5-氟尿嘧啶與4,4′-聯吡啶共晶的合成與表征的研究

肖忠偉 楊釗 徐紅 李敏 趙永鳳

(1 青島大學藥學院，山東 青島 266021； 2 青島大學附屬醫院藥劑科； 3 青島市食品藥品檢驗研究院； 4 山東科技大學)

藥物共晶是活性藥物成分和共晶配體以特定的化學計量比通過分子間作用力結合在同一晶格中的晶體，是一種可以改善活性藥物成分諸多理化性質的新型固體形式[1-3]。通過向原料藥中引入共晶配體，可以改善藥物的物理化學性質，例如增加穩定性[4]、提高生物利用度等[5-8]。如今已有多款共晶藥物上市，如安斯泰來公司研制的伊格列凈/L-脯氨酸就是一種治療糖尿病的新型共晶藥物[9-10]。

5-氟尿嘧啶(5-FU)是嘧啶類抗代謝藥物，臨床用于治療乳腺癌、皮膚癌等[11-12]，為一種BCS Ⅲ類藥物，口服吸收不穩定、半衰期短(7.5～10 min)，生物利用度低，藥物動力學性能差[13-16]。為了優化藥效和減少副作用，科研人員制備了各種5-FU共晶來克服其性質缺陷[17-23]。如ZHANG等[24]制備了5-FU-煙酰胺共晶提高了5-FU的生物利用度，同時有效地降低了急性毒性。

藥物共晶多晶型是指具有2種或2種以上不同晶體結構的共晶。由于其內部晶體結構的差異，同一種藥物的不同晶型會表現出熔點、穩定性以及生物利用度等理化性質的不同，從而顯著影響藥物的療效。通過調控制備方法、選擇不同溶劑種類可以進行共晶多晶型的篩選。5-FU存在2種晶型且氫鍵結合位點多，這些因素使其在制備共晶過程中較易產生多晶型。本研究選擇具有較強僑聯能力的4,4′-聯吡啶(BPY)作為配體[25-26]，并擬通過超聲輔助的溶劑蒸發法以獲得一種新的5-FU-BPY多晶型，并進一步對其晶體結構的表征進行檢測。現將結果報告如下。

1 材料與方法

1.1

藥用原料藥5-FU購自大連美侖生物技術有限公司，BPY購自天津市光復精細化工研究所，乙腈購自德國默克股份公司，Spectrum 65傅里葉變換紅外光譜儀購自美國PerkinElmer公司，DSC 6000差示掃描量熱儀購自美國鉑金埃爾默儀器有限公司D8 Focus X 射線粉末衍射儀、Xcalibur&Gemini 單晶衍射儀購自德國布魯克公司，電熱恒溫鼓風干燥箱購自上海三發科學儀器有限公司，BT125D型電子天平購自美國Sartorious公司。

1.2

1.2.1共晶的制備 準確稱取50 mg 5-FU并加入到10 mL乙腈溶液中，超聲溶解后加入60.03 mg BPY，繼續超聲溶解1 h。冷卻至室溫以后過濾至50 mL燒杯中，用封口膜封口并用針頭扎一定數量小孔，靜置1 d后待晶體析出。在顯微鏡下挑取單晶保存于礦物油中進行后續實驗。

1.2.2X-射線單晶衍射(SCXRD)檢測晶體結構采用Xcalibur&Gemini單晶衍射儀檢測單晶結構，收集衍射強度數據。實驗條件：石墨單色儀Cu-Kα靶，波長為1.541 84 ?，溫度為20 ℃。然后使用SHELXTL-97程序進行結構解析，所有原子可以使用直接法確定，其中非氫原子坐標使用最小二乘法求出。對非氫原子進行各向異性分析，并用最小二乘法對其結構進行精修[27]。

1.2.3X-射線粉末衍射(PXRD)檢測共晶和原始組分的衍射峰 利用Bruker D8 Focus X-射線粉末衍射儀對晶體粉末進行掃描，用以確定5-FU-BPY和5-FU、BPY以及二者的物理混合物所具有的不同的晶相特征。射線源為Cu-Kα，波長1.540 60 ?，發散狹縫和散射狹縫均設置為1°，接收狹縫設置為0.15 mm，光管電壓和電流分別為40 kV和40 mA，在衍射角(2θ)為10°～40°范圍內以1°/min的速度進行掃描。

1.2.4差示掃描量熱法(DSC)檢測共晶和原始組分的熔點 利用差示掃描量熱儀對5-FU、BPY、兩者混合物及共晶進行程序升溫，氮氣流速為20 mL/min，升溫速度為10 ℃/min。 熔點數據采用Pyris Manager軟件處理。

1.2.5傅里葉變換紅外光譜法(FT-IR)檢測樣品的紅外光譜 利用傅里葉變換紅外光譜儀對5-FU、BPY、兩者混合物及共晶進行紅外光譜檢測，分別取各樣品約2 mg置瑪瑙研缽中，加入干燥的溴化鉀細粉約200 mg作為分散劑，充分研磨混勻之后，置于壓片模具中制成供試片。設置掃描范圍4 000～400/cm，掃描次數4次，分辨率4/cm。

1.2.6掃描電子顯微鏡(SEM)檢測晶體形態 取適量5-FU-BPY、5-FU以及BPY，使用雙面膠固定在銅板上，用金噴射，利用電鏡掃描儀在20.0 kV電壓下進行掃描，以獲取5-FU-BPY、5-FU和BPY的晶體形態。

2 結 果

2.1

采用SCXRD對該共晶的單晶結構測定顯示，5-FU-BPY屬于單斜晶系P21/c空間群，晶胞軸長：a=3.734 4(5)?，b=20.017 0(2)?，c=18.860 1(19)?，晶胞軸角：α=90.000 deg，β=94.765(2)deg，γ=90.000 deg，Z=2，R1=0.098 0，wR2=0.215 0。不對稱單元包含兩個5-FU分子和半個BPY分子(圖1A)。晶體結構中存在大量分子間氫鍵，一個5-FU分子的亞氨基NH和BPY一個氮原子形成一個氫鍵N2-H2···N5 (2.178 ?，178.65°)，同時這個5-FU分子的亞氨基和另一個5-FU分子的一個醛基形成另一個氫鍵N3-H3···O2(1.932 ?，123.26°)。第二個5-FU分子中的亞氨基NH與第三個5-FU分子中的磺酰氨基形成分子間氫鍵N3-H3···O2(1.932 ?，123.26°)。5-FU分子與BPY分子通過氫鍵以4∶1的化學計量比形成共晶(圖1B)。在三維超分子結構中，5-FU分子與另7個5-FU分子通過分子間氫鍵相連形成八圓環，兩端各空出一個氫鍵供體，分別與BPY分子中的氫鍵受體相結合形成雙孔狀環形結構(圖1C)。

A：球形圖,B：氫鍵圖,C：三維結構圖

2.2

5-FU-BPY的PXRD圖譜顯示，在衍射角2θ為12.94°、14.90°、16.78°及33.83°處有新的特征衍射峰；5-FU在衍射角2θ為28.72°、15.91°處有2個衍射峰；BPY在衍射角2θ為26.00°、21.77°和13.44°處有3個衍射峰。

2.3

DSC檢測結果顯示，5-FU-BPY在256.66 ℃處具有新的熔點峰，而5-FU的熔點為288.19 ℃，BPY的熔點為115.49 ℃。

2.4

FT-IR檢測結果顯示，5-FU在3 068、1 725/cm處分別對應的亞酰胺基伸縮振動峰位移至3 103、1 688/cm處，BPY在1 401/cm處對應的吡啶氮伸縮振動峰位移至1 461/cm處。

2.5

SEM檢測結果顯示，5-FU-BPY呈規則光滑的長條狀形態， 5-FU呈現不規則粗糙塊狀形態，BPY呈松散的無序形態(圖2)。

A：5-FU-BPY結構形態；B：5-FU結構形態；C：BPY結構形態，500倍

3 討 論

本研究制備了一種新的5-FU-BPY晶型，通過SCXRD技術測定了晶體結構及分子組成，其不對稱單元是由兩個5-FU分子和半個BPY分子通過氫鍵相互連接組成。8個5-FU分子通過氫鍵相連形成超分子環形單元，中間與BPY分子通過分子間氫鍵相結合，最終自組裝擴展生成雙孔狀構造，這種罕見的超分子孔洞結構可能會對5-FU-BPY共晶的理化性質產生一定影響[28]。PXRD圖譜被認為是晶體結構的指紋圖譜，因此利用PXRD可快速鑒別共晶及晶相純度，PXRD結果顯示5-FU-BPY在2θ為12.94°、14.90°、16.78°和33.83°處形成4個新的特征衍射峰，不同于5-FU及BPY的衍射峰，也不同于報道的另一晶型的6個衍射峰[29]，表明形成了新的共晶。DSC是利用不同晶型物質特有的熱力學性質，通過熔點進行鑒別，DSC檢測結果證明5FU-BPY在256.66 ℃處具有新的熔點，與兩種組分的熔點具有明顯的差異，也不同于另一晶型的233 ℃的熔點，這預示著新晶相的形成。共晶形成氫鍵時，共晶的紅外光譜會發生明顯變化，因此FT-IR可以用于檢測共晶的形成[30]。5-FU-BPY的FT-IR圖譜中5-FU在3 068、1 725/cm處的N-H,C=O伸縮振動分別移至3 103、1 688/cm處；BPY的吡啶N伸縮振動峰由1 401/cm處移至1 461/cm處，這說明5-FU的亞酰胺基和BPY的吡啶氮之間參與了氫鍵的形成，這與單晶結果相符。SEM可以直接觀察樣品的微觀結構，不同的晶型排列會顯示不同的形態。本研究SEM觀察顯示5-FU-BPY形態發生明顯變化，說明形成共晶后，5-FU-BPY具有不同結晶形式及晶胞排列，證實了新晶相的形成。

藥物共晶多晶型影響藥物的理化性質及療效，制備方法不同會得到不同的共晶晶型。研磨法通過借助機械力來促進共晶的形成，添加適當的乙醇提高分子的移動性可促進共晶形成，但研磨法存在不易結晶的缺點，即使添加少量溶劑也可能生成溶劑化物。超聲輔助是一種新興技術，此方法得到的共晶純度高，可用于特定配比共晶的制備與篩選。本研究采用超聲技術，提供給藥物分子與配體分子更強的作用力，促進晶核的形成。選擇不同極性的乙腈與水的混合溶劑進行共晶制備，得到一種新的具有不同熔點、PXRD峰的共晶多晶型，這為通過改變制備方法及溶劑極性獲得共晶多晶型提供了研究思路。以往共晶的研究熱點集中在共晶的設計、制備與表征上。但近年來隨著共晶研究的深入，研究人員在制備共晶過程中意外發現藥物共晶的多晶型行為。本研究通過SCXRD確定共晶結構內部原子、分子的空間排布，證實5-FU-PY具有的雙孔狀構造，不同于研磨法得到的共晶鏈狀結構，這種微觀空間排列方式不同所形成的不同晶體結構分類為堆積多晶型，這為共晶多晶型的超分子研究提供了基礎。

總之，5-FU具有滲透性低，口服吸收不完全，生物利用度低等缺點，本研究制備的5-FU-BPY共晶通過引入另一配體，物理化學性質將發生改變。本研究也存在不足之處，如未進行性質研究，下一步需要利用細胞開展抗腫瘤活性實驗，以期為5-FU的口服給藥系統及透皮給藥系統的研究提供參考。