Introduzione
Purity Determination è una misura fondamentale di controllo della qualità volta a garantire che una sostanza sia sicura, affidabile e idonea all’applicazione prevista. Conferma l’identità e la qualità del composto desiderato dopo l’isolamento, la sintesi o la produzione e verifica che sia privo di impurità significative quali materie prime non reagite, sottoprodotti e contaminanti. Questa analisi aiuta a valutare l’efficacia di un processo di sintesi o produzione, indica se è necessaria un’ulteriore purificazione e garantisce l’uniformità tra i lotti di produzione.
Se una sostanza è destinata ad applicazioni terapeutiche, l’analisi di purezza ( Purity Determination ) assume un’importanza ancora maggiore. La purezza dei principi attivi farmaceutici è fondamentale per la loro idoneità all’uso farmaceutico. Le impurità possono causare effetti tossici o compromettere la stabilità e la biodisponibilità del principio attivo farmaceutico (API) durante la formulazione e la lavorazione. Dal punto di vista della garanzia della qualità, ciò è particolarmente rilevante per gli standard analitici, che vengono utilizzati come materiali di riferimento per lo sviluppo dei metodi, la calibrazione e il controllo di routine.
Impurità eutettiche
Un’impurità può formare un sistema eutettico con una sostanza se è solubile nella fase liquida ma insolubile nella fase solida. Nella calorimetria a scansione differenziale (DSC), tali impurità possono influenzare il comportamento di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione del materiale, abbassando la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione osservata e allargando l’endotermica di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione all’aumentare del contenuto di impurità. Questa depressione del Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione è alla base dell’ Purity Determination e secondo la teoria di van’t Hoff [3]. Le impurità eutettiche sono quindi particolarmente critiche, poiché influenzano il comportamento di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione e interferiscono con la lavorabilità. Di conseguenza, un’analisi termica rapida della purezza è essenziale per il controllo di qualità [4].
Analizzando l’inizio del picco di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione in funzione della frazione fusa, è possibile stimare la purezza di una sostanza utilizzando l’equazione di van’t Hoff (Eq. 1), come descritto nel metodo A della norma ASTM E928 [5]. Essa mette in relazione il grado di abbassamento del Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione con la concentrazione delle impurità eutettiche.
Dove:
TS: temperatura del campione [K]
T0: Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione della sostanza pura [K]
R: costante dei gas (= 8,314 J/mol⁻¹·K⁻¹)
x: frazione molare dell'impurità
Hf: calore di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione [J·mol⁻¹], calcolato dall'area del picco
F: frazione fusa
Per determinare la concentrazione di impurità in un campione, è necessario stabilire alcune condizioni:
- La sostanza deve essere cristallina. ∙ La sostanza e l’impurità non devono formare soluzioni solide; in altre parole, devono essere immiscibili in fase solida.
- La sostanza forma un sistema eutettico con l’impurità; ciò significa che la sostanza e l’impurità formano una miscela omogenea che fonde e si solidifica come una sostanza pura.
- I composti che presentano PolimorfismoIl polimorfismo è la capacità di un materiale solido di formare diverse strutture cristalline (sinonimi: forme, modificazioni).polimorfismo devono essere completamente convertiti in un unico polimorfo.
- La sostanza non deve degradarsi durante la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione.
La procedura per la determinazione della purezza mediante DSC è descritta nell’USP <891>, nella Ph. Eur. 2.2.34 e in varie altre norme, quali l’ASTM E928 e la DIN 51007 [3,6].
In particolare, la norma ASTM E928 [5] descrive e standardizza i criteri prestazionali specifici della DSC per i materiali ad elevata purezza (concentrazione >98,5 mol-%, c <20%, scostamento <0,5 mol-% rispetto ai metodi di riferimento) e definisce le condizioni specifiche in cui devono essere eseguite le misurazioni DSC.
La carbamazepina (CBZ) è un anticonvulsivante sintetico scoperto nel 1953 dal Gruppo Novartis e disponibile in commercio dal 1962 (figura 1). La sostanza pura è una polvere bianca, cristallina e polimorfica (forme I–IV, diidrato) con un intervallo di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione compreso tra 191 e 192 °C (forma I) e una massa molare di 236,27 g/mol. Il meccanismo d’azione della CBZ si basa sull’inibizione dei canali del Na+ voltaggio-dipendenti. Il suo principale impiego farmaceutico è nel trattamento dell’epilessia, della nevralgia del trigemino e dei disturbi bipolari. Tuttavia, la CBZ può essere utilizzata anche durante l’astinenza da alcol o per il trattamento del dolore neuropatico [7,8].
In questo studio abbiamo applicato il grafico di van’t Hoff per determinare la quantità di impurità in due standard analitici di carbamazepina con diverse purezze determinate mediante HPLC. Seguendo la norma ASTM E928, abbiamo valutato l’applicabilità e l’affidabilità del metodo DSC per Identify small rilevare le differenze di purezza di tali materiali di riferimento.
Sperimentale
Per l’analisi “ Purity Determination ” (analisi comparativa) condotta da DSC, sono stati selezionati due diversi standard analitici (secondari) dello stesso principio attivo farmaceutico, la carbamazepina (CBZ). Entrambi i prodotti sono stati fabbricati da Sigma-Aldrich (Merck KGaA) e soddisfacevano le specifiche del produttore riportate nella tabella 1.
Tabella 1: Confronto tra le specifiche dei produttori relative alle due concentrazioni di carbamazepina [1,2]
| Parametro | Carbamazepina (CBZ-I) | Carbamazepina (CBZ-II) |
|---|---|---|
| Codice prodotto | 94496 | C4024 |
| Lotto | BCCM1539 | MKCT3831 |
| HPCL Purezza | 99,9% (Specifiche: ≥ 99,0%) | 99% (Specifiche: ≥ 98,0%) |
| Aspetto | Polvere bianca | Polvere bianca |
| Punto di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione | da 191 a 192 °C | da 191 a 192 °C |
L'analisi HPLC effettuata dal produttore ha evidenziato una differenza dello 0,9% nella purezza tra i due campioni di CBZ.
Questa differenza di purezza può essere convalidata termicamente utilizzando misurazioni di calorimetria a scansione differenziale (DSC) (NETZSCH DSC 300 Caliris®Supreme ) e la funzione " Purity Determination " del software NETZSCH Proteus® 9.
Il software NETZSCH DSC 300 Caliris®Supreme e Proteus® consente di eseguire uno screening della purezza tramite DSC conforme alle norme ASTM sotto forma di test rapido, particolarmente utile per il monitoraggio degli standard di riferimento analitici ai fini del controllo qualità.
Protocollo di misurazione
Prima dell’analisi con il DSC 300 di NETZSCH Caliris®Supreme , le vaschette in alluminio Concavus® sono state pulite con isopropanolo e sottoposte a condizionamento termico a 425 °C per un minuto. I campioni (~1,5 mg) sono stati quindi inseriti nei crogioli puliti e sigillati ermeticamente.
Il programma di temperatura è stato progettato per iniziare ben al di sotto dell’inizio previsto della Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione, al fine di tenere conto della depressione del Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione indotta dalle impurità. Il protocollo prevedeva un profilo di riscaldamento in due fasi: un riscaldamento rapido iniziale, da 20 °C a 160 °C a 20 K/min; seguito da un aumento lento della temperatura a una velocità di 0,7 K/min, da 160 °C a 200 °C. La misurazione è stata eseguita in atmosfera di azoto con una portata di spurgo di 40 ml/min per mantenere un’atmosfera inerte nella cella per tutta la durata dell’esperimento.
Risultati delle misurazioni
La figura 2 mostra le curve DSC relative al primo ciclo di riscaldamento di CBZ-l e CBZ-ll. Le temperature di inizio estrapolate a 190 °C per CBZ-l: 190,2 °C / CBZ-ll: 190 °C sono coerenti con i valori riportati in letteratura per il CBZ, pari a 190,2 °C secondo Lide, D.R [9]; tuttavia, nel caso del CBZ-l, tale valore è superiore di 0,2 °C rispetto a quello del CBZ-ll.
Come già indicato in precedenza, la presenza di impurità nel campione abbassa il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione, allargando la curva DSC. A partire dalla curva DSC, la funzione del software dedicata alla purezza calcola il grafico di van't Hoff e fornisce una rappresentazione grafica dei dati dell’analisi di purezza DSC; si veda la figura 3. Il grafico rappresenta la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione in funzione del reciproco della frazione fusa (1/F), dove F rappresenta la porzione dell’area totale del picco di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione.
Il grafico non è in genere lineare; una maggiore non linearità indica una quantità più elevata di impurità. Tale deviazione deriva da effetti pre-fusione che non possono essere rilevati dal DSC. Inoltre, anche il programma di misurazione e l’analisi dei dati possono influenzare la linearità del grafico. Ad esempio, avviare il segmento di aumento della temperatura a bassa velocità troppo vicino all’inizio della fusione produrrà una Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione errata,TS. Tuttavia, se l’intervallo di temperatura è stato selezionato correttamente, un’impostazione errata dell’area del picco interferirà con i limiti di integrazione del picco, influenzando il calcolo del calore di fusione,Hf. Entrambe le situazioni aggraveranno la non linearità del grafico.
Per ottenere la linearità, il software di analisi applica un fattore di correzione, c, che viene aggiunto proporzionalmente sia all’area totale del picco sia a ciascuna area frazionaria, F. Questa regolazione iterativa produce un valore F corretto che genera una relazione lineare nella relazioneTS = f(1/F)
Oltre alla curva DSC acquisita, la funzione del software “ Purity Determination ” richiede il peso molecolare della sostanza pura per fornire i risultati in % molare. La purezza finale viene determinata dalla pendenza dei dati linearizzati, mentre l’estrapolazione a 1/F = 0 fornisce la Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione teorica del materiale puro al 100%. I risultati sono affidabili solo quando i dati corretti mostrano linearità, il livello di purezza è superiore al 98,5% e il fattore di correzione, c, è inferiore al 20% [4].
Il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione teorico del CBZ puro al 100% è pari a 190,425 °C per il CBZ-l e a 190,411 °C per il CBZ-ll, rispetto alla Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). temperatura di fusione di 190,358 °C e 190,320 °C, rispettivamente. Il contenuto di impurità calcolato per il campione di CBZ-l misurato era pari allo 0,098% molare e per il CBZ-ll allo 0,135% molare. Il fattore di correzione per entrambi i campioni è inferiore al 10%, pari al 4,633% per il CBZ-l e al 6,978% per il CBZ-ll, il che dimostra l’elevata qualità dei dati e la conformità allo standard ASTM. Dopo la misurazione, il campione è stato pesato nuovamente e non è stata rilevata alcuna perdita di massa. Ciò conferma che durante la misurazione non si sono verificati né la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del campione né la volatilizzazione, il che è conforme anche alla perdita di peso massima dell’1% specificata nella norma ASTM.
La purezza del CBZ-l (99,9% HPLC) è pari al 99,902% molare, mentre quella del CBZ-ll (99% HPLC) è pari al 99,865% molare. La differenza dello 0,037% è considerata marginale ma statisticamente significativa secondo un test t a due code, sebbene si debba tenere conto del numero limitato di repliche (figura 4). Il valore c inferiore del CBZ-l (4,8% contro 6,2%) suggerisce un minore pre-fusione, il che potrebbe essere dovuto a un grado di purezza più elevato [6].
I presenti risultati rispecchiano le specifiche del produttore e confermano quindi la sensibilità e l’affidabilità di questo metodo termoanalitico. La differenza nella purezza determinata mediante DSC pari allo 0,037% (CBZ-l rispetto a CBZ-ll) riflette esclusivamente le impurità eutettiche, ovvero il tipo di impurità che il DSC è in grado di rilevare. L’impurità rilevata rientra nell’intervallo previsto dal metodo ASTM (< 1,5 mol%) e supera il limite di rilevabilità quantitativa dello 0,001 mol%.
Conclusione
Questo studio conclude che il DSC 300 di NETZSCH Caliris®Supreme , in combinazione con la funzionalità software “ Purity Determination ” di NETZSCH Proteus® per il DSC, è particolarmente indicato per lo screening delle impurità che influenzano il processo di fusione e, di conseguenza, per la determinazione della purezza di numerosi prodotti farmaceutici, compresa la differenziazione tra i gradi di purezza di diversi standard analitici.
Ringraziamenti
Un sentito ringraziamento a Gabriele Kaiser e al dott. Stefan Schmölzer per il loro prezioso contributo alla valutazione tecnica e all’interpretazione dei risultati.