前言: DSC（差示掃描量熱differential scanning calorimetry）是藥企最常見的研究設(shè)備之一DSC配合TGA失重可以解讀出非常多的固態(tài)相關(guān)的信息。本文主要介紹二元混合物質(zhì)的DSC能解讀出哪些信息，本文有一定的深度，耐心讀完，我猜，你可能會(huì)有這樣的感受：“你以為的，真不是你以為的”，哈哈哈哈。
1 “物理混合物”的DSC是簡(jiǎn)單的疊加嗎？
二元混合物（兩組分混合物，文中將統(tǒng)一稱為二元混合物）的DSC圖譜，常規(guī)意義上，我們會(huì)理解為下圖1式樣的：即物理混合物的DSC是單獨(dú)組分DSC圖譜的物理疊加，混合物的第一峰是低熔點(diǎn)組分的，第二峰是高熔點(diǎn)組分的。
曾經(jīng)我也是這么理解二元混合物的DSC圖譜的，但在企業(yè)里多樣化的項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)這種情況少之又少。圖1來(lái)源于文獻(xiàn)，文中對(duì)二元混合物DSC曲線（綠色線）的解讀是這樣的：第一個(gè)吸熱峰129.94℃為低共熔峰，緊隨之后在133.67℃有小的放熱峰，可能對(duì)應(yīng)形成共晶的放熱，只是低共熔峰恰好與組分b煙酰胺的熔點(diǎn)接近；第二個(gè)吸熱峰180℃與組分a勞拉西泮熔點(diǎn)接近，解讀具有不確定性，需結(jié)合其他分析手段確認(rèn)。
圖1勞拉西泮、煙酰胺以及二者物理混合物的DSC(來(lái)源文獻(xiàn)1)
那在什么情況下，二元混合物的DSC就是兩組分DSC疊加呢？答案在二元熔融相圖中（哈哈又是相圖，結(jié)晶離不開對(duì)相圖的深刻理解呀）。當(dāng)兩組分之間沒有任何相互作用，其二元熔融相圖表現(xiàn)為“兩條平行線”，也稱為惰性相圖或者空相圖。下圖2是無(wú)機(jī)物萘和銦的混合物相圖，萘的熔點(diǎn)是80.3℃，銦的熔點(diǎn)是156.6℃，二者的二元熔融相圖是兩個(gè)物質(zhì)熔點(diǎn)形成的平行線。
圖2萘和銦混合物組成的相圖
當(dāng)在DSC設(shè)備中加熱萘和銦混合物時(shí)：T＜80.3℃時(shí)，萘和銦固態(tài)，DSC無(wú)峰；T＝80.3℃時(shí)，萘熔化銦仍然是固態(tài)，DSC僅出現(xiàn)尖銳的萘的熔化峰。繼續(xù)升溫至溫度到達(dá)銦的熔點(diǎn)時(shí)，銦熔化，DSC出現(xiàn)尖銳的銦的熔化峰，此時(shí)混合物的DSC圖譜才會(huì)表現(xiàn)為單組分的DSC峰位置的疊加。
咱們是做藥的，藥物API主要是有機(jī)物，有機(jī)物混合物在加熱過(guò)程中存在相互作用，大多數(shù)情況下會(huì)形成共熔體系。也就是說(shuō)，我們藥物研發(fā)中，二元混合物的典型的DSC圖譜主要是下面圖3這樣的：尖銳的吸熱峰代表兩組分形成的低共熔物的熔化，寬吸熱峰代表高熔點(diǎn)組分的逐步熔化。（尖銳的峰也常稱為脈沖峰，對(duì)應(yīng)的短時(shí)間的瞬間吸放熱，相圖上對(duì)應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)。）
圖3二元混合物的典型DSC圖譜示意圖（來(lái)源文獻(xiàn)2-示意圖略微修改）
進(jìn)一步拓展一下：理論上，低共熔溫度點(diǎn)與組成比例無(wú)關(guān)喔，也就是說(shuō)，不管什么比例的混合物，相同的測(cè)試條件下，低共熔峰位置都是重合的，但積分面積跟組分比例線性相關(guān)，這也是DSC定量測(cè)試的理論基礎(chǔ)。
藥物研發(fā)中涉及共熔體系的相圖主要有兩類：有新物質(zhì)生成的共熔體系（鹽和共晶），普通共熔體系，接下來(lái)我們系統(tǒng)介紹下藥物有機(jī)物混合物典型共熔體系，看看對(duì)應(yīng)的DSC都是長(zhǎng)啥樣的。
2、 解析：典型共熔體系二元混合物的DSC圖譜
上圖3即為不能形成共晶或者鹽的普通共熔體系的DSC圖譜，這種類型的混合物DSC是二元混合物中最常見的。DSC特點(diǎn)是：第一個(gè)峰是尖銳的吸熱峰，代表低共熔物的熔化；第二個(gè)峰是寬吸熱峰，代表高熔點(diǎn)組分的“逐步至全部熔化”。
直接看看它的相圖，示意圖如圖4所示，以摩爾比1:1的物理混合物為例，簡(jiǎn)單解釋哈這個(gè)相圖：逐步升溫過(guò)程中，當(dāng)溫度T=TE，全部A熔化，部分B熔化，DSC會(huì)出現(xiàn)第一個(gè)尖銳吸熱峰（即脈沖峰），對(duì)應(yīng)的溫度為低共熔溫度TE；進(jìn)一步升高溫度，固體B逐步熔化，直到B的全部熔化，對(duì)應(yīng)的DSC會(huì)出現(xiàn)寬吸熱峰（注意：不是組分B的熔點(diǎn)峰喔）。
圖4二元混合物普通共熔體系相圖示意圖（來(lái)源文獻(xiàn)4）
3、可能形成共晶或者鹽的典型DSC圖譜
首先給結(jié)論吧，圖5是典型可能形成共晶/鹽的DSC圖譜，特點(diǎn)是：低共熔峰后還會(huì)出現(xiàn)尖銳的吸熱峰（紅色框框這里就是共晶熔化峰，對(duì)應(yīng)的溫度為共晶的熔點(diǎn)），即DSC上存在多個(gè)較尖銳的吸熱峰（脈沖峰）。更典型的特點(diǎn)是，如果DSC精度較高且樣品粒度和升溫速率合適，低共熔峰后能觀察到明顯的放熱峰（代表共晶生成放熱）如圖6所示。
圖5 典型能形成共晶的DSC圖譜1（來(lái)源文獻(xiàn)2）
圖6有共晶/鹽形成的二元混合物典型圖譜2（來(lái)源文獻(xiàn)3）
這里形成鹽還是形成的共晶，做不了區(qū)分。本質(zhì)原因是，形成鹽和形成共晶的相圖是類似的，也就是說(shuō)他們?cè)贒SC上出峰特質(zhì)也是類似的，能區(qū)分鹽或者共晶的金標(biāo)準(zhǔn)是單晶解析，或者較粗暴的Pka經(jīng)驗(yàn)判讀法（Pka（base）-Pka(acid)＞=1 鹽，＜1 共晶。
有文獻(xiàn)報(bào)道，例如“日本藥企安斯泰來(lái)”發(fā)表文章，利用DSC快速篩選能形成共晶/鹽的配體。我也很好奇，國(guó)際上的大藥企，實(shí)際項(xiàng)目中會(huì)利用DSC去快篩共晶/鹽嗎？(如果有跨國(guó)藥企的同行，期待給我答案哈)。我個(gè)人工作中，會(huì)一定程度應(yīng)用，為啥呢？因?yàn)轫樖盅?，時(shí)間成本不高，但收益挺多。做過(guò)共晶的同行都知道，在共晶研發(fā)中，都會(huì)做干磨和濕磨考察，那磨完的樣品大部分情況下，就是1：1或者1：2的物理混合物，筆者建議，可以順手送檢DSC，根據(jù)典型圖譜類型，即可更好評(píng)估組分形成共晶的可能性，當(dāng)然解讀DSC是難點(diǎn)，加了一個(gè)組分后，更考驗(yàn)基本功了。另外，確實(shí)也會(huì)存在DSC熱分析不適用的場(chǎng)合如API物性顯示，共晶形成是動(dòng)力學(xué)控制（kinetic hindrance），成核困難，DSC上很難有結(jié)晶放熱峰的體系；再就是介穩(wěn)低共熔溫度后很快發(fā)生降解的體系，DSC也是無(wú)法獲得有用解析信息的。
底層邏輯-相圖
如果想從根本上知道“為什么”？即為什么能形成共晶/鹽的DSC有上述典型出峰特點(diǎn)，那就深刻需要理解相圖。固態(tài)化學(xué)的很多底層邏輯都來(lái)源于相圖。共晶/鹽的二元熔融相圖的結(jié)構(gòu)類似，有下圖5所示的兩種體系，也常稱為“w”型相圖：a是congruent melting system，b是incongruent melting system，其中a型相圖更常見，特點(diǎn)是：DSC上會(huì)出現(xiàn)共晶/鹽的熔化峰，即能獲取到共晶/鹽的熔點(diǎn)（上圖5即為該類型相圖），b型相對(duì)少見。
圖7有共晶或鹽形成的二元混合物相圖示意圖（來(lái)源文獻(xiàn)4）
兩種體系相圖的解釋如下，以摩爾比1：1物理混合物物為例，介紹最理想情況下最簡(jiǎn)單的情形：
（1）congruent melting system：摩爾比為1:1兩組分的物理混合物，逐步升溫過(guò)程中，T=Tm-e點(diǎn)時(shí)，組分A融化和組分B融化形成低共熔溶液，在低共熔溶液中，共晶開始成核/生長(zhǎng)得到共晶。近一步升溫，共晶在T=Tc處熔化。對(duì)應(yīng)的DSC出峰特點(diǎn):第一個(gè)峰-介穩(wěn)低共熔物的形成過(guò)程—較尖銳明顯的吸熱峰；緊隨著會(huì)有一個(gè)小的放熱峰—對(duì)應(yīng)共晶結(jié)晶析出，接著出現(xiàn)尖銳的吸熱峰，對(duì)應(yīng)共晶的熔化。（TC=T Congruent melting point）。
（2）incongruent melting system：：摩爾比為1:1兩組分的物理混合物，逐步升溫過(guò)程中，T=Tm-e點(diǎn)時(shí)，組分A融化和組分B融化形成低共熔溶液，低共熔溶液中，共晶開始成核/生長(zhǎng)得到共晶；這與上面一致。不同的是，在peritectic point包晶轉(zhuǎn)熔點(diǎn)，共晶逐步融化，組分B結(jié)晶析出。隨著溫度進(jìn)一步升高，在高于Tp溫度點(diǎn)，組分B逐步開始融化。對(duì)應(yīng)的DSC出峰特點(diǎn)：第一個(gè)峰-介穩(wěn)低共熔物的形成過(guò)程的相變峰-較尖銳明顯的吸熱峰；緊隨著會(huì)有一個(gè)小的放熱峰-對(duì)應(yīng)共晶結(jié)晶析出；隨著溫度繼續(xù)升高至Tp，有共晶熔化的吸熱峰（注意，Tp溫度不是共晶熔點(diǎn)），放熱峰代表晶型B結(jié)晶析出，隨后會(huì)檢測(cè)到寬的吸熱峰對(duì)應(yīng)組分B逐步的熔化。該類共晶體系較少，屬于這種類型的藥物共晶有：苯巴比妥-尿素共晶，對(duì)乙?；被?安替比林。
4、 結(jié)語(yǔ)
固態(tài)研發(fā)過(guò)程中，會(huì)不可避免涉及混合物的場(chǎng)景有：雜晶導(dǎo)致的晶型混合物、成鹽/共晶中引入鹽離子或者配體、手性拆分中的對(duì)映異構(gòu)體/非對(duì)映異構(gòu)混合物、制劑API-輔料混合物等。因此了解混合物熱特性，對(duì)于上述應(yīng)用場(chǎng)景的解讀，也會(huì)有更多的幫助。雖然DSC有很多應(yīng)用的bug，但能利用DSC發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡，結(jié)合其他檢測(cè)確定物性，是每個(gè)固態(tài)研發(fā)人的必修課。
上學(xué)那會(huì)導(dǎo)師常說(shuō)，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的配備是最前沿的，去企業(yè)了要學(xué)會(huì)用企業(yè)里已有的設(shè)備和瓶瓶罐罐，做最優(yōu)的工藝，這才是最考驗(yàn)應(yīng)用能力的時(shí)刻！踏入產(chǎn)業(yè)界這些年，一直努力在各種“條條框框”中解決技術(shù)問(wèn)題，成長(zhǎng)和領(lǐng)悟是獨(dú)一份的，甚至于比學(xué)校期間更深的理解了最最核心的基礎(chǔ)的理論，感恩企業(yè)，感恩經(jīng)歷！
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