллов, зарегистрированных до 2000 года». Рост и дизайн кристаллов . 9 (10): 4212–4229. дои : 10.1021/cg900873t .
- ^ Jump up to: а б Скотт Л. Чайлдс (2009). Чайлдс, Скотт Л.; Заворотко, Майкл Дж (ред.). «Возрождение сокристаллов: кристально ясное письмо на стене. Введение в виртуальный специальный выпуск, посвященный фармацевтическим сокристаллам». Рост и дизайн кристаллов . 9 (10): 4208–4211. дои : 10.1021/cg901002y .
- ^ Jump up to: а б с д и Тер Хорст, Дж. Х.; Дейж, Массачусетс; Каинс, PW (2009). «Открытие новых сокристаллов». Рост и дизайн кристаллов . 9 (3): 1531. doi : 10.1021/cg801200h .
- ^ Бонд, AD (2007). «Что такое сокристалл?». CrystEngComm . 9 (9): 833–834. дои : 10.1039/b708112j .
- ^ Jump up to: а б с Стали, врач общей практики (2007). «Разнообразие одно- и многокомпонентных кристаллов. Поиск и распространение полиморфов и сокристаллов» . Рост и дизайн кристаллов . 7 (6): 1007–1026. дои : 10.1021/cg060838j .
- ^ Тейлор, Кристофер Р.; Дэй, Грэм М. (2018). «Оценка энергетической движущей силы образования сокристаллов» . Рост и дизайн кристаллов . 18 (2): 892–904. дои : 10.1021/acs.cgd.7b01375 . ПМК 5806084 . ПМИД 29445316 .
- ^ Jump up to: а б с д Брага, Д.; Грепиони, Ф.; Майни, Л.; Полито, М. (2009). «Кристаллический полиморфизм и множественные кристаллические формы». Молекулярные сети . Структура и связь. Том. 132. С. 25–50. Бибкод : 2009MNSB..132...25B . doi : 10.1007/430_2008_7 (неактивен 17 августа 2024 г.). ISBN 978-3-642-01366-9 .
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на август 2024 г. ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Вишвешвар, П.; МакМахон, Дж.А.; Бис, Дж. А.; Заворотко, МЮ (2006). «Фармацевтические сокристаллы». Журнал фармацевтических наук . 95 (3): 499–516. дои : 10.1002/jps.20578 . ПМИД 16444755 .
- ^ Jump up to: а б с д и Благден, Н.; Берри, диджей; Паркин, А.; Джавед, Х.; Ибрагим, А.; Гаван, Пенсильвания; Де Матос, LL; Ситон, CC (2008). «Современные направления роста сокристаллов». Новый химический журнал . 32 (10): 1659. doi : 10.1039/b803866j . hdl : 10454/4848 .
- ^ Jump up to: а б с Фришич, Т.; Джонс, В. (2009). «Последние достижения в понимании механизма образования сокристаллов посредством измельчения». Рост и дизайн кристаллов . 9 (3): 1621. doi : 10.1021/cg800764n .
- ^ Падрела, Л.; Родригес, Массачусетс; Велага, СП; Матос, штат Ха; Азеведо, Э.Г. (2009). «Формирование сокристаллов индометацина и сахарина с использованием технологии сверхкритической жидкости». Европейский журнал фармацевтических наук . 38 (1): 9–17. дои : 10.1016/j.ejps.2009.05.010 . ПМИД 19477273 .
- ^ Падрела, Л.; Родригес, Массачусетс; Велага, СП; Матос, штат Ха; Азеведо, Э.Г. (2010). «Проверка фармацевтических сокристаллов с использованием процесса распыления, усиленного сверхкритической жидкостью». Журнал сверхкритических жидкостей . 53 (1–3): 156–164. дои : 10.1016/j.supflu.2010.01.010 .
- ^ Хокинс, Пол CD; Скиллман, А. Джеффри; Николлс, Энтони (22 марта 2006 г.). «Сравнение сопоставления форм и стыковки как инструментов виртуального скрининга». Журнал медицинской химии . 50 (1): 74–82. CiteSeerX 10.1.1.476.1517 . дои : 10.1021/jm0603365 . ISSN 0022-2623 . ПМИД 17201411 .
- ^ Jump up to: а б Адивараха, Дж. (2008). Понимание механизмов, термодинамики и кинетики сокристаллизации для управления фазовыми превращениями (PDF) (диссертация). Мичиганский университет.
- ^ Чейни, ML; Вейна, ДР; Шан, Н.; Ханна, М.; Войтас, Л.; Заворотко, МЮ (2010). «Супрамолекулярная архитектура сокристаллов мелоксикама и карбоновой кислоты, пример кристаллотехники». Рост и дизайн кристаллов . 10 (10): 4401. doi : 10.1021/cg100514g .
- ^ «Взрывчатка: большой взрыв» . Экономист . 15 сентября 2012 г.