共晶OR盐? 区分方法大盘点

来源：药渡撰文：小七    编辑：丸子

现在关于药物共晶和盐的研究越来越火热。有越来越多的药企意识到了其重要性，投入了许多的精力和人员去做相关的筛选和性质表征。

原因是通过筛选API的共晶或者盐一方面可以改善药物的性质，例如增加溶解度，提高化学稳定性，提高生物利用度，改善可压片性，增加颗粒的流动性等；另一方面，药物的共晶或者盐可以申请专利，延长产品的专利期。

但是笔者在学习和工作中发现，有不少人对于共晶和盐的概念不清晰，并且经常有小伙伴询问有哪些方法可以用来区分盐和共晶。所以笔者撰写此文，希望给各位一点参考。

首先需要弄清楚共晶和盐在定义上的不同。根据 FDA的《药物共晶监管分类指南》，共晶是指在同一晶格中包含两种或以上不同分子按照固定的化学计量比通过非离子键和非共价键结合形成的晶体物质，而盐则是由金属或类金属基团取代部分或全部酸性氢而形成的离子或电价键的结晶化合物。共晶和盐的本质区别在于是否发生质子的转移。

下面列举了一些常用的区分办法：

01pKa规则

pKa是指药物的解离常数，在生化研究中pKa的大小可以代表酸性化合物解离氢离子的能力。如下图所示，如果药物和配体之间的pka差值ΔpKa小于0，那么这两者形成的是共晶。如果这两者之间ΔpKa大于3，则两者形成的是盐。如果两者ΔpKa介于0和3之间，则可能形成盐也可能形成共晶，需要通过其他方法确定。在拿到单晶之前，往往可以根据pKa规则来大概判断是成盐还是成共晶。

图1 CSD晶体数据库中109个复合物的ΔpKa值统计^[1]

02单晶X射线衍射法

单晶X射线衍射法是利用单晶对X射线的衍射效应来测定药物晶体结构的实验手段。其衍射规律遵循布拉格定律，即所熟知的2dSinθ=nλ，公式中d指晶面间距，θ指入射X射线与晶面之间形成的夹角，n指衍射级数，λ指入射波波长。通过单晶X射线衍射法可以得到单晶的三维空间结构，从而知道其键长、键角和构象等重要结构信息。

例如Zhu等人通过单晶X射线衍射法得到阿帕替尼和苦杏仁酸的共晶单晶信息，晶体结构中没有发生质子转移，形成的是共晶。而得到的阿帕替尼和水杨酸的晶体结构中由于O (2)上的氢转移到吡啶环的N（3）上，发生质子转移，因此形成的是盐。

图2 阿帕替尼和苦杏仁酸共晶单晶结构^[2]

图3 阿帕替尼和水杨酸盐单晶结构^[2] 

03固态核磁共振技术

固态核磁与液态核磁的区别在于，液体核磁是样品处于溶解的状态。由于分子在溶液中的快速运动使得周围各种相互作用抵消掉，最终可以得到高分辨的液体核磁谱图。而固体核磁共振技术测试的是固体粉末样品，由于分子的快速运动受限，化学位移各向异性等存在的多种相互作用使得谱线增宽严重，因此分辨率较低，但目前已经可以通过高速旋转来消除磁各向异性得到高分辨率的固态核磁图谱，例如采用魔角旋转（Magic angle spinning）。

固态核磁技术灵敏度高，是研究分子相互作用的常用手段，无论是强的，中等的，还是弱的相互作用，都可以通过测试样品中各种核周围不同的局域环境来判断，从而区分出是共晶还是盐。

例如下图(a)为茶碱本身，（b）为茶碱与草酸复合物，（c）茶碱与5-磺基水杨酸复合物。探究发现茶碱与5-磺基水杨酸形成的复合物中，C = N键的化学位移向低频位移了50，变化明显，表明分子间发生质子转移形成了盐。而茶碱与草酸复合物中官能团位移无明显变化，因为判断形成了共晶。

另外，固态核磁技术在药物制剂中微量成分的定性和定量方面也有重要作用，这里不展开叙述。

图4（a）茶碱（b）茶碱-草酸共晶（c）茶碱-5-磺基水杨酸盐的固态核磁^[3]

04X射线光电子能谱

X射线光电子能谱（XPS）可以作为除单晶X射线衍射法和固体核磁技术外鉴别盐和共晶的辅助手段。类似于固态核磁，X射线光电子能谱也可探测原子核所处的化学环境，它是一种对表面十分敏感的技术，在材料化学中也有广泛应用。其基本原理是X射线照射到样品表面后产生光电子，通过测量原子内层的电子结合能以及相应的化学位移，探究不同元素的价态变化或者原子周围的电荷环境。XPS对于N原子的质子化状态十分敏感，在区分共晶和盐方面也有重要应用。

例如有学者发现，茶碱与草酸形成的共晶XPS谱图中茶碱的 C=N 官能团没有明显位移，而茶碱与5-磺基水杨酸盐中C=N 官能团位移了2. 3 eV，说明形成了盐。

05拉曼光谱
红外和拉曼是晶体领域普遍应用的两种表征手段，都可以用来区分共晶和盐。近年来拉曼应用得越来越多，在无定形领域也有重要地位。这里以拉曼为例说明。磺胺二甲嘧啶和对氨基苯甲酸的ΔpKa 为2.59，可能形成盐也可能形成共晶。磺胺二甲嘧啶原料的拉曼光谱中1342 cm−1 和1637 cm−1分别对应的是NH和NH2基团的特征峰，但与对氨基苯甲酸通过研磨形成晶体复合物后上述特征峰分别位移至1359 cm−1 and 1627 cm−1处。由于形成盐后相应官能团往往会产生30-40 cm−1的位移，因此这里判断形成共晶^[4]。
06 总结

在筛选过程中往往先根据pKa规则大概判断一下是盐还是共晶，如果样品的单晶比较容易得到，则通过单晶衍射仪解析单晶结构来判断是否发生质子转移从而确定是盐还是共晶。如果单晶较难得到，则可以考虑通过固态核磁，X 射线光电子能谱或者拉曼光谱来判断。

另外，恒瑞医药在今年5月份宣布其自主研发的糖尿病1类新药脯氨酸恒格列净片正式上市，这是我们国产首个原研SGLT2抑制剂，该药物为与L-脯氨酸形成的共晶。这也说明共晶确实受到了越来越多大药企的关注与研究。希望本文介绍的区分盐与共晶的方法能给各位一点参考。

参考文献[1]. Andreas Lemmerer , Stefan Govindraju , Marcelle Johnston , Xolani Motloung and Kelsey L. Savig. Co-crystals and molecular salts of carboxylic acid/pyridine complexes: can calculated pKa's predict proton transfer? A case study of nine complexes. CrystEngComm,2015.[2]. Bin Zhu, Jian-Rong Wang, Qi Zhang, Meiqi Li, Chunyang Guo, GuoBin Ren, and Xuefeng Mei. Stable Cocrystals and Salts of the Antineoplastic Drug Apatinib with Improved Solubility in the Aqueous Solution. Cryst. Growth Des, 2018.[3]. Stevens JS，Byard SJ，Muryn CA，et al．Identification of protonation state by XPS，solid-state NMR，and DFT: characterization of the nature of a new theophylline complex by experimental and computational methods．J Phys Chem B，2010.[4].J. Lu, Y.-P. Li, J. Wang, Z. Li, S. Rohani, C.-B. Ching. Pharmaceutical cocrystals: a comparison of sulfamerazine with sulfamethazine, J. Cryst. Growth. 2011.

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