Oversaturering og krystallisering

Oversaturering er en ikke-likevekts, fysisk tilstand der en løsning inneholder mer løst stoff enn likevektsløseligheten tillater, gitt forhold som temperatur og trykk i systemet. Oversaturering brukes også til å beskrive nivået der konsentrasjonen av løst stoff overstiger dets løselighet under gitte forhold, uttrykt som:
ΔC (oversaturering) = C (faktisk konsentrasjon) – C* (løselighet). 

Krystallisering skjer gjennom en serie av gjensidig avhengige mekanismer som påvirkes unikt av valget av prosessparametere: nukleasjon, vekst, oljedannelse, agglomerering, brudd, såing og polymorf overgang.

Ofte skjer disse mekanismene samtidig, noe som gjør effektiv krystallisering design utfordrende. Uten mekanistisk forståelse, må forskere stole på prøving og feiling for å justere prosessparametere og optimalisere utbytte, renhet og krystallstørrelse. Ved å forstå hvilke mekanismer som skjer under krystallisering, kan forskere bruke strategier for å levere et krystallprodukt med ønskede egenskaper.

Les vår guide 7 krystalliseringmekanismer som skjuler seg mellom prøvene dine for å lære hvordan mekanismer kan påvirke utfallet av krystalliseringsprosessen din.

Oversaturering er viktig fordi det er drivkraften for både krystallnukleasjon og vekst.  Kontroll av oversaturering er nøkkelen til å oppnå ønskede produktattributter, spesielt endelig krystallstørrelsesfordeling og fase. Generelt sett, ved lav oversaturering kan krystaller vokse raskere enn de nukleerer, noe som resulterer i større krystallstørrelse. Ved høyere oversaturering dominerer krystallnukleasjon over krystallvekst, noe som til slutt resulterer i mindre krystaller.

En vanlig måte å generere oversaturasjon på er å løse et stoff i et løsemiddel ved forhøyet temperatur og deretter avkjøle løsningen. Når temperaturen reduseres, går systemet inn i en metastabil oversaturert tilstand; når avkjølingen fortsetter, nås den metastabile grensen. På dette punktet vil nukleasjonsprosessen skje, oversaturasjonen vil avta eller opphøre, og konsentrasjonen av løst stoff i væskefasen vil til slutt oppnå likevekt ved løselighetskurven.

Nukleasjon er fødselen av nye krystallkjerner – enten spontant fra løsning (primær nukleasjon) eller i nærvær av eksisterende krystaller (sekundær nukleasjon). Krystallvekst er økningen i størrelse (eller mer presist «karakteristisk lengde») av krystaller når løst stoff avsettes fra løsningen. Forholdet mellom oversaturasjon, nukleasjon og vekst defineres av et velkjent sett med (noe forenklede) ligninger først beskrevet av Nyvlt.

For organiske krystalliseringssystemer ligger verdien av vekstordren (g) vanligvis mellom 1 og 2, og verdien av nukleasjonsordren (b) ligger vanligvis mellom 5 og 10. Når vi plottet disse ligningene for en teoretisk organisk krystalliseringsprosess, blir viktigheten av oversaturasjon tydelig. Ved lav oversaturasjon kan krystaller vokse raskere enn de nukleerer, noe som resulterer i en større krystallstørrelsesfordeling. Ved høyere oversaturasjon dominerer krystallnukleasjon krystallvekst, noe som til slutt resulterer i mindre krystaller. Figuren til høyre, som relaterer oversaturasjon til nukleasjon, vekst og krystallstørrelse, illustrerer tydelig hvor viktig det er å kontrollere oversaturasjonen når det gjelder å skape krystaller med ønsket størrelse og fordeling.

Moderne teknikker, som FTIR-spektroskopi med Attenuert Totalrefleksjon (ATR), gjør det mulig å raskt og enkelt utvikle løselighetsspor og kontinuerlig overvåke det rådende nivået av oversaturasjon gjennom hele krystalliseringsforsøket. Raskere avkjølingshastigheter fører til nukleasjon ved lavere temperaturer og det høyeste nivået av oversaturasjon gjennom prosessen. En svært langsom avkjøling resulterer i en høyere nukleasjonstemperatur og lav oversaturasjon gjennom prosessen. En en-times kubisk avkjøling (langsom først og rask til slutt) har et middels nivå av oversaturasjon gjennom hele prosessen. Høyere oversaturasjon resulterer i de minste krystallene – siden nukleasjon favoriseres fremfor vekst.

METTLER TOLEDO tilbyr et sett med prosessanalytiske teknologier for å støtte krystalliseringsforskning og utvikling (FoU) og produktproduksjon. Disse teknologiene kan brukes alene eller i kombinasjon med en automatisert kjemisk reaktor, og danner en integrert krystalliseringsarbeidsstasjon. Teknologiene inkluderer:

• ReactIR – Inline, in situ FTIR måler konsentrasjoner i løsningsfasen i sanntid for løselighets- og oversaturasjonsstudier og undersøker kinetikk og termodynamikk av polymorfisme i løst stoff-løsemiddel krystalliseringsstudier.
  
• Raman-spektrometre – Inline ReactRaman sporer partikkel- og krystallisasjonsdannelse in situ som en funksjon av tid i løsemiddel eller slurry og overvåker endringer i krystallform når metastabile polymorfer konverterer til termodynamisk stabile former.
• ParticleTrack—Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM) er industristandardteknikken for å måle partikler under prosess. Den rapporterer en svært presis kordelengdefordeling (CLD), som er sensitiv for partikkelstørrelse og antall, i sanntid uten behov for prøvetaking eller prøveforberedelse.
• EasyViewer med iC Vision – Inline partikkelstørrelsesanalyse gir sanntidsbilder av krystaller, utfellinger og partikler. iC Vision tilbyr partikkelbildeanalyse for overvåking av prosessendringer med intuitive analyser og kvantifiserer partikkelstørrelse og form med tilpassbare algoritmer. 

Yun Cao, Shichao Du, Xiao Ke, Shijie Xu, Yangshan Lan, Teng Zhang, Weiwei Tang, Jingkang Wang, og Junbo Gong, “Samspillet mellom termodynamikk og kinetikk på polymorf oppførsel av vortioxetin hydrobromid i reaktiv krystallisering”, Org. Process Res. Dev, 2020, 24, 1233−1243.

Reaktiv krystallisering er forbundet med forhøyede nivåer av overmetning for de krystallinske forbindelsene som dannes ved den kjemiske reaksjonen.  I dette arbeidet undersøkte forfatterne effekten av løsemidler og overmetning på polymorfisme i  vortioxetin hydrobromid fremstilt ved reaktiv krystallisering.  Eksperimentene ble utført i fire forskjellige løsemidler med definert initial overmetning, og rollen til termodynamikk og kinetikk i dannelsen og omdannelsen av de to polymorfene ble undersøkt.  For å bedre forstå mekanismen bak denne reaktive krystalliseringen, ble in-situ IR (ReactIR) anvendt.

Polymorf B ble identifisert som den stabile formen, og den metastabile polymorf A foretrukket ved høy overmetning i de fire testede løsemidlene.  De fastslo også at polymorf A dannes i løsemidler med lav hydrogenbindingsevne.  ReactIR-målingene viste at reaksjonskinetikkens effekt på polymorfismen ikke var et problem.  ReactIR-målinger sammen med pulver røntgendiffraksjonsstudier ble også brukt for å følge den reaktive krystalliseringen og polymorf konvertering.  Forskerne rapporterer at nukleasjon og vekst av form B ble funnet å være den kontrollerende fasen, og omdannelseshastigheten øker betydelig med vortioxetin hydrobromids løselighet og initial overmetning.

Dan Du, Guo-Bin Ren, Ming-Hui Qi, Zhong Li og Xiao-Yong Xu, “Løsemiddelmediert polymorf transformasjon av famoksadon fra form II til form I i flere blandede løsemiddelsystemer”, Crystals, 2019, 9, 161.

Forfatterne undersøkte polymorfisme i legemidlet famoksadon og påviste tilstedeværelsen av 6 polymorfer.  De gjennomførte en undersøkelse av løsemiddelmediert polymorf transformasjon (SMPT) fra metastabil form II til stabil form I ved bruk av in-situ PAT-teknologi.  ParticleTrack FBRM-målinger målte endring i kordelengde, og ReactIR med in situ probe overvåket løsningskonsentrasjoner som funksjon av tid. SMPT-prosessen ble utført i et EasyMax automatisert laboratoriereaktorsystem med analytiske prober.

De oppgir at famoksadon polymorfe transformasjonsprosess har tre stadier bestående av oppløsning av metastabil form, etterfulgt av nukleasjon og vekst av stabil form.  Denne transformasjonen skyldes forskjellen i løselighet mellom de to polymorfene og det resulterende overmetningsnivået til den stabile form I under krystallisering.  De fant prosessen å være ganske rask, og etter 5 minutter forsvant den suspendert form II, og kordelengden assosiert med veksten av form I økte.  Løsningskonsentrasjon og overmetning sank raskt, noe som var knyttet til veksten av form I. Resultatene fra PAT- og XRD-målingene viste at blant de 6 polymorfene av famoksadon er form I den termodynamisk stabile formen og at vekstprosessen av form I er den hastighetsbestemmende fasen i den løsemiddelmedierte polymorfe transformasjonen.

Teng Zhang, Yumin Liu, Shichao Du, Songgu Wu, Dandan Han, Shiyuan Liu, og Junbo Gong, “Polymorf kontroll ved å undersøke effektene av løsemiddel og overmetning på klopidogrel hydrogensulfat i reaktiv krystallisering”, Cryst. Growth Des, 2017, 17, 6123−6131.

Forfatterne oppgir at metastabile polymorfe legemidler ofte viser forbedret biotilgjengelighet og kan være utfordrende å produsere og opprettholde på grunn av potensiell omdannelse til en mer stabil polymorf. Deres forskning fokuserte på reaktiv krystallisering av klopidogrel hydrogensulfat (CHS) og undersøkte de to formene av forbindelsen med hensyn til løsemiddel og overmetningsnivåer.  For å fastslå sammenhengen mellom løsemiddel-løsningsmiddelinteraksjoner og påfølgende polymorfisme, ble in-situ ATR-IR (ReactIR) brukt for kontinuerlig overvåking av løsningskonsentrasjon og kontroll av overmetning under krystallisering, og FBRM (ParticleTrack) ble brukt for å overvåke partikkelantall.  Polymorfene ble undersøkt i ni forskjellige løsemidler med ulik overmetning, og reaksjonene ble utført i en automatisert laboratoriereaktor (EasyMax).

Data ble presentert for overmetning og polymorf dannelse av CHS i 2-propanol og 2-butanol for å gi form II og form I, henholdsvis, og ATR-FTIR og FBRM overvåket kinetikken og sanntidskonsentrasjonen av CHS reaktive krystallisering. Ulike overmetningsnivåer ble oppnådd ved å endre mengdene klopidogrel og svovelsyre. Fra dette arbeidet konkluderte forfatterne med at nukleasjonsinduksjonsperioden er den kinetisk bestemmende fasen, og at overmetning er den viktigste drivkraften for polymorf dannelse av CHS reaktiv krystallisering i de to forskjellige løsemidlene. For betingelsene og løsemidlene brukt i disse eksperimentene fant de at den termodynamisk stabile polymorfen oppnås ved s < 18, mens den metastabile formen dannes ved høyere overmetningsnivå (s > 21).