Identificazione e controllo del polimorfismo

I materiali cristallini possono essere caratterizzati e distinti in base alla struttura della cella unitaria. Il fenomeno per cui un'unica specie chimica assume più di una possibile configurazione della cella unitaria è detto polimorfismo. Molti materiali cristallini possono formare diversi polimorfi per ridurre al minimo la propria energia reticolare in specifiche condizioni termodinamiche. Mentre la natura della sostanza chimica rimane la stessa, le sue proprietà fisiche (solubilità, cinetica di crescita, dissoluzione e nucleazione, biodisponibilità, morfologia e proprietà di isolamento) possono variare da un polimorfo all'altro.

Figura (destra): cellula unitaria del reticolo cristallino; i polimorfi sono caratterizzati da angoli (α, β, γ) e distanze (a, b, c) differenti

Per ottenere il polimorfo desiderato è fondamentale conoscere approfonditamente la stabilità delle forme cristalline e attenersi a condizioni di reazione strettamente controllate. Spesso una semplice variazione di temperatura, agitazione o composizione del solvente può far sì che il materiale passi da una forma metastabile (corrispondente a un minimo relativo dell'energia) alla forma stabile (corrispondente al minimo assoluto dell'energia).

Le curve di solubilità dei polimorfi enantiotropici si intersecano in un punto specifico del diagramma di fase, corrispondente ad esempio a una determinata temperatura. Il grafico a destra mostra che a temperature più elevate il polimorfo 1 è stabile (solubilità minore), mentre a temperature più basse il polimorfo 2 è stabile (solubilità minore). I cristalli del polimorfo 1, nucleati e cresciuti a temperature elevate, quando la temperatura scende al di sotto della temperatura di transizione si trasformano spesso in cristalli del polimorfo 2.

La variazione della struttura cristallina implica spesso una variazione della forma esterna, che può avere un impatto significativo sulle proprietà di isolamento e su quelle che emergono nelle fasi successive della lavorazione.

Se i cristalli di forma cuboide diventano piastre sottili, il tempo di filtrazione può aumentare significativamente poiché il materiale forma un sedimento compatto (cake) sul filtro. Se la trasformazione crea un solvato, spesso determina un aumento dei tempi di essiccamento poiché occorre attendere che anche il solvente aggiuntivo sia evaporato. Se i formulatori sono abituati a lavorare con cristalli a prisma e improvvisamente si trovano a utilizzare cristalli aghiformi, la formulazione del prodotto finale può diventare impossibile. Una forma polimorfica più stabile è generalmente caratterizzata da una solubilità inferiore, che ne riduce la biodisponibilità e le prestazioni in vivo, rendendo quindi il farmaco meno efficace.

Se si individua troppo tardi un polimorfo più stabile, gli effetti sulla fornitura del prodotto farmaceutico possono dunque essere disastrosi ed esiste persino il rischio di conflitti sul piano brevettuale nel caso in cui la forma più stabile sia già brevettata.

Nella maggior parte delle cristallizzazioni, è necessario ottenere lo stesso polimorfo e la stessa morfologia per ogni lotto, poiché la presenza del polimorfo sbagliato renderebbe il prodotto inaccettabile. Tuttavia, nei processi di cristallizzazione accade spesso che prima appaia una forma con morfologia instabile che si trasforma successivamente in una forma stabile. L'analisi offline del punto finale documenterà la forma finale ma non conterrà informazioni sull'eventuale trasformazione polimorfica avvenuta in una fase precedente della reazione.

L'utilizzo di strumenti per l'analisi in situ è fondamentale per imparare a conoscere il comportamento di cristallizzazione nel corso dell'intera reazione. I trend in situ relativi a dimensioni e numero delle particelle, insieme alle immagini della reazione registrate in situ, documentano la variazione della morfologia insieme al tempo trascorso. È quindi possibile studiare l'impatto di parametri di reazione come la temperatura, l'agitazione e la composizione del solvente sulla morfologia e la cinetica di trasformazione in ogni fase della reazione.

In alcuni casi, durante lo sviluppo possono apparire nuove forme polimorfiche e identificarle rapidamente è di importanza critica. In altri casi, è nota la presenza di più di un polimorfo ed è necessaria una transizione in linea per produrre il polimorfo desiderato. In entrambi gli scenari è utile applicare la metodologia PAT per garantire che la transizione dal polimorfo meno stabile a quello più stabile avvenga in modo uniforme su tutte le scale di reazione e in tutte le condizioni operative.

In questo esempio, viene studiata una trasformazione polimorfica. Sia l'RBI, sia le immagini ottenute mediante microscopia in tempo reale consentono di comprendere la reazione in modo dettagliato e senza ambiguità. Quando si aggiunge l'iniziatore, avviene immediatamente la nucleazione, come indicato dal rapido aumento del segnale RBI, che corrisponde alla formazione dei cristalli. Mentre la temperatura resta costante a 50 °C, l'RBI raggiunge uno stato stabile, ma ben presto aumenta nuovamente e rapidamente, indicando che si è verificato un secondo evento di nucleazione. Controllando le immagini ottenute mediante microscopia in tempo reale è possibile verificare l'avvenuta nucleazione di una seconda morfologia dei cristalli, il cui carattere di diversa forma polimorfica può essere confermato tramite analisi XRD offline.

Nel corso del tempo, avviene la transizione dalla forma meno stabile a quella più stabile, finché il trend dell'RBI non raggiunge nuovamente uno stato stabile e le immagini ottenute mediante microscopia in tempo reale mostrano che restano solo cristalli aghiformi.

Questo caso di studio dimostra che i ricercatori possono ottenere con facilità dati estremamente utili per comprendere la reazione grazie a una PAT semplice da utilizzare e che richiede competenze di analisi dati molto limitate.

Lamicroscopia real-time con ParticleView è uno strumento con PAT facile da usare che registra immagini ad alta risoluzione di particelle e strutture particellari così come sono naturalmente presenti nella reazione. Ogni immagine viene analizzata in tempo reale e viene generato un semplice trend che rappresenta dimensioni, numero e forma delle particelle nelle reali condizioni di reazione.

Nonostante sia estremamente potente per l'identificazione di diversi polimorfi, l'elaborazione delle immagini richiede spesso l'utilizzo di una tecnica secondaria per distinguere un polimorfo dall'altro. La spettroscopia Raman è una tecnica potente che consente di distinguere i polimorfi desiderati osservandone le differenze a livello molecolare. La spettroscopia Raman sfrutta la variazione della polarizzabilità ovvero della deformazione della nuvola elettronica di un legame molecolare. Le molecole sono caratterizzate da vibrazioni che seguono determinati schemi come una sorta di "impronte digitali"; uno spettrometro Raman è in grado di identificare polimorfi diversi sulla base di queste impronte digitali caratteristiche.

I polimorfi sono composti chimici che, nonostante abbiano la stessa formula chimica, hanno strutture reticolari diverse. Le differenze nelle lunghezze e negli angoli di legame generano una sorta di impronta digitale diversa, consentendo all'utente dello spettrometro Raman di monitorare il polimorfismo nel corso del tempo.

L'analisi delle reazioni sulla base di queste impronte digitali molecolari permette ai ricercatori di misurare i processi di cristallizzazione e i cambiamenti dei polimorfi in tempo reale, fornendo informazioni su:

• Cinetica della reazione
• Meccanismo
• Pathway
• Influenza delle variabili di reazione sui prodotti di reazione

La spettroscopia Raman in situ consente di monitorare direttamente reattanti, reagenti, intermedi, prodotti e sottoprodotti mentre si modificano nel corso della reazione.  La spettroscopia Raman fornisce informazioni essenziali per gli scienziati che conducono ricerche, sviluppano e ottimizzano composti chimici e processi di cristallizzazione.

Con iC Raman 7 è possibile generare facilmente i trend relativi alla cinetica (a destra) per la conversione della forma 1 nella forma 2.

Prestazioni compatte. ReactRaman unisce le prestazioni migliori della categoria a un design flessibile. È uno spettrometro leggero, di dimensioni ridotte e termicamente stabile che garantisce risultati straordinari ovunque sia necessario utilizzarlo.

Risultati rapidi e accurati. ReactRaman, ottimizzato per il monitoraggio in situ, produce spettri accurati e sensibili che si possono convertire facilmente in risultati grazie all'analisi in un clic One Click Analytics™ di iC Raman 8.

Piattaforma integrata. Combinabile con tecniche di spettroscopia a infrarossi, caratterizzazione delle particelle e reattori chimici automatici per una comprensione e un controllo completi.

Condivisione delle competenze. Con oltre 30 anni di esperienza nel campo delle analisi delle reazioni, ci impegniamo a sviluppare soluzioni ad alte prestazioni che consentano ai ricercatori di risolvere le questioni chimiche più complesse.

La cristallizzazione è un'operazione unitaria composta da diverse fasi, in cui il controllo efficace del processo è indispensabile per ottenere un prodotto finale con le proprietà desiderate. Una workstation per il polimorfismo con Tecnologia analitica di processo (PAT) in situ garantisce il controllo necessario su tutti i parametri essenziali:

• Temperatura, agitazione, pH e dosaggio grazie a un reattore di sintesi chimica
• Morfologia delle particelle e meccanismi complessi grazie alla microscopia in tempo reale
• Creazione di polimorfi e trasformazioni fisiche con lo spettrometro Raman ReactRaman

Una workstation per il polimorfismo con PAT in situ fornisce in tempo reale dati di reazione che possono essere interpretati immediatamente, riducendo significativamente i tempi di sviluppo e i costi del lavoro legato alle analisi offline. 

A uno sguardo esterno può sembrare che il processo di cristallizzazione si svolga senza problemi. Tuttavia, in genere sono all'opera alcuni meccanismi di cristallizzazione nascosti che possono avere un impatto decisivo sull'esito finale del processo.

• L'agglomerazione può intrappolare le impurità nel cristallo
• La separazione di fase impedisce di controllare adeguatamente il processo
• La nucleazione secondaria rallenta la filtrazione

Questa guida pratica descrive sette meccanismi nascosti che possono influenzare il processo di cristallizzazione e illustra alcune strategie per tenerli sotto controllo.

• Zhao et al. "Combined Application of in-situ FBRM, ATR-FTIR and Raman on Polymorphism Transformation Monitoring During the Cooling Crystallization" Industrial & Engineering Chemistry Research (2012), 51, 12530-12536.
  
  
• Hao et al. "A Calibration-Free Application of Raman Spectroscopy to the Monitoring of Mannitol Crystallization and its Polymorphic Transformation" Organic Process Research & Development (2010).
  
  
• Lai et al. "Control of Polymorphism in Continuous Crystallization via Mixed Suspension Mixed Product Removal Systems Cascade Design" Crystal Growth & Design (2015), 15, 7, 3374-3382.
  
  
• Takeguchi et al. "Effect of temperature and solvent of solvent-mediated polymorph transformation on ASP3026 polymorphs and scale-up" Organic Process Research and Development (2016), 20, 5, 970-976.
  
  
• Liu et al. "Investigation into the Cooling Crystallization and Transformations of Carbamazepine Using in Situ FBRM and PVM" Org. Process Res. Dev. (2013), 17, 11, 1406-1412.
  
  
• Hao et al. "The use of in-situ tools to monitor the enantiotropic transformation of P-aminobenzoic acid polymorphs" Organic Process Research & Development (2012), 16, 1, 35-41.