Oversaturation og krystallisering

Oversaturation er en ikke-ligevægt, fysisk tilstand, hvor en opløsning indeholder mere opløst stof, end ligevægtsopløseligheden tillader under givne betingelser såsom temperatur og tryk i systemet. Oversaturation bruges også til at beskrive det niveau, hvor koncentrationen af det opløste stof overstiger dets opløselighed under givne betingelser, udtrykt som:
ΔC (oversaturation) = C (aktuel koncentration) – C* (opløselighed). 

Krystallisering forløber gennem en række indbyrdes afhængige mekanismer, som unikt påvirkes af valget af procesparametre: nukleation, vækst, udfældning af olie, agglomerering, brud, såning og polymorf overgang.

Disse mekanismer forekommer ofte samtidigt, hvilket gør effektiv krystallisering design udfordrende. Uden mekanistisk forståelse må forskere stole på forsøg og fejl for at justere procesparametre og optimere udbytte, renhed og krystalstørrelse. Ved at forstå hvilke mekanismer der forekommer under krystallisering, kan forskere anvende strategier til at levere et krystalprodukt med de ønskede egenskaber.

Læs vores guide "7 krystalliseringmekanismer, der gemmer sig mellem dine prøver" for at lære, hvordan mekanismer kan påvirke resultatet af din krystallisering.

Oversaturation er vigtig, fordi det er drivkraften for både krystalnukleation og vækst.  Kontrol af oversaturation er nøglen til at opnå ønskede produktegenskaber, især den endelige krystalstørrelsesfordeling og fase. Generelt kan krystaller ved lav oversaturation vokse hurtigere end de nukleerer, hvilket resulterer i større krystalstørrelse. Ved højere oversaturation dominerer krystalnukleation krystalvækst, hvilket i sidste ende resulterer i mindre krystaller.

En typisk måde at generere overmætning på er at opløse et stof i et opløsningsmiddel ved forhøjet temperatur og derefter afkøle opløsningen. Når temperaturen sænkes, går systemet ind i den metastabile overmættede tilstand; efterhånden som afkølingen fortsætter, nås den metastabile grænse. På dette tidspunkt vil nukleationsprocessen finde sted, overmætningen vil aftage eller ophøre, og koncentrationen af opløst stof i væskefasen vil til sidst opnå ligevægt ved opløselighedskurven.

Nukleation er fødslen af nye krystalkorn – enten spontant fra opløsning (primær nukleation) eller i nærvær af eksisterende krystaller (sekundær nukleation). Krystalvækst er forøgelsen i størrelse (eller mere præcist "karakteristisk længde") af krystaller, efterhånden som opløst stof aflejres fra opløsningen. Forholdet mellem overmætning, nukleation og vækst defineres af et velkendt sæt af (noget forenklede) ligninger, først beskrevet af Nyvlt.

For organiske krystallisationssystemer ligger værdien af vækstordenen (g) typisk mellem 1 og 2, og værdien af nukleationsordenen (b) ligger typisk mellem 5 og 10. Når vi plottet disse ligninger for en teoretisk organisk krystallisationsproces, bliver vigtigheden af overmætning tydelig. Ved lav overmætning kan krystaller vokse hurtigere end de nukleerer, hvilket resulterer i en større fordeling af krystalstørrelser. Men ved højere overmætning dominerer krystaldannelse over krystalvækst, hvilket i sidste ende resulterer i mindre krystaller. Figuren til højre, som relaterer overmætning til nukleation, vækst og krystalstørrelse, illustrerer klart, hvor vigtigt det er at kontrollere overmætningen, når man ønsker at skabe krystaller med den ønskede størrelse og fordeling.

Moderne teknikker, såsom FTIR-spektroskopi med Attenuated Total Reflectance (ATR), gør det muligt hurtigt og nemt at udvikle opløselighedsspor og kontinuerligt overvåge det aktuelle niveau af overmætning gennem hele en krystallisationsproces. Hurtigere afkølingshastigheder resulterer i nukleation ved lavere temperaturer og det højeste niveau af overmætning gennem processen. En meget langsom afkøling resulterer i en højere nukleationstemperatur og lav overmætning gennem processen. En en-times kubisk afkøling (langsom først og hurtig til sidst) har et medium niveau af overmætning gennem hele processen. Højere overmætning resulterer i de mindste krystaller – da nukleation favoriseres frem for vækst.

METTLER TOLEDO tilbyder en række Process Analytical Technologies til støtte for krystallisationsforskning og udvikling (R&D) samt produktfremstilling. Disse teknologier kan anvendes enkeltvis eller i kombination med en automatiseret kemisk reaktor, hvilket danner en integreret Krystallisationsarbejdsstation. Teknologierne omfatter:

• ReactIR – Inline, in-situ FTIR måler koncentrationer i opløsningsfasen i realtid til opløseligheds- og overmætningstudier og undersøger kinetik og termodynamik af polymorfi i opløst stof-opløsningsmiddel krystallisationsstudier.
  
• Raman-spektrometre - Inline ReactRaman sporer partikel- og krystallisationsdannelse in situ som funktion af tid i opløsningsmiddel eller slurry og overvåger krystalformændringer, når metastabile polymorfer omdannes til termodynamisk stabile former.
• ParticleTrack—Focused Beam Reflectance Measurement (FBRM) er industristandardteknikken til måling af partikler under processen. Den rapporterer en meget præcis kordelængdefordeling (CLD), som er følsom over for partikelstørrelse og antal, i realtid uden behov for prøvetagning eller prøveforberedelse.
• EasyViewer med iC Vision– Inline partikelstørrelsesanalysator giver realtidsbilleder af krystaller, udfældninger og partikler. iC Vision leverer partikelbilledanalyse til overvågning af procesændringer med intuitive analyser og kvantificerer partikelstørrelse og form med tilpassede algoritmer. 

Yun Cao, Shichao Du, Xiao Ke, Shijie Xu, Yangshan Lan, Teng Zhang, Weiwei Tang, Jingkang Wang og Junbo Gong, “Interplay between Thermodynamics and Kinetics on Polymorphic Behavior of Vortioxetine Hydrobromide in Reactive Crystallization”, Org. Process Res. Dev, 2020, 24, 1233−1243.

Reaktiv krystallisering er forbundet med forhøjede niveauer af oversaturation for de krystallinske forbindelser, der dannes ved den kemiske reaktion.  I dette arbejde undersøgte forfatterne effekten af opløsningsmidler og oversaturation på polymorfisme i  vortioxetin hydrobromid fremstillet ved reaktiv krystallisering.  Eksperimenterne blev udført i fire forskellige opløsningsmidler med defineret initial oversaturation, og termodynamikkens og kinetikkens rolle i dannelsen og omdannelsen af de to polymorfer blev undersøgt.  For bedre at forstå mekanismen bag denne reaktive krystallisering blev in-situ IR (ReactIR) anvendt.

Polymorf B blev identificeret som den stabile form, og den metastabile polymorf A foretrak høje oversaturationsniveauer i de fire testede opløsningsmidler.  De fastslog også, at polymorf A dannedes i opløsningsmidler med lav evne til at acceptere hydrogenbindinger.  ReactIR-målingerne viste, at reaktionskinetikkens effekt på polymorfismen ikke var et problem.  ReactIR-målinger sammen med pulver-røntgendiffraktionsstudier blev også brugt til at følge den reaktive krystallisering og polymorfe omdannelse.  Forskerne rapporterer, at nukleation og vækst af form B blev fundet at være den kontrollerende proces, og omdannelseshastigheden øges betydeligt med vortioxetin hydrobromids opløselighed og initial oversaturation.

Dan Du, Guo-Bin Ren, Ming-Hui Qi, Zhong Li og Xiao-Yong Xu, “Solvent-Mediated Polymorphic Transformation of Famoxadone from Form II to Form I in Several Mixed Solvent Systems”, Crystals, 2019, 9, 161.

Forfatterne undersøgte polymorfisme i lægemidlet famoxadone og påviste tilstedeværelsen af 6 polymorfer.  De gennemførte en undersøgelse af opløsningsmiddel-medieret polymorf omdannelse (SMPT) fra metastabil form II til den stabile form I ved brug af in-situ PAT-teknologi.  ParticleTrack FBRM-målinger målte ændring i kordelængde, og ReactIR med in-situ probe overvågede opløsningskoncentrationer som funktion af tid. SMPT-processen blev udført i et EasyMax automatiseret laboratoriereaktorsystem med analytiske prober.

De angiver, at famoxadone polymorfe omdannelsesproces har tre faser bestående af opløsning af metastabil form, efterfulgt af nukleation og vækst af stabil form.  Denne omdannelse skyldes forskellen i opløselighed mellem de to polymorfer og det resulterende oversaturationsniveau af den stabile form I under krystalliseringen.  De fandt processen at være ret hurtig, og efter 5 minutter forsvandt den suspenderede form II, og kordelængden forbundet med væksten af form I steg.  Opløsningskoncentration og oversaturation faldt hurtigt, hvilket var forbundet med væksten af form I. Resultaterne af PAT- og XRD-målingerne viste, at blandt de 6 polymorfer af famoxadone er form I den termodynamisk stabile form, og at vækstprocessen af form I er den hastighedsbestemmende faktor i den opløsningsmiddel-medierede polymorfe omdannelse.

Teng Zhang, Yumin Liu, Shichao Du, Songgu Wu, Dandan Han, Shiyuan Liu og Junbo Gong, “Polymorph Control by Investigating the Effects of Solvent and Supersaturation on Clopidogrel Hydrogen Sulfate in Reactive Crystallization”, Cryst. Growth Des, 2017, 17, 6123−6131.

Forfatterne angiver, at metastabile polymorfe lægemidler ofte udviser forbedret biotilgængelighed og kan være udfordrende at producere og opretholde på grund af potentiel omdannelse til en mere stabil polymorf. Deres forskning fokuserede på reaktiv krystallisering af clopidogrel hydrogen sulfat (CHS) og undersøgte de to former af forbindelsen med hensyn til opløsningsmiddel og oversaturationsniveauer.  For at bestemme forbindelsen mellem opløsningsmiddel- og opløststof-interaktioner og den deraf følgende polymorfisme blev in-situ ATR-IR (ReactIR) brugt til kontinuerligt at overvåge opløststofkoncentration og kontrollere oversaturation under krystallisering, og FBRM (ParticleTrack) blev brugt til at overvåge partikelantal.  Polymorferne blev undersøgt i ni forskellige opløsningsmidler med forskellige oversaturationsniveauer, og reaktionerne blev udført i en automatiseret laboratoriereaktor (EasyMax).

Data blev præsenteret for oversaturation og polymorf dannelse af CHS i 2-propanol og 2-butanol for at frembringe henholdsvis form II og form I, og ATR-FTIR og FBRM overvågede kinetikken og den realtidskoncentration af CHS reaktive krystallisering. Forskellige oversaturationsniveauer blev opnået ved at ændre mængderne af clopidogrel og svovlsyre. Ud fra dette arbejde fastslog forfatterne, at nukleationsinduktionsperioden er den kinetisk bestemmende faktor, og at oversaturation er den primære drivkraft for polymorf dannelse af CHS reaktive krystallisering i de to forskellige opløsningsmidler. For de betingelser og opløsningsmidler, der blev brugt i disse eksperimenter, fandt de, at den termodynamisk stabile polymorf opnås ved s < 18, mens den metastabile form dannes ved højere oversaturationsniveau (s > 21).