Polimorfizm – kontrola i identyfikacja polimorfizmu

Materiały krystaliczne można scharakteryzować i rozróżnić w oparciu o strukturę ich komórki elementarnej. Zjawisko występowania jednej substancji chemicznej w więcej niż jednej konfiguracji komórki elementarnej jest znane jako polimorfizm. Wiele materiałów krystalicznych może tworzyć różne polimorfy w celu zminimalizowania energii sieci krystalicznej w określonych warunkach termodynamicznych. Podczas gdy charakter chemiczny pozostaje taki sam, właściwości fizyczne (rozpuszczalność, uwalnianie, zarodkowanie i kinetyka wzrostu, dostępność biologiczna, morfologia i właściwości izolacyjne) mogą się różnić między polimorfami.

Rysunek (po prawej): siatka komórki elementarnej – polimorfy wykazują różne kąty (α, β, γ) i odległości (a, b, c)

Wiedza na temat stabilności postaci krystalicznych i ściśle kontrolowane warunki przetwarzania mają zasadnicze znaczenie dla uzyskania pożądanego polimorfu. Często prosta zmiana temperatury, mieszanie lub skład rozpuszczalnika mogą spowodować zmianę materiału z postaci metastabilnej (lokalne minimum energetyczne) do postaci stabilnej (globalne minimum energetyczne).

Krzywe rozpuszczalności enancjotropowych polimorfów krzyżują się w określonym punkcie na wykresie fazowym; na przykład przy pewnej temperaturze. Wykres po prawej pokazuje, że w wyższych temperaturach polimorf 1 jest stabilny (niższa rozpuszczalność), podczas gdy w niższych temperaturach stabilny jest polimorf 2 (niższa rozpuszczalność). Kryształy polimorfu 1, zarodkowane i rozrastające się w wyższych temperaturach, często przekształcają się w kryształy polimorfu 2, gdy temperatura spada poniżej temperatury przejścia.

Zmiana struktury krystalicznej często oznacza zmianę kształtu zewnętrznego, która może mieć znaczący wpływ na izolację i dalsze właściwości.

Jeśli kryształy podobne do sześcianów zmieniają się w cienkie płytki, czas filtracji może być znacznie wydłużony z powodu zbrylania się materiału w filtrze. Jeśli transformacja tworzy solwat, często wydłuża to czas suszenia, aż do odparowania dodatkowego rozpuszczalnika. Jeśli formulatorzy są przyzwyczajeni do kryształów pryzmatycznych i nagle muszą pracować z igiełkowymi, sformułowanie końcowego produktu może nie być możliwe. Bardziej stabilna postać polimorficzna zazwyczaj wykazuje niższą rozpuszczalność, co zmniejszy dostępność biologiczną i wydajność in vivo, powodując, że lek będzie mniej skuteczny.

Późne odkrycie bardziej stabilnego polimorfu może zatem mieć katastrofalne skutki dla dostaw produktu leczniczego, a nawet spowodować konflikty patentowe, jeśli bardziej stabilna forma została już opatentowana.

W większości procesów krystalizacji konieczne jest uzyskanie tego samego polimorfu i morfologii dla każdej partii, ponieważ niewłaściwy polimorf spowodowałby, że produkt byłby nie do przyjęcia. Jednak w krystalizacji powszechne jest, że niestabilne formy i morfologie pojawiają się jako pierwsze, aby później przekształcić się do postaci stabilnej. Analiza punktów końcowych w trybie offline udokumentuje ostateczną formę, ale nie będzie zawierała informacji, czy wcześniej w tym procesie wystąpiła transformacja polimorficzna.

Użycie narzędzi analitycznych in situ jest kluczowe dla rozwoju wiedzy o zachowaniu krystalizacji w całym procesie. Trendy in situ wielkości i ilości cząstek, jak również obrazy procesu in situ, pozwalają rejestrować zmianę morfologii w czasie. Umożliwia to wykonywanie kluczowych badań wpływu parametrów procesu, takich jak temperatura, mieszanie i skład rozpuszczalnika na morfologię i kinetykę transformacji w dowolnym momencie procesu.

W niektórych przypadkach nowe formy polimorficzne mogą pojawiać się podczas rozwoju procesu, a ich szybka identyfikacja jest kluczowa. Za to w innych znana jest obecność więcej niż jednego polimorfu, a do wytworzenia tego pożądanego wymagane jest doprowadzenie do przemiany w procesie. W obu przypadkach przydatne jest zastosowanie metodologii PAT, aby zapewnić, że przejście z mniej stabilnego do bardziej stabilnego polimorfu zachodzi konsekwentnie we wszystkich skalach i warunkach operacyjnych.

W tym przykładzie badana jest transformacja polimorficzna. Zarówno obrazy RBI, jak i mikroskopowe w czasie rzeczywistym zapewniają szczegółowe i jednoznaczne zrozumienie procesu. Po dodaniu czynnika inicjującego zarodkowanie zachodzi natychmiast, na co wskazuje gwałtowny wzrost sygnału RBI odpowiadający tworzeniu się kryształów. Podczas gdy temperatura pozostaje stale na poziomie 50°C, RBI osiąga stan stabilny, ale wkrótce ponownie szybko wzrasta, wskazując, że wystąpiło drugie zarodkowanie. Sprawdzanie obrazów mikroskopowych w czasie rzeczywistym potwierdza zarodkowanie kryształów o drugiej morfologii, co można zweryfikować jako inną postać polimorficzną za pomocą analizy XRD offline.

Z czasem następuje przejście z mniej do bardziej stabilnej formy, aż trend RBI ponownie osiągnie stabilny stan, a obrazy mikroskopowe w czasie rzeczywistym pokazują, że utrzymują się tylko kryształy o kształcie igiełkowym.

To studium przypadku pokazuje łatwość, z jaką naukowcy mogą uzyskać niezwykle użyteczne informacje na temat procesu przy użyciu metodologii PAT, która jest prosta do wdrożenia i wymaga niedużej wiedzy z zakresu analizy danych.

 Mikroskopia w czasie rzeczywistym ParticleView jest łatwym w użyciu narzędziem PAT, które rejestruje obrazy cząstek i struktur cząstek naturalnie występujących w procesie w wysokiej rozdzielczości. Każdy obraz jest analizowany w czasie rzeczywistym, zapewniając prosty trend, który uwzględnia wielkość cząstek, ich liczbę oraz kształt w rzeczywistych warunkach procesu.

Mimo że przetwarzanie obrazu jest niezwykle skuteczne w identyfikacji różnych polimorfów, często potrzeba drugiej techniki, aby je skutecznie odróżnić. Spektroskopia Ramana to potężna technika, która umożliwia rozróżnienie pożądanych polimorfów przez wgląd w różnice na poziomie molekularnym. Technika Ramana wykorzystuje zmianę polaryzowalności lub deformację chmury elektronowej wiązania molekularnego. Cząsteczki wykazują charakterystyczne wzorce wibracyjne, a spektrometr Ramana potrafi je zidentyfikować i na tej podstawie rozróżnić polimorfy.

Polimorfy są związkami chemicznymi, które chociaż mają ten sam wzór chemiczny, wykazują inną strukturę sieciową. Różnice w długości i kącie wiązań wytworzą inny „odcisk palca” polimorfu, umożliwiając użytkownikowi spektrometru Ramana monitorowanie polimorfizmu w czasie.

Analiza reakcji wykorzystująca te molekularne odciski palców umożliwia naukowcom pomiar procesów krystalizacji i zmian polimorficznych w czasie rzeczywistym, dostarczając informacji na temat:

• kinetyki reakcji
• mechanizmu
• ścieżek
• wpływu zmiennych reakcji na produkty reakcji

Spektroskopia Ramana in situ pozwala użytkownikowi bezpośrednio śledzić reagenty, odczynniki, półprodukty, produkty i produkty uboczne w miarę ich zmiany w trakcie reakcji.  Technika Ramana dostarcza ważnych informacji naukowcom, którzy prowadzą badania, opracowują i optymalizują związki chemiczne i procesy chemiczne.

Trendy kinetyczne (po prawej) dla konwersji formy 1 do formy 2 są łatwo generowane w iC Raman 7.

Kompaktowy i wydajny. ReactRaman łączy najlepszą w swojej klasie wydajność z elastyczną konstrukcją. Spektrometr jest mały, lekki i stabilny termicznie, zapewniając doskonałe wyniki wszędzie tam, gdzie jest to potrzebne.

Szybkie i dokładne wyniki. ReactRaman jest zoptymalizowany do monitorowania in situ i dostarcza precyzyjne widma o wysokiej czułości, które można łatwo przekształcić w wyniki za pomocą One Click Analytics™ w iC Raman 8.

Zintegrowana platforma. Połączenie z Mid-IR oraz charakteryzowaniem cząstek i zautomatyzowanymi reaktorami chemicznymi zapewnia kompleksową wiedzę na temat procesu i kontrolę.

Wspólna wiedza. Wykorzystujemy nasze ponad 30-letnie doświadczenie w analizie reakcji i dokładamy wszelkich starań, opracowując wysokowydajne rozwiązania, dzięki którym naukowcy mogą radzić sobie z trudnymi problemami chemicznymi.

Krystalizacja jest wieloetapową operacją, w której uzyskanie końcowego produktu o pożądanych właściwościach zależy od skutecznej kontroli procesu. Stanowisko do badań polimorfizmu z technologią analizy procesu (PAT) in situ zapewnia niezbędną kontrolę nad wszystkimi istotnymi parametrami:

• Temperatura, mieszanie, pH i dozowanie – reaktor syntezy chemicznej
• Morfologia cząstek i złożone mechanizmy – mikroskopia w czasie rzeczywistym
• Uzyskiwanie polimorfu i transformacji fizycznych – spektrometr Ramana ReactRaman

Stanowisko do badań polimorfizmu z technologią PAT in situ zapewnia dane procesu w czasie rzeczywistym dostępne do natychmiastowej interpretacji, znacznie skracając czas rozwoju i zmniejszając koszty prac analitycznych w trybie offline. 

Proces krystalizacji obserwowany z zewnątrz może z pozoru przebiegać w prosty sposób. Jednak zazwyczaj występują w nim ukryte mechanizmy, które mogą znacznie wpłynąć na uzyskany produkt.

• Nagromadzenie może uwięzić zanieczyszczenia
• Wydzielanie drugiej fazy ciekłej prowadzi do osłabienia kontroli
• Wtórne zarodkowanie spowalnia filtrację

W tym praktycznym poradniku znajdziesz opis siedmiu ukrytych mechanizmów, które wpływają na proces krystalizacji, a także omówienie strategii, które pozwalają zapanować nad tymi zjawiskami.

• 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.