Nucleation Precursors of Poorly Water-Soluble Pharmaceutical Compounds

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2019
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit den frühen Stadien der Kristallisation kleiner organischer Moleküle in Lösung, wobei Ibuprofen und Diclofenac als Modellsystem dienen. Während der Kristallisation bilden sich verschiedene Spezies, die durch zahlreiche analytische Methoden und die Bestimmung physikalisch-chemischer Parameter charakterisiert wurden.
Der erste Teil dieser Arbeit handelt von der Untersuchung der Nukleation und Kristallisation von Ibuprofen mithilfe der entwickelten Titrationsmethode mit dem Ziel, ein Wasser-Ibuprofen Phasendiagramm zu erstellen. Die durchgeführten Titrationsexperimente basierten auf der Erzeugung von Übersättigung durch eine Verringerung des pH-Werts. Durch die zeitabhängige Messung des pH-Werts und der Trübung der Lösung konnte die Konzentration des protonierten Anteils berechnet werden bei einer konstanten Gesamtkonzentration des Ibuprofens. Das entwickelte Titrationsexperiment ermöglichte die Bestimmung der Sättigungskonzentration der jeweiligen Kristallstruktur, sowie der Stoffmenge des kristallisierten Wirkstoffs. Die Sättigungskonzentration wurde für das racemische Ibuprofen (0.192 mM) und für S-Ibuprofen (0.277 mM) bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die Nukleation von Ibuprofen in Wasser über eine flüssig-flüssig entmischte Phase verläuft sowohl in dem racemischen Ibuprofen als auch im S-Ibuprofen. Es konnte beobachtet werden, dass das Kristallwachstum nicht nur durch die Addition von Monomeren stattfand, sondern auch durch die Anlagerung von Tröpfchen auf die Kristalloberfläche. Diese Erkenntnis unterstreicht die Relevanz der dichten Flüssigphase für die Gestalt des finalen Ibuprofenkristalls. Durch die Kombination mit 1H NMR-Spektroskopie konnten die Positionen der Binodalen und der Spinodalen der flüssig-flüssig-Entmischung bei Raumtemperatur bestimmt werden. Es wurde festgestellt, dass die Position der Binodalen für die flüssig-flüssig-Entmischung lediglich von der Konzentration an protoniertem Ibuprofen abhängt (0.428 mM). Nach dem Beginn der Phasenseparation entwickelte sich die Konzentration des protonierten Ibuprofens linear während der Titration. Durch das Einstellen von niedrigeren pH-Werten wurde eine Schwelle der Konzentration an protoniertem Ibuprofen erreicht, die als Spinodale der flüssig-flüssig-Entmischung (0.714 mM) identifiziert werden konnte. Mithilfe der genannten Ergebnisse konnte ein Phasendiagramm bei Raumtemperatur konstruiert werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Detektion und Charakterisierung der Spezies, welche vor der Nukleation von Ibuprofen in wässriger Lösung existieren. In Sedimentationsgeschwindigkeitsexperimenten wurde eine sekundäre Spezies detektiert, jedoch konnte deren Existenz durch weitere analytische Methoden nicht verifiziert werden. Sedimentationsgleichgewichtsexperimente wurden durchgeführt um das partielle spezifische Volumen von Ibuprofen in wässriger Lösung zu bestimmen (𝜈̅ = 0.8735 cm³/g). Dieses wurde eingesetzt um die durchschnittliche molare Masse aller Spezies in Lösung zu bestimmen. Da dieser Wert (~ 212 g/mol) in etwa dem Molekulargewicht von Ibuprofen entsprach, konnte geschlussfolgert werden, dass vor der Nukleation keine Spezies von messbarer Konzentration präsent war. In Überschichtungs-Kristallisationsexperimenten konnte das Auftreten von Lichtstreuung beobachtet werden, was durch eine flüssig-flüssige Phasenentmischung bedingt war wie in den Titrationsexperimenten. Die Übertragung des Titrationsexperiments auf die Methode der isothermen Titrationskalorimetrie konnte zeigen, dass ein endothermer Prozess vor der Phasenseparation stattfand (4.7 kJ/mol), während die flüssig-flüssig-Phasenentmischung exotherm war (- 3.2 kJ/mol). Es wurde angenommen, dass der endo-therme Prozess auf eine Freisetzung von Wassermolekülen aus der Hydratationshülle der Ibuprofenmoleküle zurückzuführen ist, ausgelöst durch die sukzessive Protonierung dieser Moleküle. Mithilfe der Elektrospray-Massenspektrometrie konnten keine Cluster des protonierten Ibuprofens in untersättigten Lösungen festgestellt werden. In untersättigten sowie übersättigten Lösungen konnte die Analyse durch die Taylor-Dispersion keine Spezies mit einem geringeren Diffusions-koeffizienten als dem von Ibuprofen bestimmen. Aufnahmen mittels Kryoelektronmikroskopie konnten keine andere Spezies außer die der dichten Flüssigphase zeigen. Die Entwicklung der Größenverteilung zu größeren Tröpfchen wurde durch zeitabhängige Messungen mittels der dynamischen Lichtstreuung gezeigt. Bezugnehmend auf all diese Ergebnisse, wurde davon ausgegangen, dass, außer der dichten Flüssigphase, keine sekundäre Spezies vor der Nukleation in dem wässrigen System von Ibuprofen existiert.
In dem dritten Teil dieser Arbeit wurden weitere 1H NMR Experimente mit Ibuprofen-Lösungen aus der Titration durchgeführt, um Einblicke in die molekulare Dynamik in der dichten Flüssigphase zu erhalten. Hierfür wurden die T1 and T2 Relaxationszeiten gemessen sowie die Diffusionskoeffizienten von Ibuprofen sowohl in der Mutterphase als auch in der dichten Flüssigphase. Die Messungen zeigten, dass die Diffusionskoeffizienten von Ibuprofen in der dichten Flüssigphase bis zu 239 mal kleiner waren als in der Mutterphase. Gleichzeitig war die molekulare Rotation ca. 5 – 7 mal langsamer. Es wurde vermutet, dass diese Verringerung der molekularen Dynamik verantwortlich ist für die Metastabilität der dichten Flüssigphase gegenüber der Nukleation einer kristallinen Phase. Der Einsatz von Toluol als molekulare Sonde zeigte, dass sowohl Toluol als auch Ibuprofen in der dichten Flüssigphase eine ähnliche Korrelation ihrer Diffusionskoeffizienten aufweisen, wenn diese miteinander verglichen wurden. Die Annahme, dass beide Moleküle dieselbe Viskosität erfahren, konnte anhand der berechneten Werte nicht bestätigt werden. Somit kann davon ausgegangen werden, dass auf beide Moleküle eine unterschiedliche Viskosität einwirkte, obwohl diese sich in demselben Fluid befanden. Messungen des Kern-Overhauser-Effekts zeigten, dass Signale detektiert wurden, die lediglich den Protonen der Ibuprofenmoleküle in der dichten Flüssigphase zugeordnet werden konnten, nicht aber denen in der Mutterphase. Aufgrund der großen intramolekularen Distanz zwischen den besagten Protonen musste das Signal von einer intermolekularen Interaktion mit anderen Ibuprofenmolekülen in räumlicher Nähe herrühren. Basierend auf der Signalintensität, wurden die intermolekularen Abstände der Protonen mit denen im kristallinen Ibuprofen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die intermolekularen Abstände der Ibuprofenmoleküle in der dichten Flüssigphase in etwa denen im Kristall entsprachen. Der Abstandsvergleich in Lösungen von höherer Übersättigung zeigte, dass die intermolekularen Abstände sich dadurch nicht ändern. Zusammenfassend kann man sagen, dass die dichte Flüssigphase eine Vorstufe für den endgültigen Ibuprofenkristall darstellt und lediglich einer strukturellen Umordnung bedarf, was in einem statistischen Prozess geschehen sollte.
Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Nukleation und Kristallisation von Diclofenac in wässriger Lösung. Die Sättigungskonzentration wurde bestimmt (5.13 μM) und lag deutlich niedriger als die von Ibuprofen. Mithilfe der Elektrospray-Massenspektrometrie konnten keine Cluster bestehend aus dem protonierten Diclofenac in untersättigten Lösungen festgestellt werden. In Sedimentationsgeschwindigkeitsexperimenten mit einer übersättigten Lösung konnte eine sekundäre Spezies detektiert werden mit einem höheren Sedimentations-koeffizienten als dem des Monomers. Jedoch war die Konzentration der Spezies sehr gering (0.07 wt%). In Sedimentationsgleichgewichtsexperimenten von Diclofenaclösungen in Wasser und D2O konnte das partielle spezifische Volumen bestimmt werden (𝜈̅ = 0.859 cm³/g). Dieser Wert wurde verwendet um die durchschnittliche molare Masse von Diclofenac in Lösung zu bestimmen. Diese wurde auf ~ 440 g/mol bestimmt. Da dieser Wert etwas höher ist als das Molekulargewicht von Diclofenac, weist es darauf hin, dass gelöstes Diclofenac teilweise in Aggregaten vorliegen könnte. In Überschichtungs-Kristallisationsexperimenten, mittels der analytischen Ultrazentrifugation, wurde die Sedimentation einer Spezies beobachtet. Die Auswertung des Sedimentationsprofils in unterschiedlichen Gemischen von D2O ermöglichte die Bestimmung der Dichte der sedimentierenden Spezies (1.205 g/cm³) und deren Durchmesser (~ 5 nm), wenn eine sphärische Gestalt angenommen wird. Da die Dichte höher war als die des gelösten Diclofenac, jedoch niedriger als die des Kristalls, konnte geschlussfolgert werden, dass diese Spezies eine Zwischenstufe in einem frühen Stadium der Nukleation darstellt. Aufnahmen der Kryoelektronenmikroskopie zeigten, dass die Nukleation von Diclofenac über verdichtete Strukturen verläuft, welche sich in Folien umwandeln, die dann in bandartige Strukturen übergehen. Die Beobachtung von Moiré-Mustern nach der Verdichtung lässt darauf schließen, dass die kristalline Ordnung nach der Verdichtung hergestellt wurde und somit auf eine nicht-klassische Route für die Nukleation von Diclofenac hinweist.
Mit dieser Arbeit konnte eine Methode für das Verfolgen der Kristallisation kleiner organischer Moleküle begründet werden, die in Kombination mit weiteren analytischen Methoden die Erfassung von frühen Spezies in der Nukleation ermöglicht. Es wurde gezeigt, dass die beiden Modellsysteme Ibuprofen und Diclofenac amorphe intermediäre Spezies aufweisen. Obwohl sich diese in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften unterscheiden, konnte das Prinzip der Verdichtung vor der Entstehung einer kristallinen Ordnung in beiden Systemen beobachtet werden. Die Übertragung dieser Experimente auf andere Stoffe wird im Rahmen zukünftiger Arbeiten zu dem Verständnis der Nukleation kleiner organischer Moleküle aus wässriger Lösung erheblich beitragen.

Fachgebiet (DDC)
540 Chemie
Schlagwörter
Nukleation, Keimbildung, Kristallisation, Organische Moleküle
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ISO 690WIEDENBECK, Eduard, 2019. Nucleation Precursors of Poorly Water-Soluble Pharmaceutical Compounds [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 2, 2019
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