甘氨酸多晶型的研究进展

甘氨酸多晶型的研究进展

陈佳星;刘文举;郭亚军;卫宏远

【摘要】综述了近年来甘氨酸各种晶型的制备方法、各晶型的热稳定性、结晶条件对晶型的影响、晶型间的相互转化、结晶新工艺及新晶型等方面的研究。对甘氨酸多晶型的研究，不仅有助于甘氨酸晶型的控制及新晶型的开发，而且可为其它药物晶型的研究提供新的思路和指导。%The preparation method of glycine polymorphs,thermal stability of different crystal forms,effect of crystallization conditions on the crystal forms,mutual transformation between crystal forms and new crystal-lization technology and new crystal form of glycine were reviewed.The study of glycine polymorphism not only can contribute to the control of glycine polymorphism and the development of new crystal forms,but also pro-vides new ideas and guidance for the study of other drug crystal forms.

【期刊名称】《化学与生物工程》

【年(卷),期】2014(000)011

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】甘氨酸多晶型;结晶工艺;晶型转变

【作者】陈佳星;刘文举;郭亚军;卫宏远

【作者单位】河南工业大学化学化工学院，河南郑州 450001;河南工业大学化学化工学院，河南郑州 450001; 天津大学化工学院，天津 300072;河南工业大学化

学化工学院，河南郑州 450001;河南工业大学化学化工学院，河南郑州 450001; 天津大学化工学院，天津 300072

【正文语种】中文

【中图分类】TQ226.36

多晶型是指同一种物质具有多种不同的晶型结构，这些晶型在外观、熔点、密度、硬度、溶解度、溶出速率以及生物有效性等方面存在显著差异。药物多晶型的存在不仅会影响产品的纯度，还会增大其副作用。对药物多晶型的研究，有助于新药化合物生物活性的确定和选择，提高药物稳定性和产品质量的均一性，提高生物利用度。

甘氨酸是一种结构最简单的氨基酸，作为重要的精细化工原料，在食品、医药、饲料等领域应用广泛。甘氨酸作为典型的多晶型药物,被广泛作为多晶型化合物模型

研究。目前，研究发现甘氨酸有5种晶型：α-、β-、γ-、ε-和δ-型。其中α-、β-、γ-晶型存在于常温常压下,对其研究较多；而ε-和δ-晶型存在于高温高压下,相关研究较少。在自然条件下，α-甘氨酸为动力学稳定晶型，γ-甘氨酸最稳定，β-甘氨

酸遇水便很快转变成其它两种晶型。我国是甘氨酸的生产大国，但所生产的都是亚稳态的α-晶型产品且掺杂有γ-晶型，产品性质不稳定，易结块，使用非常不便。因此，对甘氨酸多晶型的研究非常必要。

1 各种晶型甘氨酸的制备方法

不同的实验条件可以得到不同晶型的甘氨酸，Kunihisa[1]研究发现，γ-甘氨酸可

在酸性或碱性溶液中相对容易地结晶出来，并且在重水溶液中更容易结晶。γ-甘氨酸要用缓慢冷却的方法结晶，而非通过蒸发溶剂的方法。Weissuch等[2]研究发现，向甘氨酸溶液中加入一定量的醋酸、硫酸或氨水也能结晶出γ-甘氨酸。

Litaka[3]报道γ-甘氨酸能够从经过醋酸酸化或经过氨水碱化的甘氨酸水溶液中得到。Yu等[4]通过喷雾干燥实验发现，当甘氨酸溶液pH值为6.2时得到α-晶型，当pH值为4.0或8.0时得到纯γ-晶型。Towler等[5]用过饱和度为0.2和0.66

的甘氨酸在20 ℃下进行结晶实验，发现pH值在3.8～8.9之间时得到α-晶型，

在这个范围之外得到的是γ-晶型。

吕孟凯等[6]向甘氨酸水溶液中加入一定配比(甘氨酸和草酸的物质的量比5∶1)的

草酸，冷却结晶可以得到γ-甘氨酸单晶体。Kimura等[7]指出，向甘氨酸水溶液

中加入醋酸也可制备γ-甘氨酸单晶体。宋彦梅[8]指出，通过上述方法不能得到纯的γ-甘氨酸单晶体，添加草酸后得到的是镶嵌有草酸分子的混晶，而添加醋酸得

到的仍是α-晶型。也有报道通过向甘氨酸水溶液中加入一定量的氯化钠或硝酸钠，然后通过缓慢蒸发溶剂法可以得到外形完整的γ-甘氨酸单晶体。

Zaccaro等[9]发现使用纳秒脉冲激光照射甘氨酸水溶液可得到γ-甘氨酸。Lee等[10]成功利用在Au上的单层分子膜控制生成指定的甘氨酸晶型。其基本方法为通过外延生长控制晶型，采用基底结构获得期望的晶体结构。通过使用不同偏振激光诱导分子结晶，发现短暂的偏振激光照射可控制一些有机化合物分子的结构形态，进而控制晶型[11]。Yuyama等[12]通过连续激光可选择性制备了α-和γ-晶型的

甘氨酸。

Bhat等[13-14]研究发现，常温下向甘氨酸水溶液中加入少量钠盐经缓慢蒸发后可得到纯净的γ-甘氨酸单晶体。He等[15]没有使用添加剂，只通过非常缓慢的蒸发最终也得到了γ-甘氨酸晶体。Chew等[16]指出，通常在饱和的甘氨酸水溶液中通过冷却结晶方法只能得到α-甘氨酸晶体。Liu等[17]指出亚稳态的β-甘氨酸可以

迅速地从稳定的α-和γ-甘氨酸的气相中得到，具体方法是迅速加热使α-或γ-甘

氨酸升华，然后使其冷却得到亚稳态的β-晶型。Sekar等[18]报道α-甘氨酸可以

在氯化钾的存在下通过溶剂蒸发法从饱和甘氨酸溶液中得到，并通过X-射线粉末

衍射对产物进行了表征。也有报道甘氨酸和溴化钾[19]或硝酸锂[20]或氯化镁[21]

的水溶液的混合物在室温下通过缓慢蒸发法成功地制备出了透明的γ-甘氨酸单晶体。Srinivasan等[22]以去离子水为溶剂采用缓慢蒸发法制取了α-和γ-甘氨酸单

晶体。

2 不同晶型甘氨酸的热稳定性

由于甘氨酸在保存过程中存在结块问题，原因可能与晶型有关。因此，各晶型的相对稳定性研究至关重要。韦丽红等[23]指出，甘氨酸的α-晶型是热力学亚稳晶型，γ-晶型是热力学稳定晶型；α-与β-晶型是互变体系，低温下γ-晶型是热力学稳定晶型，α-晶型是热力学亚稳晶型，低温干燥条件下两者不会发生相互转变，而湿

热条件下α-晶型会转变成稳态的γ-晶型。当温度高于165 ℃时，稳态改变，α-

晶型变成热力学稳定晶型，而γ-晶型变成热力学亚稳晶型。

Sakai等[24]曾假设甘氨酸产品的结块是由于晶型转变造成的。有文献[5，24-25]指出，低温下，γ-晶型是热力学稳定晶型，产品可以长期保存而不易结块，α-晶

型是热力学亚稳晶型，在湿热的条件下会向β-晶型转变，引起产品的结块，影响

产品的使用性能。但宋彦梅[26]通过对比实验说明，甘氨酸产品的结块可能并不是由于晶型转变；并进一步分析得出：造成结块可能是晶形、粒度或其它方面的原因，这一机理还有待探究。

3 结晶条件对晶型的影响

结晶过程中多种因素会对晶型产生影响，如结晶液状况、pH值、添加剂和结晶方式等。Allen等[27]通过深入研究甘氨酸在层状相、微乳液和乳状液中的结晶发现，γ-晶型和β-晶型的结晶与所加入的表面活性剂的结构和功能、溶液的过饱和度及

结晶体系的体积密切相关。文献[28-29]报道氢键对甘氨酸多晶型的结构和形状都

有重要的影响，其中含有—C=O基团的分子与甘氨酸中NH2基团中的氢原子形

成的氢键(—C=O…HN)由于—C=O电子共轭效应的影响，会改变多晶型体的形状

甚至是晶型[30-32]。

Yu等[4]和Towler等[5]研究发现，溶液的pH值能定向影响甘氨酸的晶型。王明[33]研究了溶液pH值对甘氨酸结晶的影响，发现随着pH值的降低或升高，α-晶型的生长受到越来越大的阻碍，而γ-晶型仍能继续生长，因而所得γ-晶型越来越多，直到得到纯的γ-晶型。

Hrkovac等[34]研究了不同量的添加剂(氯化钠和草酸)和抗溶剂(乙醇)对甘氨酸晶型的影响，并测得了溶解度曲线，结果表明，添加剂的用量和类型影响溶解度曲线的介稳区宽度以及晶体粒度特性。Allen等[27]研究发现，向甘氨酸水溶液中加入外消旋的六氟代缬氨酸有利于γ-甘氨酸的形成。王明[33]通过对甘氨酸溶液中杂质离子对的研究发现，阳离子晶型结晶发挥了主要作用，而Mg2+、Ca2+对晶型结晶的抑制作用不明显，Na+、K+可强烈抑制α-晶型的产生，从而可选择性地形成γ-晶型。

Sander等[35]报道喷雾干燥方法能够影响甘氨酸的晶型，所得产品为混合型的α-和β-甘氨酸并含有少量的γ-甘氨酸，通过降低干燥空气的温度和增大溶液流量能够增加产物中β-甘氨酸含量。

Yang等[36]研究了添加剂NaCl对甘氨酸晶型的影响，发现多晶型体的初始晶核强烈地依赖于NaCl的浓度和初始甘氨酸的浓度。在没有添加剂或低浓度的NaCl 水溶液中，α-晶型自发成核，而在高浓度的NaCl和低浓度的甘氨酸溶液中，γ-晶型优先成核。Han等[37]报道无机碱(如NaOH和KOH)和酸(如H2SO4)可以显著地加快亚稳态α-甘氨酸的生长。

4 各晶型间相互转化

甘氨酸的各种晶型之间在一定的条件下可以相互转化。Litaka[3]发现，常温下，当有重氢存在时，α-晶型会自发地向γ-晶型转变；γ-晶型在160～170 ℃之间时会不可逆地转变为α-晶型。但Boldyreva等[25]却发现，没有重氢存在时α-晶型

也能自发向γ-晶型转变。而Dawson等[38]发现晶型转变温度为177 ℃。Perlovich等[39]发现，晶型转变温度在165～201 ℃之间，并且指出在加热条件下γ-晶型向α-晶型的转变是不可逆的并且是对映互变体系。

但Sakai等[24]发现，干燥的α-晶型置于313 K和相对湿度为70%的条件下30

d后，会有5%的α-晶型转变为γ-晶型；而相同条件下，潮湿的α-晶型10 d后

就全部转变为γ-晶型。他们认为：α-和γ-晶型在α-晶型表面的微量水中溶解度的不同是晶型转变的原因，这种转变发生在溶液中。Dawson等[38]发现，把α-甘

氨酸置于2～8 ℃的饱和溶液中，2 d内会完全转变为γ-晶型，15 d后γ-晶型也

不会向α-晶型转变。

王明[33]研究发现，高温及氨气有利于晶型转变，甘氨酸的结块程度与其晶型转变程度呈正比关系。Srinivasan等[22]使用去离子水为溶剂采用缓慢蒸发法制取α-

和γ-甘氨酸单晶体，发现加入KNO3后α-甘氨酸能够转变为γ-甘氨酸。

5 结晶新工艺及新晶型研究

宋彦梅[26]报道了制取甘氨酸的新工艺：甘氨酸冷却-溶析耦合结晶新工艺。该方

法所得产品为单一的α-晶型，且抗聚结性能好，产品长期存放不结块。

陈浩等[40]报道了用甲醇循环生产甘氨酸的新工艺，该方法可利用母液循环生产3次，产率较高，并且比水相法生产周期短，且节约乌洛托品约3/4,成本有较大的

降低。Dawson等[38]在高温高压下发现了两种新的晶型ε-甘氨酸和δ-甘氨酸。

6 结语

目前，对甘氨酸多晶型的研究主要集中在添加剂、溶液酸碱性以及甘氨酸溶液饱和度上。虽然新的研究方法不断提出，比如偏振光、连续激光以及喷雾干燥等，但大都局限在实验室研究阶段，很少能够应用到工业生产上。今后应研究近年来比较受关注的膜结晶技术等。甘氨酸多晶型的研究虽有一定的成果，但其研究空间还很大，还有待于进一步探索，以期能发现更好的方法来制取甘氨酸的各种晶型。

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