O pró-fármaco antimetabólito 5-Fluorocitosina (5-FC) foi investigado no campo da Engenharia de Cristais (EC) segundo a abordagem de cocristais farmacêuticos, a fim de modular sua baixa estabilidade física em ambientes úmidos, o que leva à incorporação irreversível de uma molécula de água a nível estrutural em condições de armazenamento variáveis. A forma anidra da 5-FC é um análogo fluorado da citosina muito bem conhecido por sua atividade antifúngica e com isto tornou-se um dos insumos farmacêuticos ativos (IFAs) mais utilizados para o tratamento anticâncer direcionado por meio de terapia gênica. Neste estudo, novos cocristais de 5-FC foram obtidos a partir da reação supramolecular deste IFA com o IFA tuberculostático Isoniazida (INH), bem como com outros três coformadores listados como não tóxicos: cafeína (CAF), ácido p-aminobenzóico (PABA) e ácido caprílico (CA). As amostras foram caracterizadas por difração de raios X em monocristal e policristal (DRXM e DRXP), espectroscopia na região do infravermelho (IV) e espalhamento Raman (Raman); assim como pelas técnicas de análise termogravimétrica (TG), calorimetria exploratória diferencial (CED) e microscopia termo-óptica (MTO). A estabilidade física da 5-FC e seus respectivos cocristais foi avaliada em ambiente com aproximadamente 100% de umidade relativa e a solubilidade no equilíbrio medida em meio tamponado a pH 1,2 – mimetizando valores próximos ao do suco gástrico. Os estudos estruturais mostraram que a 5-FC é capaz de formar diferentes homo e heterossíntons que levam à formação de formas multicomponentes estáveis. Dados de IV e Raman forneceram evidências espectroscópicas sobre o envolvimento dos grupos funcionais na manutenção dos principais síntons e, por tanto, do empacotamento cristalino, confirmando assim a natureza neutra necessária para a obtenção de um cocristal. Pelas análises térmicas foi possível observar que todas as amostras apresentaram uma maior preferência pela degradação do que pela mudança da fase sólida para a líquida com o fornecimento de calor, corroborando que as ligações intermoleculares de hidrogênio que mantém estas formas sólidas são fortes. Adicionalmente, constatou-se que os perfis de solubilidade dos quatro cocristais são similares ao IFA de partida, um fármaco classificado como de classe I pelo Sistema Biofarmacêutico, exibindo, assim, alta solubilidade. A instabilidade frente à hidratação bem como sua irreversibilidade foram estudadas por DRXP à temperatura ambiente (25 °C) e por DRXP em função da temperatura (até 150 °C), respectivamente. Nos cocristais, por sua vez, nenhuma transição de fase pode ser assinalada. Deste modo, todos os cocristais de 5-FC aqui reportados mantiveram uma solubilidade aceitável e não hidrataram ou sofreram transição de fase sob condições extremas de armazenamento (estudo de estabilidade acelerada em atmosfera úmida) e muito menos ao final de 12 meses de estoque (estudo de estabilidade a longo prazo), sendo mais estáveis que o IFA 5-FC forma comercializada. Além disso, o cocristal fármaco-fármaco intitulado 5FC-INH é um potencial candidato para o tratamento concomitante de infecções fúngicas, tuberculose e câncer; principalmente de pulmão. / The prodrug antimetabolite 5-Fluorocytosine (5-FC) was investigated in the field of Crystal Engineering (CE) according to the Pharmaceutical Cocrystals approach, in order to modulate its poor physical stability in humid environments, which leads to the irreversible incorporation of a water molecule at structural level under variable storage conditions. 5-FC anhydrous form is a well-known fluorinated analog of cytosine with antifungal activity and it has become one of the most used active pharmaceutical ingredients (IFAs) for anticancer treatment directed through gene therapy. In this study, novel 5-FC cocrystals were obtained from the reaction of 5-FC with the tuberculostatic IFA Isoniazid (INH) as well as with other three coformers listed as nontoxic: caffeine (CAF), p-aminobenzoic acid (PABA) and caprylic acid (CA). The samples were characterized by single-crystal and powder X-ray diffraction (SCXRD and PXRD), spectroscopic (IR and Raman) and thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC) and Hot-Stage microscopy (HSM) techniques. The physical stability of 5-FC and its cocrystals were evaluated in environment with high relative humidity (approximately 100 %) and the equilibrium solubility was measured in pH 1.2 buffer media – mimicking values close to that of gastric juice. The structural studies show that the prodrug 5-FC is able to form different homo and heterosynthons that lead to the formation of stable multicomponent forms. IR and Raman data provided spectroscopic evidence on the involvement of functional groups in the maintenance of major synthons and crystal packing assembly, thereby confirming the neutral nature required to obtain a cocrystal. From the thermal analyses it was possible to observe that all the samples presented a preference for degradation instead of phase transition form solid to liquid with the heat supply, corroborating the strength of intermolecular hydrogen bonds that maintain these solid forms. Additionally, the solubility profiles were found to be similar to those of the 5-FC API raw material, a Biopharmaceutical System classified as Class I drug, exhibiting high solubility profile. The instability against hydration and its irreversibility was studied by PXRD at room temperature (25 °C) and by PXRD as a function of temperature (up to 150 °C), respectively. In the cocrystals, in turn, no phase transition was found. Thus, all 5-FC cocrystals reported maintained acceptable solubility and did not hydrate or undergo phase transition under extreme storage conditions (accelerated stability study in moist atmosphere) even at the end of 12 months of storage (long-term stability study), being more stable than the commercially available IFA 5-FC. Furthermore, the drug-drug cocrystal (5FC-INH) is a potential candidate for the treatment of concomitantly fungal infections, tuberculosis and cancer, mainly lung cancer.

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The development of new solid forms of active pharmaceutical ingredients (API) is relevant both from fundamental as well as industrial perspectives. To this end, Crystal Engineering plays an ever-increasing important role in pharmaceutical sciences. Among the crystal engineering strategy, salt formation is the most important and implemented approach. The salt forms of API could be used to modulate and tuned the solubility and stability of API to provide optimal practical uses. Herein, we report pharmaceutical salts of two Selective Serotonin Reuptake Inhibitor antidepressants used in the treatment of depression and anxiety disorders, Paroxetine (PRX) and Fluoxetine (FLX). For this purpose, salt formers, supramolecular synthesis and crystallization protocols have been driven by the systematization of structural and supramolecular data of molecules and analogues from the Cambridge Structural Database. Paroxetine bromide hemihydrate ((PRXBr)0.5H2O), Paroxetine Nitrate hydrate (PRXNO3H2O) and two polymorphs of Fluoxetine Nitrate (FLXNO3) have obtained. All were characterized by a combination of techniques including Single Crystal X-ray Diffraction, Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetry analysis (TGA), Hot Stage Microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (IR) and solubility measurements. Since the hydration/dehydration process in APIs induces phase transitions that compromise its efficiency, the structural characterization of (PRXBr)0.5H2O help to understand its reversible dehydration process. Also, this study has implication in the understating of dehydration of isostructural PRX hydrochloride salt. Additionally, the (PRXNO3)H2O have shown the conformational flexibility and supramolecular diversity of PRX. On the other hand, the chirality of FLX is related to two nitrate salt polymorphs. A racemate and a non-centrosymmetric structure with independent enantiomers in the asymmetric unit were obtained for FLXNO3. Their packing have shown the existence of different racemic motifs, resulting in different enantiomer orientations The rare occurrence of racemic systems in non-centrosymmetric space groups becomes this event a noteworthy case. By their physicochemical properties, the polymorphs were monotropically related. The scientific contributions of this thesis show the diversity of the solid forms and define candidates to new antidepressants APIs solid formulations. / O desenvolvimento de novas formas sólidas de ingredientes farmacêuticos ativos (API) é relevante tanto numa perspectiva fundamental como industrial. Para tal, a Engenharia de cristais tem desempenhado um papel importante nas ciências farmacêuticas. Dentre as estratégias, a formação de sais é a abordagem mais importante e implementada. Os sais de APIs são capazes de modular e ajustar a solubilidade e a estabilidade, a fim de proporcionar uso prático. Nesta tese, são reportados sais de dois fármacos Inibidores Seletivos de Recaptação de Serotonina, consolidados no tratamento da depressão e distúrbios de ansiedade, a Paroxetina (PRX) e a Fluoxetina (FLX). Brometo de Paroxetina hemiidratado ((PRXBr)0.5H2O), Nitrato de Paroxetina hidratado (PRXNO3H2O) e polimorfos de Nitrato de Fluoxetina (FLXNO3), síntese e protocolos de cristalização foram cuidadosamente delineados, com base na sistematização de dados estruturais e supramoleculares das moléculas e seus análogos, depositados no Cambridge Structural Database. Todos os sais foram caracterizados por Difração de Raios-X por Monocristal, Calorimetria Explanatória Diferencial (DSC), Análise termogravimétrica (TGA), Termomicroscopia, Espectroscopia vibracional na região do infravermelho (IR) e solubilidade. Considerando que a hidratação/desidratação induz mudanças de fases que comprometem a eficiência do API, a caracterização do (PRXBr)0.5H2O auxiliou no entendimento do processo de desidratação reversível que ocorre para esse fármaco. Estas mudanças de fase resultam também em implicações sobre a compreensão do processo de desidratação do sal isoestrutural de cloreto de PRX hemiidratado. Além disso, por meio da elucidação estrutural do (PRXNO3)H2O, foi possível analisar a diversidade conformacional e supramolecular da PRX. Quanto à FLX, verificou-se que sua quiralidade está relacionada com seu polimorfismo. Um racemato e uma estrutura não centrossimétrica com dois enatiômeros independentes na unidade assimétrica foram obtidos para o FLXNO3. A comparação destas estruturas permitiu mostrar a existência de arranjos supramoleculares racêmicos, constituídos por diferentes orientações de enatiômeros. A rara ocorrência de sistemas racêmicos em grupos espaciais não-centrossimétricos tornou este evento um caso notável. A partir das propriedades físico-químicas, os polimorfos puderam ser monotropicamente relacionados. Os resultados desta tese trazem importantes contribuições científicas para diversidade de formas sólidas e também define novas formulações sólidas para utilização como antidepressivos.

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Lamivudine (R)-mandelate and (S)-mandelic acid cocrystal of lamivudine (R)-mandelate trihydrate showed the enantiopreference between lamivudine cation and the (R)-mandelandelate anion in both salt and cocrystal of salt phases through the robust synthon 2-aminopyridine-carboxylate. The present study shows how two solid forms of lamivudine with mandelic acid were used as a model to distinguish between the nature of a salt or cocrystal of salt. This happened because specific information obtained from IR spectra allowed the identification of ionized and neutral forms of mandelic acid directly in the spectrum of the cocrystal of salt. Furthermore, the formation of crystalline forms of lamivudine resembling a DNA structure was investigated due to its great structural value. After crystallization experiments three crystalline structures of lamivudine that mimics DNA structure were obtained and named as lamivudine duplex IV, V and VI, respectively. In the duplex IV of lamivudine the counterions are responsible for opening the two strands due to their hydrogen bonding pattern. The theoretical approach has shown that there is not an energetic tendency regarding the formation of lamivudine duplex with aliphatic organic acids or lamivudinium salts with aromatic acid. Thus, the preference of lamivudine in the assembly of double-helix structures with aliphatic organic acids rather than aromatic acids has been rationalized based on the amount of acid used during the synthesis. In addition, four other salts were also prepared by crystallizing lamivudine with the L-tartaric, sulfuric and perchloric acids, where the two-point synthon described by the graph set R22(8) prevailed. On the other hand, in the structure of lamivudine perchlorate monohydrate neither the two-point synthon nor the three-point one was observed. Finally, the first anhydrous polymorph of lamivudine was reported. This new polymorphic phase of lamivudine is anhydrous as well as form II. In addition to being a new solid phase of alleged commercial interest, the polymorphic form IV of lamivudine also reinforces the importance of performing an extensive screening of the crystallization conditions of new crystalline modifications of active pharmaceutical ingredients. / Um ramo da engenharia de cristais de lamivudina lida com sua base nitrogenada pirimidina, a qual pode ser protonada, sendo assim um alvo de cristalização com ácidos. Nesse contexto, e com relação ao fármaco lamivudina, dez novas fases cristalinas foram preparadas e suas estruturas cristalinas foram elucidadas por difração de raios X por monocristal. Além disso, duas delas também foram caracterizadas por espectroscopia no infravermelho (IV) e outras três foram caracterizadas termicamente por TG e DSC. Desse modo, esse estudo mostra o interessante exemplo de reconhecimento quiral mesmo sem resolução quiral. O (R)-mandelato de lamivudina e o co-cristal (S)-mandélico de (R)-mandelato de lamivudina trihidratado revelaram a enantiopreferência da conexão entre o cátion (lamivudina)+ e o ânion (R)-mandelato- em ambas fases de sal e co-cristal de sal através do sínton robusto de dois pontos 2-aminopiridina-carboxilato. O presente estudo mostra que as duas formas sólidas de lamivudina com ácido mandélico foram utilizadas como modelo para distinguir entre a natureza de um co-cristal de sal e de um sal. Isso porque informações específicas obtidas dos espectros de IV tornaram possível identificar ambas as formas ionizadas e neutra do ácido mandélico diretamente no espectro do co-cristal de sal. Ainda, investigou-se a formação de formas cristalinas de lamivudina que se assemelham a estrutura de DNA devido a seu grande valor estrutural. Após os experimentos de cristalização foram obtidas três estruturas cristalinas de lamivudina semelhantes a estrutura de DNA denominadas de dupla hélice de lamivudina IV, V e VI. Na dupla hélice de lamivudina IV os contra-íons são responsáveis pela abertura da dupla fita devido ao seu padrão de ligação de hidrogênio. A abordagem teórica mostrou que não há uma tendência energética com respeito a formação de duplex de lamivudina com ácidos orgânicos alifáticos ou de sais de lamivudina com ácidos aromáticos. Desse modo, a preferência da lamivudina em montar estruturas cristalinas de dupla hélice com ácidos orgânicos alifáticos ao invés de ácidos aromáticos foi racionalizada com base na quantidade de ácido usada durante a síntese. Além disso, também foram preparados outros quatro sais ao cristalizar lamivudina com os ácidos L-tartárico, sulfúrico e perclórico, onde o sínton de dois pontos descrito pelo conjunto gráfico R22(8) prevaleceu. Por outro lado, na estrutura do perclorato de lamivudina monohidratado nem o sínton de dois pontos e nem o de três pontos foram observados. Por fim, o primeiro polimorfo anidro de lamivudina foi reportado. Essa nova fase polimórfica de lamivudina é anidra assim como a forma II. Além de ser uma nova fase sólida de suposto interesse comercial, a forma polimórfica IV de lamivudina também reforça a importância de se realizar uma varredura extensiva das condições de cristalização de novas modificações cristalinas de insumos farmacêuticos ativos.

The development of new solid forms of active pharmaceutical ingredients (API) is relevant both from fundamental as well as industrial perspectives. To this end, Crystal Engineering plays an ever-increasing important role in pharmaceutical sciences. Among the crystal engineering strategy, salt formation is the most important and implemented approach. The salt forms of API could be used to modulate and tuned the solubility and stability of API to provide optimal practical uses. Herein, we report pharmaceutical salts of two Selective Serotonin Reuptake Inhibitor antidepressants used in the treatment of depression and anxiety disorders, Paroxetine (PRX) and Fluoxetine (FLX). For this purpose, salt formers, supramolecular synthesis and crystallization protocols have been driven by the systematization of structural and supramolecular data of molecules and analogues from the Cambridge Structural Database. Paroxetine bromide hemihydrate ((PRXBr)0.5H2O), Paroxetine Nitrate hydrate (PRXNO3H2O) and two polymorphs of Fluoxetine Nitrate (FLXNO3) have obtained. All were characterized by a combination of techniques including Single Crystal X-ray Diffraction, Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetry analysis (TGA), Hot Stage Microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (IR) and solubility measurements. Since the hydration/dehydration process in APIs induces phase transitions that compromise its efficiency, the structural characterization of (PRXBr)0.5H2O help to understand its reversible dehydration process. Also, this study has implication in the understating of dehydration of isostructural PRX hydrochloride salt. Additionally, the (PRXNO3)H2O have shown the conformational flexibility and supramolecular diversity of PRX. On the other hand, the chirality of FLX is related to two nitrate salt polymorphs. A racemate and a non-centrosymmetric structure with independent enantiomers in the asymmetric unit were obtained for FLXNO3. Their packing have shown the existence of different racemic motifs, resulting in different enantiomer orientations The rare occurrence of racemic systems in non-centrosymmetric space groups becomes this event a noteworthy case. By their physicochemical properties, the polymorphs were monotropically related. The scientific contributions of this thesis show the diversity of the solid forms and define candidates to new antidepressants APIs solid formulations. / O desenvolvimento de novas formas sólidas de ingredientes farmacêuticos ativos (API) é relevante tanto numa perspectiva fundamental como industrial. Para tal, a Engenharia de cristais tem desempenhado um papel importante nas ciências farmacêuticas. Dentre as estratégias, a formação de sais é a abordagem mais importante e implementada. Os sais de APIs são capazes de modular e ajustar a solubilidade e a estabilidade, a fim de proporcionar uso prático. Nesta tese, são reportados sais de dois fármacos Inibidores Seletivos de Recaptação de Serotonina, consolidados no tratamento da depressão e distúrbios de ansiedade, a Paroxetina (PRX) e a Fluoxetina (FLX). Brometo de Paroxetina hemiidratado ((PRXBr)0.5H2O), Nitrato de Paroxetina hidratado (PRXNO3H2O) e polimorfos de Nitrato de Fluoxetina (FLXNO3), síntese e protocolos de cristalização foram cuidadosamente delineados, com base na sistematização de dados estruturais e supramoleculares das moléculas e seus análogos, depositados no Cambridge Structural Database. Todos os sais foram caracterizados por Difração de Raios-X por Monocristal, Calorimetria Explanatória Diferencial (DSC), Análise termogravimétrica (TGA), Termomicroscopia, Espectroscopia vibracional na região do infravermelho (IR) e solubilidade. Considerando que a hidratação/desidratação induz mudanças de fases que comprometem a eficiência do API, a caracterização do (PRXBr)0.5H2O auxiliou no entendimento do processo de desidratação reversível que ocorre para esse fármaco. Estas mudanças de fase resultam também em implicações sobre a compreensão do processo de desidratação do sal isoestrutural de cloreto de PRX hemiidratado. Além disso, por meio da elucidação estrutural do (PRXNO3)H2O, foi possível analisar a diversidade conformacional e supramolecular da PRX. Quanto à FLX, verificou-se que sua quiralidade está relacionada com seu polimorfismo. Um racemato e uma estrutura não centrossimétrica com dois enatiômeros independentes na unidade assimétrica foram obtidos para o FLXNO3. A comparação destas estruturas permitiu mostrar a existência de arranjos supramoleculares racêmicos, constituídos por diferentes orientações de enatiômeros. A rara ocorrência de sistemas racêmicos em grupos espaciais não-centrossimétricos tornou este evento um caso notável. A partir das propriedades físico-químicas, os polimorfos puderam ser monotropicamente relacionados. Os resultados desta tese trazem importantes contribuições científicas para diversidade de formas sólidas e também define novas formulações sólidas para utilização como antidepressivos.

As propriedades no estado sólido de um insumo farmacêutico ativo (IFA) estão diretamente relacionadas com a eficácia terapêutica de um medicamento. Entre todas as propriedades físicas e químicas, que são dependentes doarranjo cristalinodo IFA, destaca-se a solubilidade e a estabilidade, que são as características mais importantes de um fármaco, na medida em que podem alterar a biodisponibilidade. Dentro dessa perspectiva, a engenharia de cristaistem cada vez mais se consolidado como uma estratégia para aperfeiçoar as propriedades no estado sólido de um IFA. Neste trabalho, oito novas formas sólidas cristalinas, entre sais e cocristais, dos fármacos com ação anti-tuberculose etionamida (ETH), etambutol (ETB) e isoniazida (INH), foram preparadas e tiveram suas estruturas cristalinas determinadas por difração de raios X por monocristal. Além disso, todas as modificações cristalinas obtidas foram caracterizadas por difração de raios X por policristais, espectroscopia vibracional no infravermelho e Raman, calorimetria exploratória diferencial, termogravimetria e microscopia ótica térmica. Por fim, estudos de solubilidade em equilíbrio e de estabilidade em atmosfera úmida também foram realizados. A nova modificação cristalina da ETH, o sal nitrato de ETH, foi planejada visando melhorar a solubilidade aquosa deste IFA (∼0,4 mg mL-1). Este é o primeiro relato de uma estrutura de ETH que cristalizou com quatro independentes pares iônicos (ETH+/NO3-) na unidade assimétrica. A análise do empacotamento cristalino e das interações intermoleculares permitiu estabelecer os atributos estruturais que explicam a menor estabilidade térmica e a elevada solubilidade (cerca de 300 vezes maior) deste sal, em comparação com a forma neutra da ETH. A preparação dos novos sais de ETB foi feito considerando o cárater básico da molécula, o que permitiu a obtenção de três novos sais a partir da reação do ETB com os ácidos oxalico, maleico e tereftálico. O desenho dessas formas sólidas teve como principal objetivo minimizar os efeitos da elevada higroscopicidade do ETB, que é tão prejudicial para formulações farmacêuticas. Este objetivo foi alcançado, uma vez que o sal oxalato de ETB, reportado neste trabalho, mostrou ser não-higroscópico. Por fim, quatro novos cocristais da INH, sendo dois cocristais polimórficos, foram preparados por meio de reações estequiométricas deste IFA com ácidos carboxílicos aromáticos derivados do ácido benzóico. O desenho dessas novas modificações cristalinas teve como intuito principal explorar a diversidade de síntons supramoleculares formados entre a INH e moléculas contendo o grupo COOH. A análise dos empacotamentos cristalinos das formas I e II do cocristal INH-PABA, mostrou que este é um típico caso de polimorfismo orientacional. Portanto, os resultados desta dissertação trazem importantes contribuições científicas para a diversidade de formas sólidas, apresentando revelância para o setor farmacêutico no que se refere ao desenvolvimento de novas formulações contendo fármacos anti-tuberculose. / Solid state properties of an active pharmaceutical ingredients (API) are directly related to drug performance. Among all physical and chemical properties dependent on the crystal arrangement of a drug, stability and solubility are the main ones that alter its bioavailability. In this sense, crystal engineering is a strategy to improve solid state properties of drugs. In this work, eigth new multicomponent solid forms (salts and cocrystals) of the tuberculostatic drugs ethionamide (ETH), ethambutol (ETB) and isoniazid (INH) were prepared and their crystal structures were elucidated by single crystal X-ray diffraction. In addition, the crystal modifications were also characterized by powder X-ray diffraction, infrared and Raman vibrational spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetry and Hot-stage microscopy. Finally, equilibrium solubility studies and stability experiments in humid atmosphere were also performed. The new supramolecular modification of ETH, ethionamide nitrate salt, was designed in order to improve the aqueous solubility of the API (∼0.4 mg ml-1). This salt is the first ETH structure that has been crystallized with four independent ionic pairs (ETH+/NO3-) in the asymmetric unit. The analysis of crystal packing and intermolecular interactions allowed to establish the structural attributes that explain the lower thermal stability and high solubility (about 300 times higher) of this salt compared to the neutral ETH form. Due its high hygroscopicity, ETB is known for catalyzing the degradation of isoniazid and rifampicinin pharmaceutical formulations. In order to avoid or even minimize these mutual drug-drug interactions, in this work we have focused on the development of less hygroscopic multicomponent solid forms of ETB. The preparation of the new ETB crystal modifications was carried out considering the pKa values of the molecule, which allowed the design of three new salts (namely oxalate, maleate and terephthalate). These salts were obtained from the reaction of ETB with the carboxylic acids: oxalic, maleic and terephthalic. The hygroscopic nature of these salts was evaluated and all of them were found to be hygroscopic, with exception of ETB oxalate. Finally, four novel INH cocrystals, being two polymorphic forms, with aromatic carboxylic acids derivatives were rationally prepared. The design of these crystal forms aimed to explore the diversity of supramolecular synthons formed between INH and molecules containing COOH. The crystal packing analysis of the INH-PABA cocrystals (polymorphs I and II), showed that this is a typical case of orientational polymorphism. Therefore, the scientific contributions of this work show the diversity of the solid forms and define candidates to new anti-tuberculosis API\'s solid formulations.

Este documento de Tese é o resultado de um trabalho de pesquisa voltado à análise cristalográfica de novas formas sólidas cristalinas derivadas de fármacos antirretrovirais, diante do contexto da engenharia de cristais para o desenho das novas formas sólidas, e principalmente diante da ótica da análise das densidades de carga, o que permitiu um entendimento mais acurado da estrutura eletrônica molecular desta classe de compostos. Compostos farmacêuticos antirretrovirais do tipo inibidores nucleosídeos da transcriptase reversa (INTRs), são de grande importância, uma vez que são amplamente usados na terapêutica antirretroviral, principalmente contra o vírus HIV. Nesse contexto, são conhecidos alguns problemas associados na manufatura destes fármacos, principalmente aos processos de extração e purificação dos fármacos Lamivudina (3TC) e Emtricitabina (FTC). Diante desta problemática, a engenharia de cristais fornece uma solução, mediante o planejamento racional de formas sólidas (sais, cocristais, solvatos, polimorfos, etc.) que apresentam maior estabilidade e facilitem principalmente o processo de purificação em grande escala. Daí surge a importância de estudar a estrutura molecular das diferentes formas sólidas derivadas destes fármacos, sendo uma das principais técnicas para este estudo a difração de raios X em monocristais (DRXM). Neste trabalho um total de nove novas formas sólidas foram avaliadas e reportadas, com uma discussão detalhada das conformações moleculares e supramoleculares. Entretanto, é realizada uma análise das densidades de carga mediante métodos experimentais, uma vez que foram conduzidos experimentos de DRXM em alta resolução, em virtude da boa qualidade dos cristais que algumas das formas sólidas apresentaram. Desta maneira foi possível propor modelos de densidade de carga experimentais construídos mediante o formalismo de Hansen & Coppens, utilizando refinamento por mínimos quadrados baseados nos dados de difração em alta resolução. Por último, com o intuito de ter um estudo mais completo e detalhado da estrutura eletrônica, foram realizados cálculos teóricos de primeiros princípios em condições gasosas e periódicas de contorno. Desta forma, é apresentada uma sinergia entre os resultados obtidos pelas análises das distribuições de densidade de cargas de algumas formas sólidas, com os resultados gerais da engenharia de cristais e, portanto, concluir e extrapolar alguns aspectos importantes, principalmente no que se refere às energias associadas com as interações intermoleculares. A sinergia dos estudos de engenharia de cristais e de densidade de carga, é um tipo de pesquisa pouco publicada dentro da área da cristalografia de pequenas moléculas. / This Thesis is the result of the research proposal aimed to the crystallographic analysis of new crystalline solid forms derived from antiretroviral drugs, in the context of the crystal engineering for the design of the new solid forms, mainly since the viewpoint of the charge density analysis, which allowed an accurate comprehension of the molecular electronic structure of this kind of compounds. Antiretroviral drug compounds of nucleoside analog reverse-transcriptase inhibitors (NRTI) type, are of great importance once they are large used in the antiretroviral therapy, mainly against the HIV. In this context, some problems are known regard to the manufacture process of these drugs, mainly in the extraction and purification procedures of the lamivudine (3TC) and emtricitabine (FTC) drugs. On this issue, the crystal engineering provides an answer, through the rational planning of solid forms (salts, cocrystals, solvates, polymorphs, etc.) that exhibit an increased stability and facilitate mainly the large-scale purification process. Hence is important to study the molecular structure of the diverse solid forms derived from these drugs, mainly through the single-crystal X-ray diffraction (SCXD) experiments. In this research a total of nine new solid forms were assessed and reported, along with a detailed discussion of the molecular and supramolecular conformations. Meantime, it was carried out an analysis of the experimental charge density, once it was performed high-resolution SCXD experiments, since some of the solid forms showed good quality single crystals. In this way, it was possible to propose models of experimental charge density through the Hansen & Coppens formalism, using least-square refinement against high-resolution X-ray diffraction data. Finally, with the aim to have a more complete and detailed study of the electronic structure, it was also carried out first principles theoretical calculations in gas-phase and periodic boundary conditions. Thus, it is shown a synergy between the results obtained by the analysis of the charge density distributions of some solid forms and the crystal engineering results and, therefore, to conclude and to extrapolate some important aspects, mainly involved with the intermolecular interaction energies. The synergy of the crystal engineering and charge density studies is a kind of research little published, within the small molecule crystallography area.

Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2017-02-16T16:22:40Z No. of bitstreams: 1 DissBCDO.pdf: 4309058 bytes, checksum: 4f5cf3d0dbedd0e22b67ee37cbc653e9 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-03-13T18:12:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissBCDO.pdf: 4309058 bytes, checksum: 4f5cf3d0dbedd0e22b67ee37cbc653e9 (MD5) / Approved for entry into archive by Ronildo Prado (ronisp@ufscar.br) on 2017-03-13T18:12:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissBCDO.pdf: 4309058 bytes, checksum: 4f5cf3d0dbedd0e22b67ee37cbc653e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-13T18:20:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissBCDO.pdf: 4309058 bytes, checksum: 4f5cf3d0dbedd0e22b67ee37cbc653e9 (MD5) Previous issue date: 2015-09-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Pharmaceutical cocrystals are multicomponent crystalline solids comprised of an active pharmaceutical ingredient (API) and one or more co-formers interacting through hydrogen bonding or other weak interactions like the π-stack and van der Waals interactions. Fluconazole (FLZ) is a triazole antifungal drug used in the treatment and prevention of superficial and systemic fungal infections. It is also used to prevent and treat meningitis. Cocrystallization is an alternative approach for enhancement of drug. It can be performed using neat grinding, solvent assisted grinding, solvent evaporation, cooling evaporation and slurry cocrystallization. In this work, a new cocrystal Fluconazol-Fumaric acid monohydrate was synthesized via 1:1 stoichiometric amount of FLZ and FUM at different conditions. The characterization of the synthesized cocrystals was achieved using Raman spectroscopy, differential scanning calorimetry, powder X-ray diffraction and single crystal X-ray diffraction. The results obtained for the characterization of the samples showed some obvious differences among the spectra, diffractograms and thermograms. The single crystal X-ray diffraction analysis of the new structure shows a cocrystal where the fluconazole molecules are attached to the fumaric acid and water molecules respectively through hydrogen bonds, gave unique cell dimensions for an assumed structure C17H18F2N6O6 with a space group of P21/n, a = 17.053(3) Å, b = 5.5995(10), c=21.154(3), α = 90°, β=105.418(4)°, γ= 90°, V = 1947.3(6) Å3. This work is the first to report a monohydrate cocrystal structure of fluconazole and fumaric acid. / Cocristais farmacêuticos são sólidos cristalinos multi-componentes compostos de um ingrediente ativo farmacêutico (API) e um ou mais co-formadores interagindo através de ligações de hidrogênio ou outras interações fracas como as π-stack e Van der Waals. Fluconazol (FLZ), é um fármaco anti-fúngico triazol utilizado no tratamento e prevenção de infecções fúngicas superficiais e sistémicas. É também utilizado para prevenir e tratar a meningite. Cocristalização é uma abordagem alternativa para melhorar as propriedades de fármacos. Pode ser realizada através de moagem a seco, moagem assistida por solvente, evaporação de solvente e cristalização em suspensão. Neste trabalho, um novo co-cristal Fluconazol-Ácido Fumarico monohidrato foi sintetizado utilizando uma estequimetria 1:1 em diferentes condições. A caracterização dos co-cristais sintetizados foi realizada utilizando espectroscopia Raman, calorimetria exploratória diferencial, difração de raios-X em pó é por monocristal. Os resultados obtidos para a caracterização das amostras mostrou algumas diferenças obvias entre os espectros, difratogramas e termogramas. A difração de raios-X de monocristal mostrou uma nova estrutura onde as moléculas de fluconazol estão ligadas ao ácido fumárico e a uma molécula de água através de ligações de hidrogênio, originando uma estrutura única C17H18F2N6O6 de grupo espacial P21/n e dimensões da célula unitária a = 17.053(3) Å, b = 5.5995(10), c=21.154(3), α = 90°, β=105.418(4)°, γ= 90°, V = 1947.3(6) Å3. Este trabalho é o primeiro a relatar uma estrutura de co-cristal mono-hidrato de fluconazol e acido fumárico.

As propriedades no estado sólido de um insumo farmacêutico ativo (IFA) estão diretamente relacionadas com a eficácia terapêutica de um medicamento. Entre todas as propriedades físicas e químicas, que são dependentes doarranjo cristalinodo IFA, destaca-se a solubilidade e a estabilidade, que são as características mais importantes de um fármaco, na medida em que podem alterar a biodisponibilidade. Dentro dessa perspectiva, a engenharia de cristaistem cada vez mais se consolidado como uma estratégia para aperfeiçoar as propriedades no estado sólido de um IFA. Neste trabalho, oito novas formas sólidas cristalinas, entre sais e cocristais, dos fármacos com ação anti-tuberculose etionamida (ETH), etambutol (ETB) e isoniazida (INH), foram preparadas e tiveram suas estruturas cristalinas determinadas por difração de raios X por monocristal. Além disso, todas as modificações cristalinas obtidas foram caracterizadas por difração de raios X por policristais, espectroscopia vibracional no infravermelho e Raman, calorimetria exploratória diferencial, termogravimetria e microscopia ótica térmica. Por fim, estudos de solubilidade em equilíbrio e de estabilidade em atmosfera úmida também foram realizados. A nova modificação cristalina da ETH, o sal nitrato de ETH, foi planejada visando melhorar a solubilidade aquosa deste IFA (∼0,4 mg mL-1). Este é o primeiro relato de uma estrutura de ETH que cristalizou com quatro independentes pares iônicos (ETH+/NO3-) na unidade assimétrica. A análise do empacotamento cristalino e das interações intermoleculares permitiu estabelecer os atributos estruturais que explicam a menor estabilidade térmica e a elevada solubilidade (cerca de 300 vezes maior) deste sal, em comparação com a forma neutra da ETH. A preparação dos novos sais de ETB foi feito considerando o cárater básico da molécula, o que permitiu a obtenção de três novos sais a partir da reação do ETB com os ácidos oxalico, maleico e tereftálico. O desenho dessas formas sólidas teve como principal objetivo minimizar os efeitos da elevada higroscopicidade do ETB, que é tão prejudicial para formulações farmacêuticas. Este objetivo foi alcançado, uma vez que o sal oxalato de ETB, reportado neste trabalho, mostrou ser não-higroscópico. Por fim, quatro novos cocristais da INH, sendo dois cocristais polimórficos, foram preparados por meio de reações estequiométricas deste IFA com ácidos carboxílicos aromáticos derivados do ácido benzóico. O desenho dessas novas modificações cristalinas teve como intuito principal explorar a diversidade de síntons supramoleculares formados entre a INH e moléculas contendo o grupo COOH. A análise dos empacotamentos cristalinos das formas I e II do cocristal INH-PABA, mostrou que este é um típico caso de polimorfismo orientacional. Portanto, os resultados desta dissertação trazem importantes contribuições científicas para a diversidade de formas sólidas, apresentando revelância para o setor farmacêutico no que se refere ao desenvolvimento de novas formulações contendo fármacos anti-tuberculose. / Solid state properties of an active pharmaceutical ingredients (API) are directly related to drug performance. Among all physical and chemical properties dependent on the crystal arrangement of a drug, stability and solubility are the main ones that alter its bioavailability. In this sense, crystal engineering is a strategy to improve solid state properties of drugs. In this work, eigth new multicomponent solid forms (salts and cocrystals) of the tuberculostatic drugs ethionamide (ETH), ethambutol (ETB) and isoniazid (INH) were prepared and their crystal structures were elucidated by single crystal X-ray diffraction. In addition, the crystal modifications were also characterized by powder X-ray diffraction, infrared and Raman vibrational spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetry and Hot-stage microscopy. Finally, equilibrium solubility studies and stability experiments in humid atmosphere were also performed. The new supramolecular modification of ETH, ethionamide nitrate salt, was designed in order to improve the aqueous solubility of the API (∼0.4 mg ml-1). This salt is the first ETH structure that has been crystallized with four independent ionic pairs (ETH+/NO3-) in the asymmetric unit. The analysis of crystal packing and intermolecular interactions allowed to establish the structural attributes that explain the lower thermal stability and high solubility (about 300 times higher) of this salt compared to the neutral ETH form. Due its high hygroscopicity, ETB is known for catalyzing the degradation of isoniazid and rifampicinin pharmaceutical formulations. In order to avoid or even minimize these mutual drug-drug interactions, in this work we have focused on the development of less hygroscopic multicomponent solid forms of ETB. The preparation of the new ETB crystal modifications was carried out considering the pKa values of the molecule, which allowed the design of three new salts (namely oxalate, maleate and terephthalate). These salts were obtained from the reaction of ETB with the carboxylic acids: oxalic, maleic and terephthalic. The hygroscopic nature of these salts was evaluated and all of them were found to be hygroscopic, with exception of ETB oxalate. Finally, four novel INH cocrystals, being two polymorphic forms, with aromatic carboxylic acids derivatives were rationally prepared. The design of these crystal forms aimed to explore the diversity of supramolecular synthons formed between INH and molecules containing COOH. The crystal packing analysis of the INH-PABA cocrystals (polymorphs I and II), showed that this is a typical case of orientational polymorphism. Therefore, the scientific contributions of this work show the diversity of the solid forms and define candidates to new anti-tuberculosis API\'s solid formulations.