estudio de polimorfismos usando la técnica dsc
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ESTUDIO DE POLIMORFISMOS USANDO LA TÉCNICA DSC
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INDICE
1. Introducción 1
2. Detección de polimorfismos 3
3. Comportamiento de sustancias polimóficas 4
1) Transición monotrópica sólido-sólido de sulfapiridina 4
2) Transición enantiotrópica sólido-sólido de perclorato de potasio 5
3) Alotropía del azufre 5
4) Modificación de la transición metaestable de la fenilbutazona a la
forma estable a través de la fase líquida 6
5) Transición pseudo-polimórfica de glucosa monohidratada 7
6) Transiciones mesofásicas de cristal líquido 8
4. Conclusiones 9
5. Bibliografía 9
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1. Introducción
El polimorfismo es una propiedad especial que presentan algunos compuestos químicos y
puede existir en diferentes formas cristalinas según las diferentes condiciones de
cristalización. Estas diferentes formas cristalinas se diferencian porque tienen diferentes
ordenaciones internas y consecuentemente diferentes estructuras, aunque tengan una
misma composición, como el diamante y el grafito o la calcita y el aragonito.
También se tiene que tener en cuenta que las propiedades físicas (punto de fusión, el
color, solubilidad, el índice de refracción, la dureza, la conductividad, etc.) varían de una
forma polimórfica a otra, aunque las diferentes formas cristalinas fundan al mismo
tiempo.
Se definen como compuestos alotrópicos (Alotropía) a las diferentes formas de un mismo
elemento en el cuál los enlaces químicos entre los átomos son diferentes y por lo tanto
dan lugar a unidades moleculares también diferentes, en un mismo estado físico. Ejemplo
de algunos elementos que presenten alotropía son tales como el azufre, carbono (grafito,
diamante), el fósforo, así como numerosos minerales y sustancias orgánicas.
Las formas polimórficas de sustancias farmacéuticamente activas son de gran importancia
en el uso práctico. Dado que la solubilidad y las velocidades de disolución de las diferentes
formas polimórficas son muy diferentes, la reabsorción y la biodisponibilidad en el cuerpo
también difieren. La eficacia terapéutica depende de la modificación de que se trate; una
forma metaestable, por ejemplo, puede ser dos veces más activa que la forma estable. El
polimorfismo no sólo es importante para la eficacia farmacológica, sino que también
desempeña un importante papel en la producción, elaboración y formulación.
Las formas estables en un cierto rango de temperaturas, se simbolizan en letras griegas
(α, β) o números romanos (I, II, III), y los estados metaestables, se simbolizan por letras
griegas prima (α’, β’), estas también pueden existir con una transformación gradual en
estados estables que pueden tomar horas o inclusos años.
Muy a menudo, es más fácil de obtener formas metaestables cuando se calienta
lentamente el material amorfo (obtenido por enfrentamiento rápido de la masa fundida)
por encima de la temperatura de transición vítrea. Las formas metaestables también
pueden cristalizar a partir de soluciones de la sustancia en determinados disolventes.
La tendencia a generar cristales por encima de la temperatura de transición vítrea se
llama “desvitrificación”.
Se pueden distinguir dos tipos de polimorfismo:
- Monotrópico: se define como la transición sólido-sólido desde un estado metaestable
a otro estable, exotérmicamente. Dicho en otras palabras, la estabilidad relativa entre
las dos fases sólidas permanece invariable a medida que cambia la temperatura.
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Este proceso es solo unidireccional
(β’ β), no es reversible. El punto
de fusión de β’ es menor que el de la
fase más estable β.
- Enantiotrópico: se definen así las transformaciones sólido-sólido reversibles, en que
existe una temperatura de transición a la cual se invierte la estabilidad de las dos fases.
En otras palabras, existe cuando la Tg entre dos fases α y β es inferior a las
correspondientes temperaturas de fusión.
La transición α β desde la
forma α de baja temperatura a la
de alta temperatura β es
endotérmica. Así pues, el calor
de fusión de la forma α es mayor
que la de la forma β.
1) Esta regla sólo vale para pequeñas diferencias relativas de los puntos de fusión hasta
aprox. 20°C. Si las diferencias son más grandes, la cp se tienen que tener en cuenta.
Por otro lado, también podemos encontrar pseudo-polimorfismos, que ocurren cuando al
cristalizar la sustancia incluye de manera estequiométrica el disolvente con el que entró
en contacto, llamado solvato (presenta diferentes propiedades físicas). La incorporación
del disolvente en la red cristalina modifica la celda unitaria del cristal con respecto al
cristal anhidro, generando un solvato con propiedades físico-químicas diferentes. Las
moléculas de disolvente atrapadas no serán liberadas hasta que se alcance la temperatura
de fusión.
Además, existen algunos compuestos orgánicos que no se transforman a un estado
líquido (completamente libre) en una transición. Por encima del punto de fusión aparece
una fase líquida especial, llamada mesofase, que corresponde a un estado líquido
cristalino; y se caracteriza porque las partículas constituyentes de la misma presentan una
fase fluida (líquida) con orden orientacional pero no posicional. El aumento adicional de la
temperatura el líquido se convierte en isotrópico.
Figura 1. Diagrama de fases para un proceso monotrópico.
Figura 2. Diagrama de fases para un proceso enantiotrópico.
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El cristal líquido se presenta entre los siguientes tipos de mesofases:
a. Fase esméctica: Son observados planos separados, que fluyen unos a través de
otros
b. Fase colestérica: Sus moléculas no poseen un orden posicional, pero tienen una
tendencia a apuntar en promedio en la misma dirección.
c. Fase nemática: Las moléculas se orientan de forma paralela, son libres de moverse
en cualquier dirección.
2. La detección de poliformismo
Los métodos más frecuentes utilizados para estudiar polimorfismo son:
DSC
Es una técnica de análisis térmico en la que se analiza la diferencia de cantidad de
calor necesaria para aumentar la temperatura de una muestra respecto a una
referencia; se mide en función de la temperatura. Tanto la muestra como la
referencia se mantienen casi a la misma temperatura durante todo el experimento.
En general, el programa de temperatura para un análisis DSC está diseñado de tal
forma que la temperatura de la muestra aumenta linealmente en función del tiempo.
La muestra de referencia debe tener bien definida la cp en el rango de temperaturas
que se va a escanear.
TOA
Es un análisis termo-óptico que se caracteriza porque la muestra se observa entre
filtros de polarizadores cruzados. Tiene un programa de temperaturas similar al del
DSC. Los cambios de fase se pueden observar al instante como los cambios de la
refracción doble.
Investigaciones de solubilidad
Métodos de difracción X-RAY en polvo
Espectrometría infrarroja
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3. Comportamientos de sustancias polimórficas
A continuación se describen los comportamientos de algunas sustancias típicas
polimórficas mediante el uso del método de DSC con el sistema METTLER TOLEDO STAR:
1) Transición monotrópica sólido-sólido de sulfapiridina
Una muestra de sulfapiridina, con un peso de 7.954 mg, la cual se somete a un
proceso de calentamiento a una velocidad de 5K/min. Aproximadamente a 190ºC se
encuentra el punto de fusión de la modificación estable. Seguidamente se le realiza
un enfriamiento rápido, mediante la deposición del crisol en un plato giratorio que se
encuentra a temperatura ambiente (25ºC), donde se obtiene la sulfapiridina sólida en
estado amorfo.
La muestra se somete a un segundo ciclo de calentamiento a la misma velocidad de
calentamiento. En la curva obtenida se observan los siguientes procesos:
I. Transición vítrea. Alrededor de los 60ºC hay un desplazamiento de la línea
base.
II. Cristalización endotérmica. El sólido cristaliza y adopta una forma
metaestable.
III. Transición sólido-sólido monotrópica. Alrededor de 125ºC se produce una
modificación más estable que es representado por un pico endotérmico. El
punto de fusión de estas modificaciones se encuentra aproximadamente a
179ºC, está representada por un pico exotérmico.
IV. Cristalización a la forma estable. El fundido experimenta una última
cristalización, pico endotérmico, el cual corresponde a la forma estable del
compuesto y observado en el primer barrido. Esta forma estable funde a
190ºC.
Figura 3. Termograma DSC de la sulfapiridina.
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2) Transición enantiotrópica sólido-sólido de perclorato de potasio
En este segundo caso, se trabaja con perclorato de potasio. Se calientan 13.800 mg de
este compuesto a una velocidad de 10 K/min hasta aproximadamente 320 K. En este
ciclo se observa un pico exotérmico que corresponde a la transición de la forma α→β,
sistema cristalino ortorrómbico y cúbico respectivamente, y donde la muestra
desprende 102.46 J/g.
Posteriormente la muestra se enfría mediante un proceso isotérmico a 292ºC, la cual
se encuentra 8ºC por debajo de la temperatura de equilibrio. En este proceso
isotérmico se produce la transición inversa a una temperatura notablemente inferior
a la del equilibrio térmico, transición de la forma β→α, representado por varios picos
endotérmicos que corresponden a la formación de varios núcleos de cristalización, y
donde el calor absorbido corresponde a 103.53 J/g. La probabilidad estadística de las
distintas transiciones constituirá la estructura final de la muestra.
3) Alotropía del azufre
En este tercero caso, se calienta una muestra de azufre que pesa 10.56 mg en un
crisol hermético de aluminio oxidable y a una velocidad de 5 K/min. La forma estable
a temperatura ambiente del sulfuro es la forma rómbica del α-sulfuro que consiste
en moléculas S8. A 95.6°C se observa la transición sólido-sólido exotérmica, que
desprende 12 J/g, y donde hay una formación de una estructura monoclínica de β-
sulfuro, que funde a 119°C “punto de fusión ideal”.
Por otro lado, si la muestra se enfría a 5 K/min e inmediatamente se mide otra vez se
observa como el punto de fusión ideal disminuye debido a la formación de moléculas
S4 y S6 en la transición sólido-sólido.
Sin embargo, si se deja la muestra enfriar a temperatura ambiente durante 3 días, se
observa una recuperación parcial de la muestra, se realiza un barrido de
Figura 4. Termograma DSC de perclorato de potasio.
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calentamiento con las mismas condiciones que el anterior; se puede observar de
nuevo la transición sólido-sólido pero con una exoterma menor y un aumento del
punto de fusión hasta los 115ºC. Este punto de fusión ahora es nombrado como
punto de fusión natural, debido a la formación de las moléculas S4 y S6, siendo 110°C
para el α-sulfuro y de 114.5º C para el β-sulfuro.
4) Transición de la modificación metaestable de la fenilbutazona a la forma estable a
través de la fase líquida
En este caso se estudian los cambios de fase de la fenilbutazona.
Se realiza un primer calentamiento de una muestra de 7.20 mg de fenilbutazona con
la que se llega a una temperatura de fusión de 105ºC, que corresponde al punto de
fusión de la modificación estable. Si a este fundido se le aplica un enfriamiento se
forma un vidrio.
Seguidamente, se hace un segundo barrido calentando a una velocidad de 5 K/min y
se observan, en este orden, los siguientes picos:
- Cristalización I: Pico endotérmico donde se forma una estructura
metaestable (II) a una temperatura de 40ºC.
- Fusión I: Fusión de la forma metaestable II a una temperatura de 95ºC.
- Cristalización II: Pico endotérmico donde se forma otra estructura
metaestable (III).
- Fusión II: Fusión de la forma metaestable III a una temperatura de 102ºC.
- Fusión III: Fusión de la forma estable I a una temperatura de 105ºC.
Figura 5. Termograma DSC del sulfuro
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A partir de los conceptos expuestos en el apartado de la introducción, podemos decir
que este polimorfismo estudiado es de tipo enantiotrópico, ya que la fusión
observada en el segundo barrido es menor que el del primer barrido debido los picos
endotérmicos de cristalización.
5) Transición pseudo-polimórfica de glucosa monohidratada
En este apartado se estudian los cambios de fase que puede presentar la glucosa
monohidratada.
Primeramente se realiza un calentamiento de una muestra de glucosa monohidratada
con un peso de 4.64 mg en un recinto cerrado a una velocidad de calentamiento de
10 K/min donde se observa un pico eutéctico de agua y glucosa, donde el flujo de
calor es de 176 J/g.
Se procede a un segundo barrido pero en este caso en un recinto abierto con una
velocidad de calentamiento de 10 K/min; se observa el pico eutéctico a 83ºC. El
exceso de agua a 120ºC ha evaporado, de esta forma se evita la formación de la fase
líquida. Por último el compuesto anhídrido funde a 155ºC. La pérdida de peso
después del ensayo fue de 9.9%, el valor esperado estequiométricamente era de
9.1%. Esta diferencia puede explicarse por una ligera caramelización de la glucosa.
El flujo de calor total es de 400 J/g. El flujo de calor restante con el calor de
vaporización del agua, que son 228 J/g teóricos (176 y 228 suman 404 J/g, muy
aproximado al valor experimental obtenido).
Figura 6. Termograma DSC de la fenilbutazona.
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En este caso el fenómeno que se observa es el de pseudo-polimorfismo ya que al
cristalizar la glucosa, esta incluye en su estructura moléculas de agua. Estas
moléculas de agua atrapadas no pueden ser liberadas en el primer ensayo, aunque
en el segundo ensayo sí, y los valores de los calores nos lo demuestran.
6) Transiciones mesofásicas cristal líquido
Por último, en este ensayo se estudian los cambios de fase de una muestra de
miristato de colesterol con un peso de 12.48 mg a una velocidad de calentamiento de
5K/min. Se aprecian, en este orden, los picos endotérmicos de:
- Fusión. Deja de ser sólido para ser cristal líquido en fase esméctica.
- Primera transición mesofásica. Pasa de mesofase esméctica a mesofase
colestérica.
- Segunda transición mesofásica. Pasa de mesofase colestérica a líquido.
Cabe destacar que la energía requerida en los cambios mesofásicos (1.8 y 1.4 J/g) es
mucho menor que la de fusión (55 J/g).
La fusión es isotrópica por encima de 86 ° C.
Figura 7. Termograma DSC de la glucosa monohidratada.
Figura 8. Termograma DSC de cristal líquido.
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4. Conclusiones
- Todas las transiciones polimórficas implican un cambio de entalpía. Esta es la razón
por la que la técnica DSC es excelente para la investigación de este tipo de
transiciones.
- Para interpretar las curvas DSC es necesario conocer los diferentes tipos de
polimorfismo que existen.
5. Bibliografía
- J.L. Ford and P. Timmins, Pharmaceutical Thermal Analysis, Ellis Horwood,
1989.
- D.Giron, J. Pharmaceutical & Biomedical Analysis, Vol. 4,n6, 755-770,1986.
- G. Widmann, Thermochimica Acta, 112 (1987), 137-140.
- A. Burger, Acta Pharmaceutica Technologica 28 (1) 1982.
- Sánchez G.E., Jung C.H., Yépez M.L., Hernández A.V. Relevancia del
polimorfismo en el área farmacéutica. Revista Mexicana de Ciencias
Farmacéutica, 2(38); 57-76.