Полиморфизм

Кристаллическое вещество характеризуется определенной структурой его элементарных ячеек. Полиморфизмом называется способность химического вещества образовывать разные структуры кристаллических ячеек. При кристаллизации вещества стремятся перейти в состояние с минимумом энергии кристаллической решетки при заданных термодинамических условиях. Таких минимумов может быть несколько, и им могут соответствовать различные полиморфные модификации. Химическая природа вещества остается той же самой, но физические свойства (растворимость, скорость растворения, кинетика нуклеации и роста, биодоступность, морфология и простота выделения) у разных полиморфных модификаций могут быть разными.

На иллюстрации (справа): элементарная ячейка кристаллической решетки — у полиморфных модификаций разные углы (α, β, γ) и расстояния (a, b, c)

Для получения нужной полиморфной модификации необходимо знать, какие кристаллические формы стабильны, и строго контролировать условия процесса. Зачастую даже простое изменение температуры, скорости перемешивания или состава растворителя может привести к переходу материала из метастабильной формы (локальный минимум энергии) в стабильную форму (глобальный минимум энергии).

Кривые растворимости энантиотропных полиморфных модификаций пересекаются в определенной точке фазовой диаграммы, например при определенной температуре. На графике справа видно, что при более высоких температурах стабильной (с низкой растворимостью) является полиморфная модификация 1, тогда как при более низких температурах стабильной (с низкой растворимостью) оказывается полиморфная модификация 2. Кристаллы модификации 1, зародившиеся и выросшие при более высоких температурах, часто превращаются в кристаллы модификации 2, когда температура падает ниже температуры перехода.

Изменение кристаллической структуры часто влечет за собой изменение внешней формы, что может существенно повлиять на выделение нужного вещества и его свойства на дальнейших этапах процесса.

Если вместо кубических кристаллов в процессе получены тонкие пластинки, время фильтрации может значительно вырасти из-за образования комков материала на фильтре. Если при превращении образуется сольват, продолжительность сушки часто увеличивается из-за того, что дополнительный растворитель должен испариться. Если разработчики рецептур привыкли работать с призматическими кристаллами и им внезапно приходится работать с иглами, составление рецептуры конечного продукта может оказаться невозможным. Более стабильная полиморфная модификация обычно обладает меньшей растворимостью, что снижает ее биодоступность и эффективность in vivo. В результате эффективность лекарственного средства снижается.

Таким образом, слишком позднее обнаружение более стабильной полиморфной модификации может иметь катастрофические последствия для производства лекарственного препарата и даже может привести к нарушению авторских прав, если более стабильная модификация уже была запатентована.

В большинстве процессов кристаллизации требуется, чтобы каждая партия произведенного продукта состояла из одной и той же полиморфной модификации с той же морфологией. Наличие неправильной полиморфной модификации приведет к отбраковке партии. Но при кристаллизации нестабильная модификация обычно образуется первой, а затем превращается в стабильную. Анализ конечного состояния с отбором проб подтвердит наличие окончательной модификации, но не даст никакой информации о том, происходило ли превращение полиморфных модификаций во время процесса.

Использование аналитических инструментов in situ имеет решающее значение для получения информации о ходе кристаллизации на протяжении всего процесса. Графики изменения размера и количества частиц in situ, а также изображения, полученные непосредственно в технологической среде, отображают изменение морфологии с течением времени. Это позволяет оценить влияние параметров обработки — температуры, режима перемешивания, состава растворителя и так далее — на морфологию и кинетику превращения в любой точке процесса.

Иногда на этапе разработки появляются новые полиморфные модификации, и очень важно быстро их выявить. В других случаях о существовании нескольких полиморфных модификаций уже известно, и для получения нужной модификации необходимо реализовать в процессе фазовый переход. В обоих случаях полезно применять процессно-аналитическую технологию (PAT), чтобы удостовериться, что переход от менее стабильной к более стабильной полиморфной модификации происходит при любом масштабе и при любых условиях.

В этом примере изучалось полиморфное превращение. Методы отслеживания относительного обратного рассеяния (Relative Backscatter Index, RBI) и микроскопии в режиме реального времени позволяют детально и однозначно описать ход процесса. При добавлении инициатора нуклеация происходит мгновенно, о чем свидетельствует быстрое увеличение сигнала RBI, соответствующее образованию кристаллов. Температура остается постоянной на уровне 50 °C, а сигнал RBI тем временем стабилизируется, но вскоре снова начинает быстро расти, что указывает на образование вторичных активных центров. Изучение микроскопических изображений в реальном времени подтверждает образование зародышей кристаллов второго морфологического типа. Их принадлежность к другой полиморфной модификации подтверждается с помощью анализа образцов методом рентгеновской дифрактометрии (XRD).

Со временем происходит переход от менее устойчивой формы к более устойчивой. Сигнал RBI снова становится стабильным, а микроскопические изображения в реальном времени показывают, что остались только кристаллы игольчатой формы.

Данное исследование демонстрирует простоту, с которой процессно-аналитическая технология позволяет ученым получить чрезвычайно полезную информацию о процессе. Эта технология удобна и не требует большого опыта в анализе данных.

 Микроскопия в режиме реального времени ParticleView  — несложная разновидность процессно-аналитической технологии, предназначенная для получения изображений частиц и дисперсных структур в их естественном состоянии. Анализ получаемых изображений позволяет выявлять тенденции изменения размеров, формы и количества частиц в условиях реального технологического процесса.

Хотя обработка изображений исключительно эффективна при определении различных полиморфных модификаций, для выявления различий между модификациями часто требуется дополнительный анализ. Рамановская спектроскопия — мощный метод дифференциации полиморфных модификаций, выявляющий различия между ними на молекулярном уровне. Рамановская спектроскопия основана на изменении поляризуемости молекулярной связи, то есть деформации электронного облака. Все молекулы обладают характерными колебательными спектрами. Именно по этим спектрам рамановский спектрометр различает полиморфные модификации.

Полиморфные модификации — это химические соединения, которые имеют одну и ту же химическую формулу, но разную структуру кристаллической решетки. Из-за различий в длине и угле наклона связей колебательные спектры модификаций отличаются, что дает возможность с помощью рамановского спектроскопа следить за изменением полиморфизма с течением времени.

Анализ реакций с использованием характерных колебательных спектров молекул дает ученым возможность исследовать процессы кристаллизации и полиморфных превращений в режиме реального времени. При этом изучается:

• кинетика реакции;
• механизм реакции;
• пути ее протекания;
• влияние параметров реакции на выход продукта.

Рамановская спектроскопия in situ напрямую регистрирует изменения в реактантах, реагентах, промежуточных, побочных и конечных продуктах в ходе реакции.  Рамановская спектроскопия позволяет получить информацию, чрезвычайно важную для исследований, разработки и оптимизации химических соединений и процессов кристаллизации.

ПО iC Raman 7 легко строит кинетические графики (справа) превращения модификации 1 в модификацию 2.

Компактные и точные. Системы ReactRaman — это приборы с универсальной конструкцией и лучшими в своем классе характеристиками. Спектрометр обладает небольшими размерами, малым весом и высокой температурной стабильностью, что позволяет выполнять точные измерения в разных условиях.

Быстрое получение точных результатов. ReactRaman разработан для мониторинга in situ и позволяет с большой точностью и чувствительностью регистрировать спектры, которые затем легко проанализировать с помощью функции One Click Analytics™ в ПО iC Raman 8.

Интегрированная платформа. Систему ReactRaman возможно совместить с ИК-Фурье, системой характеризации частиц и автоматизированными лабораторными реакторами для глубокого изучения и контроля процесса.

Коллективный опыт. Обладая более чем 30-летним опытом в области анализа реакций, МЕТТЛЕР ТОЛЕДО разрабатывает высокопроизводительные системы для сложных химических исследований.

Кристаллизация — это многоэтапный процесс, в котором получение конечного продукта с желаемыми свойствами зависит от эффективного контроля. Рабочая станция для изучения полиморфизма с помощью процессно-аналитической технологии (PAT) для исследований in situ обеспечивает необходимый уровень контроля всех ключевых параметров:

• температуру, скорость перемешивания, уровень pH и дозирование контролируют с помощью рабочей станции синтеза;
• морфологию частиц и сложные механизмы исследуют с помощью микроскопии в режиме реального времени;
• полиморфные и физические превращения изучают с помощью рамановского спектрометра ReactRaman.

Рабочая станция для изучения полиморфизма с помощью процессно-аналитической технологии для исследований in situ собирает данные о процессе в режиме реального времени. Интерпретируя эти данные без задержки, специалисты могут существенно сократить время разработки и расходы на анализ проб. 

На первый взгляд может показаться, что процесс кристаллизации протекает равномерно. Но часто действие скрытых механизмов приводит к значительным изменениям конечного результата.

• Агломерация приводит к захвату примесей.
• Образование новой жидкой фазы затрудняет регулирование.
• Вторичная нуклеация замедляет фильтрование.

В этом практическом руководстве описаны семь скрытых механизмов, влияющих на процесс кристаллизации, и способы их регулирования.

• 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.