卡马西平结晶工艺研究 [PDF全文]
Taso Gezahegn Mekuria,蒋成君
(浙江科技学院 生物与化学工程学院,杭州 310023)

为了研究卡马西平的结晶工艺,以甲醇为溶剂,正己烷为反溶剂,采用溶析结晶制备卡马西平晶体。利用X射线粉末衍射、红外光谱、拉曼光谱、光学显微镜等对卡马西平的晶型进行筛选和表征,考察卡马西平质量浓度、结晶温度、溶剂与反溶剂的体积比等参数对结晶得率和晶型的影响。研究结果表明,甲醇与正己烷溶析结晶得到两种晶型的卡马西平,分别为针状的晶型Ⅱ和棱镜状的晶型Ⅲ; 结晶温度是影响晶体得率的主要因素,在0 ℃时,结晶得率可达98.5%,在40 ℃时,结晶得率仅为15.2%; 溶剂与反溶剂的体积比是影响晶型的主要因素,体积比越大越利于晶型Ⅲ的生成。研究结果可为卡马西平晶型Ⅲ的生产提供参考。

Study on crystallization process of carbamazepine
Taso Gezahegn Mekuria, JIANG Chengjun
(School of Biological and Chemical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

To study the crystallization process of carbamazepine, carbamazepine was crystallized from organic solutions using an antisolvent crystallization technique, with methanol used as a solvent and hexane as an antisolvent. Carbamazepine crystalline forms were screened and represented by virtue of X-ray powder diffraction, infrared spectroscopy, raman spectroscopy and optical microscopy, investigating the effects of process parameters, such as solution concentration, temperature and solvent to antisolvent ratio, on the crystallization yield and crystalline forms. Analysis of the produced particles shows needle-like crystalline form Ⅱ and prismatic crystalline form Ⅲ coexist. The crystallization temperature is the major factor affecting the crystallization yield. At the temperature of 0 ℃, the crystallization yield can reach 98.5%, however, at 40 ℃, the crystallization yield was only 15.2%. The ratio of solvent to antisolvent is the main factor affecting the crystalline form. The larger the ratio is, the more conducive to formation of crystalline form Ⅲ. This study provides scientific basis for stable production of carbamazepine crystalline form Ⅲ.

引言

卡马西平是一种抗惊厥药物,主要用于治疗癫痫和神经性疼痛[1],是典型的多晶型药物[2-4],有晶型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 5种晶型[5],其中晶型Ⅲ是目前药品中的晶型[6]。如何稳定地制备特定的卡马西平晶型Ⅲ是卡马西平生产所面临的难题。不同的溶剂、不同的制备方法直接影响卡马西平晶型。Florence等[7]研究了66种溶剂、5种结晶方法,制备了卡马西平的3种晶型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及1种二水物、8种溶剂化合物。Lang等[2]通过羟丙基纤维素诱导结晶制备了卡马西平晶型Ⅳ。Arlin等[5]通过模板化方法,在二氢卡马西平晶型Ⅱ的表面得到了卡马西平晶型Ⅴ。Parambil等[8]研究了过饱和度及溶剂对卡马西平晶型的影响,控制过饱和度在1.3~4.0,用甲醇、乙醇或乙腈为溶剂得到晶型Ⅱ、Ⅲ和两者的混合物。蒸发结晶一般得到卡马西平晶型Ⅱ,难以得到卡马西平晶型Ⅲ[9]。于红琴等[10]以乙醇为溶剂,冷却结晶析出针状的亚稳晶型Ⅱ和棱镜状的稳定晶型Ⅲ。结晶方法直接影响产品最终的质量,因此溶析结晶代替冷却、蒸发结晶等技术受到了广泛的关注[11-12]。目前卡马西平的生产工艺研究及报道尚较多[13],但关于卡马西平溶析结晶技术的报道尚不多,基于此,本文在考虑产品得率及晶型纯度的基础上,研究在卡马西平结晶过程中质量浓度、结晶温度、溶剂与反溶剂的体积比等对晶型的影响,欲为卡马西平晶型Ⅲ的生产提供一定的参考。

1 试验部分1.1 试剂与仪器

卡马西平,CAS号:298-46-4,纯度大于98%,萨恩化学技术(上海)有限公司; 甲醇、正己烷,化学纯,国药集团化学试剂有限公司; NicoletTMISTM5傅里叶变换红外光谱仪,美国Thermo公司; 帕纳科X射线粉末衍射分析仪,荷兰帕纳科公司; In Via型激光共焦拉曼光谱仪,英国雷尼绍公司。

1.2 试验过程

以甲醇为溶剂,配制质量浓度为0.01、0.02、0.04、0.08 g/mL的卡马西平甲醇溶液各1 mL,分别将上述溶液以一定的速度滴加到反溶剂正己烷中,控制结晶温度为0~40 ℃,溶剂与反溶剂的体积比为0.1~10,过滤、烘干得到的晶体,计算卡马西平晶体的得率(y)并进行表征。得率计算公式如下:

y=(卡马西平晶体质量)/(加入到甲醇中的卡马西平质量)×100%。

1.3 分析方法

用帕纳科X射线粉末衍射仪分析采集卡马西平的X射线粉末数据,光源为Cu Kα射线(λ=1.541 Å,1 Å=10-10 m),温度为室温。用NicoletTMISTM5傅里叶变换红外光谱仪采集红外光谱数据,测试波数范围为4 000~500 cm-1。用In Via型激光共焦拉曼光谱仪采集4 000~100 cm-1的激光拉曼数据。

2 结果与讨论2.1 卡马西平晶型的X射线粉末衍射表征

用X射线粉末衍射法测定卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ,其X射线粉末衍射图如图1所示。由图1可知,卡马西平晶型Ⅱ特征衍射峰的位置2θ值为8.68°、13.26°、18.56°和24.54°,而晶型Ⅲ特征衍射峰的位置2θ值为15.36°、19.56°、25.00°和27.47°。晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的X射线粉末衍射有非常明显的区别。

图1 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的X射线粉末衍射图<br/>Fig.1 X-ray powder diffraction patterns of carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

图1 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的X射线粉末衍射图
Fig.1 X-ray powder diffraction patterns of carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

2.2 卡马西平晶型的红外光谱分析

卡马西平在甲醇/正己烷中溶析结晶时,得到针状的晶型Ⅱ及棱镜状的晶型Ⅲ,两种晶型的红外光谱图比较如图2所示。

图2 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的红外光谱图比较<br/>Fig.2 Comparison of infrared spectra of two carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

图2 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的红外光谱图比较
Fig.2 Comparison of infrared spectra of two carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

图2可知,卡马西平晶型Ⅱ、Ⅲ在红外光谱中表现出较大的区别。用于识别和区分卡马西平晶型的3个主要区域是3 500~2 800 cm-1、1 800~1 550 cm-1、1 500~1 340 cm-1,其中3 500 cm-1左右为N—H伸缩振动,多重谱带的产生是由于酰胺基之间的氢键,最大的区别在1 744.82 cm-1处,为酰胺的C═O的吸收峰,酰胺Ⅰ谱带、N—H的弯曲振动(酰胺Ⅱ谱带)则体现在1 500~1 340 cm-1。晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的红外光谱特征吸收峰比较见表1

表1 晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的红外光谱特征吸收峰比较<br/>Table 1 Comparison of characteristic absorption peaks in infrared spectra between form Ⅱ and Ⅲ

表1 晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的红外光谱特征吸收峰比较
Table 1 Comparison of characteristic absorption peaks in infrared spectra between form Ⅱ and Ⅲ

卡马西平晶型Ⅱ为三方晶系,R-3点阵,晶型Ⅲ为单斜晶系,P21/n点阵[3]。由于两种晶胞内部分子之间存在不同的较弱的相互作用,导致了两种晶型红外光谱的差异,因此通过红外光谱即可判断两种晶型。

2.3 卡马西平晶型的激光拉曼表征

卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的激光拉曼光谱图如图3所示。

图3 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的激光拉曼光谱图<br/>Fig.3 Raman spectra of carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

图3 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的激光拉曼光谱图
Fig.3 Raman spectra of carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

图3可知,卡马西平晶型Ⅱ与晶型Ⅲ的激光拉曼在3 000 cm-1处有较大的差别,酰胺基之间的氢键在此处表现出强谱带。晶型Ⅱ的特征吸收峰在3 025、3 050、3 069 cm-1处,而晶型Ⅲ的特征吸收峰在于2 968、3 022、3 045、3 072、3 468 cm-1处,因此通过激光拉曼能够有效地鉴别卡马西平晶型Ⅱ与晶型Ⅲ样品。

图4 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的光学显微镜图<br/>Fig.4 Optical microscope photo of carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

图4 卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的光学显微镜图
Fig.4 Optical microscope photo of carbamazepine crystalline form Ⅱ and Ⅲ

2.4 卡马西平晶型的光学显微表征

卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的光学显微镜图如图4所示。由图4可知,卡马西平晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的形貌存在显著差别,晶型Ⅱ呈针状,而晶型Ⅲ呈棱镜状,因此晶体的形貌可用于区分卡马西平的这两种晶型。

2.5 卡马西平的质量浓度对晶型的影响

过饱和度是晶体生长过程中的主要推动力,溶液的过饱和度越大,在结晶过程中产生的推动力就越大,晶体的成核速度和生长速度也更快。将不同质量浓度的卡马西平溶液加入到正己烷中,这直接影响到体系的过饱和度。以甲醇作为溶剂,25 ℃下分别将1 mL质量浓度为0.01、0.02、0.03、0.04 g/mL的卡马西平甲醇溶液以1 mL/min的速度注入1 mL正己烷反溶剂中,卡

表2 卡马西平的质量浓度对晶型和得率的影响<br/>Table 2 Effect of concentration of carbamazepine on crystalline form and crystallization yield

表2 卡马西平的质量浓度对晶型和得率的影响
Table 2 Effect of concentration of carbamazepine on crystalline form and crystallization yield

马西平的质量浓度对晶型和得率的影响见表2。由表2可知,卡马西平的质量浓度越高,得率越高。这是由于较高质量浓度的药物溶液在与反溶剂混合时产生较高的过饱和度,使成核速度加快,从而形成大量核并导致晶体数量的增加。当卡马西平溶液的质量浓度从0.01 g/mL增加到0.04 g/mL时,试验得到的晶型始终是晶型Ⅱ与晶Ⅲ的混合物,且改变质量浓度也不能制备纯度高的晶型,这可能是因为两种晶型的成核速度较为接近。

2.6 卡马西平的结晶温度对晶型的影响

温度是影响晶型的关键因素之一。当温度发生变化时,晶型的稳定性变化,同时温度的变化还会对溶液的过饱和度产生一定的影响,这些都会使析出的晶型发生变化。将甲醇作为溶剂,以1 mL/min的

表3 结晶温度对卡马西平晶型和得率的影响<br/>Table 3 Effect of crystallization temperature on crystalline form and crystallization yield

表3 结晶温度对卡马西平晶型和得率的影响
Table 3 Effect of crystallization temperature on crystalline form and crystallization yield

速度将1 mL质量浓度为0.04 g/mL的卡马西平甲醇溶液注入1 mL设定温度的正己烷反溶剂中,结晶温度对晶型和得率的影响见表3。由表3可知,在不同温度条件下,试验得到的始终是晶型Ⅱ与晶Ⅲ的混合物。根据经典的成核理论可知,温度升高可以促进成核,但随着过饱和度的降低,成核速度急剧下降。试验中温度升高对过饱和度降低的影响远大于促进成核的作用,因此温度升高导致得到的晶体数量明显减少,40 ℃条件下卡马西平晶体得率仅为15.2%。

表4 溶剂与反溶剂体积比对卡马西平晶型和得率的影响<br/>Table 4 Effect of solvent to antisolvent ratio on cry-stalline form and crystallization yield of carbamazepine

表4 溶剂与反溶剂体积比对卡马西平晶型和得率的影响
Table 4 Effect of solvent to antisolvent ratio on cry-stalline form and crystallization yield of carbamazepine

2.7 溶剂与反溶剂体积比对晶型的影响

在25 ℃条件下,以1 mL/min的速度将1 mL质量浓度为0.04 g/mL的卡马西平溶液注入1 mL正己烷反溶剂中,溶剂与反溶剂体积比对卡马西平晶型和得率的影响见表4。由表4可知,当溶剂甲醇与反溶剂正己烷的体积比为10时,得到高纯度的晶型Ⅲ; 当溶剂与反溶剂的体积比为0.1时,得到高纯度的晶型Ⅱ。由于甲醇对卡马西平有较大的溶解度[14],导致在溶剂与反溶剂高体积比时,晶体的得率明显下降,仅为58.5%。

3 结 语

综上所述,X射线粉末衍射、红外光谱、拉曼光谱等方法,均能有效地鉴别卡马西平晶型Ⅱ、Ⅲ两种不同的晶型,且两种晶型的形貌存在显著的差异。卡马西平晶型ⅡX射线粉末衍特征衍射峰的位置2θ值为8.68°、13.26°、18.56°和24.54°,而晶型Ⅲ特征衍射峰的位置2θ值为15.36°、19.56°、25.00°和27.47°。卡马西平晶型Ⅱ、Ⅲ在红外光谱中表现出较大的区别,用于识别和区分卡马西平晶型的3个主要区域是3 500~2 800 cm-1、1 800~1 550 cm-1、1 500~1 340 cm-1。晶型Ⅱ的拉曼光谱特征吸收峰在3 025、3 050、3 069 cm-1处,而晶型Ⅲ的特征吸收峰在2 968、3 022、3 045、3 072、3 468 cm-1处。晶型Ⅱ呈针状,而晶型Ⅲ呈棱镜状。我们还研究了工艺参数对晶型的影响,如卡马西平的质量浓度、结晶温度、溶剂与反溶剂的体积比。卡马西平质量浓度与温度的变化对晶型的影响较小,得到的均为晶型Ⅱ和晶型Ⅲ的混合物。溶剂与反溶剂的体积比为10时,得到高纯度的晶型Ⅲ; 溶剂与反溶剂的体积比为0.1时,得到高纯度的晶型Ⅱ。对以上各参数的考察及所得结果可为工业上制备卡马西平晶型Ⅲ提供参考。

参考文献