地美硝唑-3,4-二羟基苯甲酸共晶的制备及表征分析

2022-09-06王令令李金辉张瑶瑶赵兴华

动物医学进展 2022年9期

王飞，王令令，李金辉，何欣，张瑶瑶，赵兴华*

(1.河北农业大学，河北保定 071001；2.河北圣雪大成唐山制药有限责任公司，河北唐山 064000)

地美硝唑(Dimetronidazole，DMZ)是动物专用的硝基咪唑类药物，性状为白色或淡黄色结晶，呈弱碱性，具有光不稳定性，光照后易分解并颜色变暗[1-3]，临床上多采用避光保存。常用于治疗家禽的滴虫病、猪的出血性下痢及厌氧菌的感染，为有效的抗组织滴虫药和抗猪密螺旋体药[4]。

共晶是利用晶体工程原理将药物活性成分和共晶形成物通过氢键、π-π共轭、范德华力等非共价键结合在同一晶格中形成的超分子[5]。药物活性分子形成共晶后，原有的晶格堆积和分子排列方式发生变化，药物溶解时与溶剂之间的相互作用也随之发生改变，故共晶常被用于改善药物活性成分的溶解性和生物利用度[6]，共晶还可以用来改善药物分子的稳定性[7]、吸湿性[8]、口感[9]等。共晶技术可提高左氧氟沙星的光稳定性[10]；共晶可避免泛醇被氧化[11]；呋喃酰胺的3种共晶可提高其化学稳定性，减少原料药的降解[12]。本文利用晶体工程原理，选择合适的共晶形成物，制备地美硝唑共晶，并对其进行表征分析，为兽用抗菌药物的晶型研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 主要试剂地美硝唑(C5H7N3O2)由保定冀中药业有限公司赠予；3,4-二羟基苯甲酸(3,4-Dihydroxybenzoic acid，3,4-DHBA，C7H6O4)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司(图1)。

图1地美硝唑和3,4-二羟基苯甲酸的分子结构图

1.1.2 主要仪器 TD-3700型X射线衍射仪，丹东通达科技有限公司产品；双微焦斑单晶X射线衍射仪，日本理学XtaLAB PRO公司产品；冷场发射S4800扫描电子显微镜，日本日立(Hitachi)公司产品；红外光谱仪Nicolet iS5，美国赛默飞尼高力公司产品；SDT Q600同步热分析仪，美国TA公司产品。

1.2 方法

1.2.1 制备地美硝唑-3,4-二羟基苯甲酸共晶及单晶参照文献[13]研磨法制备共晶，称取等摩尔的地美硝唑(28.2 mg，0.20 mmol)和3,4-二羟基苯甲酸(30.8 mg，0.20 mmol)放入2 mL的PC管中，在管中加入5 mm氧化锆材质研磨球，再加入20 μL甲醇作为溶剂，用球磨机球磨，速度为20 HZ，时间为30 min。参照文献[14]冷却结晶-缓慢挥发法制备单晶，称取等摩尔的地美硝唑(47.0 mg，0.33 mmol)和3,4-二羟基苯甲酸(51.37 mg，0.33 mmol)，依次加入到10 mL超纯水中，加热至45℃，以600 r/min转速搅拌30 min，使其全部溶解，静置挥发。

1.2.2 粉末X射线衍射研磨法和冷却结晶-缓慢挥发法获得的粉末过筛后进行X射线衍射测定。测试条件：Cu Kα辐射0.154056 nm，管电压为30 kV，管流20 mA，样品扫描范围2θ为5～35°，扫描步长为0.015°，扫描速度为每步1 s。

1.2.3 单晶X射线衍射挑选1.2.1项下制备的合适大小的单晶置于单晶X射线衍射仪样品装置处，测试温度为150 K，Cu Kα射线衍射(λ=0.154178 nm)，管压20 kV，电流5 mA。采集的单晶数据使用CrysAlisPRO程序进行晶胞细化和数据简化。该结构用Olex2程序解析并精修，用全矩阵最小二乘法在F2上进行优化，所有非氢原子都用各向异性位移参数进行了细化。所有氢原子都放置在具有固定各向同性热参数的计算位置。通过Mercury 4.2.0软件绘制晶体结构。

1.2.4 扫描电镜直接将样品(包括地美硝唑、3,4-二羟基苯甲酸和地美硝唑-3,4-二羟基苯甲酸)粘在导电胶带上进行喷金，在20 kV 电压下获得不同放大倍数的扫描电子显微镜照片。

1.2.5 红外光谱用红外光谱仪Nicolet iS5进行样品(包括地美硝唑、3,4-二羟基苯甲酸和地美硝唑-3,4-二羟基苯甲酸共晶)的红外光谱采集，采集范围为4 000 cm-1～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数32次。

1.2.6 热分析用SDT Q600同步热分析仪对样品(甲硝唑、3,4-二羟基苯甲酸和地美硝唑-3,4-二羟基苯甲酸共晶)进行热重分析和差示扫描量热分析。取适量样品放入氧化铝坩埚内，进样，在样品杆上记录质量，然后先氮气稳定30 min左右，再进行测试。测定温度范围：室温升温至400℃，升温速度为10 ℃/min，升温过程由干燥的氮气保护，氮气流速为50 mL/min。

2 结果

2.1 X射线衍射

采用混悬法，过滤干燥收集到固体粉末，粉末过筛后进行PXRD测定(图2)。DMZ在2θ为21.2°、27.3°以及3,4-DHBA在2θ为15.5°、16.9°、19.5°、20.8°的粉末衍射特征峰消失，DMZ-3,4-DHBA在2θ为14.6°、16.5°、18.9°出现了不同于DMZ和3,4-DHBA的新的衍射特征峰，说明DMZ-3,4-DHBA既不同于原来的DMZ和3,4-DHBA，也不是DMZ和3,4-DHBA的简单物理混合，而是具有明确的新的特征峰，符合形成共晶的特征。而通过单晶XRD模拟的衍射图(图2中的calculated DMZ-3,4-DHBA)与该粉末测得的XRD衍射图一致，说明制得的DMZ-3,4-DHBA是一种新的晶体物质。

图2模拟DMZ-3,4-DHBA(a)、试验制备DMZ-3,4-DHBA(b)、3,4-DHBA (c)和DMZ (d)的粉末X射线衍射

2.2 地美硝唑-3,4-二羟基苯甲酸共晶的晶体结构

DMZ-3,4-DHBA的单晶结构分析数据表明，该共晶属于单斜晶系的Cc空间群，晶胞参数为a=0.71008(8) nm，b=1.36465(13) nm，c=1.30990(12) nm，α=γ=90°，β=98.280°(表1)。DMZ不对称单元中有1个DMZ分子和1个3,4-DHBA分子，它们之间以较强的氢键O3-H3…O2(0.2739 nm)连接形成一个异二聚体结构。相邻的异二聚体中DMZ和3,4-DHBA通过氢键O6-H6…N1(0.2652 nm)，3,4-DHBA和3,4-DHBA通过氢键O3-H3…O5(0.3031 nm)和O4-H4…O5(0.2842 nm)沿c轴形成一维链状结构，相邻的一维结构通过范德华力沿b轴形成二维结构，并沿a轴通过π-π堆积形成三维结构(图3)。

2.3 扫描电子显微镜观察结果

从扫描电镜中可发现DMZ-3,4-DHBA共晶与药物活性成分和共晶形成物的形态有明显不同(图4)。DMZ为表面粗糙的不规则块状，3,4-DHBA为薄片的堆叠，DMZ-3,4-DHBA为棱角分明的块状。

图3(a) DMZ-3,4-DHBA 不对称单元、(b) DMZ-3,4-DHBA一维链、(c) DMZ-3,4-DHBA三维结构俯视图和(d) DMZ-3,4-DHBA三维结构侧视图

表1 DMZ-3,4-DHBA共晶的氢键参数

2.4 红外光谱

DMZ中NO2的吸收峰为1531 cm-1和1365 cm-1的强吸收峰。 3,4-DHBA中在3360 cm-1处的吸收峰是O-H的伸缩振动特征峰。DMZ-3,4-DHBA中1463 cm-1的吸收峰是DMZ的NO2在1531 cm-1和1365 cm-1的吸收峰迁移的结果，DMZ-3,4-DHBA中3326 cm-1的吸收峰是3,4-DHBA的O-H从3360 cm-1处的吸收峰迁移而来的，据此可以推断DMZ-3,4-DHBA中DMZ的-NO2与3,4-DHBA的-OH之间形成了氢键(图5)。

2.5 热分析

热分析结果见图6a和图6b，DMZ在138.7℃出现第1个明显尖锐的吸热峰，表明其熔点是138.7℃，熔融伴随着分解，在203.2℃出现第二个吸热峰，其大量分解至完全；3,4-DHBA的吸热峰从200℃开始，同时其开始熔融失重，其熔点为204℃；DMZ-3,4-DHBA在173℃出现吸热峰，为其熔点，第2个吸热峰213℃，是由于分解产生的峰。DMZ-3,4-DHBA熔点介于DMZ和3,4-DHBA之间，符合共晶形成的一般规律。

图4 DMZ-3,4-DHBA(a)、3,4-DHBA(b)及DMZ(c)的扫描电镜图

图5 DMZ-3,4-DHBA(a)、3,4-DHBA(b)及DMZ(c)红外光谱图

3 讨论

药物共晶作为一种新兴的药物晶型，其在改善药物理化性质方面有着独特的优势，可以在不改变药理作用的基础上改善原料药的理化性质[15]。因此，可通过制备药物共晶改善药物活性成分的固有缺陷[16-17]。共晶是原料药与共晶形成物通过氢键等非共价键相结合，除了可以增加药物的溶解度等性质，在增强药物的稳定性方面也显示出较好的优势。硝苯地平由于其结构原因易发生光降解，通过缓慢冷却结晶制备硝苯地平-异烟酰胺共晶的两种晶型，相比于硝苯地平光照10 h后含量仅剩83%而言，其共晶I显示出对光解的强抑制作用，含量没有明显变化，仍为98%以上，且共晶Ⅰ在低温下保存10 d未有任何形态变化[18]。为解决布瑞哌唑的光不稳定性，制备布瑞哌唑-邻苯二酚共晶，并将其与布瑞哌唑分别放于40℃/75% RH荧光下7 d，其中布瑞哌唑原料药中含量下降到97.26%±0.88%，并在液相检测中出现降解峰，而布瑞哌唑-邻苯二酚共晶中布瑞哌唑含量未发生变化，且无降解峰出现[19]。硝基呋喃妥因在不同相对湿度和温度储存后的溶出速率和生物利用度降低，提高其理化稳定性可能是控制其药物生物利用度降低的重要因素之一，制备硝基呋喃妥因与4-羟基苯甲酸共晶，在40℃、75% RH和24℃、57% RH条件下贮存13周后，与原料药相比，其含量几乎无任何变化[20]。丙酮为溶剂用溶液研磨法制备伊曲康唑-丙二酸共晶，其熔点为148℃，具有良好的热稳定性，不仅溶解度提高5倍，而且在70%的相对湿度下依然保持伊曲康唑的相对稳定性[21]。