Přesycení a krystalizace

Přesycení je nerovnovážný fyzikální stav, ve kterém roztok obsahuje více rozpuštěné látky, než umožňuje rovnovážná rozpustnost za daných podmínek, jako jsou teplota a tlak systému. Přesycení se také používá k popisu úrovně, při které koncentrace rozpuštěné látky překračuje její rozpustnost za daných podmínek, vyjádřeno jako:
ΔC (přesycení) = C (skutečná koncentrace) – C* (rozpustnost). 

Krystalizace probíhá prostřednictvím série vzájemně závislých mechanismů, které jsou jedinečně ovlivněny volbou parametrů procesu: nukleace, růst, vytváření olejových kapek, aglomerace, rozpad, zasévání a přechod polymorfů.

Tyto mechanismy často probíhají současně, což činí efektivní návrh krystalizace náročným. Bez mechanistického porozumění vědci spoléhají na metodu pokus-omyl k úpravě parametrů procesu a optimalizaci výtěžku, čistoty a velikosti krystalů. Porozuměním, které mechanismy probíhají během krystalizace, mohou vědci nasadit strategie k dosažení krystalového produktu s požadovanými vlastnostmi.

Přečtěte si naši příručku 7 Mechanismů krystalizace skrytých mezi vašimi vzorky a zjistěte, jak mohou mechanismy ovlivnit výsledek vašeho krystalizačního procesu.

Přesycení je důležité, protože je hnací silou jak nukleace krystalů, tak jejich růstu.  Kontrola přesycení je klíčová pro dosažení požadovaných vlastností produktu, zejména konečného rozdělení velikosti krystalů a fáze. Obecně platí, že při nízkém přesycení mohou krystaly růst rychleji než nukleují, což vede k větší velikosti krystalů. Při vyšším přesycení dominuje nukleace růstu krystalů, což nakonec vede k menším krystalům.

Typickým způsobem, jak vytvořit přesycení, je rozpustit látku v rozpouštědle při zvýšené teplotě a poté roztok ochladit. Jak se teplota snižuje, systém vstupuje do metastabilního přesyceného stavu; při dalším ochlazování je dosaženo metastabilního limitu. V tomto okamžiku nastává proces nukleace, přesycení se sníží nebo skončí a koncentrace rozpuštěné látky v kapalné fázi nakonec dosáhne rovnováhy na křivce rozpustnosti.

Nukleace je vznik nových krystalových jader – buď spontánně z roztoku (primární nukleace), nebo za přítomnosti existujících krystalů (sekundární nukleace). Růst krystalů je zvětšování velikosti (přesněji „charakteristické délky“) krystalů, když se z roztoku ukládá rozpuštěná látka. Vztah mezi přesycením, nukleací a růstem je definován známou sadou (poněkud zjednodušených) rovnic, které poprvé uvedl Nyvlt.

Pro organické krystalizační systémy je hodnota řádu růstu (g) obvykle mezi 1 a 2 a hodnota řádu nukleace (b) obvykle mezi 5 a 10. Když tyto rovnice vykreslíme pro teoretický organický krystalizační proces, význam přesycení je jasný. Při nízkém přesycení mohou krystaly růst rychleji než nukleovat, což vede k většímu rozptylu velikosti krystalů. Nicméně při vyšším přesycení dominuje nukleace růstu krystalů, což nakonec vede k menším krystalům. Na obrázku napravo, který vztahuje přesycení k nukleaci, růstu a velikosti krystalů, je jasně vidět, jak je kontrola přesycení zásadní pro tvorbu krystalů požadované velikosti a rozptylu.

Moderní techniky, jako je FTIR spektroskopie s metodou zeslabené totální reflexe (ATR), umožňují rychle a snadno sledovat křivky rozpustnosti a kontinuálně monitorovat aktuální úroveň přesycení během celého krystalizačního experimentu. Rychlejší rychlosti ochlazování vedou k nukleaci při nižších teplotách a k nejvyšší úrovni přesycení během celého procesu. Velmi pomalé ochlazování vede k vyšší teplotě nukleace a nízkému přesycení během celého procesu. Jednohodinové kubické ochlazování (zpočátku pomalé a na konci rychlé) má střední úroveň přesycení během celého procesu. Vyšší přesycení vede k nejmenším krystalům – protože nukleace bude preferována před růstem.

METTLER TOLEDO nabízí sadu procesních analytických technologií na podporu výzkumu a vývoje (R&D) krystalizace a výroby produktů.  Tyto technologie lze používat samostatně nebo v kombinaci s automatizovaným chemickým reaktorem, čímž vzniká integrovaná krystalizační pracovní stanice.  Technologie zahrnují:

• ReactIR – Inline, in-situ FTIR měří koncentrace ve fázi roztoku v reálném čase pro studium rozpustnosti a přesycení a zkoumá kinetiku a termodynamiku polymorfismu v krystalizačních studiích solutu a rozpouštědla.
  
• Ramanovy spektrometry -  Inline ReactRaman sleduje tvorbu částic a krystalizaci in situ v závislosti na čase v rozpouštědle nebo suspenzi a monitoruje změny krystalové formy, jak se metastabilní polymorfy přeměňují na termodynamicky stabilní formy.
• ParticleTrack—Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM) je průmyslový standard pro měření částic během procesu. Poskytuje velmi přesnou distribuci délek chord (CLD), citlivou na velikost a počet částic, v reálném čase bez nutnosti odběru vzorků nebo přípravy vzorku.
• EasyViewer s iC Vision– Inline analyzátor velikosti částic poskytuje snímky krystalů, precipitátů a částic v reálném čase. iC Vision poskytuje analýzu obrazu částic pro sledování změn procesu s intuitivními analytickými nástroji a kvantifikuje velikost a tvar částic pomocí přizpůsobitelných algoritmů. 

Yun Cao, Shichao Du, Xiao Ke, Shijie Xu, Yangshan Lan, Teng Zhang, Weiwei Tang, Jingkang Wang a Junbo Gong, „Interakce mezi termodynamikou a kinetikou při polymorfním chování vortioxetin hydrobromidu v reaktivní krystalizaci“, Org. Process Res. Dev, 2020, 24, 1233−1243.

Reaktivní krystalizace je spojena se zvýšenou úrovní přesycení pro krystalické sloučeniny vzniklé chemickou reakcí.  V této práci autoři zkoumali vliv rozpouštědel a přesycení na polymorfismus u vortioxetin hydrobromidu připraveného reaktivní krystalizací.  Experimenty byly provedeny ve čtyřech různých rozpouštědlech s definovaným počátečním přesycením a byla zkoumána role termodynamiky a kinetiky při tvorbě a přeměně dvou polymorfů.  Pro lepší pochopení mechanismu této reaktivní krystalizace byl použit in-situ IR (ReactIR).

Polymorf B byl identifikován jako stabilní forma a metastabilní polymorf A byl preferován při vysokých přesyceních ve všech čtyřech testovaných rozpouštědlech.  Dále zjistili, že polymorf A vzniká v rozpouštědlech s nízkou schopností přijímat vodíkové vazby.  Měření ReactIR ukázala, že vliv kinetiky reakce na polymorfismus nebyl problémem.  Měření ReactIR spolu s práškovou rentgenovou difrakcí byla také použita k sledování reaktivní krystalizace a polymorfní přeměny.  Výzkumníci uvádějí, že nukleace a růst formy B byly určujícími kroky a rychlost přeměny se výrazně zvyšuje s rozpustností vortioxetin hydrobromidu a počátečním přesycením.

Dan Du, Guo-Bin Ren, Ming-Hui Qi, Zhong Li a Xiao-Yong Xu, „Polymorfní transformace famoxadonu z formy II do formy I v několika směsných rozpouštědlových systémech“, Crystals, 2019, 9, 161.

Autoři zkoumali polymorfismus u léčiva famoxadon a prokázali přítomnost 6 polymorfů.  Provedli studii polymorfní transformace řízené rozpouštědlem (SMPT) z metastabilní formy II do stabilní formy I pomocí in-situ PAT technologie.  Měření ParticleTrack FBRM sledovalo změnu délky chordu a ReactIR s in-situ sondou monitoroval koncentrace v roztoku v závislosti na čase. Proces SMPT byl prováděn v automatizovaném laboratorním reaktoru EasyMax s analytickými sondami.

Uvádějí, že proces polymorfní transformace famoxadonu má tři fáze: rozpouštění metastabilní formy, následovanou nukleací a růstem stabilní formy.  Tato transformace je způsobena rozdílem v rozpustnosti obou polymorfů a výslednou úrovní přesycení stabilní formy I během krystalizace.  Zjistili, že proces je poměrně rychlý, a po 5 minutách suspendovaná forma II zmizela a délka chordu spojená s růstem formy I vzrostla.  Koncentrace roztoku a přesycení rychle klesaly, což bylo spojeno s růstem formy I. Výsledky měření PAT a XRD ukázaly, že z 6 polymorfů famoxadonu je forma I termodynamicky stabilní a že růst formy I je rychlostně určujícím krokem v polymorfní transformaci řízené rozpouštědlem.

Teng Zhang, Yumin Liu, Shichao Du, Songgu Wu, Dandan Han, Shiyuan Liu a Junbo Gong, „Řízení polymorfů zkoumáním vlivu rozpouštědla a přesycení na clopidogrel hydrogen síran v reaktivní krystalizaci“, Cryst. Growth Des, 2017, 17, 6123−6131.

Autoři uvádějí, že metastabilní polymorfní léky často vykazují lepší biologickou dostupnost a mohou být náročné na výrobu a udržení kvůli možné přeměně na stabilnější polymorf. Jejich výzkum se zaměřil na reaktivní krystalizaci clopidogrel hydrogen síranu (CHS) a zkoumání dvou forem sloučeniny s ohledem na rozpouštědlo a úrovně přesycení.  Pro určení souvislosti mezi interakcemi rozpouštědlo-rozpouštěná látka a následným polymorfismem byl použit in-situ ATR-IR (ReactIR) k průběžnému monitorování koncentrace rozpouštěné látky a kontrole přesycení během krystalizace a FBRM (ParticleTrack) k monitorování počtu částic.  Polymorfy byly zkoumány v devíti různých rozpouštědlech s různým přesycením a reakce byly prováděny v automatizovaném laboratorním reaktoru (EasyMax).

Byly prezentovány údaje o přesycení a tvorbě polymorfů CHS v 2-propanolu a 2-butanolu, které vedly k formě II a formě I, a ATR-FTIR a FBRM sledovaly kinetiku a koncentraci CHS v reaktivní krystalizaci v reálném čase. Různé úrovně přesycení byly dosaženy změnou množství clopidogrelu a kyseliny sírové. Z této práce autoři zjistili, že indukční doba nukleace je kineticky určujícím krokem a přesycení je hlavním faktorem pro tvorbu polymorfů CHS v reaktivní krystalizaci v těchto dvou různých rozpouštědlech. Pro podmínky a rozpouštědla použitá v těchto experimentech zjistili, že termodynamicky stabilní polymorf je získán při s < 18, zatímco metastabilní forma se tvoří při vyšší úrovni přesycení (s > 21).