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刊行にあたって
結晶多形は医薬品を始めとするファインケミカル分野で重要な研究課題として注目されている。気体,液体,固体の三態のうちで,明確な構造をもつものは固体だけである。そして,固体の融点は物質に固有な性質であるとして固体物質の確認法として定着している。しかしながら,このことは多形の出現によって覆されるてしまっている。つまり,ある化合物の固体状態における性質が一義的ではなく,融点のみならず,密度や溶媒への溶解度,それに昇華圧などの基本的な性質が結晶構造によってことなることが明らかになり,しかもその多くの化合物でこの事例が見出された結果,今までは化合物には多形があることを前提として研究開発が行われるようになってきた。
特に医薬品の分野では多形が異なると,異なる物質の扱いを受けるために,特定の多形を安定して生産する技術の開発は必要不可欠である。
本書は,そのような現状を踏まえて,結晶多形現象の基礎的なことがらはもちろんのこと,多形の制御・予測・スクリーニングといった最新の研究成果,多形間の転移現象と速度を実例に基づいて解説する構成とした。さらに,医薬品を中心とする開発の実例を紹介するとともに,これまでに見出されている結晶多形の報告例を整理し,データベースの構築を試みた。このために,大学や企業における結晶多形の研究者の協力を得るとともに,情報の提供をいただき,従来の類書にない充実した内容のものが出来上がったと自負している。
本書が結晶多形の研究・開発の一層の発展に貢献できることを念願している。
著者一覧
佐藤清隆 広島大学 大学院 生物圏科学研究科 教授
北村光孝 兵庫県立大学 大学院工学研究科 機械系工学専攻 環境エネルギー工学部門 教授
松岡正邦 東京農工大学大学院(工学部 化学システム工学科) 教授
J.H.ter Horst Technische Universiteit Delft , Laboratory for Process Equipment , Assistant Professor
久保田徳昭 岩手大学名誉教授
大嶋寛 大阪市立大学 大学院工学研究科 化学生物系専攻 教授
髙田則幸 中外製薬(株) 前臨床研究第一部 研究員
寺田勝英 東邦大学 薬学部 教授
大澤映二 ㈲ナノ炭素研究所 取締役社長
後藤仁志 豊橋技術科学大学 大学院工学研究科 助教授:コンフレックス(株) 外部取締役
田中宏一 奥多摩工業(株) 技術研究所 技監
山下一夫 奥多摩工業(株) 技術研究所 所長
加藤喜章 万有製薬(株) 合成技術研究所 パイロット合成研究室 室長
増井義之 塩野義製薬(株) 生産技術研究所 製薬研究部 主席研究員
間中敦史 塩野義製薬(株) 生産技術研究所 製薬研究部
加々良耕二 大原薬品工業(株) FC開発部 部長
河原史郎 日産化学工業(株) 物質科学研究所
橋場功 日産化学工業(株) 技術部
羽田麻衣子 東京農工大学大学院 (工学部 化学システム工学科) 助手
執筆者の所属表記は、2005年当時のものを使用しております。
北村光孝 兵庫県立大学 大学院工学研究科 機械系工学専攻 環境エネルギー工学部門 教授
松岡正邦 東京農工大学大学院(工学部 化学システム工学科) 教授
J.H.ter Horst Technische Universiteit Delft , Laboratory for Process Equipment , Assistant Professor
久保田徳昭 岩手大学名誉教授
大嶋寛 大阪市立大学 大学院工学研究科 化学生物系専攻 教授
髙田則幸 中外製薬(株) 前臨床研究第一部 研究員
寺田勝英 東邦大学 薬学部 教授
大澤映二 ㈲ナノ炭素研究所 取締役社長
後藤仁志 豊橋技術科学大学 大学院工学研究科 助教授:コンフレックス(株) 外部取締役
田中宏一 奥多摩工業(株) 技術研究所 技監
山下一夫 奥多摩工業(株) 技術研究所 所長
加藤喜章 万有製薬(株) 合成技術研究所 パイロット合成研究室 室長
増井義之 塩野義製薬(株) 生産技術研究所 製薬研究部 主席研究員
間中敦史 塩野義製薬(株) 生産技術研究所 製薬研究部
加々良耕二 大原薬品工業(株) FC開発部 部長
河原史郎 日産化学工業(株) 物質科学研究所
橋場功 日産化学工業(株) 技術部
羽田麻衣子 東京農工大学大学院 (工学部 化学システム工学科) 助手
執筆者の所属表記は、2005年当時のものを使用しております。
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<結晶多形現象の理論編>
第1章 結晶と多形―序論
1. 結晶と結晶多形
2. 有機結晶におけるパッキング多形とコンフォメーション多形
3. 結晶多形と物性の相関
4. 結晶性材料の創成と結晶多形の制御
4.1 結晶多形の構造的要因
4.2 結晶多形の熱力学的要因
4.3 結晶多形の速度論的要因
5. 結晶多形の測定法
第2章 結晶多形現象の展開
1. はじめに
2. 多形の特性
3. 多形の析出
4. さまざまな物質の多形現象
4.1 アミノ酸
4.2 医薬結晶
4.3 光学電子素子
4.4 炭酸カルシウム
4.5 包接化合物
5. 制御因子
6. さいごに
第3章 結晶多形と結晶構造の基礎 ―晶系,空間群,ミラー指数,晶癖―
1. 結晶構造の基礎
1.1 単位胞と格子定数
1.2 晶系(結晶系)(Crystal systems)と有機結晶の構造の特徴
2. ミラー指数
3. ブラベ格子
4. 分子の対称性と結晶の対称性の基礎
5. 空間群(space group)
6. 多形間の結晶構造変化
6.1 L-グルタミン酸
6.2 ヒスチジン
6.3 DL-メチオニン
7. 結晶形態(晶癖)の変化
第4章 結晶多形の理論的背景と実際
1. はじめに
2. 多形の自由エネルギーと多形の溶解度
3. 結晶多形の析出過程
3.1 核発生と成長過程
3.2 転移過程
4. 実際の析出過程
4.1 濃度変化
4.2 多形の成長速度と過飽和度の関係
4.3 転移速度の解析
4.4 温度と過飽和度の影響
4.5 分子構造と結晶多形現象の相関
5. 医薬の多形現象における溶媒効果
5.1 BPTの熱力学的安定性と転移挙動
5.2 貧溶媒晶析における析出挙動と操作因子
6. おわりに
第5章 分子シミュレーションと多形の析出
1. Introduction
2. Molecular simulations
2.1 Empirical forcefield models
2.2 The components in a forcefield for molecular systems
2.3 Simulation methods using a forcefield
3. The crystal structure
3.1 Crystal structure prediction
3.2 Crystal structure determination
4. Phase behavior
5. Nucleation
6. Crystal Growth
6.1 Morphology predictions
6.2 Case study : the morphology of L-histidine
7. Future directions
<結晶多形現象の操作・実験編>
第6章 結晶化操作の基礎
1. はじめに
2. 相平衡
2.1 相図
2.2 溶解度
3. 過飽和
3.1 過飽和度の表し方
3.2 過溶解度あるいは準安定域の幅
3.3 過飽和度生成法
4. 結晶成長
4.1 物質移動過程と表面集積過程
4.2 表面集積過程―層成長理論―
4.2.1 BCF理論
4.2.2 2次元核成長理論
4.3 結晶成長に対する不純物効果
4.3.1 平衡吸着の場合
4.3.2 非定常吸着の場合
4.4 懸濁系の結晶成長速度
5. 核発生
5.1 1次核発生
5.2 2次核発生(secondary nucleation)
5.3 核発生に対する不純物効果
6. バッチ晶析法
6.1 バッチ晶析の特徴
6.2 制御冷却法
6.3 シーディング効果
7. おわりに
第7章 結晶多形の理論的な背景:実験と測定法
1. 結晶多形の構造に関する理論的な背景
2. 結晶多形に関する種々の測定法
2.1 溶解度
2.2 多形の同定
2.3 溶液の構造と多形
第8章 結晶多形のスクリーニング
1. 医薬品研究開発における結晶多形スクリーニングの重要性
2. 結晶多形スクリーニングの実際
2.1 結晶多形スクリーニングのフロー
2.2 結晶多形スクリーニングで用いられる結晶化方法と結晶化条件
2.3 結晶化溶媒
2.4 結晶化の実施
2.5 一次分析
2.6 結晶形の判別,分類
2.7 二次分析とスケールアップ
3. 筆者らが構築した結晶多形スクリーニング方法
3.1 スクリーニング法
3.2 Ritonavirを用いた検証
4. 結晶多形スクリーニングの今後の展開
第9章 結晶多形の予測アルゴリズム
1. 前書き
2. 歴史的背景
2.1 分子構造創出
2.2 気相中の孤立単一分子のエネルギーと構造最適化
2.3 分子配座異性体創出
2.4 分子間相互作用ポテンシャル
2.5 結晶構造創出アルゴリズム
3. 非経験的ポテンシャル関数法
3.1 計算精度が問題
3.2 アルゴリズムとデータベース
3.3 水素結合関数
3.4 考察
4. CONFLEXとKESSHOU
4.1 超微小結晶モデルと結晶計算アルゴリズム
4.2 格子定数とオイラー角の最適化
4.3 配座異性体と結晶多形
5. 結び
<結晶多形間の転移編>
第10章 多形間の転移機構と転移速度論
1. 大気圧下で安定な結晶多形の数:Gibbsの相律より
2. 結晶多形の安定性
3. 多形間の固相転移
4. 溶液媒介転移
第11章 転移の制御(大嶋寛)
1. はじめに
1.1 溶媒媒介転移
1.2 転移の推進力と転移のメカニズム
1.3 結晶の空間群と溶質分子のコンフォメーション(分子の3次元構造)
2. 溶液中での会合体形成:溶液中では結晶中と類似の分子間相互作用が働いている
2.1 PAC結晶の構造
2.2 未飽和および過飽和溶液中のPAC分子の会合体形成挙動
3. 結晶多形の溶媒媒介転移に及ぼす溶媒組成,晶析温度,不純物,撹拌速度の影響
3.1 溶媒の影響
3.2 温度の影響
3.3 撹拌の影響
3.4 不純物の影響
4. 溶液の構造と多形生成:溶液状態で決まる結晶多形
5. 多形制御の実際
5.1 3つの多形間で溶媒媒介転移が起こる場合
5.2 WWDJ晶析装置を用いた多形制御
5.2.1 転移を抑制する場合
5.2.2 転移を促進する場合
6. おわりに
<結晶多形の応用・実例編>
第12章 炭酸カルシウムにおける結晶多形の工業的応用
1. はじめに
2. 炭酸カルシウムの工業的製法および粉体物性
3. 各用途への炭酸カルシウムの応用
3.1 ゴム
3.2 プラスチックス
3.3 製紙
3.4 塗料
3.5 インク
3.6 接着剤およびシーラント
4. まとめ
第13章 医薬品における結晶多形研究の実例
1. はじめに
2. 結晶多形スクリーニングと最適結晶形選択
3. 最適結晶形選択のケーススタディー
4. 医薬品の晶析プロセス研究の特徴と課題
5. 最近の結晶形コントロールへの取り組み ケーススタディー
6. おわりに
第14章 抗潰瘍薬S-0509の結晶多形制御
1. はじめに
2. 抗潰瘍薬S-0509
3. 結晶多形および非晶質のキャラクタリゼーション
4. 結晶多形および非晶質の調製法
5. 結晶多形の溶解度と安定形
6. 結晶多形の選定
7. Ⅲ型結晶の製造法設定
7.1 製造上のキーポイント
7.2 パイロットスケールでの実施結果
8. おわりに
第15章 バミカミド塩酸塩水和物結晶
1. はじめに
2. 擬多形結晶の特性
2.1 擬多形結晶の調製法
2.2 擬多形結晶の特性
3. 結晶形の選択
4. C形晶晶析条件の設定
4.1 D形晶の混入
4.2 冷却速度の制御
5. スケールアップ
6. おわりに
第16章 キザロホップエチルの結晶多形とその制御
1. 滴下晶析法によるキザロポップ-P-エチルの結晶多形とその制御
2. キザロポップエチル多形の核化と成長について:文献紹介
<結晶多形のデータベース編>
第17章 各種化合物の多形現象に関する情報
第18章 結晶多形を扱った文献の整理
1. 結晶多形に関する文献
2. 第16章で扱った結晶多形の文献
<索引>
項目索引
物質索引
第1章 結晶と多形―序論
1. 結晶と結晶多形
2. 有機結晶におけるパッキング多形とコンフォメーション多形
3. 結晶多形と物性の相関
4. 結晶性材料の創成と結晶多形の制御
4.1 結晶多形の構造的要因
4.2 結晶多形の熱力学的要因
4.3 結晶多形の速度論的要因
5. 結晶多形の測定法
第2章 結晶多形現象の展開
1. はじめに
2. 多形の特性
3. 多形の析出
4. さまざまな物質の多形現象
4.1 アミノ酸
4.2 医薬結晶
4.3 光学電子素子
4.4 炭酸カルシウム
4.5 包接化合物
5. 制御因子
6. さいごに
第3章 結晶多形と結晶構造の基礎 ―晶系,空間群,ミラー指数,晶癖―
1. 結晶構造の基礎
1.1 単位胞と格子定数
1.2 晶系(結晶系)(Crystal systems)と有機結晶の構造の特徴
2. ミラー指数
3. ブラベ格子
4. 分子の対称性と結晶の対称性の基礎
5. 空間群(space group)
6. 多形間の結晶構造変化
6.1 L-グルタミン酸
6.2 ヒスチジン
6.3 DL-メチオニン
7. 結晶形態(晶癖)の変化
第4章 結晶多形の理論的背景と実際
1. はじめに
2. 多形の自由エネルギーと多形の溶解度
3. 結晶多形の析出過程
3.1 核発生と成長過程
3.2 転移過程
4. 実際の析出過程
4.1 濃度変化
4.2 多形の成長速度と過飽和度の関係
4.3 転移速度の解析
4.4 温度と過飽和度の影響
4.5 分子構造と結晶多形現象の相関
5. 医薬の多形現象における溶媒効果
5.1 BPTの熱力学的安定性と転移挙動
5.2 貧溶媒晶析における析出挙動と操作因子
6. おわりに
第5章 分子シミュレーションと多形の析出
1. Introduction
2. Molecular simulations
2.1 Empirical forcefield models
2.2 The components in a forcefield for molecular systems
2.3 Simulation methods using a forcefield
3. The crystal structure
3.1 Crystal structure prediction
3.2 Crystal structure determination
4. Phase behavior
5. Nucleation
6. Crystal Growth
6.1 Morphology predictions
6.2 Case study : the morphology of L-histidine
7. Future directions
<結晶多形現象の操作・実験編>
第6章 結晶化操作の基礎
1. はじめに
2. 相平衡
2.1 相図
2.2 溶解度
3. 過飽和
3.1 過飽和度の表し方
3.2 過溶解度あるいは準安定域の幅
3.3 過飽和度生成法
4. 結晶成長
4.1 物質移動過程と表面集積過程
4.2 表面集積過程―層成長理論―
4.2.1 BCF理論
4.2.2 2次元核成長理論
4.3 結晶成長に対する不純物効果
4.3.1 平衡吸着の場合
4.3.2 非定常吸着の場合
4.4 懸濁系の結晶成長速度
5. 核発生
5.1 1次核発生
5.2 2次核発生(secondary nucleation)
5.3 核発生に対する不純物効果
6. バッチ晶析法
6.1 バッチ晶析の特徴
6.2 制御冷却法
6.3 シーディング効果
7. おわりに
第7章 結晶多形の理論的な背景:実験と測定法
1. 結晶多形の構造に関する理論的な背景
2. 結晶多形に関する種々の測定法
2.1 溶解度
2.2 多形の同定
2.3 溶液の構造と多形
第8章 結晶多形のスクリーニング
1. 医薬品研究開発における結晶多形スクリーニングの重要性
2. 結晶多形スクリーニングの実際
2.1 結晶多形スクリーニングのフロー
2.2 結晶多形スクリーニングで用いられる結晶化方法と結晶化条件
2.3 結晶化溶媒
2.4 結晶化の実施
2.5 一次分析
2.6 結晶形の判別,分類
2.7 二次分析とスケールアップ
3. 筆者らが構築した結晶多形スクリーニング方法
3.1 スクリーニング法
3.2 Ritonavirを用いた検証
4. 結晶多形スクリーニングの今後の展開
第9章 結晶多形の予測アルゴリズム
1. 前書き
2. 歴史的背景
2.1 分子構造創出
2.2 気相中の孤立単一分子のエネルギーと構造最適化
2.3 分子配座異性体創出
2.4 分子間相互作用ポテンシャル
2.5 結晶構造創出アルゴリズム
3. 非経験的ポテンシャル関数法
3.1 計算精度が問題
3.2 アルゴリズムとデータベース
3.3 水素結合関数
3.4 考察
4. CONFLEXとKESSHOU
4.1 超微小結晶モデルと結晶計算アルゴリズム
4.2 格子定数とオイラー角の最適化
4.3 配座異性体と結晶多形
5. 結び
<結晶多形間の転移編>
第10章 多形間の転移機構と転移速度論
1. 大気圧下で安定な結晶多形の数:Gibbsの相律より
2. 結晶多形の安定性
3. 多形間の固相転移
4. 溶液媒介転移
第11章 転移の制御(大嶋寛)
1. はじめに
1.1 溶媒媒介転移
1.2 転移の推進力と転移のメカニズム
1.3 結晶の空間群と溶質分子のコンフォメーション(分子の3次元構造)
2. 溶液中での会合体形成:溶液中では結晶中と類似の分子間相互作用が働いている
2.1 PAC結晶の構造
2.2 未飽和および過飽和溶液中のPAC分子の会合体形成挙動
3. 結晶多形の溶媒媒介転移に及ぼす溶媒組成,晶析温度,不純物,撹拌速度の影響
3.1 溶媒の影響
3.2 温度の影響
3.3 撹拌の影響
3.4 不純物の影響
4. 溶液の構造と多形生成:溶液状態で決まる結晶多形
5. 多形制御の実際
5.1 3つの多形間で溶媒媒介転移が起こる場合
5.2 WWDJ晶析装置を用いた多形制御
5.2.1 転移を抑制する場合
5.2.2 転移を促進する場合
6. おわりに
<結晶多形の応用・実例編>
第12章 炭酸カルシウムにおける結晶多形の工業的応用
1. はじめに
2. 炭酸カルシウムの工業的製法および粉体物性
3. 各用途への炭酸カルシウムの応用
3.1 ゴム
3.2 プラスチックス
3.3 製紙
3.4 塗料
3.5 インク
3.6 接着剤およびシーラント
4. まとめ
第13章 医薬品における結晶多形研究の実例
1. はじめに
2. 結晶多形スクリーニングと最適結晶形選択
3. 最適結晶形選択のケーススタディー
4. 医薬品の晶析プロセス研究の特徴と課題
5. 最近の結晶形コントロールへの取り組み ケーススタディー
6. おわりに
第14章 抗潰瘍薬S-0509の結晶多形制御
1. はじめに
2. 抗潰瘍薬S-0509
3. 結晶多形および非晶質のキャラクタリゼーション
4. 結晶多形および非晶質の調製法
5. 結晶多形の溶解度と安定形
6. 結晶多形の選定
7. Ⅲ型結晶の製造法設定
7.1 製造上のキーポイント
7.2 パイロットスケールでの実施結果
8. おわりに
第15章 バミカミド塩酸塩水和物結晶
1. はじめに
2. 擬多形結晶の特性
2.1 擬多形結晶の調製法
2.2 擬多形結晶の特性
3. 結晶形の選択
4. C形晶晶析条件の設定
4.1 D形晶の混入
4.2 冷却速度の制御
5. スケールアップ
6. おわりに
第16章 キザロホップエチルの結晶多形とその制御
1. 滴下晶析法によるキザロポップ-P-エチルの結晶多形とその制御
2. キザロポップエチル多形の核化と成長について:文献紹介
<結晶多形のデータベース編>
第17章 各種化合物の多形現象に関する情報
第18章 結晶多形を扱った文献の整理
1. 結晶多形に関する文献
2. 第16章で扱った結晶多形の文献
<索引>
項目索引
物質索引
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