( PDF ) Carbamazepina no estado sólido e sua susceptibilidade polimórfica

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE ANÁPOLIS

CARBAMAZEPINA NO ESTADO SÓLIDO E SUA

SUSCEPTIBILIDADE POLIMÓRFICA

Wilma Gomes Galvão

Goiânia – GO

2009

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE ANÁPOLIS

CARBAMAZEPINA NO ESTADO SÓLIDO E SUA

SUSCEPTIBILIDADE POLIMÓRFICA

Wilma Gomes Galvão

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Gestão, Pesquisa e Desenvolvimento

em Tecnologia Farmacêutica, oferecido por uma

associação entre a Universidade Católica de Goiás,

a Universidade Estadual de Goiás e o Centro

Universitário de Anápolis, para obtenção do título de

mestre

Orientador: Prof. Dr. Hamilton Barbosa Napolitano

Goiânia – GO

2009

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Dedico este trabalho primeiramente a Deus que me

deu forças para chegar até aqui. Dedico também a

minha família, em especial aos meus filhos, Marília

e Guilherme, por serem tão admiráveis enquanto

pessoas, fonte de estímulos, que me

impulsionaram a buscar vida nova a cada dia,

meus sinceros agradecimentos por terem aceitado

se privar de minha companhia pelos estudos,

concedendo a mim a oportunidade de me realizar

ainda mais.

AGRADECIMENTOS

Á Deus, o que seria de mim sem a fé que eu tenho nele.

A minha família, em especial meu esposo que sempre acreditou que seria possível.

Ao Professor Dr. Hamilton Barbosa Napolitano pela paciência e persistência durante

todo este processo, pelas sugestões apresentadas na orientação, pela inspiração no

amadurecimento dos meus conhecimentos e conceitos que me levaram a execução

e conclusão desta dissertação.

A todos os professores que tive durante o Mestrado de Gestão, Pesquisa e

Desenvolvimento em Tecnologia Farmacêutica, pelo carinho, incentivo e esforços

para conosco, mesmo com todas as dificuldades.

Aos funcionários da Fundação de Medicina Tropical do Tocantins por todo o suporte

e pelo sorriso no rosto ao resolver nossos problemas.

Aos amigos que fiz durante esse curso, pois sei que vivemos momentos bons que,

com certeza, ficarão guardados para sempre em nossas mentes.

SUMÁRIO

RESUMO..................................................................................................................... 7

ABSTRACT ................................................................................................................. 8

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... 9

LISTA DE TABELAS ................................................................................................ 10

LISTA DE ABREVIATURAS ..................................................................................... 11

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 12

2. POLIMORFISMO .................................................................................................. 14

2.1 Importâncias na Indústria Farmacêutica ......................................................... 15

2.2 Métodos de Caracterização dos Polimorfos ................................................... 16

2.2.1 Calorimetria diferencial de varredura (DSC) ................................................ 17

2.2.2 Termogravimetria (TG) ................................................................................... 17

2.2.3 Ressonância Magnética Nuclear (RMN) ....................................................... 18

2.2.4 Espectroscopia de Infravermelho (IR) e Espectroscopia de infravermelho

com transformada de Fourier (FT-IR) .................................................................... 18

2.2.5 Microscopia óptica e eletrônica .................................................................... 19

2.3 Tipos de Polimorfismo ...................................................................................... 20

2.4 Estabilidades Relativas dos Polimorfos.......................................................... 21

3. CONSIDERAÇÕES SOBRE A CARBAMAZEPINA ............................................. 25

3.1 Conhecimento Estrutural da Carbamazepina ................................................. 27

3.1.1 Introdução à cristalografia ............................................................................ 27

3.1.2 Simetria ........................................................................................................... 29

3.1.3 Sistema Cristalino .......................................................................................... 32

3.1.4 Redes de Bravais ........................................................................................... 34

3.1.5 A difração dos Raios X .................................................................................. 36

3.2 Importância do conhecimento estrutural ........................................................ 40

4. DESCRIÇÃO DOS POLIMORFOS DA CARBAMAZEPINA ................................ 43

4.1 Forma III – Monoclínica β .................................................................................. 47

4.2 Forma I - Triclínica γ.......................................................................................... 50

4.3 Forma II – Trigonal α ......................................................................................... 52

4.4 Forma IV - Monoclínica de Face Centrada ...................................................... 54

4.5 Descrições da Estrutura Molecular ................................................................. 55

4.6 Análise Conformacional ................................................................................... 56

4.6 Transformações polimórficas .......................................................................... 57

4.6.1 Por Aquecimento ............................................................................................ 58

4.6.2 Por Hidratação ................................................................................................ 60

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................. 62

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 64

RESUMO

Muitos produtos farmacêuticos encontram-se no estado sólido por motivos de

estabilidade ou por facilidade no manuseio durante as etapas de desenvolvimento

da droga. O polimorfismo é a cristalização de uma mesma substância em diferentes

arquiteturas cristalinas. Este fenômeno é muito comum em produtos farmacêuticos e

está associado às diferenças nos arranjos da embalagem cristalina. A presença de

diferentes formas cristalinas para um mesmo fármaco pode alterar algumas das suas

propriedades físico-químicas, tais como a solubilidade, o que pode afetar

diretamente sua biodisponibilidade e sua eficácia terapêutica. Neste contexto, a

carbamazepina tem servido de composto modelo para o estudo do polimorfismo,

onde uma análise de sua multiplicidade estrutural tem buscado avaliar a

susceptibilidade polimórfica. Significantes diferenças entre as formas polimórficas

anidras da carbamazepina foram caracterizadas por métodos espectroscópicos e

difratométricos, em especial a difração de raios X, pelas importantes informações

estruturais fornecidas. Onde a suscetibilidade polimórfica para forma mais estável

pode ser observada em função de vários fatores entre eles se destaca o conteúdo

energético.

Palavras-chave: Carbamazepina; solubilidade; multiplicidade estrutural;

suscetibilidade polimórfica; estabilidade.

ABSTRACT

Many pharmaceutical products are in solid state for reasons of stability or ease of

handling during the stages of drug development. The polymorphism is the

crystallization of the same substance in different crystalline architectures. This

phenomenon is very common in pharmaceuticals and is associated with differences

in packing arrangements of crystalline. The presence of different crystalline forms for

the same drug can change some of its physicochemical properties such as solubility,

which can directly affect their bioavailability and therapeutic efficacy. In this context,

carbamazepine has served as a model compound for the study of polymorphism,

where an analysis of its structural diversity has sought to evaluate the susceptibility

polymorphic. Significant differences between the polymorphic forms of anhydrous

carbamazepine were characterized by spectroscopic methods and difratometria,

especially the X-ray diffraction, the important structural information provided. Where

Polymorphic susceptibility to the more stable form can be observed due to several

factors including the energy content is highlighted.

Keywords: Carbamazepine; Solubility; Structural Multiplicity; Polymorphic

susceptibility; Stability.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Diagrama de Energia Livre versus Temperatura (E/T) para um Sistema

Enantiotrópico ...................................................................................................................... 22

Figura 2 - Diagrama de Energia Livre versus Temperatura (E/T) para um sistema

Monotrópico ......................................................................................................................... 23

Figura 3 - Fórmula Estrutural da Carbamazepina ................................................................ 26

Figura 4 - Representação esquemática do retículo cristalino de um cristal de NaCl e sua

respectiva cela unitária ........................................................................................................ 30

Figura 5 - Representação da cela unitária e seus parâmetros de caracterização ................ 31

Figura 6 - As 14 Redes de Bravais ...................................................................................... 35

Figura 7 - Difração de Raios X ............................................................................................. 37

Figura 8 - Representação esquemática fora de escala da Lei de Bragg. ............................. 39

Figura 9 - Espectros obtidos por FTIR para as quatro formas polimórficas anidras da

carbamazepina (GRZESIAK, et al., 2003) ............................................................................ 47

Figura 10 - Fotomicrografia da forma monoclínica obtida de microscópio eletrônico de

varredura (LOWES, et al., 1987). ......................................................................................... 49

Figura 11 - Padrões de PXRD para os quatro polimorfos anidros da carbamazepina

(GRZESIAK, et al., 2003). .................................................................................................... 50

Figura 12 – Empacotamento da Forma monoclínica formando dímeros via ligações de

hidrogênio ............................................................................................................................ 50

Figura 13 – Empacotamento da Forma Triclínica, grupo espacial P1 .................................. 51

Figuras 14 - Fotomicrografias da forma trigonal (LOWES, et al., 1987) .............................. 52

Figura 15 – Empacotamento da Forma trigonal com grupo espacial R3. ............................. 53

Figura 16 - Empacotamento da Forma Monoclínica de face centrada. ................................ 55

Figura 17 - Diagrama de Energia livre versus Temperatura para polimorfos I, II e II da

carbamazepina, onde G representa energia livre de Gibbs e H a entalpia( KRHAN; MIELCK,

1987). .................................................................................................................................. 58

Figura 18 - DSC dos quatro polimorfos anidros da CBZ sob taxa de 20ºC/min de

aquecimento (GRZESIAK, et al., 2003)................................................................................ 59

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Os sete sistemas cristalinos ................................................................................ 32

Tabela 2 - Grupos Espaciais para os Sistemas Cristalinos Triclínico, Monoclínico e Trigonal

............................................................................................................................................ 36

Tabela 3- Tabela apresentada por GRZESIAK et al.2003. ................................................... 44

Tabela 4 - Dados cristalográficos obtidos pelo banco de dados CCDC para os polimorfos da

Carbamazepina ................................................................................................................... 46

Tabela 5 - Formas de Obtenção dos polimorfos da Carbamazepina .................................... 48

Tabela 6 - Cálculos de Energia baseado no método Hartree- Fock em conjunto de base 3-

21* ....................................................................................................................................... 57

LISTA DE ABREVIATURAS

CBZ – Carbamazepina

CCDC – Cambridge Crystallographic Data Center

DSC – Calorimetria Diferencial de Varredura

FDA - Food and Drug Administration

FT-IR – Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier

IR – Espectroscopia de Infravermelho

IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry

P&D – Pesquisa e Desenvolvimento

RMN – Ressonância Magnética Nuclear

SAXS – Espalhamento de Raios-X a Baixo Ângulo

SEM – Microscopia Eletrônica de Varredura

TG – Termogravimetria

TGA – Análise Termogravimétrica

USP – United States Pharmacopoeia

XRPD – Padrão de Difração de Raios X

1. INTRODUÇÃO

De acordo com BRANDÃO (2007), a seleção de matérias primas, no processo

de desenvolvimento de um novo medicamento, deve ser efetuada, visando

caracterizar, em especial, a substância ativa. As monografias descritas nos

compêndios oficiais, em geral, apresentam os ensaios para determinação da

qualidade da droga, referindo-se a seus aspectos qualitativos e quantitativos, assim

como os ensaios para a avaliação de pureza. Tais ensaios são fundamentados,

entre outras, nas informações referentes à síntese e às propriedades físico-químicas

da substância submetida à análise. Porém, essas especificações oficiais podem não

se referir a características específicas, como mudanças na estrutura cristalina,

relacionadas às possíveis alterações nos processos produtivos.

A grande maioria dos medicamentos comercializados é formulada em formas

farmacêuticas sólidas de uso oral. Tais formas farmacêuticas, apesar de serem de

administração cômoda ao paciente, podem sofrer alterações durante seu processo

de produção, como por exemplo, o polimorfismo que, segundo VILA JATO (2001), é

a capacidade das moléculas cristalizarem-se em duas ou mais formas. Tal fato é

decorrente das condições empregadas na síntese e na purificação da substância,

dependendo do solvente utilizado e da temperatura de reação conforme rota

adotada pelo fabricante.

A estrutura cristalina de uma substância ativa pode afetar a estabilidade e/ou a

solubilidade de um fármaco. Esta, por sua vez, será o fator limitante para o processo

de absorção de fármacos administrados por via oral, podendo comprometer a

qualidade dos produtos disponibilizados e ter como resultado falha terapêutica ou

toxicidade, o que irá representar um alto risco ao usuário (GIRON, 1995). Portanto, o

conhecimento estrutural, ou, ainda, a determinação do arranjo dos átomos nas

moléculas e no cristal é extremamente útil para o entendimento das propriedades

químicas, físico-químicas e biológicas dos compostos.

Para conhecer uma estrutura no seu nível atômico, é preciso vê-la, ainda que

para tal seja necessário lançar mão de recursos indiretos. Várias técnicas têm sido

desenvolvidas e, em geral, estão ligadas a métodos espectroscópicos e

difratométricos, que, embora muito úteis, não estão rotineiramente disponíveis para

se conhecer a distribuição espacial dos átomos constituintes de uma dada molécula.

Estas ferramentas ou recursos indiretos são (1) difração de raios X por monocristais,

(2) difrações de nêutrons, (3) ressonância magnética nuclear, (4) espalhamento de

raios-X a baixo ângulo em solução(SAXS), (5) microscopia eletrônica (6) modelagem

teórica e outros. (NAPOLITANO, et.al., 2005). O método que permite conhecer a

disposição tridimensional dos átomos na estrutura molecular dos compostos no

estado cristalino é o método cristalográfico, cuja alta resolução permite descrever

sua densidade eletrônica, (DRENTH, 1999). A qualidade destacada neste método

dispensa o conhecimento a respeito do composto ab-initio (GIOCOVAZZO et al.,

1992).

Assim, a metodologia de determinação da estrutura molecular e da estrutura

cristalina, chamada cristalografia de raios X, baseia-se no fenômeno de difração que

ocorre devido à interação da radiação eletromagnética com a matéria cristalina. Hoje

em dia, são utilizados para análise de cristais raios X de comprimento de onda bem

determinados, produzidos por um tubo de raios X e selecionados por difração e,

quando este feixe definido difrata em um cristal desconhecido, a medida do(s)

ângulo(s) de difração do(s) raio(s) emergente(s) permite elucidar a distância dos

átomos no cristal e, consequentemente, a estrutura cristalina. Os ângulos dos feixes

resultantes da difração são lidos pelo equipamento e processados por computador,

que calcula e mostra as prováveis configurações dos átomos no cristal. Esse método

de análise é muito procurado, como o objetivo é principalmente a análise estrutural,

é perfeitamente adequado para a caracterização de polimorfos e solvatos

A importância do estudo do polimorfismo tem sido extensivamente relatada

nessas últimas décadas. Entre os fármacos descritos na literatura que se

apresentam sob a forma cristalina e possui polimorfismo, a carbamazepina é um dos

que se destacam pelo impacto que os diferentes polimorfos causam no seu perfil de

dissolução e biodisponibilidade

. Por esse motivo, temos como objetivo neste

trabalho, descrever estruturalmente a carbamazepina (CBZ) para ilustrar a

importância da descrição estrutural do fármaco no estado sólido e de sua

multiplicidade estrutural buscando avaliar sua susceptibilidade polimórfica para uma

dada formulação.

Sólidos farmacêuticos que quando cristalizados a partir de diferentes solventes, podem formar um complexo

molecular que tem moléculas de solvente incorporadas em locais determinados da estrutura do cristal (SINKO,

2008)

A biodisponibilidade de um fármaco é definida como a fração da dose do fármaco que é encontrada na

circulação geral (GILMAN et al., 1991).

2. POLIMORFISMO

Polimorfismo pode ser definido como a habilidade de um composto cristalizar

em duas ou mais fases cristalinas com arranjos e/ou conformações moleculares

diferentes, nas unidades dos cristais. Portanto, polimorfos são diferentes formas

cristalinas de um mesmo composto químico puro. O fenômeno do polimorfismo em

cristais moleculares é análogo para o alotropismo entre elementos.

Aproximadamente um terço dos compostos orgânicos e cerca de 80% dos

medicamentos comercializados exibe polimorfismo sob condições

experimentalmente acessíveis. Em diferentes descrições de arranjos e/ou

conformações de moléculas, polimorfos exibem diferentes propriedades físicas e

químicas. Estas diferenças desaparecem em fases líquidas e vapor (HILFIKERI,

2006).

Atualmente, o estudo de polimorfos está bem avançado, a ponto de hoje fazer

parte na descrição de patentes de substâncias e produtos. Coisa rara, até segunda

metade da década de 90. Além disso, estudos clínicos caros podem apresentar

resultados não reprodutíveis se o polimorfismo não for observado. Portanto, durante

a pesquisa e o desenvolvimento da molécula, procura-se obter e determinar todas

as formas possíveis de cristais. Geralmente, buscam-se formas mais solúveis e

estáveis.

Determinar a estrutura cristalina de um composto ativo é uma das primeiras

etapas do desenvolvimento farmacêutico. A estrutura cristalina de uma droga pode

sugerir quão facilmente ela pode ser formulada, ter aplicabilidade biológica e

informar sua durabilidade. O conhecimento dos diferentes polimorfos de um cristal é

vital, bem como verificar a existência de polimorfos antes dos estudos clínicos e dos

testes de estabilidade. A descoberta de um novo polimorfo, mesmo que seja

metaestável, mas que pode ser produzido de forma controlada por uma empresa

farmacêutica concorrente, é uma ameaça à patente do princípio ativo de uma

empresa. Uma vez descoberta uma nova droga, normalmente é a forma cristalina

que é patenteada. Os polimorfos podem causar os seguintes problemas: um

competidor poderia patentear e comercializar um polimorfo diferente; um polimorfo

indesejado (e potencialmente tóxico ou inerte) poderia ser manufaturado; diferentes

condições de manufatura ou condições de formulação podem produzir diferentes

polimorfos; é muito difícil determinar todos os possíveis polimorfos por

experimentação; podem ter propriedades inteiramente diferentes com base na

formulação desejada padrão (NAPOLITANO et al., 2005).

Analogamente, podemos frisar que as formas polimórficas podem apresentar

diferenças nas propriedades físicas e físico-químicas como pontos de fusão e

sublimação, condutividade, volume, densidade, dureza do cristal, forma do cristal,

cor, índice de refração, solubilidade, higroscopia, reações no estado sólido,

estabilidade e perfil de dissolução (GIRON, 1995; BOTTON, 1999). A existência de

formas polimórficas de fármacos pode afetar o desempenho de formas

farmacêuticas sólidas, afetando seu perfil de dissolução, biodisponibilidade e/ou

estabilidade. Pode afetar, também, a reprodutibilidade dos lotes industriais, tanto da

produção do fármaco quanto do medicamento (BRYN, 1995).

É reconhecido amplamente que a completa identificação e caracterização do

estado sólido nas diferentes formas de uma determinada droga são essenciais para

o processo de pré-formulação e para alcançar uma formulação adequada, onde a

caracterização das formas polimórficas e solvatadas implicam uma análise

quantitativa das várias propriedades físico-químicas.

2.1 Importâncias na Indústria Farmacêutica

A Indústria farmacêutica é muitas vezes surpreendida quando tem que lidar

com o fenômeno do polimorfismo, quando se quer obter um princípio ativo.

Normalmente estas surpresas estão relacionadas ao comportamento do sólido

obtido, quer seja durante sua caracterização química ou durante seu processamento

e armazenamento. Um ponto de fusão variável dependendo do lote, uma

insolubilidade inesperada do produto em solventes normalmente utilizados sem

problema, lotes do produto com propriedades físicas inconsistentes ou variações da

cor e da forma do sólido cristalino obtido, pode ser, entre outros, indícios da

presença do fenômeno do polimorfismo (HILFIKERI, 2006).

Este fenômeno tem importante implicação na indústria farmacêutica em

primeiro lugar por afetar a estabilidade química do princípio ativo, como referido

anteriormente, o que pode levar a diferentes propriedades físicas, daí os polimorfos

serem mais ou menos inertes em diferentes condições de umidade e temperatura.

Além disso, a velocidade de absorção (biodisponibilidade) também será afetada,

onde alguns polimorfos de um mesmo composto apresentarão atividade mais baixa

em relação a outros com velocidades superiores de dissolução. Assim, a aplicação

farmacêutica de um princípio ativo em uma única forma polimórfica depende de uma

série de fatores, entre eles, que o polimorfo em questão seja suficientemente

estável, solúvel e mantenha a mesma forma nas condições de processamento e

fabricação sem experimentar nenhuma transformação polimórfica. Portanto, para

poder avaliar estes fatores é necessário conhecer o número de polimorfos do

princípio ativo, a estabilidade relativa de todos eles e se as formas metaestáveis

podem ser estabilizadas. O desconhecimento das diferentes formas cristalinas e a

influência destas no preparo de uma droga terá sérias implicações na vida de uma

sociedade, e também terá influência direta no aspecto econômico de uma indústria

farmacêutica, pois envolve patentes de diferentes formas de uma mesma substância

ou, então, de novas formas de substâncias já comercializadas (PROHENS;

PUIGJANER, 2007).

Desta forma, o polimorfismo tem contribuído significativamente no

desenvolvimento de novos produtos pela indústria farmacêutica, química e

alimentícia propondo desafios aos investigadores no desenvolvimento de fármacos e

medicamentos, o que se converte numa ferramenta única na engenharia de sólidos

já que mediante a manipulação das estruturas cristalinas e suas propriedades se

podem desenhar fármacos mais seguros e eficazes.

2.2 Métodos de Caracterização dos Polimorfos

Qualquer propriedade física ou química pode, a priori, variar entre os

polimorfos, visto que, estes possuem diferentes estruturas cristalinas. Assim,

qualquer técnica que possa medir as propriedades de um sólido pode, em princípio,

ser utilizada para detectar o fenômeno do polimorfismo e caracterizar as diferenças

entre as estruturas polimórficas. Algumas técnicas são mais sensíveis a estas

diferenças na estrutura cristalina e, portanto, são mais adequadas. Estes métodos

envolvem principalmente fenômenos ópticos (difratometria de pós por raios X,

infravermelho, microscopia de Raman) térmicos (calorimetria diferencial,

termogravimetria). Há outras técnicas que podem ser aplicadas, como a microscopia

óptica e a determinação do ponto de fusão que, no entanto, não apresentam a

resolução necessária para diferenciar polimorfos de fármacos (PROHENS;

PUIGJANER, 2007). Alguns dos principais métodos utilizados para detecção e

caracterização dos polimorfos são descritos a seguir.

2.2.1 Calorimetria diferencial de varredura (DSC)

Este método tem sido um dos principais meios utilizados para o estudo do

polimorfismo, uma vez que, proporciona dados úteis tanto para identificação como

para caracterização das espécies polimórficas. Esta técnica mede a potência

calorífica absorvida ou liberada por uma amostra, visto que, as alterações de estado

físico, morfológico ou químico de uma substância em uma determinada faixa de

temperatura ocorrem com consumo de energia (alterações endotérmicas) ou com

liberação de energia (alterações exotérmicas).

O método consiste no aquecimento, em paralelo, de uma amostra e de um

padrão de referência inerte, ambos submetidos a uma mesma taxa de aquecimento,

registra-se a quantidade de calor necessária para manter o aquecimento. Quando

ocorrer uma variação na quantidade de calor fornecida ao sistema teste é indicado

uma transformação térmica na amostra testada (SINKO, 2008).

Na avaliação de substâncias que apresentam diferentes formas cristalinas, é

possível determinar a mudança de estrutura cristalina, as temperaturas de fusão e

dessolvatação, que aparecem em sinais endotérmicos e exotérmicos na curva de

DSC. Este registro do DSC, denominado termograma, é um registro que mostra

fenômenos endo e exotérmicos. Permite, ainda, a discriminação entre os sistemas

polimórficos como monotrópico ou enantiotrópico

e auxilia na previsão e análise

para a descoberta de hidratos e solvatos. Estudos de sorção

-dessorção

também

podem ser avaliados por esta técnica, provendo maiores detalhes para a

caracterização de estruturas polimórficas (GIRON, 1995). Tendo como grande

vantagem a versatilidade e lançar mão de pequenas quantidades de amostra para

ser desenvolvido. Sua principal desvantagem está no fato de, em alguns momentos,

resultarem em registros de difícil interpretação ou o surgimento de falsos resultados

(positivos ou negativos para polimorfismo), (BRYN et al., 1995).

2.2.2 Termogravimetria (TG)

A análise termogravimétrica (TGA) mede as alterações da massa da amostra

Mudanças que as formas polimórficas podem sofrer. Quando a mudança de uma forma para outra for

reversível, ela é dita enantiotrópica. Quando a mudança ocorre somente em um sentido, ou seja, não é

reversível, ela é dita monotrópica (SINKO, 2008).

Conjunto de fenômenos de absorção, adsorção e dessorção.

É a libertação das moléculas adsorvidas.

em função do tempo ou temperatura. Os processos de dessolvatação ou de

decomposição são muitas vezes acompanhados através de TGA. Esta técnica não

permite o estudo de fenômenos que envolvam fusão e modificação de fase

cristalina, contudo, é bastante útil quando se trata da análise de uma mistura entre

polimorfos, hidratos e solvatos (BRYN et al., 1995).

2.2.3 Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

A ressonância magnética nuclear no estado sólido está sendo usada com

maior freqüência na identificação dos polimorfos, é uma técnica não destrutiva e

analisa toda a amostra simultaneamente eliminando o inconveniente de analisar

apenas uma porção da amostra. Baseiam-se na absorção da radiação na região da

rádio freqüência do espectro eletromagnético que resulta em modificação na

orientação do spin do núcleo quando submetido a um campo magnético. Consiste

em submeter um núcleo, cujo spin seja diferente de zero, a um campo magnético e

detectar o seu momento magnético, ou sua ressonância magnética. Como cada

núcleo tem um momento diferente, pode-se definir que tipo de ligação química

aquele núcleo está realizando. É uma técnica onde a intensidade do sinal é

proporcional ao número de núcleos, o que provê condições apropriadas para uma

boa sensibilidade do método. Para pesquisa de polimorfos é excelente, pois tem

capacidade de diferenciar estruturas sólidas. No entanto, é passível a ocorrência de

uma gama de erros em estudos quantitativos em amostras no estado sólido (BRYN

et al., 1995).

É um método poderoso para determinar as variações na rede de ligações de

hidrogênio e conformações moleculares entre polimorfos (VIPPAGUNTA, et

al.,2001).

2.2.4 Espectroscopia de Infravermelho (IR) e Espectroscopia de infravermelho

com transformada de Fourier (FT-IR)

A espectroscopia de infravermelho (IR) permite a identificação de uma

substância orgânica ou mineral pelos grupos funcionais presentes no material em

análise. Baseia-se na medida da energia absorvida para a vibração de cada uma

das ligações químicas presentes na substância. Nesta técnica, a amostra é

submetida a uma radiação de comprimento de onda na região do infravermelho. Um

espectro de infravermelho apresenta grande quantidade de sinais chamados de

bandas e é característico de uma molécula como um todo, porém os grupamentos e

ligações apresentam absorções que geram bandas de formato característico da

estrutura da molécula (BRITTAIN, 1999). A transformada de Fourier (FT-IR) utiliza-

se do mesmo princípio da espectroscopia em infravermelho, ou seja, diferindo

apenas no domínio onde o espectro é mensurado. A FT-IR é uma função

matemática que converte o domínio do tempo para o domínio da freqüência. Dentro

do campo das ciências farmacêuticas, tem grande aplicação no controle de

qualidade de fármacos, já que esta metodologia permite identificar moléculas com

uma boa margem de segurança, uma vez que o resultado é único para cada

substância existente, a exceção dos isômeros ópticos, que apresentam os mesmos

espectros (USP 30, 2007).

Ao contrário da análise por infravermelho convencional, que não apresenta

uma boa capacidade de detecção de algumas transformações, mostrando registros

bem semelhantes, a espectroscopia em infravermelho com transformada de Fourier

pode diferenciar claramente polimorfos e hidratos em uma mistura ternária ou com

maior número de componentes. No entanto, em alguns casos devem-se considerar

outros métodos, uma vez que os registros podem ser bem parecidos, gerando

confusão (BRYN et al., 1995).

2.2.5 Microscopia óptica e eletrônica

A microscopia é uma técnica importante para a caracterização de polimorfos,

pois, através dela pode-se observar a forma cristalina de uma substância, como por

exemplo, o tamanho e a forma dos cristais (BRITTAIN, 1999).

O microscópio óptico tem a iluminação e o conjunto de lentes como seus

elementos básicos. Para materiais opacos à luz, observa-se uma superfície polida e

utiliza-se a luz refletida na amostra. A superfície polida pode ou não sofrer ataque

químico para evidenciar a presença de alguns cristais. O aumento máximo de um

microscópio óptico é da ordem de 2000 vezes. Consequentemente, alguns

elementos estruturais, por serem muito pequenos, tornam-se difíceis de serem

observados neste tipo de microscópio. Neste caso, emprega-se o microscópio

eletrônico de varredura (SEM).

A diferença básica entre o microscópio óptico e o eletrônico é que neste

último não é utilizada a luz, mas sim feixes de elétrons. No microscópio eletrônico

não há lentes de cristal e sim bobinas, chamadas de lentes eletromagnéticas. O

microscópio eletrônico de varredura (SEM) é um equipamento que alcança um

aumento máximo muitas vezes maior que o óptico. Ele permite a obtenção de

informações estruturais como tamanho e forma dos cristais. O SEM é um tipo de

microscópio eletrônico capaz de produzir imagens de alta resolução da superfície de

uma amostra. Devido à maneira com que as imagens são criadas, elas têm uma

aparência tridimensionais característica e, são úteis para avaliar a estrutura

superficial de uma dada amostra (LACHMAN, et al., 2001).

Fica claro que, o estudo do polimorfismo de um princípio ativo exige uma

abordagem multidisciplinar. Os diferentes métodos analíticos fornecem uma ampla

gama de informações estruturais e termodinâmicas, muitas vezes complementando

uma a outra, e levando a um conhecimento da relação entre os diferentes

polimorfos.

2.3 Tipos de Polimorfismo

Baseados em diferenças nas propriedades termodinâmicas, os polimorfos

podem ser classificados em um dos dois tipos: enantiotrópico ou monotrópico. Um

sistema é enantiotrópico quando a mudança de uma forma cristalina para outra é de

caráter reversível. Por outro lado, um sistema é monotrópico se a mudança da forma

cristalina acontece em uma única direção, quer dizer, em forma irreversível. Do

ponto de vista termodinâmico, o cristal passa sempre de uma forma menos estável a

uma forma mais estável. Do ponto de vista farmacêutico, a forma mais estável não é

sempre a mais desejada pelos farmacêuticos, desde quando tem estabilidade

termodinâmica maior, isto é, menos solúvel, e, por conseguinte terá menor

biodisponibilidade. Recordemos que as transições, nos sistemas enantiotrópicos são

reversíveis, porque eles podem acontecer em ambos os sentidos do mais estável

para menos estável ou vice-versa, tudo depende da droga em questão e dos

tratamentos térmicos aos que esteja exposta. (LACHMAN, et al., 2001)

Segundo BURGER e RAMBERGER (1979) e VIPPAGUNTA, et al (2001) é

possível estabelecer quatro controles úteis para se determinar qualitativamente a

natureza enantiotrópica e monotrópica das relações entre polimorfos. São eles: o

controle do calor de transição; o controle do calor de fusão; o controle de

infravermelho e o controle da densidade. Um aspecto importante é determinar a

existência, ou não, de uma temperatura de transição entre duas formas polimórficas,

o que é muito importante porque é a temperatura na qual um polimorfo transforma-

se em outro. Esta temperatura pode ser atingida em etapas diferentes de elaboração

de um produto farmacêutico, por exemplo, pelo calor recebido durante a trituração,

granulação ou armazenamento. Nessa temperatura, ambas as formas apresentam

energia livre idênticas, podendo coexistir, apresentar solubilidades iguais em

qualquer solvente ou apresentar pressões de vapor iguais. Se pelo uso dos

controles for determinado que uma droga específica seja enantiotrópica ou

monotrópica, então a próxima meta é definir termodinamicamente a propriedade

estável ou metaestável de cada fase da substância como uma função da

temperatura. É necessário então, saber em que condições de inter-conversão

alcançam-se uma forma estável. A forma termodinamicamente mais estável

apresenta, abaixo da sua temperatura de fusão, a menor energia livre,

correspondente a menor solubilidade ou pressão de vapor, (VIPPAGUNTA, 2001;

BERNSTEIN, 2008).

Durante a pré-formulação de um fármaco, é importante identificar o polimorfo

que é estável à temperatura ambiente e determinar qual das transições polimórficas

ocorre dentro da gama de temperaturas usadas nos estudos de estabilidade e

durante o processamento (secagem, moagem, etc.). As variações de energia livre

entre polimorfos podem ser obtidas usando várias técnicas a diferentes

temperaturas, em que um composto polimórfico é caracterizado preferencialmente

por meio de diagramas de fase, tais como: temperatura vs energia livre; pressão vs

temperatura; solubilidade vs temperatura; taxa de dissolução vs temperatura. No

geral, esses diagramas contêm uma grande quantidade de informação de forma

compacta e pode fornecer um sumário visual e facilmente interpretável das

complexas relações entre os polimorfos (BERNSTEIN, 2008). Nas Figuras 1 e 2 são

demonstrados diagramas de temperatura vs energia livre de Gibbs para sistemas

polimórficos. Uma forma mais direta de determinar a temperatura de transição é por

observação microscópica das amostras ou ainda por meio da calorimetria diferencial

de varredura (LACHMAN, et al., 2001).

2.4 Estabilidades Relativas dos Polimorfos

A estabilidade relativa dos polimorfos depende de suas energias livres, bem

como a do polimorfo mais estável que tem uma menor energia livre. Sob um cenário

de condições experimentais definidas (com exceção dos pontos de transição)

apenas um polimorfo tem uma menor energia livre. Este polimorfo é a forma

termodinamicamente estável e o outro polimorfo(s) é determinado como uma

forma(s) metaestável. Uma forma metaestável é aquela que é instável

termodinamicamente, mas tem uma existência finita como um resultado de uma taxa

relativamente lenta de transformação (HILFIKERI, 2006).

No diagrama da Figura 1 G representa a energia livre de Gibbs e H é a

entalpia. Este diagrama representa uma situação para um sistema enantiotrópico,

para dois polimorfos I e II, onde as curvas GI e GII cruzam-se no ponto de transição

(Tp I/II) que se localiza abaixo do ponto de fusão dos respectivos polimorfos. Nesse

ponto os dois polimorfos podem coexistir como misturas em equilíbrio, tendo a

mesma estabilidade. Na relação termodinâmica enantiotrópica, como descrito

anteriormente, os polimorfos convertem-se um no outro de forma reversível. A curva

Gliq representa a fase líquida, onde suas intersecções com as curvas GI e GII

representam respectivamente o ponto de fusão desses polimorfos. No diagrama

acima, o polimorfo I é a forma mais estável (tem a menor energia livre de Gibbs)

abaixo do ponto de transição e presumivelmente a temperatura ambiente. Existe

Energia

Tp,I/II

Temperatura (K)

GII

Gliq

HII

Hliq

PfI PfII

Figura 1 - Diagrama de Energia Livre versus Temperatura (E/T) para um

Sistema Enantiotrópico

uma tendência termodinâmica para a forma menos estável se transformar na forma

mais estável.

No diagrama da figura 2 os símbolos G e H têm o mesmo significado. Este

diagrama representa uma situação para um sistema monotrópico, onde não há

ponto de transição abaixo dos pontos de fusão dos polimorfos I e II. O que é

representado pela ausência do cruzamento das curvas GI e GII. Nestas condições,

para relação termodinâmica monotrópica, os dois polimorfos I e II não se convertem

um no outro. Sendo o polimorfo I mais estável em todas as temperaturas.

Na indústria farmacêutica, a forma metaestável é, algumas vezes, desejável

em relação a suas propriedades especiais, tais como alta biodisponibilidade, melhor

comportamento durante a trituração e compressão, ou menor higroscopicidade. No

entanto, uma forma metaestável tem uma tendência termodinâmica em reduzir sua

energia livre pela transformação na forma estável. Tais transformações polimórficas

são muitas vezes prejudiciais para a eficácia da formulação. Além do mais, nos

processos de produção e processamento farmacêutico, tais como compactação,

moagem, granulação úmida e secagem, podem também resultar em transições

Energia

Temperatura (K)

GII

Gliq

HII

Hliq

PfI PfII

Figura 2 - Diagrama de Energia Livre versus Temperatura (E/T) para

um sistema Monotrópico

polimórficas. A extensão da transição polimórfica depende das condições de

processamento e da estabilidade relativa dos polimorfos em questão. A

termodinâmica nos fornece um quadro no qual a estabilidade relativa dos polimorfos

pode ser determinada (HILFIKERI, 2006).

Portanto, apenas no ponto da transição termodinâmica é que duas formas

polimórficas podem coexistir em misturas em equilíbrio; em outra temperatura as

tendências termodinâmicas conduziriam a transformação para forma mais estável.

Isso implica que, exceto na temperatura de transição, os polimorfos terão uma

existência limitada (BERNSTEIN, 2008).

O conhecimento da natureza enantiotrópica ou monotrópica da relação entre

polimorfos pode ser usado para dirigir processos de cristalização, dos quais se

pretende obter polimorfos desejados e excluir os indesejados. Para os sistemas

dimórficos temos quatro possibilidades:

I. A forma termodinamicamente estável em um sistema monotrópico: nenhuma

transformação de uma forma para outra pode realizar-se, e nenhuma precaução

necessária será tomada para preservar essa forma ou prevenir uma transformação.

II. A forma termodinamicamente estável em um sistema enantiotrópico:

precauções devem ser tomadas para manter as condições termodinâmicas, isto é,

temperatura, pressão, umidade relativa, etc., nas quais a curva da energia livre de

Gibbs para o polimorfo desejado é abaixo daquela para o polimorfo indesejado.

III. As formas termodinamicamente metaestáveis em sistemas monotrópicos:

uma transformação cineticamente controlada pode acontecer para formas estáveis

termodinamicamente indesejáveis. Para prevenir tal transformação é necessário

empregar condições drásticas para reduzir os efeitos cinéticos, isto é, temperaturas

muito baixas, condições de secagem, estocagem no escuro, etc.

IV. As formas termodinamicamente metaestáveis em sistemas enantiotrópicos: a

informação para a obtenção e a manutenção desta forma é essencialmente

encontrada nos diagramas de energia livre vs temperatura.

Portanto, a importância prática nos estudos de pré-formulaçao de um

fármaco, é determinar se um sistema de polimorfos é monotrópico ou enantiotropico,

sendo capaz de escolher o controle sobre o polimorfo desejado (BERNSTEIN,

2008).

3. CONSIDERAÇÕES SOBRE A CARBAMAZEPINA

A carbamazepina é um agente efetivo para controlar a epilepsia e tratar a

nevralgia do trigêmeo, as enfermidades maníacas depressivas e os pacientes que

apresentam crises convulsivas generalizadas tônico-clônicas (GILMAN, et al. 1991).

Foi descoberta em 1953 pelo químico Walter Schindler, em Basiléia, na Suíça, que

procurava encontrar um composto tricíclico com propriedades antipsicóticas

semelhantes à clorpromazina, que tinha sido introduzida no mercado recentemente.

Destas investigações surgiu a carbamazepina, uma molécula estruturalmente muito

semelhante, sintetizada em 1960, antes mesmo de suas propriedades anti-

epilépticas terem sido descobertas. Essa descoberta aconteceu por acaso, no final

dos anos 60, passando então a ser utilizada como anti-epilético, mostrando-se eficaz

no tratamento de primeira linha das crises parciais e tônico-clônicas (GOUVINHAS,

et al., 2005; SIMON; BROWN, 2000). Somente em 1974, a carbamazepina foi

aprovada nos Estados Unidos para uso como agente anticonvulsivante.

O mecanismo de ação da carbamazepina só foi parcialmente elucidado.

Sabe-se que ela estabiliza a membrana do nervo hiperexcitado, inibe a descarga

neuronal repetitiva e reduz a propagação sináptica dos impulsos excitatórios.

Considera-se que a prevenção de estímulos repetitivos dos potenciais de ação

sódio-dependentes na despolarização dos neurônios, via bloqueio do canal de sódio

voltagem-dependente, pode ser o principal mecanismo de ação. Enquanto a redução

da liberação de glutamato e a estabilização das membranas neuronais podem ser

consideradas responsáveis principalmente pelos efeitos anti-epilépticos, já o efeito

depressivo no turnover (quantidade metabolizada) de dopamina e noradrenalina

poderiam ser responsáveis pelas propriedades anti-maníacas da carbamazepina

(LIMA, 2002).

A carbamazepina é absorvida de forma lenta e irregular no trato gastro-

intestinal, distribuindo-se em todas as partes do corpo ligada às proteínas

plasmáticas (aproximadamente 75 %). Por ser capaz de induzir o seu próprio

metabolismo, sua meia-vida após uma dose única pode ser até de 48 horas. No

entanto, após administração repetida por várias semanas, a meia vida cai

substancialmente. Sua metabolização ocorre no fígado e um de seus metabólitos

primários, o 10,11-epóxido carbamazepina, é tão ativo quanto a droga original, e

suas concentrações no plasma e no cérebro equivalem a aproximadamente a 50%

das de carbamazepina. É excretada na urina, quase totalmente, na forma de seus

metabolitos, sendo muito pouco excretado nas fezes (GOUVINHAS et al., 2005;

EUROPEAN PHARMACOPOEIA, 2002).

A carbamazepina tem parentesco químico com os antidepressivos tricíclicos,

sendo um derivado do iminostilbeno com um grupo carbamil na posição 5. Essa

tração é essencial para a potente atividade anticonvulsivante. Sua fórmula estrutural

é mostrada a seguir, na Figura 3:

Figura 3 - Fórmula Estrutural da Carbamazepina

Na literatura, sua descrição é vasta e sua caracterização vem sendo

desenvolvida desde 1968. Existem diversas técnicas propostas na literatura para a

identificação, a caracterização e a quantificação da carbamazepina. Como exemplo,

tomamos os ensaios e os métodos de análise físico-químicos propostos pelos

compêndios oficiais. Tais referências demonstram que, quanto às suas propriedades

físicas, o fármaco é caracterizado por ser um pó cristalino branco amarelado, com

ponto de fusão entre 189 e 193ºC, sendo praticamente insolúvel em água e éter,

levemente solúvel em etanol e acetona, e solúvel em clorofórmio e propileno glicol.

Deve ser armazenada em recipientes hermeticamente fechados, abaixo de 40°C e

preferencialmente, entre 15 e 30°C e, ao abrigo da luz (EUROPEAN

PHARMACOPOEIA, 2002; USP, 2007).

Estudos do FDA indicaram que comprimidos de carbamazepina poderiam

perder até um terço da sua eficácia, se conservados em condições úmidas. Isto

parece ser devido à formação de um dihidrato, forma que conduz ao endurecimento

do comprimido, resultando em uma má dissolução e absorção. Como o dihidrato

também tem sido detectado após armazenamento sob condições ambientes,

OCNH

sugere-se que o armazenamento com sachês de sílica gel pode ser necessário para

evitar a deterioração física dos comprimidos de carbamazepina (EUROPEAN

PHARMACOPOEIA, 2002). Destacamos, igualmente, a referência de que esse

fármaco apresenta o fenômeno de polimorfismo.

A carbamazepina está disponível no mercado farmacêutico sob as formas de

comprimidos, cápsulas e suspensões orais (KOROLKOVAS, 2004; LUND, 1994). No

Brasil, movimenta US$ 23 milhões por ano. Somente o Instituto de Tecnologia em

Fármacos (Farmanguinhos, FIOCRUZ) produz anualmente 43 milhões de

comprimidos deste fármaco (CATELOES, 2002). Cabe ressaltar que a

carbamazepina faz parte da Relação Nacional de Medicamentos Essenciais

(RENAME), elaborada pelo Ministério da Saúde. Esses fatos denotam o interesse,

tanto da Indústria Farmacêutica como de Órgãos Federais por este fármaco, (FDA,

2008; BRASIL, 2008).

3.1 Conhecimento Estrutural da Carbamazepina

O conhecimento da estrutura é usado para melhorar o processo de

desenvolvimento de novos produtos farmacêuticos, neste caso, determinar a

estrutura cristalina de um composto ativo é uma das primeiras etapas do

desenvolvimento farmacêutico. Neste contexto a cristalografia de monocristais, por

difração de raios X, fornece as mais precisas informações estruturais de compostos

cristalinos, como parâmetros de cela unitária, densidade, desordem cristalina,

conformação molecular, empacotamento molecular, ligações de hidrogênio.

3.1.1 Introdução à cristalografia

Um cristal é um sólido no qual os elementos constituintes, sejam eles átomos,

moléculas ou íons, estão organizados num padrão tridimensional bem definido, que

se repete no espaço, formando uma estrutura com uma geometria específica

(também chamada de retículo). Essa estrutura pode assumir a forma externa de um

sólido de faces planas regularmente arranjadas, em geral com elevado grau de

simetria tridimensional (NETZ; ORTEGA, 2002).

No momento da cristalização, os elementos constituintes do cristal formam

com seus vizinhos, um conjunto de ligações químicas, desde ligações iônicas a

ligações fracas, que determinam a posição espacial que as moléculas tenderão a

ocupar dentro do cristal. Como resultado, forma-se uma estrutura tridimensional,

mantida por essas ligações de forma mais ou menos intensa, formando um sólido

cuja ordenação interna tem uma forte tendência para simetria, por isso são

chamados de cristais.

Os cristais iônicos consistem de uma rede de íons, sendo à força de ligação

do cristal a atração eletrostática entre os íons de cargas opostas, em que, de um

modo geral, esses cristais são duros e quebradiços e possuem altos pontos de

fusão. Nos compostos orgânicos, os cristais são formados por moléculas como suas

unidades básicas, em que as mesmas se mantêm coesas pela ação das forças de

Van der Waals, forças coulômbicas e ligações de hidrogênio, o que explica as

ligações fracas e os baixos pontos de fusão desses cristais.

Segundo a organização dos elementos constitutivos do cristal, isto é, o

arranjo das moléculas dentro do cristal, este pode ser classificado em sólido

cristalino ou sólido amorfo. Os sólidos amorfos podem, em um primeiro contato,

serem considerados líquidos, por possuírem átomos ou moléculas arranjadas de

maneira aleatória, como no estado líquido. Os sólidos cristalinos (chamados de

cristais), como descritos anteriormente, caracterizam-se pela repetição espacial,

tridimensional de suas unidades estruturais, que se encontram dispostas em

padrões geométricos fixos. Sólidos cristalinos, diferentemente de líquidos, possuem

formas definidas e um arranjo ordenado de unidades. As diversas formas cristalinas

são divididas em sete sistemas cristalinos distintos, com base na simetria, como será

discutido em detalhes posteriormente (ex.: cúbico, monoclínico, triclínico). Enquanto

a morfologia de uma forma cristalina, freqüentemente chamada de hábito, é definida

em relação a uma mesma estrutura, mas de aparências externas diferentes (SINKO,

2008).

Os fármacos sólidos podem existir como substâncias cristalinas ou partículas

amorfas, sem estrutura identificável. O caráter amorfo ou cristalino de uma

substância pode afetar sua estabilidade e atividade. De modo geral, a forma amorfa

apresenta maior solubilidade, velocidade de dissolução e biodisponibilidade que a

forma cristalina, uma vez que, no estado amorfo, a energia necessária para a

separação das moléculas, coesas ao acaso, é menor que na forma cristalina. Por

outro lado, formas cristalinas são mais estáveis que as formas amorfas (SINKO,

2008; SHARGEL e YU, 1999).

3.1.2 Simetria

Simetrias são observadas por toda parte, no mundo que nos rodeia,

ocorrendo em várias áreas do interesse humano, como na geometria, na

matemática, na física, na biologia, na arquitetura, nas artes entre outros. Os

conceitos das operações geométricas de reflexão, rotação e inversão, bem como o

de isometria, têm uma relação direta com o conceito de simetria. Segundo os

princípios da geometria euclidiana se, ao rodarmos uma figura invertendo-a, se ela

for sobreponível ponto por ponto essa figura é simétrica. Dada uma imagem de uma

figura, a sua simetria preservará comprimentos de ligação e ângulos, mas nem

sempre manterá a direção e o sentido das várias partes da figura, mesmo porque

muitas imagens simétricas não são sobreponíveis ponto a ponto.

Uma das características mais importantes de um cristal é a simetria. Um

estudo da simetria de um cristal é importante para compreender certos processos

dinâmicos como, por exemplo, as transições de fase, nas quais ocorrem quebras de

simetria. A própria idéia de periodicidade tem implícita, a idéia de que devem existir

certas simetrias nos cristais. A possibilidade de caracterização de um monocristal a

partir de uma unidade fundamental, por meio da simetria, simplifica o trabalho de

determinação estrutural, o que é de fundamental importância na cristalografia. Para

se perceber a natureza periódica e o arranjo dos cristais, é necessário conhecer as

operações de simetria, que são aplicadas nas moléculas ou nos objetos a partir dos

elementos de simetria. Esses elementos são constituídos por um ponto, um eixo ou

um plano. As operações de simetria são caracterizadas pelas inversões em relação

a um ponto, rotações em torno de um eixo, e reflexões sobre um plano. Essas,

quando associadas, geram as operações de simetria compostas que são: rotação

helicoidal, reflexão deslizante (deslizamentos), roto-reflexão e roto-inversão

(GLASSER, 2001).

Existem, no geral, dois tipos de simetria a pontual e a translacional. Esta

descreve uma repetição periódica de um aspecto estrutural através de um

comprimento, de uma área ou de um volume. A simetria pontual descreve a

repetição em torno de um ponto (ex.: reflexões, rotações e inversões)

A característica primordial de uma estrutura cristalina é que ela é simples e

repetitiva, cujos arranjos espaciais de átomos ou moléculas podem ser

representados por unidades básicas conhecidas como celas unitárias, que são a

menor parte do cristal que contém as suas características. A forma e tamanho da

cela unitária de cada cristal dependem das dimensões, da valência química e do

estado de ionização dos átomos ou moléculas que o compõem e das condições em

que o cristal se formou.

A repetição dessa unidade estrutural só é possível através da simetria

translacional. Todos os cristais perfeitos apresentam, necessariamente, simetria

translacional nas três dimensões. No entanto, outros elementos opcionais de

simetria, como rotações, inversões e reflexões, também podem estar presentes

(TRUEBLOOD, 2004; LAKE, 2004). A estrutura cristalina completa pode ser

representada pela descrição do conteúdo de uma unidade de repetição (cela

unitária), pela expressão numérica que fornece os parâmetros dessa unidade, e pela

forma como esta unidade se repete por simetria translacional, sendo esta definida

pela rede da estrutura (TRUEBLOOD, 2004). A rede da estrutura é caracterizada

pelo grupo de pontos iguais em um arranjo infinito e regular nas três dimensões

(Figura 4). A rede mostra o padrão em que ocorre a repetição, mas não mostra o

conteúdo desta unidade de repetição estrutural.

Figura 4 - Representação esquemática do

retículo cristalino de um cristal de NaCl e sua

respectiva cela unitária

Os parâmetros da cela unitária ou parâmetros de rede são caracterizados por

três vetores, que por sua vez definem a geometria completa da rede. Por

convenção, os três vetores são chamados de a, b e c, e os ângulos são chamados

α, β e γ, sendo que α é o ângulo existente entre b e c, β é o ângulo formado pelos

vetores a e c, e γ é o ângulo formado entre os vetores a e b. (Figura 5)

Figura 5 - Representação da cela unitária e

seus parâmetros de caracterização

A estrutura geométrica tridimensional, constituída de um paralelepípedo

denominado cela unitária, é constituída desses três vetores e nove outros

equivalentes. Uma cela unitária, deste modo, é a unidade básica para a

reconstrução da estrutura cristalina completa (LAKE, 2004). Portanto, podemos

concluir que uma cela unitária possui orientação e forma definidas pelos vetores

translacionais, tendo, desta forma, seu volume também definido, contendo os

átomos e moléculas necessários para geração do cristal.

A cela unitária preferida por convenção é aquela com os menores vetores não

coplanares na rede, apesar de existirem muitas escolhas diferentes de celas

unitárias possíveis para uma rede qualquer. A simetria translacional dos materiais

cristalinos possibilita o fenômeno da difração de raios X. Qualquer arranjo regular de

objetos pode atuar como ―rede de difração‖ de ondas que tenham comprimento de

onda da mesma ordem de grandeza que a distância interna entre objetos idênticos.

Os cristais atuam como redes de difração tridimensionais (TRUEBLOOD, 2004).

Na simetria pontual a descrição da repetição periódica se dá em torno de um

ponto, assim temos como operações desse tipo de simetria as reflexões, rotações,

inversões. Todas as operações de simetria para moléculas individuais podem ser

classificadas em: rotações próprias, isto é, rotações de uma determinada fração de

360° em torno de um eixo de rotação, e rotações impróprias, sendo a combinação

de uma rotação e uma reflexão simultânea em um plano perpendicular ao eixo. As

operações de rotação e inversão são casos especiais das operações de rotação

impróprias.

Em moléculas simples, todos os elementos de simetria (ponto, eixo e plano)

devem passar através de um ponto comum no centro da molécula. Por esta razão, a

coleção de todas as operações de simetria para uma molécula constitui os grupos

pontuais, que possuem característica própria e um símbolo convencional,

exemplificado na Tabela 2. Cada um destes grupos possui uma combinação

possível dos elementos de simetria cristalográfica. Existem 32 grupos pontuais

cristalográficos, que por sua vez, são derivados da combinação dos eixos de rotação

próprios e impróprios sendo respeitadas as suas restrições quanto às combinações.

O arranjo interno de um cristal pode ser descrito pelos chamados grupos

espaciais. Existem apenas 230 maneiras diferentes de organização interna de um

cristal de forma a se preencher todo o espaço periodicamente e ordenadamente.

Estes arranjos de simetria são combinações de operações de simetria translacionais

(rotações helicoidais, reflexão deslizante ou deslizamento) com os grupos pontuais

cristalográficos. Estas combinações nos fornecem todas as diferentes maneiras

possíveis de se empacotar a matéria (LAKE, 2004).

3.1.3 Sistema Cristalino

Em função dos parâmetros de rede, isto é, do comprimento dos lados e dos

eixos do paralelepípedo elementar da cela unitária, e dos ângulos que as suas faces

formam entre si, pode-se identificar sistemas de cristalização, ou sistemas cristalinos

básicos. Neste contexto, um sistema de cristalização é o grupo pontual da malha

cristalina, isto é, o conjunto de simetrias de rotação e reflexão permitidas ao manter

fixo um ponto da malha, ignorando os átomos ou moléculas contidos em cada cela

unitária (LAKE, 2004). A análise geométrica dos sistemas de cristalização permite

concluir que existem sete sistemas distintos (Tabela 1), discutidos logo a seguir.

Tabela 1 - Os sete sistemas cristalinos

Sistema Cristalino

Eixos e ângulos

Tipos de cela

Triclínico

a‡b‡c, α‡β‡y‡90

Monoclínico

a‡b‡c, α=y=90° β‡90

P, C

Ortorrômbico

a‡b‡c, α=β=y=90°

P, C, I, F

Tetragonal

a=b‡c: α=β=y=90°

P, I

Trigonal

a=b‡c: α=β=y‡90°

P (R)

Hexagonal

a=b‡c: α=β=90°, y=120°

Cúbico

a=b=c: α=β=y=90°

P, I, F

Segundo a disposição espacial dos pontos reticulares obtêm-se as seguintes

variantes dos sistemas de cristalização (HAHN, 2006):

P — Cela unitária primitiva, ou simples, onde todos os pontos reticulares

estão localizados nos vértices do paralelepípedo que constitui a célula;

F — Cela unitária centrada nas faces, apresentando pontos reticulares nas

faces para além dos localizados nos vértices. Quando apresentam somente pontos

reticulares nas bases são designadas pelas letras A, B ou C , segundo as faces que

contêm os pontos reticulares;

I — Cela unitária de corpo centrado tendo, para além dos pontos que

determinam os vértices, um ponto reticular no centro da célula.

R — Cela unitária primitiva com eixos iguais e ângulos iguais, ou hexagonal,

tendo, para além dos pontos que determinam os vértices, pontos duplamente

centrados no corpo.

O sistema cristalino triclínico agrupa todos as formas cristalinas que não

podem ser acomodados em qualquer um dos outros sistemas, exibindo apenas

simetria translacional ou inversão. Permite apenas dois grupos espaciais. Os cristais

com este sistema caracterizam-se pela ausência de eixos ou planos de simetria,

apresentando três eixos cristalográficos com comprimentos desiguais e oblíquos

entre si.

Os cristais do sistema Monoclínico, em geral, apresentam apenas um eixo de

simetria binário, ou um único plano de simetria, ou a combinação de ambos, por

isso, requerem um eixo de rotação binário e um plano reflexo. Permite ainda 13

grupos espaciais. Possui três eixos cristalográficos, todos com comprimentos

diferentes, dos quais, dois eixos formam um ângulo oblíquo entre si, sendo o terceiro

perpendicular ao plano formado pelos outros dois.

No sistema Ortorrômbico os cristais possuem três eixos cristalográficos

perpendiculares entre si, todos com comprimentos diferentes, demandando três

eixos binários de rotação ou um eixo de rotação binário e dois planos de imagem

reflexa. Permite 59 grupos espaciais. Produz estruturas de grande complexidade

tendo como característica comum a todos os cristais deste sistema apresentarem,

ao menos, um eixo binário de simetria. Os sistemas cristalinos ortorrômbico,

monoclínico e triclínico apresentam um grau de simetria menor, sendo necessários

três parâmetros de cela para caracterizá-los.

Todos os cristais do sistema tetragonal têm a característica de possuírem,

três eixos cristalográficos perpendiculares entre si, sendo os dois horizontais de

igual comprimento e o vertical de comprimento diferente. Apresentam um eixo

quaternário de simetria, permitindo um eixo quaternário de rotação e 68 grupos

espaciais.

O sistema cristalino trigonal ou romboédrico apresenta três eixos

cristalográficos de mesmo tamanho e simétricos em relação a um eixo de simetria

ternária, com o qual fazem ângulo diferentes de 90º. Permitindo 25 grupos espaciais.

Já o sistema hexagonal é considerado por vezes como mera variante do

sistema trigonal (por duplicação). Neste sistema todos os cristais possuem um eixo

ternário de simetria, ou um eixo senário (eixo de ordem seis). Possuem quatro eixos

cristalográficos, dos quais três são horizontais, com comprimentos iguais e

cruzando-se em ângulos de 120°, e o quarto é o vertical, com comprimento diferente

dos demais; permitindo 27 grupos espaciais.

O sistema Cúbico (isométrico) fornece quatro eixos ternários de rotação, o

que permite um número de 36 grupos espaciais. Produz estruturas simples e

lineares e seus eixos cristalográficos possuem comprimentos iguais e são

perpendiculares entre si.

Desta forma, é possivel concluir que o sistema cúbico é o mais simétrico e

também o mais simples, por apresentar a simetria do cubo, que se beneficia da

isometria de suas faces. Sendo a ordem descrescente de simetria dos sistemas

restantes: hexagonal, tetragonal, romboédrico, ortorrômbico, monoclínico e triclínico

(GLASSER, 2001).

3.1.4 Redes de Bravais

Foram estabelecidas 14 estruturas cristalinas básicas, as denominadas

Redes de Bravais, em homenagem a seu criador Augusto Bravais (1811-1863).

Essas redes foram estabelecidas em função das possíveis localizações das

partículas (átomos, íons ou moléculas) na cela unitária, e seu padrão de vizinhança

(topologia). Todos os materiais cristalinos até agora identificados pertencem a um

dos 14 arranjos tridimensionais (Figura 6), correspondentes às estruturas cristalinas

básicas de Bravais (GIACOVAZO, 1992).

A estrutura cristalina elementar de um sólido pode ser determinada pela

definição da forma geométrica da rede, sendo necessário estabelecer as posições

dos átomos, íons e moléculas na cela unitária, onde os mesmos são denominados

pontos retículares e são constituintes do retículo cristalino. Retículo é uma rede

tridimensional de pontos, gerada pelos vértices das celas unitárias, o que implica em

que cada um desses pontos tenha exatamente a mesma vizinhança em todas as

direções.

Resumindo, cada cristal pode ser classificado como um membro de um dos

sete possíveis sistemas cristalinos que são definidos pelas relações entre as

dimensões individuais, a, b e c, e entre os angulos individuais α, β e γ de uma cela

unitária. Os cristais podem ser classificados segundo os grupos pontuais de

operações de simetria que une suas faces. Estes grupos são em número de 32.

Uma vez que as operações de simetria de cada um dos 32 grupos pontuais

cristalográficos são aplicados aos 14 Retículos de Bravais, resultando em 230

grupos espaciais, que descrevem de maneira unívoca, todo arranjo de objetos

idênticos, dispostos num retículo periódico infinito. Pode-se considerar que os 230

grupos espaciais são gerados pela adição de dois novos tipos de operações de

simetria, aquelas encontradas nos grupos pontuais. Os elementos de simetria

complementares são os eixos helicoidais (―eixos parafuso‖) e os planos de

deslizamento. Dessa forma, a estrutura de um cristal pode ser designada por uma

das sete Redes de Bravais e por um dos 230 grupos espaciais, demonstrada

Figura 6 - As 14 Redes de Bravais

resumidamente na Tabela 2. Todos os 230 grupos espaciais possíveis e suas

simetrias, e as simetrias de seus padrões de difração, estão descritos na

International Tables for Crystallography (HAHN, 2006).

Tabela 2 - Grupos Espaciais para os Sistemas Cristalinos Triclínico, Monoclínico e

Trigonal

SISTEMA

CRISTALINOS

GRUPOS

PONTUAIS

GRUPOS

ESPACIAIS

Triclínico

Monoclínico

2/m

P2 C2 P2

Pm Cm Pc Cc

P2/m C2/m P2

/m P2/c P2

/c C2/c

Trigonal

m/23

P3 P3

P312 P321 P3

12 P3

21 P3

12 P3

21 R32

P3m1 P31m P3c1 P31c R3m R3c

m13

c13

1m3

c13

3.1.5 A difração dos Raios X

Os raios X são um tipo de radiação eletromagnética que, por sua vez, é uma

forma de energia que se propaga através do espaço como campos oscilantes

elétrico e magnético, ambos perpendiculares entre si e em relaçao à direçao de

propagação. Esses raios apresentam um comprimento de onda da ordem das

distâncias inter-atômicas (cerca de 1,54 angstrons). Quando um feixe de raios X

atinge algum material cristalino, seus elétrons são forçados a oscilar devido ao

campo eletromagnético da radiação incidente, tornando-se uma nova fonte

espalhadora em todas as direções, pois os raios X são espalhados pelos elétrons

em torno dos átomos individuais das moléculas dos cristais (SINKO, 2008). O

arranjo regular dos atomos no cristal faz com que algumas direções interfiram em

outras direções, construtivamente ou destrutivamente. Eis a importância do uso de

instrumentos modernos que permitem detectar o padrão de difraçao de raios X.

Este padrão é o resultado da superposição das ondas espalhadas devido às

interferências construtivas e destrutivas, causadas por objetos que são da mesma

ordem de grandeza do comprimento de onda da radiação (NAPOLITANO et al.,

2005). Esses padrões de difração podem ser detectados por meio de uma placa

sensível colocada atrás do cristal, e é uma ‗sombra‘ do reticulo cristalino que os

produz.

Quando os raios X incidem numa chapa fotográfica, após difratarem em um

monocristal, formam um conjunto de pontos chamados pontos de Laue, (Figura 7),

que correspondem aos máximos de difração da radiação pelo cristal, (USP. 2007). A

posição desses pontos depende dos detalhes da rede cristalina e do comprimento

de onda dos raios X incidente, cujo entendimento é explicado pela lei de Bragg,

referida logo a seguir.

Sendo assim, a difração de raios X possibilita o estudo de detalhes do

reticulado cristalino, podendo medir variações de milésimos de Ångstrons,

possibilitando a determinação de distâncias inter-atômicas, ângulos de ligação e

vários outros aspectos estruturais.

Figura 7 - Difração de Raios X

Cada cristal de um composto cristalino produz padrões de difração de raios X

característicos. Esses padrões podem ser derivados de um cristal único

(monocristal) ou de espécies em pó do material, contendo numerosos cristais.

Usando métodos computacionais, é possível determinar as conformações das

moléculas, bem como a relação entre elas na estrutura. Isso resulta em uma

descrição completa da estrutura, incluindo o menor dos blocos estruturais, a cela

unitária. É possível determinar a densidade eletrônica e, consequentemente, a

posição dos átomos em estruturas complexas, a partir de um estudo matemático

exaustivo do padrão de difração de raios X. Quando cristais isolados não estão

disponíveis ou são inadequados para análise, a substância pode ser analisada na

forma de pó (SINKO, 2008). O padrão de difraçâo de raios X aplicado ao pó pode

ser considerado a ‗impressâo digital‘ da estrutura de um cristal. A comparação da

posição e intensidade das linhas em tais padrões com as linhas correspondentes

nos padrões de uma amostra conhecida nos permite uma análise qualitativa e

quantitativa.

Assim, o principal uso das informações da difração de monocristais é para a

determinação do peso e para análises da estrutura do cristal a nivel atômico. No

entanto, as difrações estabelecidas para monocristais podem ser utilizadas para

apoiar um padrão de pós específico (USP, 2007).

Conforme citado anteriormente, as substâncias sólidas podem ser

classificadas como cristalinas ou amorfas, sendo estas substâncias pobres difratoras

de raios X, resultando em amplos e difusos padrões de difração, ao contrário das

substâncias cristalinas, cujos padrões são bem definidos. Vale ressaltar que dois

polimorfos terão dois padrões distintos de difração de raios X. A presença de um

solvato (estrutura cristalina que contém uma molécula de solvente como parte

integral de sua estrutura) também irá influenciar o padrão de difração de raios X por

pó, porque o solvato terá a sua própria estrutura cristalina singular. Isso pode levar

uma forma polimórfica aparecer como uma forma mutável ou de dois polimorfos

distintos.

Uma maneira de verificar se a presença de uma alteração em um padrão de

difração de raios X por pós é devida a um solvato ou a um polimorfo separado é

medir o padrão de difração de raios X em várias temperaturas (SINKO, 2008). Uma

vez que os solventes tendem a ser expelidos das estruturas abaixo do ponto de

fusão, a medida dos padrões de difração de raios X em várias temperaturas pode

eliminar o solvente e revelar a forma não solvatada. A ausência de alterações nos

padrões de difração em diferentes temperaturas é um forte indício de que a forma

não é realmente solvatada, bem como pequenas alterações podem indicar uma

estrutura que mantém seu motivo de empacotamento sem a presença do solvente.

O principio fundamental deste método baseia-se no fato de que um feixe

alinhado de raios X monocromáticos é difratado em várias direções quando ele é

afetado pela rotação do cristal ou pela orientação aleatória do cristal em pó. O cristal

funciona como uma grelha de difração tridimencional para esta radiação. Este

fenômeno é descrito pela Lei de Bragg, que afirma que a difração (interferência

construtiva) só pode ocorrer quando ondas que estão espalhadas em diferentes

regiões do cristal, em uma determinada direção, viajam distâncias diferindo por

números inteiros (n) e de comprimento de onda λ. Sob tais circunstâncias, as ondas

estão em fase. Esta condição é descrita pela equação de Bragg, descrita abaixo:

hkl

sinθ= nλ

Eq. (1)

A Equação (1) foi obtida pelos físicos ingleses Sir William Henry Bragg e seu

filho Sir William Lawrence Bragg, em 1913, para explicar por que as faces clivadas

de cristais refletem feixes de raios X a certos ângulos de incidência (ângulo de

difração, θ). A variável d

hkl

é a distância entre camadas atômicas em um cristal (ou

entre os espaçamentos interplanares) e a variável lambda λ é o comprimento de

onda do feixe de raios X incidente; n é um número inteiro. A equação de Bragg é

uma consequência da periodicidade da rede cristalina e é a condição para que

ocorra a interferência construtiva em um feixe espalhado por duas camadas

adjacentes de planos reticulares. Esta condição estabelece que a diferença de

caminho ótico seja um múltiplo inteiro do comprimento de onda do feixe incidente

(GIOCOVAZZO, 1992). Essa relação matemática permite, na cristalografia,

determinar as direções de interferência construtivas em um cristal formado por uma

distribuição discreta de densidades eletrônicas.

Com o objetivo de localizar geometricamente as direções de interferência

construtiva, representa-se um cristal por uma distribuição discreta de densidade

eletrônica, parcialmente representada na Figura 8

Figura 8 - Representação esquemática fora de

escala da Lei de Bragg.

Quando um feixe de raios X incide sobre um cristal, os planos de átomos

deste cristal funcionarão como espelhos e farão com que o feixe seja refletido. Esta

reflexão ocorre porque o espaçamento entre os planos atômicos de um cristal é da

ordem do comprimento de onda dos raios X. Quando dois raios incidem em planos

diferentes do cristal, um deles percorrerá um caminho um pouco maior. Esta

diferença de caminho caracterizará a diferença de fase entre os raios difratados, que

está diretamente relacionada ao tipo de interferência que ocorrerá entre os raios.

Como se sabe, sempre que a diferença de fase entre duas ondas for um número

inteiro de comprimentos de onda (nλ, para n= 1, 2, 3, etc), estas irão interferir

construtivamente, isto é, suas amplitudes se somam. E quando a diferença de fase

entre duas ondas for um número inteiro mais meio comprimento de onda [(n+1/2) λ,

para n= 1, 2, 3, etc], estas irão interferir destrutivamente, isto é, suas amplitudes se

subtraem (GIOCOVAZZO, 2002).

Em suma, a difração de raios X de monocristal é tradicionalmente o meio

preferido para estabelecer a estrutura de cristais, mas não se pode negar que este

método também está sujeito a dificuldades a partir de fatores como, por exemplo,

desordem estática ou dinâmica, adequação do cristal, geminação, etc. Conforme

mencionado, tem sido demonstrado que em casos onde nenhum monocristal

adequado possa ser obtido, a descrição da estrutura a partir das informações de

raios X por pós é uma alternativa promissora e de sucesso.

3.2 Importância do conhecimento estrutural

Em 1858 e 1861, Kekulé, Couper e Bultlerov, dispuseram a base para uma

das teorias mais fundamentais na química: a Teoria Estrutural. A partir de então,

muitos dos problemas enfrentados pelos cientistas começaram a ser elucidados.

Com o surgimento da Mecânica Quântica, no início do século XX, ampliou-se a

perspectiva de interpretar a estrutura dos materiais, que até então era somente fruto

de especulações (SOLOMONS; FRYHLE, 2005).

A determinação do arranjo dos átomos nas moléculas e no cristal é

extremamente útil para o entendimento das propriedades químicas, físico-químicas e

biológicas dos compostos sólidos, visto essas propriedades serem determinadas por

sua composição e por sua estrutura (NAPOLITANO, et al., 2005). As propriedades

dependem intimamente da estrutura, e variações na estrutura podem e irão conduzir

a variação nas propriedades. As propriedades de pigmentos, explosivos, materiais

orgânicos eletricamente carregados, materiais orgânicos magnéticos, etc., estão

todas profundamente relacionadas às suas estruturas no estado sólido

(BERNSTEIN, 2008). A procura e a caracterização de formas cristalinas é uma das

mais ativas e desafiantes áreas de pesquisa da química estrutural moderna.

Conforme mencionado anteriormente, alguns compostos farmacêuticos

importantes apresentam a habilidade de existir em mais de uma estrutura cristalina.

As diferenças podem, às vezes, não ser grandes, ou mesmo não ser detectáveis por

métodos analíticos, mas podem ser substanciais. A solubilidade e os pontos de

fusão são muito importantes em processos farmacêuticos, incluindo dissolução e

formulação (SINKO, 2008). O que explica a razão primária do motivo pelo qual nos

interessamos pelos polimorfos. Portanto, as pesquisas relacionadas às diferenças

de solubilidade apresentadas por polimorfos de um mesmo fármaco têm ocupado

local de destaque. Em casos como esse, o resultado é a existência de um polimorfo

terapeuticamente mais ativo do que outro polimorfo do mesmo fármaco.

As diferenças na estrutura do cristal dos polimorfos surgem quando estes

cristalizam em diferentes arranjos de empacotamento do cristal e/ou diferentes

conformações. A ocorrência do polimorfismo é muito comum entre moléculas

orgânicas.

Por décadas, a carbamazepina tem servido de modelo para o estudo do

polimorfismo. Ela é um fármaco que apresenta polimorfismo e é classificada

biofarmacêuticamente como classe II, apresentando alta permeabilidade intestinal e

baixa solubilidade em água (NAIR, 2002). Desta forma, sua biodisponibilidade é

limitada pela sua solubilidade. MEYER et al., (1992) realizaram estudos de

comparação da biodisponibilidade em diferentes lotes de carbamazepina, onde as

causas das diferenças na biodisponibilidade não ficaram totalmente esclarecidas

(KOBAYASHI, et al., 2000). Entretanto, a contribuição dos fatores como as

diferenças na forma cristalina e/ou o tamanho da partícula ressaltam a importância

do conhecimento da estrutura do cristal nesse processo.

Na literatura especializada, existem vários trabalhos, que demonstram um

considerável esforço em caracterizar estruturalmente esse fármaco. Assim, foram

descritas quatro formas polimórficas anidras: forma I - triclínica (ou γ), forma II -

trigonal (ou α), forma III - monoclínica (ou β), e forma IV - monoclínica de face

centrada, e pelo menos um dihidrato, (GRZESIAK, et al., 2003; LOWES, et al.,

1987). Portanto, o estudo do polimorfismo desse fármaco é de extrema importância,

uma vez que o polimorfo mais estável em temperatura ambiente é a forma

monoclínica padronizado pela Farmacopéia Americana. Em geral, a forma estável

de uma substância polimórfica exibe ponto de fusão mais alto, menor solubilidade

com o máximo de estabilidade química, portanto, mantém sua integridade química

dentro de limites especificados, mantendo as mesmas propriedades e características

durante o período de uso e armazenamento (LACHMAN, et al., 2001). Todas as

outras estruturas polimórficas são consideradas metaestáveis

Diversos trabalhos já foram realizados com o objetivo de caracterizar essas

formas polimórficas utilizando as mais diversas técnicas analíticas, tais como:

microscopia eletrônica de varredura (SEM), difração de raios X para pós (XRPD),

espectrofotometria na região do infravermelho (IR), espectroscopia de Raman,

espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR), calorimetria

exploratória diferencial (DSC), termogravimentria (TG) e ressonância magnética

nuclear (RMN), (GRZESIAK, et al., 2003; LOWES, et al., 1987; SINKO, 2008;

RUSTICHELLI, et al., 2000; KOBAYASH, 2000).

Uma avaliação detalhada que possa encontrar possíveis variações nos dados

cristalográficos, agora é essencial para o desenvolvimento de uma nova droga,

portanto a caracterização física de sólidos tem se tornado uma área extremamente

importante na farmácia e tem sido o objeto de muitos estudos envolvendo os

diferentes métodos analíticos (RUSTICHELLI, et al., 2000).

4. DESCRIÇÃO DOS POLIMORFOS DA CARBAMAZEPINA

A carbamazepina (CBZ) é uma substância química de origem sintética, sendo

estruturalmente semelhante à fenitoína. É denominada quimicamente por 5H-dibenz

[b, f]azepina-5-carboxamida, e possui fórmula molecular C

O e peso

molecular 236,27 (USP, 2007).

Essa droga tem sido investigada por muitos autores por razão da sua

habilidade em existir em diferentes estruturas cristalinas (polimorfismo) e da

estabilidade física das suas várias fases sólidas. Contudo, parece haver algumas

variações no que se refere ao número de modificações e suas exatas

caracterizações, (RUSTICHELLI, et al., 2000; KRAHN; MIELCK, 1987). Para essa

droga, já foram descritas, no mínimo, quatro formas polimórficas anidras, três das

quais já foram bem caracterizadas estruturalmente por difração de raios X para

monocristais. Em alguns dos relatos também foram descritas as formas cristalinas

dihidratos e solvatos, que ocorrem quando moléculas de solvente estão presentes

na estrutura cristalina, sendo o fenômeno denominado de ‗pseudopolimorfismo‘, e as

formas são chamadas de solvatos; quando essa molécula de solvente é a água, são

chamados hidratos e os termos hemidrato, mono hidrato e dihidrato descrevem as

formas hidratadas em equivalentes molares de água correspondendo a meia, uma

ou duas moléculas de água. (LACHMAN, et al., 2001; SINKO, 2008).

A identificação de formação de hidratos é importante, uma vez que a sua

solubilidade em água pode ser menor do que a observada para as formas anidras. A

transformação de um fármaco anidro em hidratado pode reduzir a sua velocidade de

dissolução e a sua absorção. Na literatura, é vasta as referencias da rápida

conversão da carbamazepina anidra em forma hidratada, quando em presença de

água ou vapor d‘água, por sua vez é recomendado acondicionamento em

recipientes hermeticamente fechados para garantir maior segurança quanto à

conservação do fármaco, uma vez que é bem conhecido que a CBZ é instável sobre

condições de umidade.

Outro ponto que tem gerado muitas confusões se refere à nomeação dos

polimorfos da CBZ. Numa tentativa de evitar mais desentendimentos, alguns autores

sugerem a adoção do nome da modificação com maior ponto de fusão de ‗I‘ e as

demais modificações de acordo com seus pontos de fusão descendentes.

Igualmente, em um estudo realizado por GRZESIAK, et al., (2003), os dados

anteriormente publicados foram sumarizados de forma organizada, onde se

destacam a relação dos principais nomes das formas polimórficas da CBZ descritas

na literatura, seus autores, bem como seus métodos de caracterização (Tabela 3).

Tabela 3- Tabela apresentada por GRZESIAK et al.2003.

Ano

Referência

Triclínica

Trigonal

P-Monoclinica

C-Monoclinica

Método de Confirmação

1968

Kuhnert et al.

—

III

—

Calores de fusão

1975

Pohlmann et al.

—

PXRD, IR

1981

Reboul et al.

—

Monoclínica

—

Estrutura cristalina

1984

Kaneniwa et al.

III

—

PXRD,DSC

1984

Umeda et al.

III

—

PXKD,DSC

1986

Kala et al.

II, IV

III

—

PXRD,DSC

1986

Lefebvre et al.

—

PKRD,DSC

1987

Krahn et al.

—

III

PXRD,DSC

1987

Lowes et al.

—

α,Trigonal

—

Estrutura Trigonal, PXRD,DSC,IR

1991

Behme et al.

—

III

—

DSC, preparação

1991

Dugué et al.

—

Preparação

1992

Borka et al.

—

III

—

IR, calores de fusão

1996

MacMahon et al.

—

III

—

PXRD

1997

Céolin et al.

Triclínica

—

Informações de cela, PXRD

2000

Roberts et al.

—

PXRD, SEM

2000

Kobayashi et al.

III

—

PXRD,DSC

2000

Rustichelli et al.

—

III

PXRD, DSC, IR

2002

Lang et al.

—

IV, C-Monoclinica

Estrutura cristalina

2003

Grzesiak et al

III

PXRD,DSC, IR

"Cada forma foi verificada pelo método listado bem como pelo método de preparação de cada forma.‖

Estas formas são mais semelhantes a CBZ C-Monoclinica, por mais que, as diferenças notadas no texto existam.

Considerando que as estruturas polimórficas da CBZ apresentam a mesma

estrutura química, transformações de uma forma em outra não envolvem uma

mudança molecular do fármaco. As estruturas polimórficas podem ser

interconvertidas por processos mediados por solventes ou transformações de fase

que são induzidas através de calor, ou stress mecânico, (RUSTICHELLI, et al.,

2000). Em geral, as diferentes formas cristalinas não possuem o mesmo fator de

empacotamento atômico, assim essas transformações de fase são acompanhadas

por variações de volume e densidade. As transformações de uma estrutura em outra

envolvem apenas pequenos movimentos atômicos, pois as combinações do

reagente e do produto coincidem, mas mesmo assim, é necessário romper as

ligações existentes e rearranjar as moléculas segundo uma nova estrutura cristalina.

Na CBZ, a variabilidade cristalina, isto é, diferenças de empacotamento

molecular, devido ao polimorfismo e ao pseudopolimorfismo, irão levar a diferenças

nas propriedades físicas e químicas das várias formas cristalinas desse fármaco.

Diferenças nas propriedades podem afetar a biodisponibilidade e o uso clínico eficaz

da CBZ (LOWES, et al., 1987).

Existem muitos relatos na literatura a respeito das transformações

polimórficas da CBZ, da caracterização das formas encontradas e da influência

dessas formas no comportamento da dissolução, farmacocinética, fotoestabilidade,

formulações, etc. (LOWES, et al., 1987). No entanto, existem muitas discrepâncias

entre as conclusões destes estudos, onde a relação entre as propriedades físico-

químicas das formas polimórficas e pseudopolimórficas da CBZ e sua

biodisponibilidade não são completamente entendidas (KOBAYASHI, et al., 2000).

Dada essa importância, as formas polimórficas da CBZ têm sido estudadas

intensamente ao logo do tempo, de forma a definir suas características estruturais e

físico-químicas. Com este intuito, a metodologia cristalográfica se apresenta como

poderosa ferramenta para determinação estrutural.

Os dados cristalográficos apresentados na Tabela 4 a seguir, para os

polimorfos da carbamazepina foram obtidos do banco de dados Cambridge

Crystallographic Data Center (CCDC) em arquivos no formato CIF, e foram

analisados graficamente através do software Mercury (MACRAE, et al., 2008). Estes

dados cristalográficos obtidos no formato CIF contêm todas as informações

necessárias para a obtenção da estrutura molecular e cristalina, tais como os

parâmetros da cela unitária, o sistema cristalino e o grupo espacial em que está

―acomodada‖ a estrutura, a fórmula química e o nome dado pela International Union

of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) do composto, o número de unidades

assimétricas dentro da cela unitária, as operações de simetria pertinentes ao grupo

espacial em questão, o volume da cela unitária, as coordenadas cartesianas de cada

átomo desta molécula no cristal dentre outras informações.

Tabela 4 - Dados cristalográficos obtidos pelo banco de dados CCDC para os polimorfos da Carbamazepina

Dados

Cristalográficos

Sistema

cristalino

Grupo

Espacial

Volume

da cela

unitária

Fator R

(%)

CBMZPN02

Monoclínico

P 21/n

7.534(1)

11.150(2)

13.917(3)

92.94(4)

1167.55

8.4

CBMZPN10

Monoclínico

P 21/n

7.537(1)

11.156(2)

13.912(3)

92.86(2)

1168.3

3.9

FEFNOT02

Monoclínico

P 21/c

10.066(2)

28.719(5)

4.831(1)

103.45(1)

1358.27

7,29

FOMXAH

Monoclínico

P 21/n

5.1815(4)

26.0450(19)

20.5735(15)

91.302(2)

2775.72

5.65

UNEYOB

Monoclínico

P 21/c

10.3335(18)

27.611(5)

4.9960(9)

102.275(3)

1392.86

5.45

UNEZES

Monoclínico

P 21/n

5.0961(8)

17.595(3)

19.647(3)

90.917(3)

1761.44

5.22

UNEZIW

Monoclínico

P 21/c

5.1206(4)

15.7136(13)

18.4986(15)

96.546(1)

1478.75

4.92

UNEZOC

Monoclínico

P 21/c

5.2031(9)

14.741(2)

17.882(3)

98.132(3)

1357.74

5.33

VUBCAW

Monoclínico

P 21/n

10.869(4)

5.341(3)

25.153(11)

100.90(3)

1433.82

VUBCEA

Monoclínico

P 21/n

11.051(3)

5.464(2)

24.928(9)

100.81(4)

1478.51

5.3

XAQREN

Monoclínico

P 21/n

13.7605(10)

17.4574(13)

14.6240(11)

115.876(1)

3160.8

4.31

CBMZPN03

Trigonal

R -3

35.454(3)

5.253(1)

120

5718.32

6.9

CBMZPN11

Triclínico

P -1

5.1705(6)

20.574(2)

22.245(2)

84.124(4)

88.008(4)

85.187(4)

2344.82

5.06

CRBMZA

Triclínico

P -1

9.001(3)

7.441(2)

13.755(3)

119.48(1)

78.96(2)

101.61(2)

780.943

5.4

CRBMZA01

Triclínico

P -1

7.3985(15)

8.9054(18)

11.873(2)

95.809(3)

93.401(4)

101.362(3)

760.479

7.68

UNEZAO

Triclínico

P -1

7.5140(11)

10.4538(15)

12.6826(18)

83.642(2)

85.697(2)

75.411(2)

957.015

4.58

UNEYIV

Triclínico

P -1

7.3254(19)

8.889(2)

12.208(3)

94.840(5)

94.926(5)

100.048(5)

775.836

7.95

UNEZUI

Triclínico

P -1

9.1567(12)

10.1745(13)

10.5116(14)

72.850(2)

70.288(2)

67.269(2)

834.909

4.99

UNIBOI

Triclínico

P -1

5.1077(11)

16.057(3)

17.752(4)

73.711(3)

89.350(3)

88.636(3)

1397.06

7.66

QANQUS

Triclínico

P -1

7.7118(4)

9.1503(4)

11.6969(6)

100.192(3)

95.379(2)

101.908(3)

787.584

4,77

SAPDUJ

Triclínico

P -1

10.236(2)

12.937(2)

13.614(2)

62.419(2)

88.218(2)

84.286(2)

1589.76

4,64

XAQQUC

Triclínico

P -1

7.1053(8)

11.8010(13)

19.648(2)

93.657(2)

92.800(2)

91.061(2)

1641.77

4.87

CBMZPN12

Monoclínico - C

C 2/c

26.609(4)

6.9269(10)

13.957(2)

109.702(2)

2421.93

3.57

UNIBAU

Monoclínico - C

C 2/c

32.531(5)

5.2697(8)

24.159(4)

98.191(3)

4099.29

15.56

UNIBEY

Monoclínico - C

C 2/c

34.355(8)

5.3795(13)

23.654(6)

93.952(6)

4361.17

6.19

UNIBIC

Monoclínico - C

C 2/c

18.388(4)

12.682(3)

16.429(3)

100.491(6)

3767.14

4,33

XAQRAJ

Monoclínico - C

C 2/c

37.013(3)

12.1319(9)

13.5991(10)

99.173(1)

6028.42

4.16

FEFNOT

Ortorrômbico

A b a m

28.659(9)

4.924(2)

19.748(5)

2786.78

10.5

XAQRIR

Ortorrômbico

P 21 21 21

7.2083(14)

14.644(3)

17.577(4)

1855.4

3.4

VACTAU02

Ortorrômbico

P b c a

9.0592(4)

10.3156(5)

25.0534(12)

2341.27

4.16

CBZ Anidra;

Solvatos de CBZ;

Dihidratos de CBZ

Como observado na Tabela 4 existem apenas seis formas polimórficas

anidras, das vinte sete formas restantes quatro são hidratos e os demais são

solvatos. Estes sendo obtidos durante as diferentes fases manufaturação da CBZ,

na presença de diferentes solventes e temperaturas. Algumas das maneiras de

obtenção das formas polimórficas da CBZ para análises de identificação e

caracterização estão descritas na Tabela 5 em relação a seus respectivos

pesquisadores. As formas anidras foram extensivamente descristas nos últimos

anos, algumas características importantes são descristas a seguir.

4.1 Forma III – Monoclínica β

Essa forma representa a forma descrita na farmacopéia americana, sendo

também a mais estável a temperatura ambiente.

Os testes de espectrofotometria contribuíram significativamente para

identificação das formas polimórficas. Os espectros de absorção de infravermelho,

comparados com o obtido concomitantemente para o correspondente padrão de

referencia da USP, forneceram uma das mais conclusivas evidências de identidade

da substância que pode ser realizada a partir de algum teste individual. Em um

estudo aprofundado usando espectroscopia de infravermelho com transformada de

Fourier (FTIR), foram detectadas diferenças substanciais entre os espectros de

infravermelho da forma monoclínica e das outras formas polimórficas da

carbamazepina (Figura 9).

Figura 9 - Espectros obtidos por FTIR para as quatro

formas polimórficas anidras da carbamazepina

(GRZESIAK, et al., 2003)

Tabela 5 - Formas de Obtenção dos polimorfos da Carbamazepina

Krahn

(1987)

Lowes

(1987)

Rustichelli

(2000)

Grzesiak

(2003)

FORMA

Obtida quando Dihidratos

recém obtidos são

desidratados em forno por 3h a

70ºC. Ou através de

cristalização a partir de solução

de metanol com evaporação do

solvente

Aquecimento da CBZ

comercial por 170ºC

por 1h ou a 150ºC por

1h e 45 min.

Aquecimento da

CBZ comercial ou

por recristalização

a 150ºC por 3h.

FORMA

Cristalização a partir de

solventes com baixa

constante dielétrica,

como o tetra cloreto de

carbono e cicloexanos,

independente de sua

taxa de resfriamento

Dissolução da

CBZ comercial em

solução de etanol

a 80ºC. A solução

foi resfriada

rapidamente a

5ºC por 5h

FORMA

III

Forma obtida segundo

parâmetros aceitos por

compêndio oficial (USP) ou

ainda a CBZ presente na forma

farmacêutica que é

comercializada. Ou ainda:

Processo de cristalização a

partir de solução de metanol,

onde a redução da temperatura

é feita lentamente durante o

processo.

Forma obtida segundo

parâmetros aceitos por

compêndio oficial (USP)

ou ainda a CBZ presente

na forma farmacêutica

que é comercializada. Ou

ainda: Cristalização a

partir de solventes que

apresentam alta

constante dielétrica,

assim como o álcool sec-

butil, o álcool n-propil,

etanol e metanol. Já sua

pureza é obtida quando

se mantém uma taxa de

resfriamento lenta

durante todo o processo

de cristalização

Obtida por

Cristalização a partir

de solução de metanol

( ou outros solventes

com alta constante

dielétrica)pela redução

da Temperatura feito

lentamente durante o

processo.Outras

tentativas de cristalizar

a partir de outros

solventes sempre

conduz a forma I. Ou é

a Forma obtida

segundo parâmetros

aceitos por compêndio

oficial (USP).

Cristalização a

partir de solução

de etanol com

evaporação lenta

a temperatura

ambiente

FORMA

Obtida quando Dihidratos

recém preparados são

desidratados a 20ºC em

dessecador a vácuo com P

Obtida pelo processo

de cristalização a partir

da CBZ comercial, a

partir de uma solução

etanólica. Faz adição

de água gelada e

resfriamento imediato

com banho de gelo. Os

cristais obtidos após 1h

foram filtrados e secos

por 24 h em dissecador

a vácuo com sílica gel

Cristalização a

partir de solução

de metanol com

evaporação lenta

a temperatura

ambiente.na

presença de

hidroxipropil

celulose.

Hidratos

São obtidos por cristalização a

partir da solução de metanol e

etanol com acréscimo de água

destilada, promovendo o

resfriamento durante 5h a

20ºC. Sendo filtrados e secos a

20ºC por 3h.

Segundo Grzesiak, et al., (2003) as três regiões principais para identificação e

distinção entre os polimorfos da carbamazepina são: 3500-3392; 1731-1629 e 1427-

1317 cm

-1

. Onde para forma monoclínica ocorrem picos de absorção em 3466, 169

e 1395 cm

-1

esses valores estando de acordo com os valores encontrados em outros

relatos anteriores presentes na literatura (USP, 2007).

As fotomicrografias obtidas apartir de microscópio eletrônico de varredura

(SEM) mostram que os cristais da forma monoclínica apresentam morfologia do tipo

prismas, sendo estes bem definidos, como mostrados na Figura 10 (LOWES, et al,

1987).

Figura 10 - Fotomicrografia da forma

monoclínica obtida de microscópio

eletrônico de varredura (LOWES, et al.,

1987).

A difratometria de raios X (XRPD) é uma técnica poderosa para identificação

das fases sólidas cristalinas, desse modo, muitas fases sólidas cristalinas

apresentam um único padrão de difração de raios X, o que compõe a base para sua

identificação. Com este propósito, é mostrado na Figura 11 o padrão de difração

para cada uma das quatro formas polimórficas anidras da carbamazepina, onde os

picos de difração indicativos de diagnóstico para forma monoclínica, foram

detectados em 2θ = 15.36, 19.56, 25.0 e 27.47cm

-1

(GRZESIAK, et al., 2003)

apresentando padrão de difração idêntico ao do padrão da referência da USP.

O sistema cristalino da forma III possui um arranjo cristalino monoclínico

primitivo cujo grupo espacial é P2

/n, com os seguintes parâmetros de rede: a =

7,534(1) Å; b = 11,150(2) Å; c = 13,917(3) Å, α = 90; β = 92,94(4) e γ = 90º e volume

igual a 1167.55 Å

, encontrando-se bastante empilhado, assim não apresentando

espaços vazios, o que explica esta forma apresentar a maior densidade entre as

quatro formas anidras.

Figura 11 - Padrões de PXRD para os quatro

polimorfos anidros da carbamazepina (GRZESIAK, et

al., 2003).

A forma monoclínica forma dímeros centrossimétricos via ligações de

hidrogênio intermoleculares (Figura 12) entre os grupos carboxamida (KOBAYASHI,

et al., 2000).

Figura 12 – Empacotamento da Forma monoclínica

formando dímeros via ligações de hidrogênio

4.2 Forma I - Triclínica γ

Uma questão antiga no polimorfismo da carbamazepina tem sido a

identificação da forma triclínica, modificação estável em altas temperaturas. Estes

trabalhos levantaram a hipótese da existência de quatro ou oito moléculas

independentes por unidade de cela, a partir do volume de 2389Å encontrado para

uma cela triclínica. Tais observações tornariam a estrutura triclínica muito mais

complexa do que as outras três formas, que apresentam apenas uma molécula na

unidade assimétrica No entanto estudos estatísticos demonstraram que essas

ocorrências são raras, demonstrando que mais estudos são necessários para

caracterização dessa forma. Existem poucos relatos sobre esta forma no Cambridge

Structural Data Base (CSD). Talvez isso possa ser explicado pela dificuldade

associada com a determinação dessas estruturas, levando a uma menor freqüência

nos registros do CSD, muitas vezes abaixo da sua taxa de ocorrência natural

(GRZESIAK, et al., 2003).

A forma I cristaliza em uma cela triclínica (P1) com os seguintes parâmetros

de rede: a=5,1705(6); b=20,574(2); c=22,245(2) Å, α=84,12(4); β=88,01(4) e

γ=85,19(4)º. A estrutura cristalina completa dessa forma pôde ser especificada,

descrevendo o conteúdo da unidade de repetição (cela unitária). Sua unidade

assimétrica consiste de quatro moléculas que formam anti dímeros ligados por

pontes de hidrogênio através da carboxamida (Figura 13) doadora de H e do

carbonil aceptor (GRZESIAK, et al., 2003).

Figura 13 – Empacotamento da Forma Triclínica, grupo

espacial P1

A forma triclínica é morfologicamente semelhante à forma trigonal, assim seus

cristais assemelham-se a agulhas. Ambas as formas apresentam padrões de

ligações de hidrogênio fracas. Onde cada oxigênio atua como aceptor de

hidrogênios a partir de dois carbonos próximos. Essa forma apresenta significantes

espaços hexagonais incluídos no interior do cristal devido a três dímeros estarem

formando uma estrutura triangular, o que resultará em dois aspectos importantes

desta forma: facilidade da invasão das moléculas de água dentro do cristal, o que

conseqüentemente acelera sua transformação em dihidrato e uma densidade menor

do que a encontrada na forma monoclínica padrão da USP (KOBAYASHI, et al.,

2000).

Os padrões de difração de raios X característicos dessa forma estão

explicitados na Figura 11, apresentando picos característicos de identificação em

= 7.92, 9.37, 12.28 e 19.99 (GRZESIAK, et al., 2003).

4.3 Forma II – Trigonal α

A morfologia dos cristais da forma trigonal, detectadas nas fotomicrografias

obtidas apartir de SEM, são estruturas predominantemente parecidas com agulhas.

Um aspecto distinto desta morfologia é que, em uma secção transversal hexagonal

das agulhas, estas muitas vezes aparecem como tubos ocos conforme Figura 14

(LOWES, et al., 1987).

Figuras 14 - Fotomicrografias da forma trigonal (LOWES, et al.,

1987)

Essa forma apresenta sistema cristalino trigonal primitivo com grupo espacial

R3, com os seguintes parâmetros de rede: a=35,454(3); b=35,454(3); c=5,253(1) Å,

α=90; β=90 e γ=120º e volume de 5718.32. É valido ressaltar que, nos estudos

usando o método difratometria de pós para monocristais, o motivo do cristal na

forma II é um dímero centrossimétrico de ligações de hidrogênio, entre os grupos

carboxamida, onde a embalagem desses dímeros é um resultado significativo dos

‗espaços vazios‘ hexagonais (Figura 15) dentro do cristal (LOWES, et al., 1987).

Figura 15 – Empacotamento da Forma trigonal com grupo

espacial R3.

A diferenciação das formas triclínica e trigonal não representam uma tarefa

trivial, portanto é necessário um estudo cuidadoso analisando os padrões de raios X

de monocristais bem como as medidas de calorimetria diferencial de varredura para

auxiliar nesta tarefa. Segundo estudos de GRZESIAK, et al., (2003), a partir do

PXDR a forma trigonal é reconhecível porque apresenta poucos picos de alta

intensidade (Figura 11), sendo seus picos de identificação localizados em 2θ= 8.68,

13.26, 18.56 e 24.54.

Através da análise dos espectros obtidos por FTIR para essas formas (Figura

9) confirmaram-se as semelhanças observando-se as similaridades nas absorções

entre ambas as formas, onde foram encontrados para forma trigonal os seguintes

valores: 3485, 1688 e 1396 cm

-1

e valores muito próximos para forma triclínica sendo

estes 3485, 1690 e 1395 cm

-1

(GRZESIAK, et al., 2003), portanto concluiu-se que

essas formas apresentam espectros praticamente idênticos com variação menor do

que 3 cm

-1

4.4 Forma IV - Monoclínica de Face Centrada

Recentemente a estrutura da forma monoclínica– C foi publicada e designada

pelos autores como a nova forma IV. No entanto, esta forma já tinha sido descoberta

em 1968 por Kuhnert-Brandstatter et al. (chamada de forma II) e foi observada mais

tarde por muitos outros autores (HARRIS et al., 2005). Apresenta uma

caracterização abrangente, sua forma é semelhante à forma monoclínica padrão da

USP, podendo ser diferenciada das outras formas polimórficas através da análise

dos espectros de FTIR (Figura 9) onde essa apresenta dois picos em 773 e 765 cm

-1

sendo que nesta posição as outras formas polimórficas apresentam apenas um

único pico de absorção (GRZESIAK, et al., 2003).

Essa forma apresenta padrões de raios X obtidos a partir da PXRD (Figura

11), com picos característicos em 2θ= 14.11, 17.89, 21.79 e 33.11º. A forma IV

cristaliza em uma cela monoclínica de face centrada (C2/c) com os seguintes

parâmetros de rede: a=26,609(4); b=6,9269(10); c=13,957(2) Å, α=90; β=109,702(2)

e γ=90º e volume de cela de 2421,93.

Ambas as formas monoclínicas tem cadeias infinitas C(7) através de um

hidrogênio vinílico do anel azepine e um oxigênio aceptor. As ligações C-H....O que

ligam as unidades diméricas (Figura 16) de ambas as formas monoclínicas tem

cumprimentos de 2,48Å e 2, 28Å, para as formas monoclínica e monoclínica de face

centrada, respectivamente(GRZESIAK, et al., 2003).

Figura 16 - Empacotamento da Forma Monoclínica

de face centrada.

4.5 Descrições da Estrutura Molecular

Todas as formas anidras da carbamazepina existem como dímeros no estado

sólido, o que demonstra um consistente sentido de dimerização em todas as formas

anidras, no que diz respeito as suas fortes redes de ligações de hidrogênio. Este tipo

de ligação envolve um mecanismo doador-aceptor de elétrons, entre os grupos

carboxamidas, das moléculas de CBZ que compõem o dímero, dependem

diretamente da distância entre as moléculas envolvidas na ligação e sua formação

contribui para lipossolubilidade das moléculas associadas, o que acarreta em uma

alta permeabilidade trans membrana, mas em contrapartida provoca uma diminuição

da solubilidade dessa molécula em água, o que esclarece sua absorção irregular.

Assim, o tipo de arranjo cristalino também exerce certa influência sobre a

solubilidade, onde partículas simétricas podem ser menos solúveis do que as

assimétricas. Isso se deve ao fato da solubilidade depender, em parte, do trabalho

necessário para separar as partículas de soluto cristalino. Um ponto importante que

também deve ser levado em conta são as redes de interações fracas, que também

podem influenciar a embalagem cristalina e por sua vez na solubilidade.

Uma comparação entre as formas anidras, quando se analisa as distâncias

entre as ligações de hidrogênio que formam o dímero, observa-se que as distâncias

no dímero da forma monoclínica apresentam distâncias da ordem de 0,07A o que

revela uma proximidade maior entre essas moléculas do que a distância

apresentada nos dímeros das outras formas anidras, refletindo numa organização

dentro da unidade de cela muito mais empilhada e consequentemente mais densa, o

que pode refletir em sua maior estabilidade e consequentemente em uma menor

solubilidade, o que não é observado nas formas trigonal e triclínica cujos espaços

vazios dentro da cela unitária se refletem numa menor densidade, sendo este

ambiente sujeito a maiores alterações, sendo demonstrada para estas formas uma

maior solubilidade. Detalhada comparação dos parâmetros moleculares mostram

que a forma trigonal é muito semelhante morfologicamente à forma triclínica,

principalmente no que se refere a seus padrões de ligações de hidrogênio. Em

ambas as formas cada oxigênio atua como aceptor de hidrogênio a partir de dois

carbonos próximos. A posição do carbono doador é idêntica em ambas as formas,

(GRZESIAK, et al.,2003).

4.6 Análise Conformacional

Como relatado durante este trabalho à determinação da configuração de

moléculas e complexos moleculares (também conhecida como arranjo espacial ou

configuração dos átomos nas moléculas.) é sem dúvida fundamental, pois leva a

determinação de como se encontram dispostos esses átomos nas moléculas, ou

seja, determina a estrutura dos compostos. É neste contexto que estudos teóricos,

empíricos e quânticos sobre estrutura molecular têm sido realizados. Onde os

métodos físicos têm mostrado grande valor na obtenção de informações sobre a

estrutura molecular. Demos especial destaque a difração de raios-X de cristais

simples por nos oferecer informações importantes sobre parâmetros geométricos

determinados para amostras na forma cristalina.

Polimorfos diferem na embalagem do cristal (empacotamento) e/ou

conformação molecular, bem como na energia do retículo e entropia. O

conhecimento dos arranjos da embalagem do cristal e das varias forças

intermoleculares envolvidas nos diferentes arranjos de embalagem ajudarão a

predizer e preparar os polimorfos mais estáveis de um dado composto.

A conformação é definida pelos ângulos de torção em torno de ligações

simples. Segundo Lowes (1987) nas moléculas de carbamazepina sua conformação

é dada pelos ângulos de torção em torno do Carbono e o Nitrogênio (1), sendo

particularmente notável quando o átomo de N(1) desloca a partir do plano de seus

ligantes vizinhos e o ângulo de torção descreve a inclinação do grupo carboxamida

em relação ao anel azepine. O ambiente dos grupos carboxamida ligados por

hidrogênio está sujeito a perturbações.

Segundo GRZESIAK (2003), análises conformacionais foram feitas com todos

os quatro polimorfos por programa de computador quando estes foram sobrepostos.

Observando a sobreposição de moléculas individuais (monômeros), o maior desvio

quadrático entre as posições atômicas desses quatro polimorfos foi menor do que

0,15 Å. Entretanto, como todos os quatro polimorfos da CBZ existem como dímeros

no estado sólido, todos os pares diméricos equivalentes dos quatro polimorfos,

apresentaram menos de 0,4 Å de desvio quadrático médio (quando estes foram

sobrepostos e analisados por computador), demonstrando um consistente senso de

conformação e dimerização em todos os quatro polimorfos, considerando sua forte

rede de ligações de hidrogênio. Assim a CBZ é um excelente exemplo de cristal

polimórfico no qual a conformação e os esquemas de ligações fortes de hidrogênio

permanecem totalmente constantes em todos os polimorfos.

As diferenças cabem exclusivamente na embalagem das unidades diméricas

carboxamida. Estas podem ser descritas pelos padrões fracos de interações C-

H....O, o qual prevalece totalmente em todos os quatro polimorfos.

Através de cálculos baseados em métodos de química computacional

Hartree-Fock (LEVINE, 1991; CAMARGO; NAPOLITANO; OLIVEIRA, 2005),

observamos que a forma monoclínica apresenta menor conteúdo energético e por

isso mesmo, confirma sua maior estabilidade frente às outras formas polimórficas

anidras (Tabela 6), onde podemos observar a seguinte ordem III<IV<I<II energética.

Tabela 6 - Cálculos de Energia baseado no método Hartree- Fock em conjunto de base 3-21*

Notação

Sistema

Cristalino

Grupo

Espacial

Hartree

Kcal/mol

III

Monoclínico

-754,5552906

-473498,5359

Trigonal

-753,9166601

-473097,7825

Monoclínica - C

C2/c

-754,4627892

-473440,4895

Triclínica

P-1

-754,3948717

-473397,8699

4.6 Transformações polimórficas

4.6.1 Por Aquecimento

Há algum tempo, estudos têm procurado avaliar a cinética da transformação e

sua dependência da temperatura. O uso de diagramas de energia/temperatura

confirma o comportamento enantiotrópico entre as formas polimórficas da CBZ,

enquanto tais diagramas podem ser derivados de uma seqüência de pontos de

fusão, estabilidade termodinâmica a temperatura ambiente bem como a partir de

calores de transformação, onde esse comportamento é demonstrado pelos

termogramas obtidos das análises calorimétricas.

Nos estudos realizados por KRAHN; MIELCK, (1987) foi demonstrado a

relação enantiotrópica entre os polimorfos I II e III através de diagrama de energia

(Figura 17). A transição da forma monoclínica para a forma triclínica ocorre de

maneira reversível, ficando caracterizada como a forma mais estável a temperatura

ambiente por apresentar a menor energia de Gibbs (GIII). Como já disse a

temperatura de transição é importante porque ajuda a determinar qual a forma mais

estável em temperaturas de interesse, nessas temperaturas as formas polimórficas

estão em equilíbrio entre si, apresentando solubilidades idênticas em um dado

solvente e a mesma pressão de vapor.

Figura 17 - Diagrama de Energia livre versus Temperatura para

polimorfos I, II e II da carbamazepina, onde G representa energia livre de

Gibbs e H a entalpia( KRHAN; MIELCK, 1987).

Todas as formas polimórficas da carbamazepina transformam-se para forma I

sob aquecimento. O que foi demonstrado a partir da calorimetria diferencial de

varredura (DSC), onde, a análise da forma I, não apresentou nenhuma transição,

apenas fundindo entre 189 a 193ºC.(Figura 18).

Figura 18 - DSC dos quatro polimorfos anidros da CBZ sob taxa

de 20ºC/min de aquecimento (GRZESIAK, et al., 2003).

Os termogramas obtidos da análise da forma III a partir da DSC conduzem a

conclusão de que usando taxas de aquecimento maiores (<10 a 20 kmin-1) ocorre a

fusão da forma III a 174ºC seguida da recristalização já na forma I, já usando taxas

de aquecimento lentas (>5 Kmin

-1

) a forma III se converte em forma I antes de seu

ponto de fusão, entre 150 a 160ºC.

A observação de cristais da forma II durante o aquecimento permitiu uma

explicação para a transformação direta dessa fase na forma I entre 135 e 170ºC sem

ocorrer sua fusão. Isso parece ser em grande parte devido a altas taxas de

aquecimento inicial para cristais com poucos defeitos.

Também sob aquecimento a forma IV funde a 183,5ºC e recristaliza

imediatamente na forma I, apresentando cristais tipo agulha típicos dessa forma. Já

sob baixas taxas de aquecimento a transformação em forma I se concretiza antes da

temperatura de fusão da forma IV, onde se mantendo o aquecimento apenas a

forma I funde, o que foi confirmado pelos termogramas obtidos pela DSC (Figura 18)

(GRZESIAK, et al., 2003).

Fica, pois, claro que as informações termoquímicas e de densidades indicam

claramente a relação enantiotrópica entre a forma monoclínica e a forma triclínica e

não há dúvidas que a forma monoclínica mostra a menor energia livre de todas as

formas polimórficas da CBZ abaixo da temperatura ambiente. De acordo com

GRZESIAK et al.(2003), as quatro formas apresentam energias próximas e a ordem

de estabilidade a temperatura ambiente é forma monoclínica > forma triclínica>

forma monoclínica de face centrada > forma trigonal. Esta ordem é baseada no

papel da densidade, o qual define que ‗se a modificação de um cristal molecular tem

a menor densidade, é possível assumir como sendo ela a forma menos estável no

zero absoluto. A partir das informações termoquímicas avaliadas por GRZESIAK et

al.(2003), pode-se deduzir que a forma monoclínica-C e a forma monoclínica

também representam um par enantiotrópico, no entanto, a forma monoclínica-C e a

forma triclínica são relacionadas monotropicamente.‘

A forma trigonal é obviamente a menos estável das quatro formas anidras da

CBZ. Devido a sua rápida transformação na forma triclínica não é possível

determinar seu ponto de fusão de maneira tão rápida, desta forma a relação

termodinâmica desta forma polimórfica com as outras formas anidras permanece

confusa.

4.6.2 Por Hidratação

Mudanças de fase simultâneas ocorrem quando a CBZ é colocada em contato

com a água, onde se observa a formação de diidratos em poucos minutos. A

facilidade e as taxas de formação de dihidratos, bem como sua desidratação simples

para modificações labeis a temperatura ambiente são importantes fatores no

desenvolvimento e na produção de formas de dosagem sólidas (KRAHN; MIELCK,

1987).

O conteúdo de água presente nessas estruturas não excede 13,24%

independente da temperatura e da umidade relativa durante a estocagem. Os

hidratos quando aquecidos perdem água em uma faixa de temperatura que vai de

56 a 132ºC. Quando submetida a seguintes condições de estocagem: 40ºC e 98%

de umidade relativa por vinte e oito dias, a forma I exibiu um aumento gradual de

peso, devido à absorção de água, onde depois de dois meses apresentava 13,24%,

correspondendo ao valor estequiométrico do dihidrato. Já a forma III apresentou

nessas condições um aumento de 1,9%. O que foi confirmado pela difratometria de

raios-X o que demonstrou que a forma I se transforma muito mais rápido em

dihidrato do que a forma III, onde nessas condições ocorre a conversão da forma III

na forma I, no entanto observando-se que com o passar do tempo, a forma I volta a

forma III gradativamente (KRAHN; MIELCK, 1987;KOBAYASHI, 2000).

Este comportamento também se repetiu nos estudos de dissolução, onde as

medidas obtidas na (DSC) confirmaram que ambas as formas I e III transformam-se

minuciosamente em dihidratos, no entanto as mudanças nas taxas de dissolução

das formas anidras eram devido à transformação em hidratos, sendo a taxa de

transformação da forma I mais alta do que a da forma III, padrão da USP

(KOBAYASHI, 2000).

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O estudo do polimorfismo ganhou, nas últimas décadas, grande importância

para a indústria farmacêutica. O conhecimento do tipo de polimorfismo que um

fármaco apresenta e suas diferenças estruturais enfatizam a necessidade de seu

estudo, sobretudo na pesquisa por novos fármacos e no estudo de pré-formulações.

Neste trabalho destacamos a importância dos métodos cristalográficos na

análise de fármacos e suas aplicações na obtenção das informações estruturais

precisas para a identificação e a caracterização dos polimorfos. A cristalografia por

difração de raios X apresenta-se como uma ferramenta de alta aplicabilidade no

trabalho de caracterização de compostos cristalinos, permitindo o entendimento da

relação entre a estrutura e as propriedades físico-químicos dos compostos. Através

dessa metodologia podem ser determinadas as posições relativas de todos os

átomos que constituem a molécula (estrutura molecular) e a posição relativa de

todas as moléculas que constituem a cela unitária (estrutura cristalina). É possível,

portanto, estabelecer os ângulos e as distâncias inter-atômicas da estrutura

cristalina, bem como as interações intermoleculares.

Observou-se que o polimorfismo, considerado um dos responsáveis pelas

diferenças nas propriedades físico-químicas dos compostos, como solubilidade e

dureza, é ocasionado principalmente pela formação de um dímero entre duas

moléculas de carbamazepina, que faz com que a formulação apresente baixa

solubilidade e baixa dureza, ocasionadas pelas forças de interação de natureza forte

entre os dímeros das moléculas de carbamazepina, principalmente as forças de van

der Walls e as ligações de hidrogênio.

Com isso, pode-se inferir que as interações de van der Walls no estado sólido

sob um dado conjunto de condições pode ocasionar a transição polimórfica, ou seja,

a forma polimórfica de maior energia tende a se transformar na forma de menor

energia, forma mais estável, o que vem a ser uma problemática para a indústria

farmacêutica. Além disso, nota-se que a molécula de carbamazepina exibe baixa

solubilidade em água e alta permeabilidade intestinal, ocasionado principalmente

pelo fenômeno da dimerização de moléculas de carbamazepina, fazendo com que a

solubilidade e as interações com o solvente diminuam.

A mínima modificação dos ângulos de ligação das moléculas de carbamazepina

foi responsável pela geração de um novo polimorfo, evidenciando a fragilidade e a

vulnerabilidade da estrutura molecular em questão. Podemos dizer que a formação

do dímero é um fator positivo do ponto da vista da estabilidade da carbamazepina, já

que o mesmo expressa certa rigidez na estrutura molecular, fazendo com que esta

mantenha suas propriedades físico-químicas e farmacológicas (Interação fármaco-

receptor). O processo de compressão do pó no processo produtivo pode gerar

polimorfos, fenômeno que é minimizado graças à propriedade de formação de

dímeros, que atribui certa ―elasticidade‖ à molécula de carbamazepina pela natureza

forte de suas ligações intermoleculares.

A existência difundida de drogas polimórficas tem se mostrado importante e

eficiente na estratégica caracterização consistente de seus polimorfos. O impacto

potencial na mudança da forma de um cristal durante o estágio de Pesquisa e

Desenvolvimento (P&D), em termos de custo do produto, justifica a caracterização

sistemática e avançada do polimorfismo. A compreensão das características

polimórficas, permite, também, a seleção do melhor polimorfo para o mercado ou o

mais estável. Nós expusemos uma aproximação da caracterização que fosse

baseado em reconhecer os elementos distintos em investigação do polimorfismo,

além de identificar estruturas, propriedades e relação entre as suas propriedades.

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