開(kāi)篇引言

X射線衍射單晶結(jié)構(gòu)解析作為一種可以精確測(cè)定分子三維空間結(jié)構(gòu)的首選方法，是現(xiàn)代化學(xué)研究中重要的技術(shù)手段之一，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究。

1 單晶培養(yǎng)在藥物開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

化合物的結(jié)構(gòu)決定化合物的物理化學(xué)性質(zhì)，只有充分了解化合物的結(jié)構(gòu)，才能深入認(rèn)識(shí)和理解化合物的性質(zhì)，才能更好的指導(dǎo)我們藥物的研究與開(kāi)發(fā)。

探尋物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法有很多種，比如元素分析、紫外吸收光譜（UV）、紅外吸收光譜（IR）、拉曼吸收光譜（Raman）、核磁共振譜（NMR）、高分辨質(zhì)譜（HRMS）等，這些方法中，大部分都是基于物質(zhì)對(duì)某些波長(zhǎng)的電磁波的吸收或發(fā)射，這些均屬于波譜方法。人們就可以從這種吸收譜推導(dǎo)出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)方面的信息。例如從核磁共振譜圖可以得到化學(xué)位移和耦合常數(shù)，通過(guò)這些信息可以推導(dǎo)出碳、氫等原子的數(shù)量、原子之間的相互關(guān)系等等。

不同的波譜方法可以得到各種有用的信息，然而，這些方法都無(wú)法準(zhǔn)確給出分子的立體結(jié)構(gòu)信息。

單晶X-射線結(jié)構(gòu)分析是當(dāng)前認(rèn)識(shí)固態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的最有力的技術(shù)手段。隨著醫(yī)藥行業(yè)的發(fā)展，每年都有大量的新化合物被合成出來(lái)，這些化合物中，有相當(dāng)部分不僅結(jié)構(gòu)新穎，而且結(jié)構(gòu)也越來(lái)越大越來(lái)越復(fù)雜，用其它波譜方法難以比較清楚、全面地了解其空間結(jié)構(gòu)。單晶結(jié)構(gòu)分析可以提供一個(gè)化合物在固態(tài)中所有原子的精確空間位置，從而為化合物研究提供廣泛而重要的信息，包括分子、原子的連接形式、分子構(gòu)象、鍵長(zhǎng)和鍵角等數(shù)據(jù)。另外，還可以從中得到化合物的組成比例，對(duì)稱性、以及原子或分子在三維空間的排列、堆積方式。單晶結(jié)構(gòu)分析是目前諸多固態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析方法中，可以提供信息最多、最常用的研究方法。

單晶結(jié)構(gòu)解析在藥物開(kāi)發(fā)中的主要應(yīng)用如下：

? 確證化合物的立體結(jié)構(gòu)：CDE頒布的《手性藥物質(zhì)量控制研究技術(shù)指導(dǎo)原則》要求手性藥物，需要選擇合適的方式來(lái)證明該藥物的絕對(duì)構(gòu)型。藥品審評(píng)中心在對(duì)該指導(dǎo)原則解讀文章中指出，單晶X射線衍射法是確證手性藥物構(gòu)型（手性中心絕對(duì)構(gòu)型）的首選方法，尤其在確證創(chuàng)新性藥物構(gòu)型時(shí)，或當(dāng)藥物中存在多個(gè)手性中心時(shí)，應(yīng)盡可能通過(guò)各種辦法獲得該藥物的單晶樣品進(jìn)行單晶X射線衍射測(cè)定；
? 確證化合物分子中雙鍵順?lè)串悩?gòu)，環(huán)丁烷對(duì)位的順?lè)串悩?gòu)、軸手性、特殊官能團(tuán)的互變異構(gòu)等；
? 確定原子的位置和連接形式；
? 確定化合物的化學(xué)組成以及比例：鹽型研究中，可以明確成鹽的摩爾比，成鹽位點(diǎn)，API和成鹽反離子之間是鍵合方式如成鹽還是成共晶。共晶篩選，亦是確證成共晶與否的主要技術(shù)手段等；
? 溶劑組成以及溶劑和API的結(jié)合方式：可以直接提供化合物是水合物還是某溶劑合物、溶劑的結(jié)合方式，是管道水合物還是隔離型水合物以及水的含量；
? 確定晶型的晶胞參數(shù)，提供晶型的標(biāo)準(zhǔn)XRPD譜圖。

2 什么是好的晶體

晶體是內(nèi)部一種原子、分子或離子在三維空間有規(guī)律地重復(fù)排列的固態(tài)物質(zhì)。由于空間排列的規(guī)律性，可以把晶體中若干個(gè)原子、分子或離子抽象為一個(gè)點(diǎn)，于是晶體可以看成空間點(diǎn)陣。如果整塊固體為一個(gè)空間點(diǎn)陣所貫穿，則稱為單晶體，簡(jiǎn)稱單晶。好的單晶應(yīng)該透明有光澤，表面干凈無(wú)裂痕（如下圖1），應(yīng)該滿足以下基本條件：

? 內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度有序、不存在晶格缺陷；
? 大小能夠滿足測(cè)試要求（有機(jī)物通常為0.1-0.3 mm）；
? 并不一定要形狀規(guī)則，但表面需要光滑無(wú)裂紋；
? 不聚集或者少聚集，沒(méi)有明顯的雜質(zhì)以及不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)單晶重疊在一塊；
? 不容易風(fēng)化，具有一定的穩(wěn)定性。

圖1. 不同晶習(xí)的單晶

3 單晶培養(yǎng)方法

只有培養(yǎng)出好的單晶，才能獲得理想的單晶X-射線衍射數(shù)據(jù)，而理想的單晶X射線衍射數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)解析的前提。常用的單晶生長(zhǎng)方法有溶劑緩慢揮發(fā)法、冷卻結(jié)晶法、界面擴(kuò)散法、氣液擴(kuò)散法等，如圖2所示。常用的單晶培養(yǎng)方法和注意事項(xiàng)，已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，這里不作詳細(xì)介紹，接下來(lái)主要就兩種新技術(shù)熔體微滴法和共結(jié)晶法做闡述。

圖2. 單晶的培養(yǎng)方法

A、熔體微滴法培養(yǎng)單晶：

將樣品部分熔融至剩余單顆粒，降溫至 0.97–0.99Tm ，使得該單顆粒在熔融微滴中生長(zhǎng)，該方法的高溫可避免二次成核和其他晶型的干擾。

圖3. 熔體微滴生長(zhǎng)單晶

B、共結(jié)晶法：

許多化合物不容易結(jié)晶，容易產(chǎn)生油、膠狀物、無(wú)定型等，當(dāng)使用常規(guī)方法無(wú)法獲得單晶，或者目標(biāo)化合物難于結(jié)晶，解決小分子化合物結(jié)晶問(wèn)題的另外一種選擇是用較大的有機(jī)主體生產(chǎn)包合物。比如四芳基金剛烷（TAAS）很容易與小分子形成結(jié)晶包合物，用TDA或TBro進(jìn)行熱結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。分析物和金剛烷的混合物在實(shí)驗(yàn)室加熱板上加熱最多30秒，直到形成澄清的溶液，然后關(guān)閉加熱板，使溶液冷卻到室溫，晶體在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)形成。

圖4. 四芳基金剛烷結(jié)構(gòu)

圖5. 通過(guò)與TDA和TBro共結(jié)晶獲得X晶體結(jié)構(gòu)的化合物

4 美迪西藥物固態(tài)開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)

美迪西藥物固態(tài)開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)具有專業(yè)和經(jīng)驗(yàn)豐富的鹽型/共晶篩選、晶型篩選、單晶培養(yǎng)和結(jié)構(gòu)解析、晶型定性定量研究團(tuán)隊(duì)。目前累計(jì)完成單晶培養(yǎng)50個(gè)，成功培養(yǎng)出單晶超過(guò)40個(gè)，成功率達(dá)到80%以上，研究結(jié)果滿足藥物注冊(cè)申報(bào)研究要求，同時(shí)積極配合客戶完成審計(jì)及藥監(jiān)部門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)核查工作。

5 美迪西案例分享

案例一 確定具有軸手性化合物的立體結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目背景：

1、化合物具有軸手性；
2、容易形成片狀晶體并團(tuán)聚；
3、培養(yǎng)出適合的單晶后進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析；
4、確定構(gòu)型，交付單晶結(jié)構(gòu)解析報(bào)告。

案例二 確定水合物的結(jié)合方式以及水的比列

項(xiàng)目背景：

1、某新藥API是水合物，但水的含量通過(guò)TGA和KF不好明確，客戶認(rèn)為化合物是一水合物，項(xiàng)目組更趨向是半水合物；
2、通過(guò)單晶結(jié)構(gòu)解析了解水的結(jié)合方式以及比列；
3、培養(yǎng)單晶，通過(guò)單晶結(jié)構(gòu)解析確定了該水合物是半水合物，水分子處在晶體的隧道中，通過(guò)氫鍵連接。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳小明，蔡繼文.單晶結(jié)構(gòu)分析原理與實(shí)踐第2版[M].北京：科學(xué)出版社，2007.
[2] 手性藥物質(zhì)量控制研究技術(shù)指導(dǎo)原則.
[3] 指導(dǎo)原則解讀系列專題（十四）-手性藥物的合成工藝及結(jié)構(gòu)確證.
[4] Ou X, Li X, Rong H, et al. A general method for cultivating single crystals from melt microdroplets[J]. Chemical Communications, 2020, 56, 9950-9953.
[5] Absolute Configuration of Small Molecules by Co-Crystallization Felix Krupp, Wolfgang Frey, Clemens RichertAngew. Chem. Int. Ed.,2020, DOI: 10.1002/anie.202004992.

美研|CMC系列回顧

? CMC系列(一)|淺談藥物研發(fā)中原料藥工藝研究的重要性

? CMC系列(二)|藥學(xué)研究之世界銀屑病日

? CMC系列(三)|高端吸入藥物的市場(chǎng)格局和研究現(xiàn)狀

? CMC系列(四)|淺談手性藥物的研究策略

? CMC系列(五)|藥物晶型控制策略

? CMC系列(六)|含氮類化合物-可揮發(fā)堿性有機(jī)胺的氣相分析

? CMC系列(七)|新藥研究中的固態(tài)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略

? CMC系列(八)|淺析ICH指導(dǎo)原則Q3C及未收錄殘留溶劑限度制定方法

? CMC系列(九)|定量核磁應(yīng)用及其方法驗(yàn)證/定量核磁那些事兒

? CMC系列(十)|藥物雜質(zhì)研究策略之基因毒性雜質(zhì)

? CMC系列(十一)|手性化合物的拆分策略與經(jīng)驗(yàn)分享