阿托伐他汀鈣I和Ⅱ晶型的制備和表征

王悅偉，張天巍，柳　泉，張士欣，龔俊波*

多晶型現象是指同一種物質存在2種或2種以上晶體結構，也叫同質異象或者同質多象現象;廣義的多晶型包括了假多晶型即溶劑化物，溶劑化即結晶形式中含有已知量或者未知量的溶劑，若其中的溶劑為水，則溶劑化物即為水合物［1］。水分子和藥物分子之間相互作用會影響晶體的晶格能，進而影響活性藥物分子的溶解度、溶解速度、穩定性以及其生物利用度［2-5］。

據統計，至少有1/3的活性藥物組分(API)可以形成水合物［6］，根據水分子與藥物分子之間的作用力不同，水合物可以分為3種類型:獨立位點水合物即結合水合物(isolated site hydrates)，通道水合物(channel hydrates)以及離子配位水合物(ionassociated hydrates)［7］。獨立位點水合物中，水分子與水分子之間沒有作用力，水分子和藥物分子通過氫鍵和范德華力相互作用，脫水溫度相對較高，在DSC中有尖的脫水吸熱峰，TG中失重較窄，IR圖譜中有尖的氫鍵振動峰［8］。通道型水合物中水分子與其相鄰的水分子形成氫鍵，且沿某一晶軸呈鏈狀分布，此類水合物脫水溫度較獨立位點水合物低，同時水分子的脫去不改變原來的晶體結構，形成的空隙可以被其他溶劑分子填充，在DSC中的脫水吸熱峰和TG中的失量峰較寬，IR圖譜中在相對較低的頻率下有尖的氫鍵吸收峰［9］。當藥物分子中有金屬離子存在時，若與水分子形成離子配位鍵，即為離子配位水合物，因離子鍵一般很強，此類水合物脫水溫度會很高［10］。

阿托伐他汀鈣(atorvastatin calcium)，商品名為立普妥(Lipitor)，是目前臨床最常用的降血脂藥，化學名稱為7-［2-(4-氟苯基)-3-苯基-4-(苯胺基甲?；?-5-(2-丙基)吡咯-1-基］-3，5-二羥基庚酸鈣;［R，(R* ，R*)］-2-(4-氟苯基)-β，α-二羥基-5-(1-甲基乙基)-3-苯基-［(苯胺基)-羥基］-1H-吡咯-1-庚酸鈣鹽，相對分子質量約為1209.42，CAS號為344423-98-9，結構式如圖1。

圖1　阿托伐汀鈣分子結構式Fig．1　Chemical structure of atorvastatin hemi calcium

I和Ⅱ晶型是其最重要的2個晶型［11］，然而這2種晶型都為阿托伐他汀鈣的水合物形式，并且都是三水化合物，是否這些水分子的存在模式和結合方式都一樣呢?脫水過程是否完全一樣呢?本研究針對這2個問題，對阿托伐他汀鈣的水合物的多晶型的存在現象，水溶劑分子的結合方式和脫水過程進行了詳細研究。本研究由阿托伐他汀內酯制備了阿托伐他汀鈣I晶型，通過I晶型的懸浮轉晶得到了Ⅱ晶型，并對晶型I和Ⅱ進行了固相表征，主要研究了I和Ⅱ晶型中水分子的結合方式和脫水過程對晶體產品的影響，為結晶工藝和干燥過程以及脫水轉晶提供指導。

1　實驗部分

1.1　實驗藥品與試劑

阿托伐他汀內酯(質量分數大于99.8%)，美國輝瑞制藥公司;四甲基叔丁基醚(分析純)，甲醇(分析純)，氫氧化鈉(質量分數大于99.5%)和一水乙酸鈣(質量分數大于99.5%)，天津市江天化工技術有限公司;去離子水，市售。

1.2　I和Ⅱ晶型的制備

將15.0 g阿托伐他汀內酯在室溫下溶解在83 mL四甲基叔丁基醚和38 mL甲醇中，得到的內酯溶液加熱到50.5℃，配制191 mL含有0.15 mol/L氫氧化鈉的水溶液，與內酯溶液混合，維持混合液溫度在49～55℃之間，反應46 min得到阿托伐他汀開環鈉鹽;冷卻到29℃并棄置有機層，添加62 mL四甲基叔丁基醚到剩下的混合物中提取水層并棄置有機層;在得到的溶液中緩慢(超過30 min)加入一水乙酸鈣溶液(2.5 g一水乙酸鈣和81 mL水)，保持反應溫度在52.7～53.2℃之間，反應17 h，不斷攪拌，降至室溫，抽濾，在60℃和低壓(～5 mm in Hg vacuum)下干燥產物，得到阿托伐他汀鈣I晶型。

將10 g阿托伐他汀鈣I晶型添加到120 mL甲醇和80 mL水的混合溶劑中，恒溫30℃，攪拌72 h，抽濾，50℃干燥，得到阿托伐他汀鈣Ⅱ晶型。

1.3　I和Ⅱ晶型的固相表征

1.3.1掃描電鏡分析(SEM)

采用日立臺式掃描電子顯微鏡TM3000對產品進行晶體形態表征，將少量樣品放在黏著雙面膠的金屬片上，觀察前進行噴金處理。

1.3.2X射線粉末衍射分析(PXRD)

采用日本理學(Rigaku D/max-2500)X射線粉末衍射分析儀，射線源Cu_Kα(0.15405 nm)，掃描范圍為 2°～50°(2θ)，步長為 0.02°，速率為1.2(°)/min，電源設置為 40 kV，100 mA。

1.3.3卡爾費休水分析(KF)

I/Ⅱ晶型中水含量的測定在梅特勒卡爾費休水分分析儀(Mettler Toledo V20 Volumetric KF Titrator)上完成，儀器在滴定前和滴定后均用酒石酸鈉二水合物標定。每個樣品均測試至少3次，當3次測量值相差小于0.2%時，將3次測量值取平均用來表示測量結果。

1.3.4熱分析(DSC)和熱重分析(TGA)

TGA和DSC分析采用瑞士Mettler Toledo TGA/DSC 1/500，氮氣為保護氣，測試溫度范圍為25～200℃，升溫速率為5 K/min，樣品質量范圍為5～10 mg，其中 DSC測試時，樣品置于扎孔的 Al2O3坩堝中。

1.3.5動態蒸汽吸附分析(DVS)

I/Ⅱ晶型等溫吸附曲線的測定采用美國TA In-struments的DVSVTI-SA。測試前，阿托伐他汀鈣I、Ⅱ晶型均經過重結晶提純處理，實驗溫度恒定為25℃，吸附和脫附過程均在濕度 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%條件下測量藥物的質量變化。

2　結果與討論

2.1　阿托伐他汀鈣I/Ⅱ晶型的掃描電鏡和粉末衍射圖譜

阿托伐他汀鈣I和Ⅱ晶型在晶體形態差異較小，均呈細長棒狀(見圖2)。

圖2　阿托伐他汀鈣的掃描電鏡照片Fig．2　SEM photoes of atorvastatin calcium

為了驗證實驗所得的產物是阿托伐他汀鈣I和Ⅱ晶型，我們對產物進行了X射線粉末衍射分析。如圖3所示，實驗制得的I和Ⅱ晶型的PXRD特征峰峰有明顯的不同，其中，I晶型的特征峰出現在2.9±0.2，5.9±0.2，8.9±0.2，9.2±0.2，10.1±0.2，10.3±0.2，11.6±0.2，11.9±0.2，16.8±0.2，19.2±0.2，21.4±0.2，23.5±0.2;Ⅱ晶型的特征峰則在 3.3±0.2，3.9±0.2，8.2±0.2，16.3±0.2，19.7±0.2，24.1±0.2，均符合阿托伐他汀鈣的晶型專利［11］。不同的粉末衍射特征峰表明這2種晶型的晶體結構之間結構存在差異。

圖3　阿托伐他汀鈣晶型I/Ⅱ和無定型的粉末衍射圖Fig．3　Powder X-ray diffraction patterns of atorvastatin calcium form I，form Ⅱ and amorphous

表1　阿托伐他汀鈣I/Ⅱ晶型卡爾費休水分析結果Table 1　The results of water content analysis determined by Karl Fischer Titrator

2.2　卡爾費休水含量分析

專利報道［11］，I晶型包含1至8個水分子，一般為三水合物，Ⅱ晶型為水合物，產物水含量分析結果如表1，通過計算可以得出晶型I和Ⅱ均為阿托伐他汀鈣的三水合物。

2.3　熱分析(DSC)和熱重分析(TGA)

圖4　阿托伐他汀鈣I/Ⅱ晶型熱重分析Fig．4　TGA curves of atorvastatin calcium forms I and Ⅱ

熱分析結果分別見圖4和圖5。熱重分析中I和Ⅱ晶型的失水總量符合卡爾費休水含量的測試結果，但在升溫過程中I和Ⅱ晶型卻表現出截然不同的失水特點。晶型I有3個明顯的失水臺階，從75℃到115℃失水1.52%，從115℃到120℃失水1.48%，從120℃到150℃失水1.58%，總失水量為5.58%。晶型Ⅱ在整個升溫過程中只有1個失水臺階，從開始升溫到125℃總失水量為5.76%;通過計算得到，理論上1 mol水在阿托伐他汀鈣三水合物中的質量分數即為1.49%，即，晶型I中的3個水分子是隨溫度的升高逐步脫去的，晶型Ⅱ中的3個水是同時脫去的。

圖5可以讓我們更好地理解I和Ⅱ晶型的脫水過程，如圖5。晶型I在73.49、110.20和130.96℃分別有3個吸熱峰，對應TGA中3個不同的失水臺階，在 154.74℃熔化，185℃分解;晶型Ⅱ只在57.53℃有1個大的吸熱峰，在173.84℃熔化，195℃分解，由于晶型Ⅱ的熔化溫度和降解溫度很接近，DSC中熔化峰會影響降解峰出現的位置，從TG圖中可以看出2種晶型的分解溫度基本上是同步的，在185℃附近，說明2種晶型脫水熔化以后完全一樣，都是在185℃附近開始降解。很明顯，晶型Ⅱ符合通道水合物的特點，晶型I中則既有通道水又有結合水，結構更為復雜。

圖5　阿托伐他汀鈣I/Ⅱ晶型差示掃描量熱分析Fig．5　DSC curves of atorvastatin calcium forms I and Ⅱ

2.4　I/Ⅱ晶型中水分子結合形式的表征

水分子因為其和有機藥物分子的結合方式不同而分為通道型水合物和結合型水合物，在一些復雜的晶胞結構中，通道水和結合水會同時存在［12］;阿托伐他汀鈣I晶型即為此類化合物，熱重分析表明75和115℃，I晶型分別脫去1分子水和脫去2分子水，此時將樣品從TG分析坩堝中迅速取出，進行PXRD分析，結果見圖6。

圖6　阿托伐他汀鈣PXRDFig．6　PXRD patterns of atorvastatin calcium

由圖6可知，其PXRD并沒有發生變化，這符合通道水的特點，因其不參與晶胞結構的構建，通道水的脫去并不影響物質的粉末衍射譜圖，而在130℃附近，因第3分子水的脫除，I晶型的PXRD開始發生變化，在135℃時，第3分子水已經完全脫除時，其PXRD圖譜已經類似于阿托伐他汀鈣無定型，這符合結合水的特征，結合水和藥物分子間形成氫鍵，進而參與到晶格的構建，它的脫去會引起晶格的坍塌，缺陷甚至無定型化。Ⅱ晶型的變溫PXRD分析表明，Ⅱ晶型的中3個水分子全為通道水。

2.5　I和Ⅱ晶型的吸濕性分析

25℃時阿托伐他汀鈣I晶型和Ⅱ晶型等溫吸附曲線如圖7所示。

圖7　25℃時阿托伐他汀鈣I晶型和Ⅱ晶型等溫吸附曲線Fig．7　DVSisotherm plot for atorvastatin calcium form I and formⅡat 25℃

I晶型屬于輕度吸濕，在相對濕度小于80%時，I晶型的質量分數變化小于1%，屬于表面物理吸附過程，說明I晶型在日常的濕度條件是穩定存在的。Ⅱ晶型則屬于中度吸濕，其等溫吸附曲線符合通道水合物的特點，藥物質量隨著濕度增大產生臺階式的增加，這表明藥物晶體表面吸附的平衡水在高濕度條件下進入到晶格內部，形成了固定計量比或者非固定計量比的水合物，并且，Ⅱ晶型在吸濕過程中，當濕度大于40%時，其質量開始大幅度增加，在脫附過程中，當濕度降至20%以下時，藥物質量才開始大幅下降，即藥物質量呈臺階式增加及降低的臨界濕度點并不一致，吸附和脫附過程不可逆，這是很多藥物吸濕過程中普遍存在的現象［13］。

3　結論

由阿托伐他汀內酯合成得到了阿托伐他汀鈣I晶型，由I晶型制得了Ⅱ晶型;X射線粉末衍射分析證實了這2種不同的晶型;卡爾費休法測得I和Ⅱ晶型的水含量分別為4.85%和4.56%，平均摩爾含水量均為3，但TGA和DSC分析中，I晶型的3個水分子呈階梯狀失去，Ⅱ晶型則1次性失去3個水分子，利用TG，我們得到了不同溫度下已經失去部分水的I和Ⅱ晶型樣品，再進行粉末衍射分析的結果表明，I晶型中3個水分子中包含1個結合水，2個通道水，而Ⅱ晶型中的3個水分子均為通道水。I和Ⅱ晶型等溫吸附曲線的特點也符合這一判斷。

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