Polymorphie von Triamcinoloacetonid

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1 Versuch F4 Polymorphie von Triamcinoloacetonid Einführung Der Begriff Polymorphie bezeichnet die Eigenschaft chemischer Verbindung in mehreren kristallinen Modifikationen vorzukommen. Findet sich für eine Verbindung noch eine weitere Modifikation welche jedoch Lösungsmittel enthält, so wird diese als Pseudopolymorph oder noch besser als Co-Kristallisat bezeichnet. Hierzu zählen die Solvate, oder bei Anwesenheit von Wasser die Hydrate. Aufgrund Ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen weisen polymorphe und pseudopolymorphe Modifikationen unterschiedliche Eigenschaften wie beispielsweise Löslichkeit, Dichte, Mahlverhalten, Kompressibilität oder Stabilität auf. Darauf begründet sich auch die große Bedeutung dieses Phänomens in der pharmazeutischen Wirkstoffforschung. So verlangen die Behörden heutzutage bei der Neuzulassung eines Medikamentes, dass die darin enthaltenen Wirkstoffe auf Polymorphie untersucht werden. Auch sind polymorphe Modifikationen einzeln patentierbar, was dass große wirtschaftliche Interesse an diesem Phänomen begründet. Dies hat in den 90er Jahren dazu geführt, dass viele der großen Pharmaunternehmen wie Aventis oder Bayer eigene Polymorphie-Laboratorien gegründet haben, in der neue Wirkstoffe systematisch hinsichtlich von Polymorphie untersucht werden (Polymorphie-Screening). Da viele Arzneimittel den Wirkstoff in Form seines Hydrates enthalten oder als wässrige Kristallsuspension in den Handel kommen, gilt dies natürlich ebenso für das Phänomen der Pseudopolymorphie. Was die Stabilität und das Umwandlungsverhalten polymorpher Modifikationen angeht, so kann zwischen enantiotropen und monotropen Modifikationen unterschieden werden (Abbildung 2). Im Falle von enantiotropen Modifikationen schneiden sich die Freie Energie- Temperatur-Kurven bei der Umwandlungstemperatur T (Abbildung 2: links). Wird beispielsweise die Modifikation 2 über die Umwandlungstemperatur T erhitzt, wandelt sich diese in die Modifikation 1 um. Wird 1 wiederum unter die Umwandlungstemperatur abgekühlt, wandelt sich diese wieder in 2 um. Ist die Umwandlungsgeschwindigkeit sehr langsam, kann die Rückumwandlung unterdrückt sein. Modifikation 2 wäre dann thermodynamisch metastabil. Im Falle von monotropen Modifikationen schneiden sich die Freie Energie-Temperaturkurven nicht (Abbildung 2: rechts). Eine Modifikation, hier 2, wäre dann über den gesamten Temperaturbereich thermodynamisch stabil, die anderen metastabil oder instabil. Eine Umwandlung kann immer nur von der Modifikation 1 nach 2 erfolgen. Zwischen beiden Fällen kann experimentell meist mit Hilfe der Differenzthermoanalyse oder der Dynamischen Differenz-Kalorimetrie unterschieden werden. Im Falle enantiotroper 1

2 Modifikationen wird in der Regel ein exothermer Phasenübergang beobachtet, im Falle von monotropen Modifikationen ein endothermer. Abbildung 2: Freie Energie in Abhängigkeit der Temperatur für enantiotrope (links) und monotrope (rechts) Modifikationen. In diesem Versuch sollen Sie die Polymorphie eines Derivates von Triamcinolon (Abbildung 2) untersuchen, welches als Acetonid in den Handel kommt und beispielsweise als entzündungshemmendes und antirheumatisches Mittel lokal gegen Dermatosen und Allergien eingesetzt wird. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen war die Frage, ob für das Acetonid mehrere polymorphe oder pseudopolymorphe Modifikationen existieren. Im Rahmen dieses Polymorphie-Screenings wurden Feststoff-Suspensionen der Substanz für einige Zeit gerührt, und der Feststoff anschließend durch Röntgenpulverbeugung charakterisiert. Dabei wurden zwei unterschiedliche Formen gefunden, die dann auch durch Einkristallstrukturanalyse charakterisiert werden konnten. Die sichere Identifizierung erfolgte anschließend durch Vergleich der gemessenen Beugungsdiagramme mit denen, die aus Einkristallstrukturdaten berechnet wurden. Diese Untersuchungen zeigten, dass neben einer Solvensfreien Form (tetragonale Form) noch ein Hydrat (trigonale Form) exisitiert, dessen Stabilität von den im Kristall enthaltenen Spuren an Wasser abhängt. Im diesem Versuch sollen Sie einige der damals durchgeführten Kristallisationsexperimente durchführen. Abbildung 2: Strukturformel von Triamcinolon 2

3 Aufgaben 1. Rühren einer Feststoffsuspension von Triamcinolonacetonid in Ethanol und einem Ethanol-Wasser-Gemisch. 2. Berechnung der Diffraktogramme für die trigonale und die tetragonale Form von Triamcinolonacetonid aus Einkristallstrukturdaten. 3. Identifizierung der Kristallisate aus 1 durch Röntgenpulverbeugung sowie durch anschließenden Vergleich der experimentellen mit den aus Einkristallstrukturdaten berechneten Diffraktogrammen. 4. Anfertigen einer DSC-Übersichtsmessung einer Pulverprobe der trigonalen Form bis 320 C. 5. Anfertigen einer DSC-Messung, die nach dem 1. Signal in der DSC-Kurve kurz unterhalb des Schmelzpunktes abgebrochen wurde. 6. Identifizierung des in 5 isolierten Rückstandes durch Vergleich des experimentellen Diffraktogramms mit denen die für die trigonale und tetragonale Form aus Einkristallstrukturdaten berechnet wurden. 7. Mehrstündiges Evakuieren einer Pulverprobe der trigonalen Form und Identifizierung des dabei erhaltenen Rückstandes durch Vergleich des experimentellen Diffraktogramms mit denen die für die trigonale und tetragonale Form aus Einkristallstrukturdaten berechnet wurden. 8. Tempern einer Probe der trigonalen Form bei 150 C über Nacht. Chemikalien Formel Symbol R- Sätze S-Sätze Ethanol C 2 H 6 O F Triamcinolonacetonid Sicherheitshinweise Da es sich bei Triamcinolonacetonid um einen pharmazeutischen Wirkstoff handelt, sollten in jedem Fall Handschuhe getragen werden. 3

4 Durchführung Vorbemerkung: Da es sich bei Triamcinolonacetonid um einen relativ teuren Wirkstoff handelt gehen Sie damit bitte sparsam um und verwenden Sie nur soviel wie Sie auch wirklich benötigen. Alle Reste an festem Triamcinolonacetonid sowie an ethanolischen und wässrigen Lösungen werden in einem speziellen Behälter gesammelt und am Ende des Praktikums zurückgewonnen. Gehen Sie bitte auch mit den DSC-Tiegeln sowie dem entsprechenden Presswerkzeug vorsichtig um. 1. Rühren der Feststoffsuspensionen in Ethanol und in einem Ethanol-Wasser-Gemisch Eine Kristallsuspension an Triamcinolonacetonid wird jeweils in 2-3 ml, Ethanol und in einem Ethanol-Wasser-Gemisch (5:1) über Nacht gerührt. Anschließend wird ein Teil des Feststoffs mit einem Spatel entnommen, auf ein Filterpapier gegeben und bei Raumtemperatur einige Zeit getrocknet. Die Menge an Wirkstoff sollte so gewählt werden, dass genügend Feststoff für einige Pulvermessungen, sowie im Falle der Suspension im Ethanol-Wasser-Gemisch für zwei DSC-Messungen zur Verfügung steht. Fertigen Sie von beiden Rückständen ein Pulverdiffraktogramm an und identifizieren Sie die Feststoffe durch Vergleich mit den berechneten Diffraktogrammen. 2. Berechnung der Beugungsdiagramme Berechnen Sie Pulverdiffraktogramme für die trigonale und die tetragonale Form von Triamcinolonacetonid. Die Einkristallstrukturdaten (RES-Datei) erhalten Sie beim Assistenten. 3. DSC-Messungen Lassen Sie eine DSC-Übersichtsmessung der trigonalen Form bis 320 C mit einer Heizrate von 3 K/min. anfertigen. Die Proben müssen Sie selber vorbereiten. Wiegen Sie dazu rund 10 mg an Feststoff in ein Aluminiumpfännchen ein, wobei Sie vorher den Deckel des Tiegels mit einem spitzen Gegenstand durchbohrt haben. Das Presswerkzeug zum Verschließen der Tiegel erhalten Sie beim Assistenten. Lassen Sie sich die Handhabung kurz zeigen. Lassen Sie anschließend eine zweite Messung ausführen, die nun nach dem 1. DSC-Signal d. h. vor dem Schmelzpunkt abgebrochen wird. Diesen Tiegel erhalten Sie zurück. Öffnen Sie den Tiegel und fertigen von dem Rückstand ein Pulverdiffraktogramm an. Identifizieren Sie diesen durch Vergleich mit den berechneten Diffraktogrammen. Öffnen Sie auch den Tiegel der DSC-Übersichtsmessung und begutachten den Rückstand. Welche Schlussfolgerungen können Sie aus dessen Aussehen ziehen? 4

5 4. Evakuieren und Tempern der trigonalen Form von Triamcinolonacetonid Evakuieren Sie eine kleine Menge der trigonalen Form für mehrere Stunden im Exiccator und tempern Sie eine zweite Probe der trigonalen Form bei 150 C über Nacht im Trockenschrank. Fertigen Sie jeweils Pulverdiffraktogramme an und identifizieren Sie die Rückstände durch Vergleich mit den berechneten Diffraktogrammen. Protokoll Ihr Protokoll sollte folgende Dinge enthalten: 1. Jeweils eine Abbildung der experimentellen Pulverdiffraktogramme der in Ethanol und in einem Ethanol-Wasser-Gemisch gerührten Proben mit den entsprechenden aus Einkristallstrukturdaten berechneten Diffraktogrammen. Die Abbildungen sollten so aussehen wie die, welche Sie zu Anfang des Praktikums im Versuch 3 angefertigt haben. 2. Angabe der TIN-Dateien für die Berechnung der Diffraktogramme 3. Eine Abbildung der DSC-Übersichtsmessung mit charakteristischen Daten. Eine Abbildung des Pulverdiffraktogramms des im DSC-Experiment isolierten Rückstandes zusammen mit dem berechneten Diffraktogramm. 4. Eine Abbildung des Pulverdiffraktogramms der evakuierten Probe zusammen mit dem berechneten Diffraktogramm für die neu entstandene Phase. 5. Eine Abbildung des Pulverdiffraktogramms der getemperten Probe zusammen mit dem berechneten Diffraktogramm für die neu entstandene Phase. 6. Eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse dieses Versuches sowie deren Interpretation vor allem hinsichtlich der Parameter, welche die Stabilität der beiden auftretenden Formen beeinflussen. 5