Síntesis y caracterización de cocristales de acetaminofén con diversos compuestos orgánicos

Luis Cristian Soto Sánchez, Rodolfo Rincón Sánchez, Alan Alberto Ramírez Guevara, MC. Elda Graciela Gómez López

Laboratorio de Fisicoquímica, Departamento de Química, Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey.

Resumen: La solubilidad es la capacidad que tiene una determinada sustancia para disolverse en un cierto medio; sin embargo se pueden encontrar casos donde algún compuesto no sea soluble en ciertas condiciones. La industria farmacéutica es un ejemplo claro de ello, ya que hay fármacos que no son solubles en agua por lo que los haces inútiles para ayudar a combatir una enfermedad ya que este no ingresa al torrente sanguíneo para ser metabolizado. No obstante, en los últimos años se ha encontrado que al cambiar la estructura cristalina del fármaco por amorfa aumenta su solubilidad. Por ello se planteó el principal objetivo de determinar la máxima solubilidad a 297.5 K de la indometacina con estructura cristalina y amorfa empleando la técnica de espectrofotometría UV-Vis como técnica de identificación del fármaco en el medio. Como resultados se obtuvo una gráfica de solubilidad de concentración en partes por millón contra tiempo donde se encontraron los punto máximo de solubilidad para las estructuras cristalina y amorfa: 10.6365 ppm y 8.8683 ppm, respectivamente. También se realizó la caracterización por analisis diferencial térmico donde se obtuvieron los puntos de fusión de los cocristales mismos que fueron menores que los de los componentes puros lo que se puede explica como un descenso de la entalpía de fusión debido a una aumento de la entropía al tener un sistema más desordenado en presencia de las nuevas interacciones entre el compuesto y el paracetamol.

Introducción

La química supramolecular, o química entre moléculas, se encarga del estudio de las interacciones no covalentes presentes entre moléculas diferentes o del mismo tipo, ya sea en estado sólido (empaquetamiento cristalino) o en solución. Estas interacciones se llevan a cabo entre los sitios de reconocimiento de las moléculas (grupos funcionales) y son las responsables de los diferentes arreglos supramoleculares adoptados (1).El reconocimiento molecular es la base de la química supramolecular, ya que la construcción de cualquier sistema supramolecular involucra combinaciones moleculares selectivas. Las moléculas que hacen el reconocimiento se llaman receptores (host) y aquellas que son reconocidas son conocidas como sustratos (guest), por lo tanto, a la química supramolecular a veces se le conoce como química de receptor-sustrato (host-guest chemistry) (1).La ingeniería de cristales se encarga de la aplicación de los conceptos de la química supramolecular al estado sólido, enfatizando la idea de que los sólidos cristalinos son manifestaciones de autoensambles de moléculas. Estas estructuras cristalinas pueden ser consideradas como una serie de eventos moleculares de que involucran un reconocimiento molecular mediante interacciones débiles y direccionales. De esta forma, es competencia de la síntesis supramolecular el diseño y la preparación de este tipo de materiales cristalinos, entre ellos los cocristales (2).Un cocristal puede ser definido como un complejo cristalino formado por dos o más especies neutras que se encuentran en la misma celda cristalina y que se mantienen unidas mediante interacciones no covalentes, principalmente por enlaces de hidrógeno (3).

La capacidad de liberación de un fármaco dentro del paciente en forma eficiente, segura y barata depende en gran medida de las características fisicoquímicas del ingrediente farmacéutico activo (IFA) (4). La mayoría de los Los cocristales farmacéuticos… 267IFA´s son sólidos, por lo que se requiere que se encuentren en estado cristalino debido a su facilidad de obtención y a que el proceso de cristalización ayuda a eliminar las impurezas presentes. Tradicionalmente los IFA´s en estado cristalino se presentan en forma de sales, solvatos y polimorfos (Figura 1).

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Los polimorfos son estructuras cristalinas del mismo compuesto que pueden organizarse al menos de dos formas diferentes; cada polimorfo puede presentar propiedades fisicoquímicas diferentes. Los solvatos e hidratos se forman al quedar atrapadas moléculas del disolvente o de agua dentro de la red cristalina; esto puede representar un problema si durante el periodo de almacenamiento las moléculas de disolvente se liberan de la red cristalina puede afectar la estabilidad de la forma farmacéutica. La formación de sales de los IFA´s constituye el principalmétodo para mejorar la solubilidad de los mismos; esto se logra haciendo reaccionar el IFA con un ácido o una base, lo que da como resulta el IFA en forma ionizada (5). En ocasiones estas sales no tienen las propiedades sólidas adecuadas o no pueden formarse debido a la ausencia de grupos ionizables en la estructuraquímica del IFA (6).Los problemas con el uso de los materiales en estado cristalino son su poca solubilidad y la existencia de más de una forma cristalina de un IFA (polimorfismo). Es aquí donde la ingeniería de cristales ofrece una formaalternativa de presentación de los IFA´s en estado cristalino: los cocristales farmacéuticos.

Parte 1 caracterización por FTIR La caracterización estructural de los cocristales se realiza utilizando técnicas como espectrofotometría de infrarrojo (IR), difracción de rayos X de monocristal, difracción de rayos X de polvos y resonancia magnética nuclear. Mientras que la caracterización física se determina el punto de fusión y se utilizan técnicas de calorimetría diferencial de barrido DSC y análisis termogravimétrico (TGA) (7).La espectrofotometría de IR y Raman permiten identificar desplazamientos en las frecuencias vibracionales de los grupos funcionales involucrados en las interacciones no covalentes encargadas de la formación del cocristal (8-9).

Parte II Introducción curva de solubilidad La solubilidad es la capacidad que tiene una determinada sustancia para disolverse en un cierto medio; corresponde a la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de solvente a cierta temperatura [10]. En la industria farmacéutica, la determinación de la solubilidad de fármacos es un proceso que se lleva a cabo durante el descubrimiento y el desarrollo de nuevos fármacos, ya que es una herramienta útil de caracterización durante su etapa de investigación [11]. En la química orgánica, es bien conocido que la mayoría de los compuestos con estructuras cristalinas también cuentan con estructuras amorfas; esto debido a la velocidad en la que el compuesto cristaliza y la temperatura del medio; donde se observa que durante cada proceso se encuentra una velocidad cinética de reacción distinta; esto abre paso a la posibilidad que la solubilidad del compuesto pueda variar de acuerdo a su estructura interna [12].

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Figura 1. Reacciones para la transformación de un fármaco cristalino no ionizable. Tomado de referencia [3].

Por ello, que un fármaco presente alta solubilidad en agua presenta una alta biodisponibilidad ya que indica que éste tendrá una absorción alta en el torrente sanguíneo lo que hará que el fármaco llegue a las zonas dañadas con mayor facilidad; por ello, la eficacia de un fármaco está estrechamente relacionado en la solubilidad de éste. [16].

Parte III caracterización por análisis diferencial térmico

En un análisis termogravimétrico se registra, de manera continua, la masa de una muestra colocada en una atmósfera

controlada, o bien en función de la temperatura, o bien en función del tiempo. En el primer caso (experimento dinámico) la temperatura de la muestra va aumentando de manera controlada (normalmente de forma lineal con el tiempo), y en el segundo (experimento isotermo), la temperatura se mantiene constante durante todo el experimento. La representación de la masa o del porcentaje de masa en función del tiempo o de la temperatura se denomina termograma o curva de descomposición térmica. Existen otros tipos de análisis denominados de 2 termogravimetría diferencial donde se registra o representa la variación de masa o derivada con respecto a la temperatura o respecto al tiempo dependiendo de que el experimento sea dinámico o isotermo respectivamente. En la Figura 1 se representan estos dos tipos de termo grama: a) convencional; b) diferencial.

Figura1. Termo gramas diferencial (curva superior, eje derecho) y convencional (Curva inferior, eje izquierdo). Figura tomada de: D.A. Skoog et al. Principios de Análisis Instrumental. Mc Graw Hill, Madrid (2002).

Un DTA consiste en un soporte de muestras que comprende termopares, contenedores de muestras y un bloque cerámico o metálico; un horno; un programador de temperatura, y un sistema de grabación. La característica clave es la existencia de dos termopares conectados a un voltímetro. Se coloca un termopar en un material inerte tal como Al2O3, mientras que el otro se coloca en una muestra del material bajo estudio. A medida que aumenta la temperatura, habrá una breve desviación del voltímetro si la muestra está experimentando una transición de fase. Esto se produce porque la entrada de calor aumentará la temperatura de la sustancia inerte, pero ser incorporado en forma de calor latente en el material de

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cambio de fase. [17]

Material y sustancias

Se usó un espectrofotómetro UV-Vis de marca Perkin Elmer, un DTA no comercial casero [18] y un espectrofotómetro IR (ATR-FTIR) de marca Perkin Elmer. Y como reactivos, se empleó paracetamol (grado reactivo), ácido ascórbico (Fermont, 99.7%), ácido Succínico (Baker, 99%), ácido 2-aminobenzoico (Merck, grado reactivo), cafeína (Fermont, 98.7), urea (Fermont, 99.5) y sacarosa (grado reactivo).

ProcedimientosDeterminación de longitud de onda de la absorbancia máxima Se tomó una solución de paracetamol para la determinación de la longitud de onda donde la absorbancia es máxima.

Preparación de curva de calibración

Para la construcción de la curva de solubilidad se prepararon 5 soluciones de 4, 8, 20, 32 y 40 ppm de paracetamol con metanol-agua 1:1 como disolvente utilizando la longitud de onda máxima.

Análisis de solubilidad de indometacina cristalinaSe pesó 6 mg de indometacina cristalina y se diluyó en 3 mL de agua desionizada. Por los primeros 140 minutos se tomó la absorbancia cada 10 minutos, excepto durante los primeros 20 minutos que fue cada 5 minutos.

Procedimiento de uso para DTA

Se colocaron ambas celdas con muestra y la referencia de alúmina en el bloque de calentamiento de aluminio (5).

Se introdujeron los termopares correspondientes en los capilares de muestras y referencia.

Se ajustó el variac de manera que la velocidad de calentamiento registrada por el programa del DTA sea 10 °C/min. Teniendo en cuenta que no se puede cambiar la intensidad del variac durante el experimento.

Se siguió la medición usando el programa de LABVIEW del instrumento de DTA y se aseguró que se detuviera el calentamiento 20 °C después de que se observó el último pico de fusión.

Se retiraron las muestras y se reemplazaron con otras, se repitieron los pasos hasta que todas las muestras fueron medidas.

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Figura 5. Ensamblado del bloque de DTA.

Resultados

SolubilidadSe realizaron cinéticas de solubilidad para observar el máximo de absorbancia para determinado tiempo (máximo 20 minutos) disolviendo 1mg de cada cocristal en 3mL de agua destilada. Se registraron datos cada 0.5 segundos con las primeras dos gráficas mostradas, y cada 1 segundos con las restantes

Grafica 1. Cinética de solubilidad para el sistema Paracetamol - Ácido-2-aminobenzoico

Gráfica 2. Cinética de Solublidad para el sistema Paracetamol - Ácido ascórbico

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Gráfica 3. Cinética de solubilidad para el sistema Paracetamol-Cafeína

Gráfica 4. Cinética de solubilidad para el sistema Paracetamol-Sacarosa

Gráfica 5. Cinética de solubilidad para el sistema Paracetamol-Ácido succínico

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Gráfica 6. Cinética de solubilidad para el sistema Paracetamol-Urea

Tabla 1. Solubilidades máximas obtenidas de los cocristales

Análisis diferencial térmicoSe determinaron los puntos de fusión de los cocritales por medio de un instrumento de DTA casero para fines de comparación con los puntos de fusión de los compuestos puros; se presentan los termogramas correspondientes y una tabla comparativa

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Figura 1. Termograma que ilustra los puntos de fusión para el cocristal con ácido succínico (verde) , ácido ascórbico (azul) e Indio como calibrado (corrida roja).Los cambios endotérmicos se interpretan en el eje positivo.

Figura 2. Termograma que ilustra los puntos de fusión para los cocristales con cafeína(verde) , urea(roja) e indio como calibrado ( azul) .Cambios endotérmicos en eje positivo

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Figura 3. Termograma que ilustra los puntos de fusión para los cocristales con sacarosa(verde) y el 2-aminobenzoico(roja) y la corrida azul para el Indio. Cambio endotérmico en eje positivo.

Tabla 2. Puntos de fusión de los cocristales vs puntos de fusión de los compuestos puros

Análisis por InfrarrojoSe sometieron los cocristales, paracetamol y compuestos puros a análisis por IR para comparación cualitativa de las bandas de absorción características

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Figura 4. IR para el sistema Paracetamol- Ácido ascórbico

Figura 5. IR para el sistema Paracetamol-Ácido succínico

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Figura 6. IR para el sistema Paracetamol - Cafeína

Figura 7. IR para el sistema Paracetamol-Sacarosa

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Figura 8. IR para el sistema Paracetamol-Urea

Discusión de resultados

En la mayoría de las cinéticas como se observa en las gráficas 1 a 6, el máximo de solubilidad se encuentra cercano a los cuatro minutos, con excepción del cocristal con ácido succínico que simula estabilizarse hasta el tiempo límite de 20 minutos, y sin embargo el de la menor concentración obtenida fue el de la cafeína, además el cocristal con ácido ascórbico mostró su máximo en un tiempo aproximado de dos minutos, lo cual puede atribuírsele a la gran cantidad de sitios hidroxilos para formar puentes de hidrógeno, lo que generaría más desorden en el cocristal y por tanto una mayor solubilidad.En el análisis térmico diferencial se observan los picos endotérmicos de las figuras 1, 2 y 3 que nos indican de una manera más precisa los puntos de fusión de los cocristales, sin embargo se encontró una particularidad en la figura 3 con la serie del cocristal con sacarosa, obteniéndose un pico cerca de los 80ºC, el cual atribuimos que se trata de su temperatura de transición vítrea y el segundo ya corresponde a su punto de fusión en 127ºCEn las figuras 4 y 5 se observan los espectros de IR de ascórbico y succínico y como se potencializa el estiramiento con los efectos en zona de carbonilos e hidroxilos en los cocristales. Se observa algo similar en la figura 6 en el espectro del sistema con cafeína, pero la banda por zona de hidroxilo se desplaza más que en los mismos compuestos puros. Sin embargo en las figuras 7 y 8, correspondientes a sacarosa y urea, parece predominar la huella de los compuestos puros por encima del paracetamol lo que podría inhibir el efecto del fármaco

ConclusionesHaciendo una comparación con la solubilidad teórica del paracetamol[25], se obtuvo una considerable disminución, lo que nos refiere que este sistema es ineficiente para lo propuesto pero ventajoso en aplicaciones para disminución de solubilidad en posteriores estudios. Para trabajos futuros se propone realizar las cinéticas de solubilidad con una más amplia variedad de compuestos, así como simulaciones cercanas a la temperatura del cuerpo humano, pues estos experimentos se realizaron a lo largo de distintas sesiones a temperatura ambiente en un promedio de 20ºC, además de ampliar los métodos de caracterización por microscopía electrónica, espectrofotometría Raman y difracción de rayos XCabe mencionar que este tipo de trabajos tiene diversas aplicaciones, especialmente en al industria farmacéutica y bioquímica. Ejemplo de ello, es el cambio de estructura en las membranas celulares o la creación de capsulas que puedan ser solubles en tejidos celulares, esto para que los fármacos insolubles puedan ser ingeridos por el torrente sanguíneo y de esta manera el principio activo pueda ser metabolizado [6]. Otra aplicación dentro de la misma área, es la creación de sistemas autoemulsificadores supersaturados para que el complejo fosfolípido pueda ser desarrollado. El sistema actualmente es poco soluble en agua por lo que se investigó la solubilidad del mismo en estructura amorfa lo cual indicó

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un gran aumento en la solubilidad del mismo en un 200% [19].

DTA es ampliamente utilizado en la industria farmacéutica [20] y las industrias de alimentos. [21-23] DTA puede ser utilizado en la química del cemento, [24] la investigación mineralógica [24] y en estudios ambientales.Curvas DTA también se pueden utilizar para restos fecha de hueso o para estudiar los materiales arqueológicos.

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