التشبع الفائق هو حالة فيزيائية غير متوازنة تحتوي فيها المحلول على كمية من المذاب تفوق ذوبانيته عند التوازن، وذلك حسب ظروف مثل درجة الحرارة والضغط في النظام. يُستخدم مصطلح التشبع الفائق أيضًا لوصف المستوى الذي تتجاوز فيه تركيزات المذاب ذوبانيته عند ظروف معينة، ويُعبر عنه كالتالي:
ΔC (التشبع الفائق) = C (التركيز الفعلي) – C* (الذوبانية).
ما هو التشبع الفائق؟
7 آليات رئيسية للتبلور
الدليل المجاني
تتم عملية التبلور من خلال سلسلة من الآليات المترابطة التي تتأثر بشكل فريد باختيار معايير العملية: التكوين النووي، النمو، الانفصال الزيتي، التكتل، الكسر، التلقيح، وانتقال الشكل البلوري.
غالبًا ما تحدث هذه الآليات في نفس الوقت، مما يجعل تصميم التبلور فعالًا تحديًا. بدون فهم آلي، يعتمد العلماء على التجربة والخطأ لضبط معايير العملية وتحسين العائد والنقاء وحجم البلورات. من خلال فهم الآليات التي تحدث أثناء التبلور، يمكن للعلماء تبني استراتيجيات لتقديم منتج بلوري بخصائص مرغوبة.
اقرأ دليلنا "7 آليات تبلور مخفية بين عيناتك" لتتعرف على كيفية تأثير الآليات على نتيجة عملية التبلور الخاصة بك.
لماذا يعتبر التشبع الفائق مهمًا؟
التشبع الفائق مهم لأنه القوة الدافعة لكل من تكوين البلورات ونموها. التحكم في التشبع الفائق هو المفتاح لتحقيق الخصائص المرغوبة للمنتج، وخاصة توزيع حجم البلورات النهائي والطور البلوري. بشكل عام، عند التشبع الفائق المنخفض، يمكن للبلورات أن تنمو أسرع من تكوينها النووي، مما يؤدي إلى حجم بلوري أكبر. عند التشبع الفائق العالي، يهيمن تكوين البلورات على نموها، مما يؤدي في النهاية إلى بلورات أصغر.
كيف تتحكم في التشبع الفائق؟
طريقة نموذجية لتوليد التشبع الفائق هي إذابة مادة في مذيب عند درجة حرارة مرتفعة ثم تبريد المحلول. مع انخفاض درجة الحرارة، يدخل النظام في حالة التشبع الفائق غير المستقر؛ ومع استمرار التبريد، سيتم الوصول إلى الحد غير المستقر. عند هذه النقطة، ستحدث عملية التبلور، ويتناقص التشبع الفائق أو ينتهي، وفي النهاية يصل تركيز المذاب في الطور السائل إلى التوازن عند منحنى الذوبانية.
التبلور مقابل النمو البلوري
التبلور هو ولادة نوى بلورية جديدة – إما تلقائيًا من المحلول (التبلور الأولي) أو بوجود بلورات موجودة (التبلور الثانوي). نمو البلورات هو زيادة في الحجم (أو بدقة أكبر "الطول المميز") للبلورات مع ترسيب المذاب من المحلول. العلاقة بين التشبع الفائق، التبلور، والنمو تعرف بمجموعة معروفة من المعادلات (مبسطة إلى حد ما) التي وضعها نيفلت لأول مرة.
بالنسبة لأنظمة التبلور العضوية، تكون قيمة رتبة النمو (g) عادة بين 1 و2 وقيمة رتبة التبلور (b) عادة بين 5 و10. عند رسم هذه المعادلات لعملية تبلور عضوي نظرية، يتضح أهمية التشبع الفائق. عند التشبع الفائق المنخفض، يمكن للبلورات أن تنمو أسرع من تكوينها، مما يؤدي إلى توزيع حجم بلوري أكبر. ومع ذلك، عند التشبع الفائق الأعلى، يهيمن التبلور على نمو البلورات، مما يؤدي في النهاية إلى بلورات أصغر. في الشكل على اليمين، توضح العلاقة بين التشبع الفائق والتبلور والنمو وحجم البلورات بوضوح مدى أهمية التحكم في التشبع الفائق عند إنشاء بلورات بالحجم والتوزيع المطلوبين.
تسمح التقنيات الحديثة، مثل مطيافية FTIR مع الانعكاس الكلي المخفف (ATR)، تطوير آثار الذوبانية بسرعة وسهولة، ومراقبة مستوى التشبع الفائق السائد باستمرار طوال تجربة التبلور. تؤدي معدلات التبريد الأسرع إلى التبلور عند درجات حرارة أقل وأعلى مستوى من التشبع الفائق طوال العملية. يؤدي التبريد البطيء جدًا إلى درجة حرارة تبلور أعلى وتشبع فائق منخفض طوال العملية. التبريد المكعب لمدة ساعة واحدة (بطيء في البداية وسريع في النهاية) له مستوى متوسط من التشبع الفائق طوال الوقت. يؤدي التشبع الفائق الأعلى إلى أصغر البلورات – لأن التبلور سيكون مفضلًا على النمو.
التقنية للتشبع الفائق
تقدم METTLER TOLEDO مجموعة من تقنيات التحليل العملياتي لدعم أبحاث وتطوير التبلور (R&D) وتصنيع المنتجات. يمكن استخدام هذه التقنيات بشكل مستقل أو بالاشتراك مع مفاعل كيميائي آلي، مكونة محطة عمل متكاملة للتبلور. تشمل هذه التقنيات:
- ReactIR – FTIR داخل الخط، يقيس تراكيز الطور المحلول في الوقت الحقيقي لدراسات الذوبانية والتشبع الفائق ويدرس الحركيات والديناميكا الحرارية للتعدد البلوري في دراسات التبلور المذاب-المذيب.
- مطيافات رامان - يتتبع ReactRaman داخل الخط تكوين الجسيمات والتبلور في الموقع كدالة للزمن في المذيب أو الملاط ويراقب تغييرات شكل البلورة مع تحول التعدد البلوري غير المستقر إلى أشكال مستقرة ديناميكيًا.
- ParticleTrack—قياس الانعكاس بالليزر المركّز (FBRM) هو التقنية المعيارية الصناعية لقياس الجسيمات أثناء العملية. يقدم توزيع طول الوتر (CLD) بدقة عالية، حساس لحجم وعدد الجسيمات، في الوقت الحقيقي دون الحاجة إلى أخذ عينات أو تحضيرها.
- EasyViewer مع iC Vision – محلل حجم الجسيمات داخل الخط يوفر صورًا في الوقت الحقيقي للبلورات والرواسب والجسيمات. يوفر iC Vision تحليل صور الجسيمات لمراقبة تغييرات العملية مع تحليلات بديهية ويقيس حجم وشكل الجسيمات بخوارزميات قابلة للتخصيص.
مقال مميز: دور الحركية والديناميكا الحرارية في التبلور التفاعلي لمادة فعالة
ReactIR يدرس الحركيات وآلية التعدد البلوري
يون كاو، شيشاو دو، شياو كه، شيجيه شو، يانغشان لان، تينغ تشانغ، وي وي تانغ، جينغكانغ وانغ، وجونبو جونغ، "التفاعل بين الديناميكا الحرارية والحركية على السلوك متعدد الأشكال لهيدروبروميد فورتيوكستين في التبلور التفاعلي"، Org. Process Res. Dev, 2020، 24، 1233−1243.
يرتبط التبلور التفاعلي بمستويات مرتفعة من التشبع الفائق للمركبات البلورية التي تتكون من التفاعل الكيميائي. في هذا العمل، درس المؤلفون تأثير المذيبات والتشبع الفائق على تعدد الأشكال في هيدروبروميد فورتيوكستين المحضر بواسطة التبلور التفاعلي. أُجريت التجارب في أربعة مذيبات مختلفة مع تشبع فائق ابتدائي محدد، وتم التحقيق في دور الديناميكا الحرارية والحركية في تكوين وتحويل الشكلين متعدد الأشكال. لفهم أفضل لآلية هذا التبلور التفاعلي، تم استخدام الأشعة تحت الحمراء الموضعي (ReactIR).
تم تحديد الشكل متعدد الأشكال B كشكل مستقر، وكان الشكل متعدد الأشكال غير المستقر A مفضلاً عند التشبع الفائق العالي في المذيبات الأربعة المختبرة. كما حددوا أن الشكل A يتكون في المذيبات ذات القدرة المنخفضة على قبول روابط الهيدروجين. أظهرت قياسات ReactIR أن تأثير حركية التفاعل على تعدد الأشكال لم يكن مشكلة. استخدمت قياسات ReactIR إلى جانب دراسات حيود الأشعة السينية على المسحوق لمتابعة التبلور التفاعلي والتحول متعدد الأشكال. أفاد الباحثون أن التكوين والنمو للشكل B كانا الخطوة المسيطرة، وأن معدل التحويل يزداد بشكل كبير مع ذوبانية هيدروبروميد فورتيوكستين والتشبع الفائق الابتدائي.
مقال مميز: التحول متعدد الأشكال بواسطة المذيب
ReactIR و ParticleTrack تتبع التشبع الفائق ونمو بلورات الشكل متعدد الأشكال المستقر
دان دو، قو-بين رين، مينغ-هوي تشي، تشونغ لي وشياو-يونغ شو، "التحول متعدد الأشكال بواسطة المذيب لفاموكسادون من الشكل II إلى الشكل I في عدة أنظمة مذيبات مختلطة"، Crystals، 2019، 9، 161.
درس المؤلفون تعدد الأشكال في الدواء فاموكسادون وأظهروا وجود 6 أشكال متعددة الأشكال. قاموا بالتحقيق في التحول متعدد الأشكال بواسطة المذيب (SMPT) من الشكل غير المستقر II إلى الشكل المستقر I باستخدام تقنية PAT الموضعي. قياسات ParticleTrack FBRM قاست تغير طول الوتر وReactIR مع مسبار موضعي راقب تركيزات المحلول كدالة للزمن. تم إجراء عملية SMPT في نظام مفاعل مختبر آلي EasyMax مع مجسات تحليلية.
ذكروا أن عملية التحول متعدد الأشكال لفاموكسادون تتكون من ثلاث مراحل تشمل ذوبان الشكل غير المستقر، يليه تكون ونمو الشكل المستقر. يحدث هذا التحول بسبب فرق الذوبانية بين الشكلين متعدد الأشكال ومستوى التشبع الفائق الناتج للشكل المستقر I أثناء التبلور. وجدوا أن العملية سريعة جدًا، وبعد 5 دقائق، اختفى الشكل II المعلق، وزاد طول الوتر المرتبط بنمو الشكل I. انخفضت تركيزات المحلول والتشبع الفائق بسرعة، وهو ما ارتبط بنمو الشكل I. أظهرت نتائج قياسات PAT وXRD أن من بين الأشكال الستة لفاموكسادون، الشكل I هو الشكل المستقر ديناميكيًا حراريًا وأن عملية نمو الشكل I هي الخطوة المحددة للمعدل في التحول متعدد الأشكال بواسطة المذيب.
مقال مميز: المذيب والتشبع الفائق يتحكمان في تعدد الأشكال
ReactIR و ParticleTrack و EasyMax تدعم قياس الذوبانية/التشبع الفائق والتحكم في الجسيمات
تينغ تشانغ، يومين ليو، شيشاو دو، سونغغو وو، داندان هان، شييوان ليو، وجونبو جونغ، "التحكم في تعدد الأشكال من خلال دراسة تأثيرات المذيب والتشبع الفائق على كبريتات هيدروجين كلوبيدوجريل في التبلور التفاعلي"، Cryst. Growth Des، 2017، 17، 6123−6131.
يذكر المؤلفون أن الأدوية متعددة الأشكال غير المستقرة غالبًا ما تظهر توافرًا حيويًا محسنًا وقد تكون صعبة الإنتاج والصيانة بسبب إمكانية التحول إلى شكل متعدد الأشكال أكثر استقرارًا. ركز بحثهم على التبلور التفاعلي لكبريتات هيدروجين كلوبيدوجريل (CHS) ودراسة الشكلين للمركب بالنسبة للمذيب ومستويات التشبع الفائق. لتحديد الصلة بين تفاعلات المذيب والمذاب والتعددية الناتجة، استخدموا ATR-IR الموضعي (ReactIR) لمراقبة تركيز المذاب باستمرار والتحكم في التشبع الفائق أثناء التبلور، واستخدموا FBRM (ParticleTrack) لمراقبة أعداد الجسيمات. تم دراسة الأشكال متعددة الأشكال في تسعة مذيبات مختلفة مع تشبع فائق مختلف، وأُجريت التفاعلات في مفاعل مختبري آلي (EasyMax).
تم تقديم بيانات عن التشبع الفائق وتكوين متعدد الأشكال لـ CHS في 2-بروبانول و2-بيوتانول لإنتاج الشكل II والشكل I على التوالي، ورصدت ATR-FTIR وFBRM الحركيات وتركيز CHS في الوقت الحقيقي أثناء التبلور التفاعلي. تم الحصول على مستويات تشبع فائق مختلفة بتغيير كميات كلوبيدوجريل وحمض الكبريتيك. من هذا العمل، حدد المؤلفون أن فترة تحريض التكوين هي الخطوة المحددة للحركية وأن التشبع الفائق هو المحرك الرئيسي لتكوين متعدد الأشكال في التبلور التفاعلي لـ CHS في المذيبين المختلفين. بالنسبة للظروف والمذيبات المستخدمة في هذه التجارب، وجدوا أن الشكل متعدد الأشكال المستقر ديناميكيًا حراريًا يتم الحصول عليه عند s < 18، في حين يتكون الشكل غير المستقر عند مستوى تشبع فائق أعلى (s > 21).
التطبيقات
المنشورات
التشبع الفائق في المنشورات الحديثة
- Barrett, M., McNamara, M., Hao, H., Barrett, P., & Glennon, B. (2010). تتبع التشبع الفائق لتطوير وتحسين والتحكم في عمليات التبلور. Chemical Engineering Research and Design, 88(8), 1108–1119. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2010.02.010
- Tacsi, K., Gyürkés, M., Csontos, I., Farkas, A., Borbás, E., Nagy, Z. K., Marosi, G., & Pataki, H. (2019). التحكم في تركيز الأشكال البلورية المتعددة للتبلور باستخدام مطيافية رامان والانعكاس الكلي الممتص للأشعة فوق البنفسجية والمرئية. Crystal Growth & Design, 20(1), 73–86. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b00539
- Szilagyi, B., Eren, A., Quon, J. L., Papageorgiou, C. D., & Nagy, Z. K. (2020). تطبيق الجودة عن طريق التحكم (QbC) بدون نموذج وباستخدام نموذج لتصميم فعال لعمليات التبلور الصيدلانية. Crystal Growth & Design, 20(6), 3979–3996. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.0c00295
- Ezeanowi, N., Pajari, H., Laitinen, A., & Koiranen, T. (2020). مراقبة ديناميكيات مبرد أنبوبي مستمر معالج بالموجات فوق الصوتية. Crystal Growth & Design, 20(3), 1458–1466. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b01103
- Milella, F., & Mazzotti, M. (2019). تقدير حركيات النمو والذوبان لبيكربونات الأمونيوم في محاليل الأمونيا المائية من تجارب التبلور الدفعي. 2. تأثير شوائب الكبريتات. Crystal Growth & Design, 20(2), 948–963. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b01315
- Ostergaard, I., Szilagyi, B., de Diego, H. L., Qu, H., & Nagy, Z. K. (2020). التحكم في الأشكال البلورية المتعددة واستراتيجية التكبير لعملية التبلور باستخدام المذيب المضاد مع التحكم المباشر في التبلور. Crystal Growth & Design, 20(4), 2683–2697. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.0c00101
- Sirota, E., Kwok, T., Varsolona, R. J., Whittaker, A., Andreani, T., Quirie, S., Margelefsky, E., & Lamberto, D. J. (2021). تطوير عملية التبلور للمرحلة النهائية من التخليق البيوكاتاليزي لـ Islatravir: هندسة بلورية شاملة لدواء بجرعة منخفضة. Organic Process Research & Development, 25(2), 308–317. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00520
- Nicoud, L., Licordari, F., & Myerson, A. S. (2018). تقدير ذوبانية الأشكال البلورية غير المستقرة: مراجعة نقدية. Crystal Growth & Design, 18(11), 7228–7237. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b01200
- Nývlt, J. (1968). حركيات التبلور في المحاليل. Journal of Crystal Growth, 3–4, 377–383. https://doi.org/10.1016/0022-0248(68)90179-6
المنتجات ذات الصلة
رد فعل IR
تمكن مطياف FTIR في الموقع العلماء من اكتساب نظرة ثاقبة لتفاعلاتهم وعملياتهم في مجموعة واسعة من التطبيقات. تحسين متغيرات التفاعل باستخدام أدوات FTIR المضمنة.
محللات حجم الجسيمات
فهم الجسيمات والقطرات وتحسينها والتحكم فيها في الوقت الفعلي باستخدام أجهزة تحليل حجم الجسيمات المضمنة.
مفاعلات التخليق الكيميائي
زد من إنتاجيتك في مختبرك باستخدام مفاعلات التخليق الكيميائي المزودة بأدوات أتمتة مدمجة.
رد فعل رامان
تمكن مطياف رامان في الموقع العلماء من قياس اتجاهات التفاعل والمعالجة في الوقت الفعلي ، مما يوفر معلومات دقيقة حول الحركية والتحولات متعددة الأشكال والآليات.
جناح التوسع
برنامج تطوير العمليات وتوسيع نطاقه الرائد في العالم للعلماء والمهندسين.