Aşırı Doygunluk ve Kristalleşme

Aşırı doygunluk, bir çözeltinin, sistemin sıcaklık ve basınç gibi koşulları göz önünde bulundurulduğunda, denge çözünürlüğünün izin verdiğinden daha fazla çözünen madde içerdiği, denge dışı fiziksel bir durumdur. Aşırı doygunluk, ayrıca çözünen madde konsantrasyonunun belirli koşullarda çözünürlüğünü aştığı seviyeyi tanımlamak için kullanılır ve şu şekilde ifade edilir:
ΔC (aşırı doygunluk) = C (gerçek konsantrasyon) – C* (çözünürlük). 

Kristalleşme, işlem parametrelerinin seçimine özgü olarak birbirine bağlı bir dizi mekanizma aracılığıyla ilerler: çekirdeklenme, büyüme, yağlanma, aglomerasyon, kırılma, tohumlama ve polimorf geçişi.

Çoğu zaman, bu mekanizmalar eşzamanlı olarak gerçekleşir ve etkili kristalleşme tasarımını zorlaştırır. Mekanistik anlayış olmadan, bilim insanları işlem parametrelerini ayarlamak ve verim, saflık ile kristal boyutunu optimize etmek için deneme yanılmaya dayanır. Kristalleşme sırasında hangi mekanizmaların gerçekleştiğini anlayarak, bilim insanları istenen özelliklere sahip bir kristal ürünü sunmak için stratejiler geliştirebilirler.

Kristalleşme sürecinizin sonucunu etkileyebilecek mekanizmaları öğrenmek için "Numunelerinizin Arasında Gizlenen 7 Kristalleşme Mekanizması" rehberimizi okuyun.

Aşırı doygunluk önemlidir çünkü hem kristal çekirdeklenmesi hem de büyümesi için itici güçtür.  Aşırı doygunluğun kontrolü, özellikle nihai kristal boyut dağılımı ve fazı olmak üzere istenen ürün özelliklerine ulaşmak için anahtardır. Genel olarak, düşük aşırı doygunlukta kristaller, çekirdeklenmeden daha hızlı büyüyebilir ve bu da daha büyük kristal boyutuna yol açar. Yüksek aşırı doygunlukta ise kristal çekirdeklenmesi, kristal büyümesine hakim olur ve sonuçta daha küçük kristaller oluşur.

Tipik bir süpersaturasyon oluşturma yöntemi, bir maddeyi yüksek sıcaklıkta bir çözücüde çözündürmek ve ardından çözeltinin soğutulmasıdır. Sıcaklık düşürüldükçe, sistem metastabil süpersatüre duruma geçer; soğutma devam ettikçe metastabil sınırına ulaşılır. Bu noktada çekirdeklenme süreci gerçekleşir, süpersaturasyon azalır veya sona erer ve sıvı fazdaki çözünen konsantrasyonu sonunda çözünürlük eğrisinde dengeye ulaşır.

Çekirdeklenme, yeni kristal çekirdeklerinin doğuşudur – ya çözeltiden kendiliğinden (birincil çekirdeklenme) ya da mevcut kristallerin varlığında (ikincil çekirdeklenme). Kristal büyümesi, çözücüden çözünenin çökeltilmesiyle kristallerin boyutunun (veya daha doğru olarak “karakteristik uzunluğunun”) artmasıdır. Süpersaturasyon, çekirdeklenme ve büyüme arasındaki ilişki, Nyvlt tarafından ilk kez ortaya konan ve biraz basitleştirilmiş iyi bilinen bir denklem setiyle tanımlanır.

Organik kristalleşme sistemleri için büyüme derecesi (g) genellikle 1 ile 2 arasında, çekirdeklenme derecesi (b) ise genellikle 5 ile 10 arasındadır. Teorik bir organik kristalleşme süreci için bu denklemleri çizdiğimizde süpersaturasyonun önemi ortaya çıkar. Düşük süpersaturasyonda, kristaller çekirdeklenmeden daha hızlı büyüyebilir, bu da daha geniş bir kristal boyut dağılımına yol açar. Ancak, daha yüksek süpersaturasyonda kristal çekirdeklenmesi kristal büyümesine hakim olur ve sonuçta daha küçük kristaller oluşur. Sağdaki şekilde süpersaturasyonun çekirdeklenme, büyüme ve kristal boyutuyla ilişkisi, istenen boyut ve dağılıma sahip kristaller oluşturulurken süpersaturasyonun kontrolünün ne kadar hayati olduğunu açıkça göstermektedir.

Modern teknikler, örneğin FTIR Spektroskopisi ve Zayıflatılmış Toplam Yansıma (ATR), çözünürlük izlerinin hızlı ve kolayca geliştirilmesini sağlar ve kristalleşme deneyleri boyunca süpersaturasyonun mevcut seviyesi sürekli olarak izlenebilir. Daha hızlı soğutma hızları, daha düşük sıcaklıklarda çekirdeklenmeye ve süreç boyunca en yüksek süpersaturasyon seviyesine yol açar. Çok yavaş bir soğutma ise daha yüksek çekirdeklenme sıcaklığı ve süreç boyunca düşük süpersaturasyon ile sonuçlanır. Bir saatlik kübik soğutma (başlangıçta yavaş, sonunda hızlı) süreç boyunca orta seviyede süpersaturasyon sağlar. Daha yüksek süpersaturasyon, çekirdeklenmenin büyümeye tercih edilmesi nedeniyle en küçük kristallerle sonuçlanır.

METTLER TOLEDO, kristalleşme araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) ile ürün üretimini desteklemek için bir dizi Proses Analitik Teknolojisi sunar. Bu teknolojiler, bağımsız olarak veya otomatik bir kimyasal reaktör ile birlikte kullanılabilir ve entegre bir Kristalleşme İstasyonu oluşturur. Teknolojiler şunları içerir:

• ReactIR – Çözünürlük ve süpersaturasyon çalışmaları için gerçek zamanlı olarak çözeltideki faz konsantrasyonlarını ölçen, yerinde ve satır içi FTIR; çözücü-çözünen kristalleşme çalışmalarında polimorfizmin kinetik ve termodinamiğini araştırır.
  
• Raman Spektrometreleri - Satır içi ReactRaman, çözücü veya süspansiyonda zaman fonksiyonu olarak partikül ve kristalleşme oluşumunu yerinde izler ve metastabil polimorfların termodinamik olarak kararlı formlara dönüşümü sırasında kristal form değişikliklerini takip eder.
• ParticleTrack—Odaklanmış Işın Yansıma Ölçümü (FBRM), proses içindeki partikülleri ölçmek için endüstri standardı tekniktir. Örnekleme veya örnek hazırlama gerektirmeden gerçek zamanlı olarak partikül boyutu ve sayısına duyarlı, çok hassas bir kord uzunluğu dağılımı (CLD) raporlar.
• EasyViewer with iC Vision– Satır içi partikül boyutu analizörü, kristallerin, çökeltilerin ve partiküllerin gerçek zamanlı görüntülerini sağlar. iC Vision, sezgisel analizlerle proses değişikliklerini izlemek için partikül görüntü analizi sunar ve özelleştirilebilir algoritmalarla partikül boyutu ve şeklini nicelendirir. 

Yun Cao, Shichao Du, Xiao Ke, Shijie Xu, Yangshan Lan, Teng Zhang, Weiwei Tang, Jingkang Wang ve Junbo Gong, “Reaktif Kristalleşmede Vortiyoksetin Hidrobromürün Polimorfik Davranışında Termodinamik ve Kinetik Arasındaki Etkileşim”, Org. Process Res. Dev, 2020, 24, 1233−1243.

Reaktif kristalleşme, kimyasal reaksiyonla oluşan kristalin bileşikler için yüksek doygunluk seviyeleriyle ilişkilidir.  Bu çalışmada, yazarlar reaktif kristalleşme ile hazırlanan vortiyoksetin hidrobromürün polimorfizmi üzerindeki çözücülerin ve doygunluğun etkisini araştırmışlardır.  Deneyler, tanımlı başlangıç doygunluğu ile dört farklı çözücüde gerçekleştirilmiş ve iki polimorfun oluşumu ve dönüşümünde termodinamik ve kinetiğin rolü incelenmiştir.  Bu reaktif kristalleşme mekanizmasını daha iyi anlamak için in-situ IR (ReactIR) uygulanmıştır.

Polimorf B kararlı form olarak tanımlanmış ve dört çözücüde yüksek doygunluklarda metastabil polimorf A tercih edilmiştir.  Ayrıca, polimorf A'nın düşük hidrojen bağlayıcı yeteneğe sahip çözücülerde oluştuğu belirlenmiştir.  ReactIR ölçümleri, reaksiyon kinetiğinin polimorfizm üzerindeki etkisinin bir sorun olmadığını göstermiştir.  ReactIR ölçümleri ile toz x-ışını kırınım çalışmaları, reaktif kristalleşme ve polimorfik dönüşümü takip etmek için kullanılmıştır.  Araştırmacılar, form B'nin çekirdeklenme ve büyümesinin kontrol adımı olduğunu ve dönüşüm hızının vortiyoksetin hidrobromürün çözünürlüğü ve başlangıç doygunluğu ile önemli ölçüde arttığını rapor etmişlerdir.

Dan Du, Guo-Bin Ren, Ming-Hui Qi, Zhong Li ve Xiao-Yong Xu, “Çeşitli Karışık Çözücü Sistemlerinde Famoksadonun Form II'den Form I'e Çözücü Aracılı Polimorfik Dönüşümü”, Crystals, 2019, 9, 161.

Yazarlar, famoksadon ilacında polimorfizmi araştırmış ve 6 polimorfun varlığını göstermiştir.  Metastabil Form II'den kararlı Form I'e çözücü aracılı polimorfik dönüşüm (SMPT) in-situ PAT teknolojisi kullanılarak incelenmiştir.  ParticleTrack FBRM ölçümleri kord uzunluğu değişimini, ReactIR ise in situ problu çözeltideki konsantrasyonları zaman fonksiyonu olarak izlemiştir. SMPT süreci, analitik problarla donatılmış EasyMax otomatik laboratuvar reaktör sisteminde gerçekleştirilmiştir.

Famoksadon polimorfik dönüşüm sürecinin üç aşamadan oluştuğunu belirtmişlerdir: metastabil form çözünmesi, ardından kararlı formun çekirdeklenmesi ve büyümesi.  Bu dönüşüm, iki polimorfun çözünürlük farkı ve kristalleşme sırasında kararlı form I'in ortaya çıkan doygunluk seviyesi nedeniyle gerçekleşir.  Sürecin oldukça hızlı olduğunu ve 5 dakika sonra askıda kalan form II'nin kaybolduğunu, Form I'in büyümesine bağlı kord uzunluğunun arttığını bulmuşlardır.  Çözeltideki konsantrasyon ve doygunluk hızla azalmış, bu da form I'in büyümesiyle ilişkilendirilmiştir. PAT ve XRD ölçümlerinin sonuçları, famoksadonun 6 polimorfu arasında form I'in termodinamik olarak kararlı form olduğunu ve form I'in büyüme sürecinin çözücü aracılı polimorfik dönüşümde hız belirleyici adım olduğunu göstermiştir.

Teng Zhang, Yumin Liu, Shichao Du, Songgu Wu, Dandan Han, Shiyuan Liu ve Junbo Gong, “Reaktif Kristalleşmede Clopidogrel Hidrojen Sülfatın Çözücü ve Doygunluk Etkilerini Araştırarak Polimorf Kontrolü”, Cryst. Growth Des, 2017, 17, 6123−6131.

Yazarlar, metastabil polimorfik ilaçların sıklıkla geliştirilmiş biyoyararlanım sergilediğini ve daha kararlı bir polimorfa dönüşüm nedeniyle üretim ve korunmasının zor olabileceğini belirtmektedir. Araştırmaları, clopidogrel hidrojen sülfatın (CHS) reaktif kristalleşmesine ve bileşiğin iki formunun çözücü ve doygunluk seviyeleri açısından incelenmesine odaklanmıştır.  Çözücü-çözünen etkileşimleri ile buna bağlı polimorfizm arasındaki bağlantıyı belirlemek için, kristalleşme sırasında çözünen konsantrasyonunu sürekli izlemek ve doygunluğu kontrol etmek amacıyla in-situ ATR-IR (ReactIR) kullanılmış ve parçacık sayısını izlemek için FBRM (ParticleTrack) kullanılmıştır.  Polimorflar, farklı doygunluklarla dokuz farklı çözücüde incelenmiş ve reaksiyonlar otomatik laboratuvar reaktöründe (EasyMax) gerçekleştirilmiştir.

CHS'nin 2-propanol ve 2-butanoldeki doygunluk ve polimorfik oluşumu için veriler sunulmuş, sırasıyla form II ve form I elde edilmiştir; ATR-FTIR ve FBRM, CHS reaktif kristalleşmesinin kinetiğini ve gerçek zamanlı konsantrasyonunu izlemiştir. Farklı doygunluk seviyeleri, clopidogrel ve sülfürik asit miktarları değiştirilerek elde edilmiştir. Bu çalışmadan, çekirdeklenme indüksiyon süresinin kinetik belirleyici adım olduğu ve doygunluğun CHS reaktif kristalleşmesinde polimorfik oluşum için ana itici güç olduğu belirlenmiştir. Bu deneylerde kullanılan koşullar ve çözücüler için, termodinamik olarak kararlı polimorfun s < 18'de elde edildiği, metastabil formun ise daha yüksek doygunluk seviyesinde (s > 21) oluştuğu bulunmuştur.