Wiedenbeck, Eduard
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Liquid Metastable Precursors of Ibuprofen as Aqueous Nucleation Intermediates
The nucleation mechanism of crystals of small organic molecules, postulated based on computer simulations, still lacks experimental evidence. In this study we designed an experimental approach to monitor the early stages of the crystallization of ibuprofen as pharmaceutically eminent molecule and a model system for small organic molecules. We found that ibuprofen undergoes liquid-liquid phase separation prior to nucleation. The binodal and spinodal limits of the corresponding liquid-liquid miscibility gap were localized by combining potentiometric titration with 1 H NMR spectroscopy and additional analyses. We confirmed the liquid character of this initially formed phase by applying PFG-STE self-diffusion experiments ( 1 H NMR) and found an increase in viscosity sustaining the kinetic stability of the dense liquid intermediate. Intermolecular distances of ibuprofen within the dense liquid phase were found to be similar to those in the crystal forms, according to 2D 1 H- 1 H NOESY measurements. Hence, this dense liquid phase is identified as a precursor phase within a nucleation pathway of ibuprofen, in which densification is followed by structural order generation. Fundamentally, this discovery bears the opportunity and promise to enrich poorly soluble pharmaceuticals beyond classical solubility limitations in aqueous environments.
Flüssige metastabile Vorstufen von Ibuprofen als Zwischenprodukt der Nukleation in wässriger Lösung
Der Nukleationsmechanismus von Kristallen kleiner organischer Moleküle wurde durch Computersimulationen postuliert, doch bisher mangelt es an experimentellen Nachweisen. Hier wurde ein experimenteller Ansatz entwickelt, mit dem die frühen Stadien der Kristallisation von Ibuprofen als Modellsystem aufgezeigt werden. Ibuprofen vollzieht eine flüssig-flüssig Entmischung. Die binodalen und spinodalen Grenzen dieser Mischungslücke wurden analysiert und der flüssige Charakter der Phase wurde bestätigt. Ein Anstieg der Viskosität hält die kinetische Stabilität der dichten flüssigen Phase aufrecht, die intermolekularen Abstände entsprechen denen in den Kristallstrukturen. Die dichte flüssige Phase wurde als Vorläuferphase der Nukleation von Ibuprofen identifiziert, bei der zunächst eine Verdichtung stattfindet und sich erst später eine strukturelle Ordnung ausbildet. Diese Entdeckung verspricht die Möglichkeit, schwerlösliche Wirkstoffe in wässriger Lösung über klassische Löslichkeitsgrenzen hinaus zu befördern.