5-氟尿嘧啶与4,4′-联吡啶共晶的合成与表征的研究

肖忠伟 杨钊 徐红 李敏 赵永凤

(1 青岛大学药学院，山东 青岛 266021； 2 青岛大学附属医院药剂科； 3 青岛市食品药品检验研究院； 4 山东科技大学)

药物共晶是活性药物成分和共晶配体以特定的化学计量比通过分子间作用力结合在同一晶格中的晶体，是一种可以改善活性药物成分诸多理化性质的新型固体形式[1-3]。通过向原料药中引入共晶配体，可以改善药物的物理化学性质，例如增加稳定性[4]、提高生物利用度等[5-8]。如今已有多款共晶药物上市，如安斯泰来公司研制的伊格列净/L-脯氨酸就是一种治疗糖尿病的新型共晶药物[9-10]。

5-氟尿嘧啶(5-FU)是嘧啶类抗代谢药物，临床用于治疗乳腺癌、皮肤癌等[11-12]，为一种BCS Ⅲ类药物，口服吸收不稳定、半衰期短(7.5～10 min)，生物利用度低，药物动力学性能差[13-16]。为了优化药效和减少副作用，科研人员制备了各种5-FU共晶来克服其性质缺陷[17-23]。如ZHANG等[24]制备了5-FU-烟酰胺共晶提高了5-FU的生物利用度，同时有效地降低了急性毒性。

药物共晶多晶型是指具有2种或2种以上不同晶体结构的共晶。由于其内部晶体结构的差异，同一种药物的不同晶型会表现出熔点、稳定性以及生物利用度等理化性质的不同，从而显著影响药物的疗效。通过调控制备方法、选择不同溶剂种类可以进行共晶多晶型的筛选。5-FU存在2种晶型且氢键结合位点多，这些因素使其在制备共晶过程中较易产生多晶型。本研究选择具有较强侨联能力的4,4′-联吡啶(BPY)作为配体[25-26]，并拟通过超声辅助的溶剂蒸发法以获得一种新的5-FU-BPY多晶型，并进一步对其晶体结构的表征进行检测。现将结果报告如下。

1 材料与方法

1.1

药用原料药5-FU购自大连美仑生物技术有限公司，BPY购自天津市光复精细化工研究所，乙腈购自德国默克股份公司，Spectrum 65傅里叶变换红外光谱仪购自美国PerkinElmer公司，DSC 6000差示扫描量热仪购自美国铂金埃尔默仪器有限公司D8 Focus X 射线粉末衍射仪、Xcalibur&Gemini 单晶衍射仪购自德国布鲁克公司，电热恒温鼓风干燥箱购自上海三发科学仪器有限公司，BT125D型电子天平购自美国Sartorious公司。

1.2

1.2.1共晶的制备 准确称取50 mg 5-FU并加入到10 mL乙腈溶液中，超声溶解后加入60.03 mg BPY，继续超声溶解1 h。冷却至室温以后过滤至50 mL烧杯中，用封口膜封口并用针头扎一定数量小孔，静置1 d后待晶体析出。在显微镜下挑取单晶保存于矿物油中进行后续实验。

1.2.2X-射线单晶衍射(SCXRD)检测晶体结构采用Xcalibur&Gemini单晶衍射仪检测单晶结构，收集衍射强度数据。实验条件：石墨单色仪Cu-Kα靶，波长为1.541 84 Å，温度为20 ℃。然后使用SHELXTL-97程序进行结构解析，所有原子可以使用直接法确定，其中非氢原子坐标使用最小二乘法求出。对非氢原子进行各向异性分析，并用最小二乘法对其结构进行精修[27]。

1.2.3X-射线粉末衍射(PXRD)检测共晶和原始组分的衍射峰 利用Bruker D8 Focus X-射线粉末衍射仪对晶体粉末进行扫描，用以确定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。射线源为Cu-Kα，波长1.540 60 Å，发散狭缝和散射狭缝均设置为1°，接收狭缝设置为0.15 mm，光管电压和电流分别为40 kV和40 mA，在衍射角(2θ)为10°～40°范围内以1°/min的速度进行扫描。

1.2.4差示扫描量热法(DSC)检测共晶和原始组分的熔点 利用差示扫描量热仪对5-FU、BPY、两者混合物及共晶进行程序升温，氮气流速为20 mL/min，升温速度为10 ℃/min。 熔点数据采用Pyris Manager软件处理。

1.2.5傅里叶变换红外光谱法(FT-IR)检测样品的红外光谱 利用傅里叶变换红外光谱仪对5-FU、BPY、两者混合物及共晶进行红外光谱检测，分别取各样品约2 mg置玛瑙研钵中，加入干燥的溴化钾细粉约200 mg作为分散剂，充分研磨混匀之后，置于压片模具中制成供试片。设置扫描范围4 000～400/cm，扫描次数4次，分辨率4/cm。

1.2.6扫描电子显微镜(SEM)检测晶体形态 取适量5-FU-BPY、5-FU以及BPY，使用双面胶固定在铜板上，用金喷射，利用电镜扫描仪在20.0 kV电压下进行扫描，以获取5-FU-BPY、5-FU和BPY的晶体形态。

2 结 果

2.1

采用SCXRD对该共晶的单晶结构测定显示，5-FU-BPY属于单斜晶系P21/c空间群，晶胞轴长：a=3.734 4(5)Å，b=20.017 0(2)Å，c=18.860 1(19)Å，晶胞轴角：α=90.000 deg，β=94.765(2)deg，γ=90.000 deg，Z=2，R1=0.098 0，wR2=0.215 0。不对称单元包含两个5-FU分子和半个BPY分子(图1A)。晶体结构中存在大量分子间氢键，一个5-FU分子的亚氨基NH和BPY一个氮原子形成一个氢键N2-H2···N5 (2.178 Å，178.65°)，同时这个5-FU分子的亚氨基和另一个5-FU分子的一个醛基形成另一个氢键N3-H3···O2(1.932 Å，123.26°)。第二个5-FU分子中的亚氨基NH与第三个5-FU分子中的磺酰氨基形成分子间氢键N3-H3···O2(1.932 Å，123.26°)。5-FU分子与BPY分子通过氢键以4∶1的化学计量比形成共晶(图1B)。在三维超分子结构中，5-FU分子与另7个5-FU分子通过分子间氢键相连形成八圆环，两端各空出一个氢键供体，分别与BPY分子中的氢键受体相结合形成双孔状环形结构(图1C)。

A：球形图,B：氢键图,C：三维结构图

2.2

5-FU-BPY的PXRD图谱显示，在衍射角2θ为12.94°、14.90°、16.78°及33.83°处有新的特征衍射峰；5-FU在衍射角2θ为28.72°、15.91°处有2个衍射峰；BPY在衍射角2θ为26.00°、21.77°和13.44°处有3个衍射峰。

2.3

DSC检测结果显示，5-FU-BPY在256.66 ℃处具有新的熔点峰，而5-FU的熔点为288.19 ℃，BPY的熔点为115.49 ℃。

2.4

FT-IR检测结果显示，5-FU在3 068、1 725/cm处分别对应的亚酰胺基伸缩振动峰位移至3 103、1 688/cm处，BPY在1 401/cm处对应的吡啶氮伸缩振动峰位移至1 461/cm处。

2.5

SEM检测结果显示，5-FU-BPY呈规则光滑的长条状形态， 5-FU呈现不规则粗糙块状形态，BPY呈松散的无序形态(图2)。

A：5-FU-BPY结构形态；B：5-FU结构形态；C：BPY结构形态，500倍

3 讨 论

本研究制备了一种新的5-FU-BPY晶型，通过SCXRD技术测定了晶体结构及分子组成，其不对称单元是由两个5-FU分子和半个BPY分子通过氢键相互连接组成。8个5-FU分子通过氢键相连形成超分子环形单元，中间与BPY分子通过分子间氢键相结合，最终自组装扩展生成双孔状构造，这种罕见的超分子孔洞结构可能会对5-FU-BPY共晶的理化性质产生一定影响[28]。PXRD图谱被认为是晶体结构的指纹图谱，因此利用PXRD可快速鉴别共晶及晶相纯度，PXRD结果显示5-FU-BPY在2θ为12.94°、14.90°、16.78°和33.83°处形成4个新的特征衍射峰，不同于5-FU及BPY的衍射峰，也不同于报道的另一晶型的6个衍射峰[29]，表明形成了新的共晶。DSC是利用不同晶型物质特有的热力学性质，通过熔点进行鉴别，DSC检测结果证明5FU-BPY在256.66 ℃处具有新的熔点，与两种组分的熔点具有明显的差异，也不同于另一晶型的233 ℃的熔点，这预示着新晶相的形成。共晶形成氢键时，共晶的红外光谱会发生明显变化，因此FT-IR可以用于检测共晶的形成[30]。5-FU-BPY的FT-IR图谱中5-FU在3 068、1 725/cm处的N-H,C=O伸缩振动分别移至3 103、1 688/cm处；BPY的吡啶N伸缩振动峰由1 401/cm处移至1 461/cm处，这说明5-FU的亚酰胺基和BPY的吡啶氮之间参与了氢键的形成，这与单晶结果相符。SEM可以直接观察样品的微观结构，不同的晶型排列会显示不同的形态。本研究SEM观察显示5-FU-BPY形态发生明显变化，说明形成共晶后，5-FU-BPY具有不同结晶形式及晶胞排列，证实了新晶相的形成。

药物共晶多晶型影响药物的理化性质及疗效，制备方法不同会得到不同的共晶晶型。研磨法通过借助机械力来促进共晶的形成，添加适当的乙醇提高分子的移动性可促进共晶形成，但研磨法存在不易结晶的缺点，即使添加少量溶剂也可能生成溶剂化物。超声辅助是一种新兴技术，此方法得到的共晶纯度高，可用于特定配比共晶的制备与筛选。本研究采用超声技术，提供给药物分子与配体分子更强的作用力，促进晶核的形成。选择不同极性的乙腈与水的混合溶剂进行共晶制备，得到一种新的具有不同熔点、PXRD峰的共晶多晶型，这为通过改变制备方法及溶剂极性获得共晶多晶型提供了研究思路。以往共晶的研究热点集中在共晶的设计、制备与表征上。但近年来随着共晶研究的深入，研究人员在制备共晶过程中意外发现药物共晶的多晶型行为。本研究通过SCXRD确定共晶结构内部原子、分子的空间排布，证实5-FU-PY具有的双孔状构造，不同于研磨法得到的共晶链状结构，这种微观空间排列方式不同所形成的不同晶体结构分类为堆积多晶型，这为共晶多晶型的超分子研究提供了基础。

总之，5-FU具有渗透性低，口服吸收不完全，生物利用度低等缺点，本研究制备的5-FU-BPY共晶通过引入另一配体，物理化学性质将发生改变。本研究也存在不足之处，如未进行性质研究，下一步需要利用细胞开展抗肿瘤活性实验，以期为5-FU的口服给药系统及透皮给药系统的研究提供参考。