DSC“隐藏”的大信息（II）-定量？成盐共晶？

前言: DSC（差示扫描量热differential scanning calorimetry）是药企最常见的研究设备之一DSC配合TGA失重可以解读出非常多的固态相关的信息。笔者之前文章《DSC隐藏的大信息-多晶型相互转化》，主要介绍“纯物质”的DSC能解读出的晶型单变/互变关系。本文则主要介绍二元混合物质的DSC能解读出哪些信息，本文有一定的深度，耐心读完，我猜，你可能会有这样的感受：“你以为的，真不是你以为的”。

1 “物理混合物”的DSC是简单的叠加吗？

二元混合物（两组分混合物，文中将统一称为二元混合物）的DSC图谱，常规意义上，我们会理解为下图1式样的：即物理混合物的DSC是单独组分DSC图谱的物理叠加，混合物的第一峰是低熔点组分的，第二峰是高熔点组分的。

曾经我也是这么理解二元混合物的DSC图谱的，但在企业里多样化的项目中，发现这种情况少之又少。图1来源于文献，文中对二元混合物DSC曲线（绿色线）的解读是这样的：第一个吸热峰129.94℃为低共熔峰，紧随之后在133.67℃有小的放热峰，可能对应形成共晶的放热，只是低共熔峰恰好与组分b烟酰胺的熔点接近；第二个吸热峰180℃与组分a劳拉西泮熔点接近，解读具有不确定性，需结合其他分析手段确认。

图1劳拉西泮、烟酰胺以及二者物理混合物的DSC(来源文献1)

那在什么情况下，二元混合物的DSC就是两组分DSC叠加呢？答案在二元熔融相图中（哈哈又是相图，结晶离不开对相图的深刻理解呀）。当两组分之间没有任何相互作用，其二元熔融相图表现为“两条平行线”，也称为惰性相图或者空相图。下图2是无机物萘和铟的混合物相图，萘的熔点是80.3℃，铟的熔点是156.6℃，二者的二元熔融相图是两个物质熔点形成的平行线。

图2萘和铟混合物组成的相图

当在DSC设备中加热萘和铟混合物时：T＜80.3℃时，萘和铟固态，DSC无峰；T＝80.3℃时，萘熔化铟仍然是固态，DSC仅出现尖锐的萘的熔化峰。继续升温至温度到达铟的熔点时，铟熔化，DSC出现尖锐的铟的熔化峰，此时混合物的DSC图谱才会表现为单组分的DSC峰位置的叠加。

咱们是做药的，药物API主要是有机物，有机物混合物在加热过程中存在相互作用，大多数情况下会形成共熔体系。也就是说，我们药物研发中，二元混合物的典型的DSC图谱主要是下面图3这样的：尖锐的吸热峰代表两组分形成的低共熔物的熔化，宽吸热峰代表高熔点组分的逐步熔化。（尖锐的峰也常称为脉冲峰，对应的短时间的瞬间吸放热，相图上对应的一个点。）

图3二元混合物的典型DSC图谱示意图（来源文献2-示意图略微修改）

进一步拓展一下：理论上，低共熔温度点与组成比例无关喔，也就是说，不管什么比例的混合物，相同的测试条件下，低共熔峰位置都是重合的，但积分面积跟组分比例线性相关，这也是DSC定量测试的理论基础。

药物研发中涉及共熔体系的相图主要有两类：有新物质生成的共熔体系（盐和共晶），普通共熔体系，接下来我们系统介绍下药物有机物混合物典型共熔体系，看看对应的DSC都是长啥样的。

2 解析：典型共熔体系二元混合物的DSC图谱

上图3即为不能形成共晶或者盐的普通共熔体系的DSC图谱，这种类型的混合物DSC是二元混合物中最常见的。DSC特点是：第一个峰是尖锐的吸热峰，代表低共熔物的熔化；第二个峰是宽吸热峰，代表高熔点组分的“逐步至全部熔化”。

直接看看它的相图，示意图如图4所示，以摩尔比1:1的物理混合物为例，简单解释哈这个相图：逐步升温过程中，当温度T=TE，全部A熔化，部分B熔化，DSC会出现第一个尖锐吸热峰（即脉冲峰），对应的温度为低共熔温度TE；进一步升高温度，固体B逐步熔化，直到B的全部熔化，对应的DSC会出现宽吸热峰（注意：不是组分B的熔点峰喔）。

图4二元混合物普通共熔体系相图示意图（来源文献4）

3可能形成共晶或者盐的典型DSC图谱

首先给结论吧，图5是典型可能形成共晶/盐的DSC图谱，特点是：低共熔峰后还会出现尖锐的吸热峰（红色框框这里就是共晶熔化峰，对应的温度为共晶的熔点），即DSC上存在多个较尖锐的吸热峰（脉冲峰）。更典型的特点是，如果DSC精度较高且样品粒度和升温速率合适，低共熔峰后能观察到明显的放热峰（代表共晶生成放热）如图6所示。

图5 典型能形成共晶的DSC图谱1（来源文献2）

图6有共晶/盐形成的二元混合物典型图谱2（来源文献3）

这里形成盐还是形成的共晶，做不了区分。本质原因是，形成盐和形成共晶的相图是类似的，也就是说他们在DSC上出峰特质也是类似的，能区分盐或者共晶的金标准是单晶解析，或者较粗暴的Pka经验判读法（Pka（base）-Pka(acid)＞=1  盐，＜1 共晶。

有文献报道，例如“日本药企安斯泰来”发表文章，利用DSC快速筛选能形成共晶/盐的配体。我也很好奇，国际上的大药企，实际项目中会利用DSC去快筛共晶/盐吗？(如果有跨国药企的同行，期待给我答案哈)。我个人工作中，会一定程度应用，为啥呢？因为顺手呀，时间成本不高，但收益挺多。做过共晶的同行都知道，在共晶研发中，都会做干磨和湿磨考察，那磨完的样品大部分情况下，就是1：1或者1：2的物理混合物，笔者建议，可以顺手送检DSC，根据典型图谱类型，即可更好评估组分形成共晶的可能性，当然解读DSC是难点，加了一个组分后，更考验基本功了。另外，确实也会存在DSC热分析不适用的场合如API物性显示，共晶形成是动力学控制（kinetic hindrance），成核困难，DSC上很难有结晶放热峰的体系；再就是介稳低共熔温度后很快发生降解的体系，DSC也是无法获得有用解析信息的。

底层逻辑-相图

如果想从根本上知道“为什么”？即为什么能形成共晶/盐的DSC有上述典型出峰特点，那就深刻需要理解相图。固态化学的很多底层逻辑都来源于相图。共晶/盐的二元熔融相图的结构类似，有下图5所示的两种体系，也常称为“w”型相图：a是congruent melting system，b是incongruent melting system，其中a型相图更常见，特点是：DSC上会出现共晶/盐的熔化峰，即能获取到共晶/盐的熔点（上图5即为该类型相图），b型相对少见。

图7有共晶或盐形成的二元混合物相图示意图（来源文献4）

两种体系相图的解释如下，以摩尔比1：1物理混合物物为例，介绍最理想情况下最简单的情形：

（1）congruent melting system：摩尔比为1:1两组分的物理混合物，逐步升温过程中，T=Tm-e点时，组分A融化和组分B融化形成低共熔溶液，在低共熔溶液中，共晶开始成核/生长得到共晶。近一步升温，共晶在T=Tc处熔化。对应的DSC出峰特点:第一个峰-介稳低共熔物的形成过程—较尖锐明显的吸热峰；紧随着会有一个小的放热峰—对应共晶结晶析出，接着出现尖锐的吸热峰，对应共晶的熔化。（TC=T Congruent melting point）。

（2）incongruent melting system：：摩尔比为1:1两组分的物理混合物，逐步升温过程中，T=Tm-e点时，组分A融化和组分B融化形成低共熔溶液，低共熔溶液中，共晶开始成核/生长得到共晶；这与上面一致。不同的是，在peritectic point包晶转熔点，共晶逐步融化，组分B结晶析出。随着温度进一步升高，在高于Tp温度点，组分B逐步开始融化。对应的DSC出峰特点：第一个峰-介稳低共熔物的形成过程的相变峰-较尖锐明显的吸热峰；紧随着会有一个小的放热峰-对应共晶结晶析出；随着温度继续升高至Tp，有共晶熔化的吸热峰（注意，Tp温度不是共晶熔点），放热峰代表晶型B结晶析出，随后会检测到宽的吸热峰对应组分B逐步的熔化。该类共晶体系较少，属于这种类型的药物共晶有：苯巴比妥-尿素共晶，对乙酰基氨基酚-安替比林。

4 结语

固态研发过程中，会不可避免涉及混合物的场景有：杂晶导致的晶型混合物、成盐/共晶中引入盐离子或者配体、手性拆分中的对映异构体/非对映异构混合物、制剂API-辅料混合物等。因此了解混合物热特性，对于上述应用场景的解读，也会有更多的帮助。虽然DSC有很多应用的bug，但能利用DSC发现蛛丝马迹，结合其他检测确定物性，是每个固态研发人的必修课。

上学那会导师常说，学校实验室的配备是最前沿的，去企业了要学会用企业里已有的设备和瓶瓶罐罐，做最优的工艺，这才是最考验应用能力的时刻！踏入产业界这些年，一直努力在各种“条条框框”中解决技术问题，成长和领悟是独一份的，甚至于比学校期间更深的理解了最最核心的基础的理论，感恩企业，感恩经历！

参考文献：

[1] Saganowska P , Wesolowski M .DSC as a screening tool for rapid co-crystal detection in binary mixtures of benzodiazepines with co-formers[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2018(1).DOI:10.1007/S10973-017-6858-3.

[2] Lu E ,Rodríguez-Hornedo, Naír, Suryanarayanan R .A rapid thermal method for cocrystal screening[J].Crystengcomm, 2008, 10(6):665-668.DOI:10.1039/b801713c.

[3] Hiroyuki,Yamashita,Yutaka,等.Coformer Screening Using Thermal Analysis Based on Binary Phase Diagrams[J].Pharmaceutical Research, 2014.DOI:10.1007/s11095-014-1296-4.

[4] Yamashita H, Hirakura Y, Yuda M, et al. Detection of cocrystal formation based on binary phase diagrams using thermal analysis[J]. Pharmaceutical research, 2013, 30: 70-80.

<END>

要解锁更多企业药品研发信息吗？查询药融云数据库（vip.pharnexcloud.com/?zmt-mhwz）掌握药品各国上市情况、药品批文信息、销售情况与各维度分析、市场竞争格局、一致性评价情况、集采中标情况、药企申报审批信息、最新动态与前景等，以及帮助企业抉择可否投入时提供数据参考！注册立享15天免费试用！