三水合艾司奥美拉唑镁反应结晶过程晶型控制

高绪洁，李洪程，国建辉，于帅,,3，薛富民*

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) a.山东省分析测试中心;b.药学院，山东 济南 250014； 2.寿光富康制药有限公司，山东 寿光 262700；3.复旦大学 药学院，上海 201203)

三水合艾司奥美拉唑镁(Esomeprazole magnesium trihydrate),化学名称二(5-甲氧基-2-[(S)-[(4-甲氧基-3,5-二甲基-2-吡啶基)甲基]亚磺酰基]-1H-苯并咪唑-1-基)三水合镁[1]，CAS号：217087-09-7。化学结构如图1所示。

图1 三水合艾司奥美拉唑镁的化学结构Fig.1 Chemical structure of esomeprazole magnesium trihydrate

三水合艾司奥美拉唑镁是一种新型质子泵抑制剂，可抑制H+/K+-ATP酶活性，临床上主要用于治疗胃酸分泌过多引起的胃溃疡、十二指肠溃疡及反流性食管炎等消化系统疾病。在水和丙酮的混合溶剂中艾司奥美拉唑钾盐和七水硫酸镁的反应结晶(图2)是工业生产制备三水合艾司奥美拉唑镁的主要方式[2]。

图2 三水合艾司奥美拉唑镁的制备反应方程式Fig.2 Preparation reaction equation of esomeprazole magnesium trihydrate

三水合艾司奥美拉唑镁是艾司奥美拉唑镁的一种水合物晶型，除此之外，艾司奥美拉唑镁还有二水合物A晶型、二水合物B晶型、四水合物、五水合物[3-5]。水合物的形成主要是在结晶的过程中接触水或者水蒸气，一般在溶液结晶、冻干制备药物、湿法造粒、喷雾干燥以及储存过程中容易产生水合物。水分子的存在会影响晶体中药物分子的排列，进而影响药物分子间的相互作用，从而导致药物的溶出度产生很大的差异，最终影响药效[6]。

林青等[7]制备了艾司奥美拉唑镁水合物的4种不同晶型(二水合物A晶型、二水合物B晶型、三水合物、四水合物)并做了各晶型在水中的溶解度实验，实验表明水体系中水合物稳定性由高到低是三水合物、二水合物A、四水合物、二水合物B，并且各晶型最终都会转晶成三水合物。艾司奥美拉唑是奥美拉唑的左旋异构体，与目前的外消旋质子泵抑制剂相比，该药物具有更好的酸控制，并且与奥美拉唑相比，艾司奥美拉唑药代动力学特性更好、抑酸作用更强、起效更快、不良反应更少[1,8]，使得艾司奥美拉唑镁得到了广泛的研究[9-11]。尽管如此，当前对于三水合艾司奥美拉唑镁晶型控制的研究较少，实际药物生产中仍存在晶型纯度差的问题。

多晶型是化学结构相同的分子在不同的结晶条件下，形成两种或两种以上分子排列与晶格结构的现象，在有机药物中广泛存在。据统计，以固体形式存在的医药产品占医药产品总量的85%以上，而且其中大部分是晶体。据美国药典记载，存在多晶型这一现象的药物在片剂药物中所占的比例约为40%[12]。随着分析技术的发展，越来越多的药物被发现存在多晶型现象。同一药物的不同晶型往往具有不同的理化性质，也可能具有不同的溶解度、溶解速率、颜色、稳定性、生物利用度、流动性等[13]，进而影响药效。工业生产中由于艾司奥美拉唑镁的水合物在不同条件下每一批次的晶型不完全一致，而且由于反应结晶反应速率过快，局部过饱和度高，结晶后的产品每一批次质量差异很大。因此,在制备三水合艾司奥美拉唑镁的工艺过程中控制晶型是十分有必要的。

本文借助二维在线成像技术、马尔文激光粒度仪等设备，对三水合艾司奥美拉唑镁结晶过程进行实时监测，采用单因素试验法分别考察了结晶温度、搅拌速率、滴加速率等工艺条件对三水合艾司奥美拉唑镁晶型的影响，探寻三水合艾司奥美拉唑镁反应结晶晶型转化的规律，以达到控制晶型的目的。

1 实验材料与方法

1.1 实验仪器

二维成像系统(2DVP-17V16X200，晶格码(青岛)智能系统有限公司)；蠕动泵(BT100-2J，兰格恒流泵有限公司)；马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3000,马尔文帕纳科公司；光学显微镜(BX53M,OLYMPUS公司)；X射线粉末衍射仪(EMPYREAN，荷兰帕纳科公司)；热重/差热同步热分析仪(STA449F3，德国NETZSCH公司)。

1.2 实验材料

艾司奥美拉唑钾盐(寿光富康制药有限公司)，七水硫酸镁(寿光富康制药有限公司)，丙酮(国药集团化学试剂有限公司)，超纯水(德国赛多利斯arium mini纯水机制备)。

1.3 实验方法

1.4 X射线粉末衍射(XRPD)操作方法

产品过300目筛,使其粒径保持在50 μm左右，符合国际标准，以减小粒径差异而引起的误差。测试条件为Cu靶,电压40 kV,电流30 mA,扫描方式为步进扫描,步宽为0. 02°，扫描速度为8 (°)/min，扫描范围2θ为3°～50°，记录图谱。

1.5 热失重与差示扫描量热(TG-DSC)操作方法

本实验采用4 mg三水合艾司奥美拉唑镁与铝坩埚配合使用，测量温度为0～400 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.6 粒度测量操作方法

过滤前的样品作为待测样，过滤后的滤液作为分散介质，用湿法测定产品粒径。测试条件：材料折射率1.589；密度1.2 g/cm3；折射率(蓝光)1.6；红光、蓝光测量时间为10 s。

2 结果与讨论

2.1 结晶过程

借助二维成像系统实时监测观察晶体形貌(图3)。利用马尔文激光粒度仪测定晶体生长过程的粒度变化(图4)，为了解三水合艾司奥美拉唑镁晶体的生长方式提供依据。

如图3所示，开始体系无晶体，随着反应物七水硫酸镁的加入，艾司奥美拉唑钾立刻与七水硫酸镁反应生成固体小颗粒(图3(a))。滴加20 min后养晶20 min，该过程中固体小颗粒逐渐溶解消失(图3(b))。滴加完毕，小颗粒团聚最后长成类似球状的晶体(图3(c))。每隔一段时间用马尔文激光粒度仪测粒度，发现颗粒粒度逐渐增大(图4)。该过程并非传统的晶体长大，而是小颗粒逐渐团聚为大颗粒，三水合艾司奥美拉唑镁的结晶方式为球形结晶。

图3 二维在线成像系统实时监测结晶过程图片(25 ℃)Fig.3 2D online imaging system for the real-time monitoring of the crystallization process (25 ℃)

图4 不同结晶时间产物粒度分布图(25 ℃)Fig.4 Particle size distribution observed at hourly intervals (25 ℃)

2.2 晶型表征

2.2.1 XRPD分析

不同结晶温度下最终三水合艾司奥美拉唑镁产物的XRPD图谱见图5。通过测定不同温度(15、20、25、30 ℃)、搅拌速率(50、75、100、125 r/min)、母液质量浓度(0.083、0.125、0.167、0.200 g/mL)、滴加速率(0.500、0.750、1.000、1.250 mL/min)对三水合艾司奥美拉唑镁XRPD图谱的影响，发现调节不同的搅拌速率、母液浓度、滴加速率的图谱结果与文献中的晶型一致(2θ=5.4°、13.3°、22.6°、25.4°)[14]，而在改变结晶温度时(15、20 ℃)产物的XRPD图谱与文献中的晶型不同(图5)，所以后期对结晶温度进行详细考察。

图5 不同温度下最终三水合艾司奥美拉唑镁产物的XRPD图谱Fig.5 XRPD patterns of the final esomeprazole trihydrate magnesium product under different temperatures

2.2.2 TG-DSC分析

实验得到了低温20 ℃和高温30 ℃两个结晶温度下产品的TG-DSC曲线，如图6所示。从TG-DSC加热失重曲线上看出，结晶温度是30 ℃时(图6(a))，在100～160 ℃的温度范围内有一个明显的吸热峰，对应了晶格中水分子的脱除。在202.8 ℃有一个明显的放热峰，说明艾司奥美拉唑镁分子在202.8 ℃分解。失重温度范围在113.0～163.7 ℃，有很明显的一步失重台阶，说明水分子与艾司奥美拉唑镁分子是结合型的水合物。根据失重量在7%左右，理论计算得一个艾司奥美拉唑镁分子结合3个水分子。结晶温度是20 ℃时(图6(b))，失重温度范围是31.0～110.9 ℃、110.9～177.7 ℃，有两个失重台阶，对应DSC曲线中的前两个吸热峰，第一个失重台阶在31 ℃，说明有部分溶剂分子包藏在艾司奥美拉唑镁分子中，游离的水分子会在较低的温度下脱除。第二个失重台阶是与艾司奥美拉唑镁结合的水分子脱除，失重量在3.34%，理论计算得一个艾司奥美拉唑镁分子结合1.4个水分子。实验发现，当结晶温度高于25 ℃时，产物为三水合艾司奥美拉唑镁，结晶温度低于25 ℃时，产物结晶水小于3。

图6 最终三水合艾司奥美拉唑镁产物的热分析(TG-DSC)图谱Fig.6 Thermal analysis (TG-DSC) of the final esomeprazole trihydrate magnesium product

温度较低时，艾司奥美拉唑镁分子结合的水分子少，即药物水合物的水含量受温度影响。这可能是因为在较高的温度下，体系中的水活度较大，艾司奥美拉唑镁分子更容易结合水分子，更倾向于得到目标晶型艾司奥美拉唑镁的三水合物。在较低的温度下，体系中的水活度较小，艾司奥美拉唑镁分子结合的水分子不稳定，得到结合1.4个水分子的艾司奥美拉唑镁。同时，温度较低时，扩散系数也会减小，也可能对结晶水合物的形成起到抑制作用。

2.3 反应温度的影响

实验测定了15、20、25和30 ℃等4个温度点下的反应结晶过程(其他条件相同)。实验发现在低温条件下(15 ℃以下)，晶体粒度小，聚结现象严重，最终导致产品的流动性差、黏度大以及三水合艾司奥美拉唑镁与滤液难分离等问题(图7(a)，图8)。随着温度的升高，最终产物的晶体粒度越来越大，粒度分布均匀，晶体形貌更类似球形(图7、8)，最终产品与滤液分离效率高、干燥后的产品流动性好。所以，要想得到目标晶型而且质量好的产品，不宜选择低温条件。当温度为25 ℃或30 ℃时，产物粒度变化已经不明显，但是30 ℃的结晶产物颜色略黄(根据液相色谱结果，颜色对于产品纯度影响不明显，产品化学纯度均大于98%)，因此，25 ℃为优选的结晶温度。

注：放大50倍；(a) 15 ℃; (b) 20 ℃; (c) 25 ℃; (d) 30 ℃。图7 不同反应温度所得最终三水合艾司奥美拉唑镁产物光学显微镜图Fig.7 Optical microscopic images of the final esomeprazole trihydrate magnesium product under different temperatures

图8 不同反应温度所得最终三水合艾司奥美拉唑镁产物的粒度图Fig.8 Particle size of the final esomeprazole trihydrate magnesium product under different temperatures

3 结论

本文通过二维成像系统实时监测三水合艾司奥美拉唑镁的结晶过程，用马尔文激光粒度仪同步测量晶体粒度变化，发现晶体生长方式为球形结晶。同时，解决了三水合艾司奥美拉唑镁在制备过程中的晶型控制问题。结果发现，在一定温度范围内，随温度的升高晶体粒度增大。采用XRPD、TG-DSC对最终产品的晶型进行了表征，发现改变反应物的浓度、滴加速率、搅拌速率不会影响晶型，而在不同结晶温度下，艾司奥美拉唑镁结晶水含量不同，随着温度降低，结晶水含量减少，表明温度是影响三水合艾司奥美拉唑镁晶型的关键因素。优选的结晶温度为25 ℃，该条件能够稳定制备目的晶型的三水合艾司奥美拉唑镁药物晶体，且产物粒度大、流动性好。