Identificación y control del polimorfismo

Los materiales cristalinos se pueden caracterizar y distinguir según la estructura de su célula unitaria. El fenómeno de una especie química que muestra más de una posible configuración de células unitarias se conoce como “polimorfismo”. Muchos materiales cristalinos pueden formar diferentes polimorfos para minimizar su energía de red cristalina en condiciones termodinámicas específicas. Aunque la naturaleza química sigue siendo la misma, las propiedades físicas (solubilidad, disolución, nucleación y cinética de formación, biodisponibilidad, morfología y propiedades de aislamiento) pueden variar de un polimorfo a otro.

Figura (derecha): célula unitaria de red cristalina. Los polimorfos muestran distintos ángulos (α, β y γ) y distancias (a, b y c).

El conocimiento sobre la estabilidad de las formas cristalinas y unas condiciones de procesamiento estrictamente controladas son fundamentales para obtener el polimorfo deseado. A menudo, un simple cambio en la temperatura, la agitación o la composición del disolvente puede provocar que el material se transforme de una forma metaestable (energía local mínima) a una forma estable (energía global mínima).

Las curvas de solubilidad de los polimorfos enantiotrópicos se cruzan en un punto específico del diagrama de fases; por ejemplo, a una cierta temperatura. En el gráfico de la derecha, puede verse que, a temperaturas más altas, el polimorfo 1 es estable (menor solubilidad) y que, a temperaturas más bajas, el polimorfo 2 también es estable (menor solubilidad). Los cristales del polimorfo 1, que se nuclean y forman a temperaturas más elevadas, suelen transformarse en cristales del polimorfo 2 cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura de transición.

Los cambios de la estructura cristalina a menudo implican un cambio en la forma externa, lo que puede influir notablemente en el aislamiento y las propiedades posteriores.

Si los cristales en forma de cubo se transforman en plaquetas finas, el tiempo de filtración puede aumentar de manera considerable debido a la compactación del material en el filtro. Si la transformación da lugar a un disolvente, suelen aumentarse los tiempos de secado hasta que se evapora el disolvente adicional. Si los formuladores están acostumbrados a los cristales prismáticos y de repente tienen que trabajar con agujas, la formulación del producto final podría no ser factible. Una forma polimórfica más estable suele mostrar una menor solubilidad, lo que reducirá la biodisponibilidad y el rendimiento in vivo, y hará que un fármaco sea menos eficaz.

La detección tardía de un polimorfo más estable puede, por tanto, tener consecuencias desastrosas en la administración de un medicamento e incluso causar conflictos de patentes en caso de que la forma más estable ya esté patentada.

En la mayoría de las cristalizaciones, es necesario obtener el mismo polimorfo y morfología para cada lote, ya que un polimorfo incorrecto haría que el producto fuera inaceptable. Sin embargo, en la cristalización, es habitual que primero aparezcan una forma y morfología inestables y, más tarde, se transformen en una forma estable. El análisis de puntos finales fuera de línea documentará la forma final, pero pasará por alto la información sobre si la transformación del polimorfismo tuvo lugar en una etapa más temprana del proceso.

El uso de herramientas analíticas in situ resulta esencial para conocer mejor el comportamiento de la cristalización a lo largo de todo el proceso. Las tendencias de recuento y tamaño de las partículas in situ, así como las imágenes del proceso in situ registran el cambio de morfología con el transcurso del tiempo. Esto permite investigar el impacto de los parámetros de procesamiento, como la temperatura, la agitación y la composición de los disolventes, en la morfología y la cinética de transformación en cualquier punto del proceso.

En algunos casos, pueden aparecer nuevas formas polimórficas durante el desarrollo y resulta esencial acelerar la identificación. En otros casos, se conoce la presencia de más de un polimorfo y se requiere una transición durante el proceso para producir el polimorfo deseado. En ambos casos, es útil aplicar la metodología PAT para asegurar que la transición del polimorfo menos estable a otro más estable se produzca de modo uniforme en todas las escalas y condiciones de funcionamiento.

En este ejemplo, se estudia una transformación polimórfica. Tanto el RBI como las imágenes obtenidas por microscopía en tiempo real ofrecen información detallada e inequívoca sobre el proceso. Cuando se añade el iniciador, la nucleación se produce al instante, como indica el rápido incremento de la señal de RBI correspondiente a la formación de cristales. Mientras la temperatura permanece constante a 50 °C, el RBI alcanza un estado estable, pero pronto vuelve a aumentar rápidamente, lo que señala que ha tenido lugar un segundo evento de nucleación. La comprobación de las imágenes obtenidas por microscopía en tiempo real confirma la presencia de una segunda morfología cristalina que se ha nucleado, la cual puede verificarse como una forma polimórfica diferente mediante un análisis de XRD fuera de línea.

Con el tiempo, se produce la transición de la forma menos estable a la más estable, hasta que la tendencia del RBI vuelve a alcanzar un estado estable y las imágenes obtenidas por microscopía en tiempo real muestran que solo se mantienen los cristales en forma de aguja.

Este caso práctico demuestra la facilidad con la que los científicos pueden conseguir información sumamente útil del proceso por medio de la metodología PAT, que resulta sencilla de implementar y requiere muy pocos conocimientos sobre los análisis de datos.

La microscopía en tiempo real ParticleView es una herramienta PAT fácil de usar que registra imágenes a alta resolución de partículas y estructuras de partículas tal y como existen de forma natural en el proceso. Cada imagen se analiza en tiempo real, lo que proporciona una tendencia simple que sigue el tamaño, el recuento y la forma de las partículas en condiciones de proceso reales.

A pesar de ser sumamente eficaz en la identificación de varios polimorfos, el procesamiento de imágenes suele requerir una técnica secundaria para distinguir entre polimorfos. La espectroscopia Raman ofrece una potente técnica que permite diferenciar los polimorfos deseados observando las diferencias a nivel molecular. Raman usa el cambio en la polarización o la deformación de la nube de electrones de un enlace molecular. Las moléculas muestran patrones vibratorios de huella digital y un espectrómetro Raman puede identificar distintos polimorfos por sus huellas características.

Los polimorfos son compuestos químicos que, aunque tienen la misma fórmula química, presentan una estructura reticular diferente. Las diferencias en la longitud y el ángulo de los enlaces darán lugar a una huella digital distinta que permitirá al usuario de Raman controlar el polimorfismo a lo largo del tiempo.

El análisis de reacciones que se basa en estas huellas moleculares permite a los científicos medir los procesos de cristalización y los cambios polimórficos en tiempo real, con lo que obtienen información sobre:

• La cinética de la reacción
• El mecanismo
• Las vías
• La influencia de las variables de las reacciones en los productos de reacción

Gracias al uso de la espectroscopia Raman in situ, el usuario realiza un seguimiento directo de los reactantes, reactivos, productos intermedios, productos y subproductos a medida que cambian durante el curso de la reacción.  Raman proporciona información crítica a los científicos durante su investigación, desarrollo y optimización de compuestos químicos y procesos de cristalización.

En iC Raman 7, se generan fácilmente las tendencias cinéticas (derecha) relativas a la conversión de la forma 1 en la forma 2.

Rendimiento sólido. ReactRaman combina unas prestaciones inmejorables con un diseño flexible. El espectrómetro es pequeño, ligero y térmicamente estable, lo que ofrece resultados excepcionales dondequiera que se necesite.

Resultados rápidos y exactos. ReactRaman está optimizado para el control in situ y ofrece espectros precisos y sensibles que se pueden convertir fácilmente en resultados con One Click Analytics™ en iC Raman 8.

Plataforma integrada. Se combina con infrarrojo medio, la caracterización de partículas y los reactores químicos automatizados para un entendimiento y control exhaustivos.

Experiencia compartida. Con más de 30 años de experiencia en el análisis de reacciones, nos comprometemos a desarrollar soluciones de alto rendimiento para que los científicos puedan resolver problemas químicos difíciles.

La cristalización es una operación de unidad de varios pasos que depende del control eficaz del proceso para obtener un producto final con las propiedades deseadas. Una estación de control de polimorfismo con tecnología analítica de procesos (PAT) in situ proporciona el control necesario sobre todos los parámetros esenciales:

• Temperatura, agitación, pH y dosificación con un reactor de síntesis química
• Morfología de partículas y mecanismos complejos con microscopía en tiempo real
• Obtención de transformaciones polimórficas y físicas con el espectrómetro Raman de ReactRaman

Una estación de control de polimorfismo con PAT in situ proporciona datos de procesamiento en tiempo real para una interpretación inmediata, lo que reduce sustancialmente el tiempo de desarrollo y el coste del trabajo analítico fuera de línea. 

Visto desde fuera, puede parecer que un proceso de cristalización está funcionando sin problemas. Sin embargo, los mecanismos de cristalización ocultos pueden afectar drásticamente al resultado final.

• La aglomeración puede atrapar las impurezas.
• El aceitado provoca un control deficiente.
• La nucleación secundaria ralentiza la filtración.

Esta guía práctica describe siete mecanismos ocultos que pueden influir en el proceso de cristalización y plantea estrategias para controlarlos.

• 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.