水合物是小分子药物中最常见的溶剂化物，水合物的形成或特定水合物的脱水可能影响最终药品的性能。水合物形成是一种普遍现象，据报道，多达四分之三的药物化合物中存在水合物，并且在三分之一的分子中可以被观察到。

在整个制造过程中结晶化合物水合状态的变化通常是无法避免的。水合物及其水合/脱水条件的鉴定对于药物化合物的开发至关重要。晶格中水的存在可能导致非常不同的物理化学性质，从而影响药物化合物的生物利用度。

水合物分析方法

晶型研究的大多数方法可用于研究水合物的结构及其稳定性，以及水合物形成和脱水过程。根据水合物不同的晶体结构及其表现出来的不同性质，有着多种区分方法。

常用的是X射线衍射法（XRD）、动态水吸附法（DVS）、热重分析法（TGA）、差示扫描量热法（DSC）、固态核磁共振、傅里叶变换红外光谱、拉曼光谱法等来表征。

单晶X射线衍射（SCXRD）

单晶X射线衍射（SCXRD）信息量最大，尤其是在确定精确的原子位置时，但是SCXRD分析成本较高，应用时需要一个最小尺寸为0.1 mm的稳定晶体。同时，在水合物分析中，可能很难正确确定氢原子的位置。最后，在非化学计量的水合物中，水分子的数量以及形成水分子的氢原子的数量可能会发生变化或显著无序。

粉末X射线衍射（PXRD）

粉末X射线衍射（PXRD）是晶体结构研究中最常用的方法之一。PXRD提供了有关单位晶胞参数的数据，因此当无法使用单晶X射线衍射（SCXRD）时，有时可作为单晶X射线衍射（SCXRD）的替代途径。此外，与SCXRD相比，在水合物研究方面，PXRD有助于区分物质的水合形式和脱水形式。

图：通过加热17-β-雌二醇半水合物（绿色）获得的17-β-雌二醇硬石膏（红色）的粉末X射线衍射（PXRD）衍射图的比较

图源：Jurczak E, Mazurek AH, Szeleszczuk Ł, Pisklak DM, Zielińska-Pisklak M. Pharmaceutical Hydrates Analysis-Overview of Methods and Recent Advances. Pharmaceutics. 2020 Oct 11;12(10):959. doi: 10.3390/pharmaceutics12100959. PMID: 33050621; PMCID: PMC7601571.

动态水吸附法（DVS）

动态水吸附法是一种重量分析技术，可测量样品的质量随着温度或湿度的变化趋势。DVS可以通过温度和相对湿度的函数精确表征不同的水合物状态。

热分析法（热重分析法及差示扫描量热法）

热重分析法（TGA）适用于在加热过程中样品存在脱水、升华、蒸发、分解等物质的质量随温度发生变化的情况。热重分析法定量性强，能准确的测量物质的质量变化及变化速率，适用于检查晶体中含结晶水或结晶溶剂的情况。热重分析检测因脱水导致的重量损失。差示扫描量热法显示与水合物脱水和相变相关的热事件。

固态核磁共振（ssNMR）

固态核磁共振（ssNMR）代表了一种与衍射法完全不同的方法。这是一种非破坏性技术，可以进行定性测量，在某些情况下还可以进行定量测量。然而，ssNMR分析相对昂贵，且数据采集时间较长。

傅里叶变换红外光谱FT-IR

FT-IR能够分析水合物形成/脱水过程中发生的氢键变化。但是，FT-IR传输技术中，由于制备过程较长，环境湿度会带来风险，这可能会改变分析结果。当仅应用FT-IR时，不可能确定完全未知的结构。

拉曼光谱法

由于化合物的不同晶型（包括水合物）产生不同的振动光谱，拉曼光谱可用于表征和识别物质的固相。拉曼光谱可以用作水合物的识别技术，优点是不需要样品制备且样本量小，实验时间短。

除上述这些技术外，还有卡尔-费休滴定法（K-F滴定法）等应用技术，上述技术的组合有助于区分各种类型的水合物，特别是管道型水合物和隔离型水合物。管道型水合物的特征是FT-IR在相对较低的频率下表现出尖锐的OH带，而在TGA中，观察到相当宽的失重范围，在DSC呈现宽的吸热峰。隔离型水合物的特征是在DSC中的急剧脱水吸热和TGA中的窄失重范围。

水合物药物的特性

水合物溶解度

水进入晶格会导致水合物晶体内分子间相互作用的变化。因此，当水活度高于形成水合物的临界水活度时，水合物比无水合物在热力学上更稳定。水合物具有比无水物更低的游离吉布斯自由能，导致其具有更低的溶解度，普遍的认识是，与无水物相比，水合物的溶解度更差，溶解速度也更差。

实际上，当还要考虑颗粒特性（例如粒度分布、比表面积和其他表面特性）时，溶解并不是一个简单的过程。因此，尽管它们的溶解度较低，水合物可能比其相应的无水物具有更好的溶解性能。水合物溶解的增强归因于其较小的晶体尺寸和较高的比表面积。

除此之外，溶解度也会受到溶出介质的很大影响。比如利福平一水合物在水中的溶解度较低，但在模拟胃液中的溶解度高于其相应的无水物形式。

水合物的稳定性

水合物的形成还可以引起机械性能的变化，包括流动性能和相容性。例如，无水卡马西平可以呈现棱柱状形态，但在形成水合物时变成针状。已知这些针状晶体具有较差的可加工性，包括较差的流动性、内聚性和可压缩性。水合物的形成也可以产生积极的影响。水合物晶体可以促进片剂压实，产生的片剂具有更高的压实抗张强度。

化学稳定性是另一个需要考虑的重要方面。二羟基苯丙氨酸水合物可在空气中氧化成苯丙氨酸，苯丙氨酸的化学稳定性比无水物低。同时，也发现水分子可以起到保护和稳定化合物化学稳定性的作用。比如，维生素 B12水合物在化学上比其无水物对光和热更稳定。

水合物虽然并不总是最稳定的形式，但在最终剂型中已被广泛选择。另一方面，如果选择无水形式进行进一步开发，则其在暴露于水分时也可能不稳定，并且在加工或储存期间容易转化为相应的水合物。对水合物稳定性的基本理解为创新药物制剂提供了潜力，并为扩大专利保护提供了可能性，目前已有多个使用水合物作为活性药物成分晶型的专利。

参考文献

[1] Tian F, Qu H, Zimmermann A, Munk T, Jørgensen AC, Rantanen J. Factors affecting crystallization of hydrates. J Pharm Pharmacol. 2010 Nov;62(11):1534-46. doi: 10.1111/j.2042-7158.2010.01186.x. PMID: 21039539.[2] Khankari R K ,  Grant D . Pharmaceutical hydrates[J]. Thermochimica Acta, 1995, 248(1):61-79.[3] Braun D E ,  Karamertzanis P G ,  Price S L . Which, if any, hydrates will crystallise? Predicting hydrate formation of two dihydroxybenzoic acids[J]. Chemical Communications, 2011, 47(19):5443-5445.[4] Jurczak E, Mazurek AH, Szeleszczuk Ł, Pisklak DM, Zielińska-Pisklak M. Pharmaceutical Hydrates Analysis-Overview of Methods and Recent Advances. Pharmaceutics. 2020 Oct 11;12(10):959. doi: 10.3390/pharmaceutics12100959. PMID: 33050621; PMCID: PMC7601571.