Inleiding
Purity Determination is een essentiële maatregel voor kwaliteitscontrole om te waarborgen dat een stof veilig, betrouwbaar en geschikt is voor de beoogde toepassing. Het bevestigt de identiteit en kwaliteit van de gewenste verbinding na isolatie, synthese of productie en controleert of deze vrij is van significante onzuiverheden, zoals niet-gereageerde uitgangsmaterialen, bijproducten en verontreinigingen. Deze analyse helpt bij het beoordelen van de effectiviteit van een synthese- of productieproces, geeft aan of verdere zuivering nodig is en draagt bij aan de consistentie tussen productiebatches.
Als een stof bedoeld is voor therapeutische toepassingen, wordt de analyse van de zuiverheid van de werkzame farmaceutische stof ( Purity Determination ) nog relevanter. De zuiverheid van actieve farmaceutische ingrediënten is van cruciaal belang voor hun geschiktheid voor farmaceutisch gebruik. Onzuiverheden kunnen toxische effecten veroorzaken of de stabiliteit en biologische beschikbaarheid van het actieve farmaceutische ingrediënt (API) tijdens de formulering en verwerking in gevaar brengen. Vanuit het oogpunt van kwaliteitsborging is dit met name relevant voor analytische standaarden, die worden gebruikt als referentiemateriaal voor methodeontwikkeling, kalibratie en routinecontrole.
Eutectische onzuiverheden
Een onzuiverheid kan een eutectisch systeem vormen met een stof als deze oplosbaar is in de vloeibare fase maar onoplosbaar in de vaste fase. Bij differentiële scanningcalorimetrie (DSC) kunnen dergelijke onzuiverheden het smeltgedrag van het materiaal beïnvloeden door de waargenomen Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur te verlagen en de smeltendotherm te verbreden naarmate het gehalte aan onzuiverheden toeneemt. Deze smeltpuntverlaging vormt de basis van de ‘ Purity Determination ’ volgens de theorie van van ’t Hoff [3]. Eutectische onzuiverheden zijn daarom bijzonder kritiek, aangezien ze het smeltgedrag beïnvloeden en de verwerkbaarheid verstoren. Daarom is een snelle thermische zuiverheidsanalyse essentieel voor kwaliteitscontrole [4].
Door het begin van de smeltpiek te analyseren als functie van de gesmolten fractie, kan de zuiverheid van een stof worden geschat met behulp van de vergelijking van van ’t Hoff (vergelijking 1), zoals beschreven in methode A van ASTM E928 [5]. Deze vergelijking legt een verband tussen de mate van smeltpuntverlaging en de concentratie van eutectische onzuiverheden.
Waar:
TS: temperatuur van het monster [K]
T0: Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur van de zuivere stof [K]
R: gasconstante (= 8,314 J/mol⁻¹·K⁻¹)
x: molfractie van de onzuiverheid
Hf: smeltwarmte [J·mol⁻¹], berekend op basis van de piekoppervlakte
F: gesmolten fractie
Om de onzuiverheidsconcentratie in een monster te bepalen, moeten enkele voorwaarden worden vastgesteld:
- De stof moet kristallijn zijn. ∙ De stof en de onzuiverheid mogen geen vaste oplossingen vormen; dat wil zeggen dat ze in de vaste fase niet mengbaar zijn.
- De stof vormt met de onzuiverheid een eutectisch systeem; dat betekent dat de stof en de onzuiverheid een homogeen mengsel vormen dat smelt en stolt als een zuivere stof.
- Verbindingen die PolymorfismePolymorfisme is het vermogen van een vast materiaal om verschillende kristallijne structuren te vormen (synoniemen: vormen, modificaties).polymorfisme vertonen, moeten volledig worden omgezet in één enkel polymorf.
- De stof mag tijdens het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten niet worden afgebroken.
De procedure voor het bepalen van de zuiverheid met behulp van DSC wordt beschreven in USP <891>, Ph. Eur. 2.2.34 en in diverse andere normen, zoals ASTM E928 en DIN 51007 [3,6].
Met name ASTM E928 [5] beschrijft en standaardiseert de DSC-specifieke prestatiecriteria voor zeer zuivere materialen (concentratie >98,5 mol-%, c <20%, afwijking <0,5 mol-% ten opzichte van referentiemethoden) en definieert de specifieke omstandigheden waaronder de DSC-metingen moeten worden uitgevoerd.
Carbamazepine (CBZ) is een synthetisch anticonvulsivum dat in 1953 door de Novartis-groep werd ontdekt en sinds 1962 in de handel verkrijgbaar is (figuur 1). De zuivere stof is een wit, kristallijn en polymorf poeder (vormen I–IV, dihydraat) met een smeltbereik van 191–192 °C (vorm I) en een molaire massa van 236,27 g/mol. Het werkingsmechanisme van CBZ is gebaseerd op de remming van spanningsafhankelijke Na+-kanalen. Het wordt in de geneeskunde voornamelijk gebruikt voor de behandeling van epilepsie, trigeminusneuralgie en bipolaire stoornissen. CBZ kan echter ook worden ingezet bij alcoholontwenning of voor de behandeling van neuropathische pijn [7,8].
In deze studie hebben we de van’t Hoff-plot toegepast om de hoeveelheid onzuiverheden te bepalen in twee analytische carbamazepine-standaarden met verschillende, via HPLC vastgestelde zuiverheidsgraden. Volgens de ASTM E928-norm hebben we de toepasbaarheid en betrouwbaarheid van de DSC-methode geëvalueerd om Identify small verschillen in de zuiverheid van dergelijke referentiematerialen vast te stellen.
Experimenteel
Voor de ‘ Purity Determination ’ van DSC werden twee verschillende (secundaire) analytische standaarden van hetzelfde actieve farmaceutische ingrediënt, carbamazepine (CBZ), geselecteerd. Beide producten werden vervaardigd door Sigma-Aldrich (Merck KGaA) en voldeden aan de specificaties van de fabrikant, zoals weergegeven in tabel 1.
Tabel 1: Vergelijking van de specificaties van de fabrikanten voor de twee kwaliteiten carbamazepine [1,2]
| Parameter | Carbamazepine (CBZ-I) | Carbamazepine (CBZ-II) |
|---|---|---|
| Productnummer | 94496 | C4024 |
| Partij | BCCM1539 | MKCT3831 |
| HPCL-zuiverheid | 99,9% (specificatie: ≥ 99,0%) | 99% (specificatie: ≥ 98,0%) |
| Uiterlijk | Wit poeder | Wit poeder |
| Smeltpunt | 191 tot 192 °C | 191 tot 192 °C |
Uit de HPLC-analyse van de fabrikant bleek een verschil in zuiverheid van 0,9% tussen de twee CBZ-monsters.
Dit verschil in zuiverheid kan thermisch worden gevalideerd met behulp van DSC-metingen (Differential Scanning Calorimetry) (NETZSCH DSC 300 Caliris® Supreme ) en de functie ‘ Purity Determination ’ van de NETZSCH Proteus® 9-software.
De NETZSCH DSC 300 Caliris® Supreme en de Proteus® -software maken ASTM-conforme DSC-zuiverheidsscreening mogelijk als sneltest, wat met name waardevol is voor het monitoren van analytische referentiestandaarden voor kwaliteitscontrole.
Meetprotocol
Voorafgaand aan de analyse met de DSC 300 van NETZSCH Caliris® Supreme werden aluminium Concavus® pannen gereinigd in isopropanol en gedurende één minuut bij 425 °C thermisch geconditioneerd. Vervolgens werden monsters (~1,5 mg) in de gereinigde smeltkroezen gebracht en hermetisch afgesloten.
Het temperatuurprogramma was zo ontworpen dat de verhitting ruim onder het verwachte begin van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten begon, om rekening te houden met de door onzuiverheden veroorzaakte verlaging van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt. Het protocol maakte gebruik van een verwarmingsprofiel in twee fasen: een aanvankelijke snelle opwarming van 20 °C tot 160 °C met een snelheid van 20 K/min, gevolgd door een langzame temperatuurstijging van 0,7 K/min, van 160 °C tot 200 °C. De meting werd uitgevoerd onder stikstofgas met een spoelstroom van 40 ml/min om gedurende het hele experiment een inerte atmosfeer in de cel te handhaven.
Meetresultaten
Figuur 2 toont de DSC-curves voor de eerste verwarmingscyclus van CBZ-l en CBZ-ll. De geëxtrapoleerde begintemperaturen bij 190 °C voor CBZ-l: 190,2 °C / CBZ-ll: 190 °C komen overeen met de literatuurwaarden voor CBZ, 190,2 °C volgens Lide, D.R [9], maar in het geval van CBZ-l is deze 0,2 °C hoger dan die van CBZ-ll.
Zoals eerder vermeld, zorgt de onzuiverheid van het monster ervoor dat het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt daalt, waardoor de DSC-curve breder wordt. Op basis van de DSC-curve berekent de zuiverheidsfunctie van de software de van 't Hoff-grafiek en geeft deze een grafische weergave van de DSC-zuiverheidsanalysegegevens; zie figuur 3. Hierin wordt de Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur uitgezet tegen de reciproke waarde van de gesmolten fractie (1/F), waarbij F het aandeel in de totale oppervlakte van de smeltpiek vertegenwoordigt.
De grafiek is doorgaans niet lineair; een grotere niet-lineariteit duidt op een hogere hoeveelheid onzuiverheden. Deze afwijking is het gevolg van effecten die al vóór het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten optreden en die niet door DSC kunnen worden gedetecteerd. Daarnaast kunnen ook het meetprogramma en de gegevensanalyse de lineariteit van de grafiek beïnvloeden. Als het segment met de langzame temperatuurstijging bijvoorbeeld te dicht bij het begin van het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten wordt gestart, levert dit een onjuiste Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur (TS) op. Als het temperatuurbereik echter goed is gekozen, zal een onjuiste instelling van het piekgebied de grenzen van de piekintegratie verstoren, wat van invloed is op de berekende smeltwarmte (Hf). Beide situaties zullen de niet-lineariteit van de grafiek versterken.
Om lineariteit te bereiken, past de analysesoftware een correctiefactor c toe, die evenredig wordt toegevoegd aan zowel het totale piekgebied als elk fractioneel gebied, F. Deze iteratieve aanpassing levert een gecorrigeerde F-waarde op die een lineair verband oplevert in de vorm vanTS = f(1/F)
Naast de gemeten DSC-curve is voor de functie ‘ Purity Determination ’ in de software het molecuulgewicht van de zuivere stof nodig om resultaten in mol% te kunnen weergeven. De uiteindelijke zuiverheid wordt bepaald aan de hand van de helling van de gelineariseerde gegevens, terwijl extrapolatie naar 1/F = 0 de theoretische Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelttemperatuur van het 100% zuivere materiaal oplevert. De resultaten zijn alleen betrouwbaar wanneer de aangepaste gegevens lineair zijn, de zuiverheidsgraad hoger is dan 98,5% en de correctiefactor c lager is dan 20% [4].
Het theoretische Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt van 100% zuivere CBZ bedraagt 190,425 °C voor CBZ-l en 190,411 °C voor CBZ-ll, vergeleken met de smelttemperatuur van respectievelijk 190,358 °C en 190,320 °C. Het berekende onzuiverheidsgehalte van het gemeten CBZ-l-monster bedroeg 0,098 mol% en voor CBZ-ll 0,135 mol%. De correctiefactor voor beide monsters bedraagt minder dan 10%, namelijk 4,633% voor CBZ-l en 6,978% voor CBZ-ll, wat de hoge kwaliteit van de gegevens en de naleving van de ASTM-norm aantoont. Na de meting werd het monster opnieuw gewogen en er werd geen massaverlies vastgesteld. Dit bevestigt dat er tijdens de meting geen ontleding van het monster of vervluchtiging heeft plaatsgevonden, wat eveneens in overeenstemming is met het maximale massaverlies van 1% zoals gespecificeerd in de ASTM-norm.
De zuiverheid van CBZ-l (99,9% HPLC) bedraagt 99,902 mol%, terwijl die van CBZ-ll (99% HPLC) 99,865 mol% bedraagt. Het verschil van 0,037% wordt als marginaal beschouwd, maar is statistisch significant volgens een tweezijdige t-toets, hoewel rekening moet worden gehouden met het beperkte aantal herhalingen (figuur 4). De lagere c-waarde van CBZ-l (4,8% versus 6,2%) duidt op minder voorsmelten, wat mogelijk te wijten is aan een hogere zuiverheidsgraad [6].
De onderhavige resultaten komen overeen met de specificaties van de fabrikant en bevestigen daarmee de gevoeligheid en betrouwbaarheid van deze thermoanalytische methode. Het verschil in de met DSC bepaalde zuiverheid van 0,037% (CBZ-l versus CBZ-ll) weerspiegelt uitsluitend eutectische onzuiverheden, het soort onzuiverheid dat met DSC kan worden gedetecteerd. De gedetecteerde onzuiverheid valt binnen het bereik van de ASTM-methode (< 1,5 mol%) en overschrijdt de kwantitatieve detectielimiet van 0,001 mol%.
Conclusie
Deze studie concludeert dat de NETZSCH DSC 300 Caliris® Supreme , in combinatie met de Purity Determination -softwarefunctie van NETZSCH Proteus® voor DSC, bij uitstek geschikt is voor het opsporen van onzuiverheden die het smeltproces beïnvloeden en, bijgevolg, voor het bepalen van de zuiverheid van talrijke geneesmiddelen, met inbegrip van het onderscheid tussen zuiverheidsgraden van verschillende analytische standaarden.
Dankwoord
Hartelijk dank aan Gabriele Kaiser en dr. Stefan Schmölzer voor hun waardevolle bijdragen aan de technische evaluatie en interpretatie van de resultaten.