Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Krystalizace Bohumil Kratochvíl
Předmět: Chemie a fyzika pevných léčiv, 2014
Obsah -
baryt
Solidifikace, krystalizace, parametry produktu Růst krystalů, mechanismus Nukleace, primární, sekundární (očkovaná) Krystalový tvar (habitus) Kinetika růstu krystalů Termodynamika krystalizace Krystalizace polymorfů a co ji ovlivňuje „Disappearing polymorph” Cílená krystalizace – krystalové inženýrství Sonokrystalizace Cílená krystalová morfologie Krystalizace ve farmaceutické výrobě
realgar
fluorit
Solidifikace ve farmacii(fázový přechod) 1.
Vznik krystalické fáze (neuspořádáná kapalná (plynná) fáze uspořádaná krystalická fáze): krystalizace API
2.
Vznik krystalické fáze (uspořádaná krystalická fáze uspořádaná jiná krystalická fáze): polymorfní fázové transformace API
3.
Vznik amorfní fáze (neuspořádaná kapalná fáze neuspořádaná nekrystalická fáze): vznik amorfní API (např. lyofilizace, sprejové sušení, skelný přechod)
4.
Vznik semikrystalické (částečně krystalické) fáze (neuspořádaná kapalná fáze částečně uspořádaná krystalická fáze): semikrystalické API
Nejdůležitějším procesem je krystalizace, jejíž řízení není dodnes dokonale zvládnutou technologií ve farmacii (např. řízená krystalizace polymorfů, nebo kokrystalů)
Spontánní krystalizace v přírodě a řízená krystalizace v průmyslu
Spontánní krystalizace: odpařování mořské vody mořská sůl
Spontánní krystalizace: mrznutí vody sněhová vločka (led)
Průmyslová krystalizace cíleného produktu: důsledná kontrola velkého množství krystalizačních parametrů
Krystalizace je finálním stupněm výroby krystalické API Samouspořádavající supramolekulární proces. Přírodní „nanotechnologie“ par excelence. Nahodile orientované molekuly se skládají do vnitřně uspořádaných krystalů. Přístup „bottom up“ (odspoda nahoru, samouspořádávání): Konvergentní skládání: 1nm 2nm 4nm 8nm
( 30 kroků) …
1 m
Krystalizace ve farmaceutické výrobě (většinou neprobíhá kontinuálně, ale v šaržích jako výroba chemických specialit) Sledovanými parametry produktu jsou: - výtěžek - chemická a fyzikální (polymorfní) čistota - distribuce velikostí krystalů – rozměrová stejnorodost - krystalový tvar - kvalita povrchu (drsnost, adsorpce, póry, smáčitelnost) - obsah zbytkových rozpouštědel - ekonomické aspekty (jak dlouho je nutné sušit produkt ?) - ekologické aspekty
Krystalizace je finální separační a čistící stupeň mnoha materiálových technologií
Klasická teorie krystalizace fázový přechod 1.řádu: spojená formulace 1. a 2. věty termodynamické dG = -SdT + Vdp; (skokové změny : dG/dp = V) a (dG/dT = -S)
1) Nukleace: úvodní proces krystalizace 2) Růst krystalů: přirůstání stavebního materiálu k nukleím Určující předpoklady: Termodynamika: hnací síla krystalizace Kinetika: časový průběh krystalizace Mechanismus růstu krystalů
Krystaly nukleují a rostou pouze když je roztok přesycený
Nukleace sekvence molekulárních adicí: A + A A2;
A + 2A A3;
A + (n -1)A An
(kritický agregát - nukleus 10-103 molekul)
homogenní
primární (spontánní) heterogenní Nukleace
sekundární (ovlivněná přítomností pevné fáze) cílená (očkovaná) nechtěná (míchadlo, stěny krystalizátoru atd.)
Dvoustupňová (two-step) nukleace Krůpěj rozpouštědla s vysokou koncentrací neuspořádaných částic Strukturní restrukturalizace do uspořádaného zárodku
nukleus
růst krystalu
Chen, Sarma, Evans, Myerson: Cryst.Growth Des.11, 887 (2011)
Tímto způsobem nukleují: proteiny, koloidní částice, malé organické molekuly
Ilustrace nukleace
nukleus
Nukleace proteinu apoferritinu při stoupajícím přesycení roztoku (a d). Mikroskopie AFM. Yau S.T., Vekilov P.G.: J.Am.Chem.Soc. 123, 1080 (2001).
Homogenní nukleace – ideální model G = (4/3)r3Gv + 4r2 CL (vztaženo na jeden agregát) Při vzniku nuklea: (dG/dr)r=r* = 0
r*= - 2 CL/ Gv ; kulovitý agregát
Ghomo = (16CL3) / (3Gv2)
dG/dr 0, pro r>r* rostou dG/dr 0 , pro r
Nukleační bariéra pro různě přechlazené kapaliny, Tt > T1> T2 > T3 > T4
Heterogenní nukleace
Práce potřebná k vytvoření nuklea je zmenšena o smočený volný povrch: LS = CS + LC cos
(rovnováha sil), - úhel smáčení
Ghet = Ghomo . f ( ), přičemž f ( ) = [(2+cos ) (1-cos )2] / 4 < 1 Pro =180o je f ( )= 1 a nukleace se uskuteční pouze homogenním mechanismem.
Růst krystalu, mechanismus (na atomově hrubém povrchu)
podle značení Hartmana a Perdocka roste nejpomaleji plocha F („flat“), potom plocha S („stepped“) a nejrychleji plocha K („kinked“)
Krystal je ohraničen plochami,které rostou nejpomaleji
Povrchová nukleace
Šroubová dislokace
Růst krystalu, mechanismus šroubové dislokace
Růst krystalu SiC mechanismem šroubové dislokace z par. (Sovremenaja kristalografija 3 (Vanštejn B.K., Černov A.A., Šuvalov L.A., Eds.) Nauka. Moskva 1980.
Krystalový tvar (habitus) neboli krystalová morfologie (design) Foto: Dr.R.Gabriel
Produkt ve farmacii: mykofenolát mofetil
modely
Různé krystalové tvary popsané Millerovými indexy (hkl) a rozdělené do grup symetrie: grupa mmm (a), grupa 222 (b), grupa 4/mmm (c) Produkt ve farmacii: vinan ergotamin
Millerovy indexy (hkl)
Millerovy indexy ploch: I (100), II (010), III (001), IV (111), V (210), VI (110), VII (113), VIII (11 3)
Millerovy indexy ploch: I (100) II (010) III (001) IV (111) V (210) VI (110) VII (113) VIII (11 3)
Millerovy indexy (hkl) definují krystalovou plochu následujícím způsobem: průsečíky plochy s třemi základními krystalografickými osami (X,Y,Z) jsou délky hran elementární buňky (a,b,c). Reciproké hodnoty těchto veličin se vydělí jejich největším společným dělitelem tak, že vzniknou tři nejmenší nesoudělná čísla. To jsou Millerovy indexy. Značí se h, k, l a jimi definovaná plocha (hkl).
Slovní vyjádření zjednodušeného krystalového tvaru API ve farmaceutické výrobě
Termodynamika krystalizace nukleace labilní oblast
Krystalizace ochlazováním (když rozpustnost rychle roste s teplotou)
Krystalizace odpařováním (když rozpustnost závisí na teplotě jen málo)
c = cpř – ceq přesycení roztoku; S = c/ceq (stupeň přesycení) Šířka metastabilní zóny závisí na přítomných nečistotách v matečném roztoku, způsobu nukleace a dalších vlivech…
Aby roztok krystaloval (nukleoval) musí být přesycený ! (nukleace v přesyceném roztoku, krystalizace v metastabilní oblasti)
Stanovení šířky metastabilní oblasti (Töplerova metoda) Svazek rovnoběžných paprsků prochází temperovanou kyvetou, která obsahuje roztok, krystal, teploměr a míchadlo. Prošlé světlo je fokusováno do ohniska, ve kterém je pohyblivou clonou odříznuta polovina paprsků, a dopadá na stínítko. Krystal (případně lisovaná tableta) je v roztoku umístěn tak, aby jeho největší plochy byly rovnoběžně orientovány s procházejícím světlem. Není-li roztok nasycený, krystal se rozpouští, vytváří se gradient koncentrace a tedy i gradient indexu lomu (klesající směrem od krystalu). Na jedné straně zobrazeného krystalu je pak patrný světlý proužek. Analogicky v přesyceném roztoku, kde krystal narůstá, se světlý proužek objeví na druhé straně.
Změnami teploty se postupně zmenšuje interval mezi růstem a rozpouštěním až do nalezení teploty, kdy proužek vymizí. Přesnost metody je přibližně ± 0,1 °C. Postupným a definovaným ředěním roztoku lze stanovit křivku rozpustnosti i šířku metastabilní oblasti.
Hnací síla krystalizace Rozdíl chemických potenciálů: = př - eq
ai – aktivita, i - aktivitní koeficient, xi – molární zlomek
Výpočet (odhad) přesycení: / RT = ln (xpř / xeq) (xpř – xeq) / xeq
Kinetika růstu krystalu (filmová, difúzní, laminární teorie) kapalná fáze
tenká vrstva přesyceného roztoku (film) – energetická bariéra
•
přenos složky z kapalné (roztokové) fáze do vrstvy filmu obklopující krystalickou fázi
• difúze složky přes vrstvu filmu
• orientace a zakotvení stavební částice do krystalové struktury • odvedení krystalizačního tepla do matečného roztoku
Kinetika je řízena nejpomalejším (řídícím) dějem • difúze složky přes vrstvu filmu (nemíchaný roztok) • orientace a zakotvení stavební částice do krystalové struktury (míchaný roztok)
Kinetika růstu krystalu (difúze)
1. První Fickův zákon:
difúzní tok
dm dc D A dt x dx t
jA [mol/m2/s]
dc j A D dx t
difúzní koeficient
D [m2/s]
Kinetika růstu krystalu (difúze)
dc = dx
c c c0 c x
podobnost trojúhelníků
c c c c dm c c0 D A D A 0 D A dt x
(difúze)
Kinetika růstu krystalu (zakotvení do struktury)
dm k S A (c0 ceq ) dt
(zakotvení)
Pro ustálený stav platí (množství složky zakotvené do krystalu se rovná množství, které bylo transportováno difúzí): Z rovnic difúze a zakotvení vyjádříme co a rovnice porovnáme (cpř = c ) :
dm 1 dt 1 D kS
A (c ceq ) k A c -
A – plocha; k - rychlostní konstanta; c - přesycení
(při nukleaci je kinetika funkcí cn , n=3-6, tzn., že nukleace závisí na přesycení výrazněji než růst krystalů)
Konstanta k je funkcí všech parametrů, které ovlivňují a řídí krystalizaci (zvolený polymorf) • teplota a tlak při krystalizaci •rychlost ochlazování nebo odpařování roztoku •stupeň přesycení roztoku •zvolené rozpouštědlo (srážedlo), resp. směs •obsah vody (jiného kosolventu) ve finálním rozpouštědle •přítomnost nečistot, aditiv v roztoku •rychlost dosažení přesyceného roztoku •doba stání produktu v matečném roztoku •intenzita míchání roztoku •koncentrační a teplotní gradienty v roztoku •zvukové, ultrazvukové,mikrovlnné,laserové, akustické nebo jiné rázy •pH roztoku •očkování roztoku •
„černá díra“
Právě proto, že krystalizačních parametrů je velké množství, je obtížné je všechny monitorovat a řídit v případě krystalizace komplikovaného polymorfního systému – viz nežádoucí polymorfní přechody!
Metody krystalizace používané ve farmaceutickém průmyslu tradiční
sofistikované
Krystalizace z roztoku (odpařování rozpouštědla, chlazení, míchání, očkování, srážení (vysolování)…)
Sofistikovaná krystalizace z roztoku (kapilární krystalizace, nanokrystalizace, krystalizace s templátem….)
Sublimace (tlak, teplotní gradient)
Elektrochemická krystalizace
Krystalizace z tavenin (teplotní program)
Gelová krystalizace
Lyofilizace
Krystalizace difúzí par
Sprejové sušení
Mechanické mletí (kryomletí) Krystalizace přes mikroporézní membrány
Sonokrystalizace Krystalizace z kritických kapalin
Krystalizace polymorfů Stabilní polymorf je charakterizován: nejnižší Gibbsovou energií nejnižší rozpustností v libovolném rozpouštědle nejnižší rozpouštěcí rychlostí nejnižší biodostupností nejnižší reaktivitou nejnižším parciálním tlakem nejvyšším bodem tání Stabilita polymorfů vyplývá z grafu: Gibbsova energie vs teplota (G - T), příp. H –T: H = U + PV ~ U ; G = H – TS ~ U - TS Originální firma většinou volí stabilní polymorf. Generické firmy někdy zvolí k výrobě polymorf nestabilní nebo amorf, hlavně z důvodů: patentových nebo terapeutických
Krystalizace polymorfů
Energetické diagramy pro enantiotropní a monotropní systém. A,B - polymorfy
Krystalizace polymorfů (4 eventuality jak vyrobit žádaný polymorf v systému)
1) 2)
3)
4)
Termodynamicky stabilní forma v monotropním systému – žádná transformace v jinou formu nenastane Stabilní forma v enantiotropním systému – nutno dodržet podmínky existence (teplota, tlak, relativní vlhkost) Metastabilní forma v monotropním systému – fázová transformace řízena kinetikou, pro uchování nutno dodržet náročné podmínky (nízká teplota, bezvodé prostředí) Metastabilní forma v enantiotropním systému – nutno změřit fázové diagramy HT a G-T pro stanovení termodynamických vztahů v systému
Vyvolání nukleace (krystalizace) •
odpařování rozpouštědla a ochlazení roztoku b přidání antisolventu (vysrážení produktu)c změna pH přidání látky, která chemickou reakcí vytvoří žádaný produkt (tzv. reakční krystalizace) lyofilizace (příprava jak krystalické, tak amorfní API) sublimace ochlazování taveniny rekrystalizace z jiného rozpouštědla zahřívání (při enantropii)
______________________________________ arozpustnost API
musí být > 10 mg/ml brozpustnost API musí být 10 -100 mg/ml c rozpustnost API musí být 1-10 mg/ml
Krystalizace polymorfů I a II (stání v roztoku) (koncentrace)
(koncentrace)
(teplota)
Dimorfní monotropní systém: I – stabilní polymorf, II – nestabilní polymorf (Ostwaldovo zrání)
(čas)
Krystalizace polymorfů (stání v roztoku) Ostwaldovo zrání
Uplatnění pravidel Ostwalda v polymorfním systému 2,4-dibromacetanilidu. Z roztoku alkoholu nejdříve krystalizuje nestálá forma (voluminézní krystaly na obr. 1 a 2), která postupně přechází na stabilní formu (robustní orthorombické krystaly, obr. 3 a 4 po dvou dnech) [Bernstein J.: Polymorphism in Molecular Crystals, Clarendon Press, Oxford 2002.]
„Disappearing polymorph” (Dunitz J., Bernstein J.: Accts. Chem Res. 28, 193 (1995).)
Robustně vyráběný polymorf se najednou nedaří reprodukovaně vyrábět - (náhodou ?) vzniknou mikroskopická prenuklea jiného polymorfu, která kontaminují krystalizační zařízení, příp. jsou přítomná ve vzduchu a tak může tvrdošíjně krystalizovat vždy nechtěný polymorf a pokusy vykrystalizovat jiný na stejném místě jsou dlouhodobě neúspěšné !
Řízená krystalizace požadovaného polymorfu Řešení: - očkovaná krystalizace (nukleace) - krystalové inženýrství (nukleace na substrátech, krystalizační aditiva, epitaxiální růst atd.) Očkovaná krystalizace: - jaké množství oček je třeba k šarži přidat - v jakém okamžiku je nutné očka přidat Pozor: - i monomorfní forma může mít různé povrchové vlastnosti v závislosti na krystalovém tvaru (viz různé druhy krystalizace nebo krystalizace z různých rozpouštědel)
Očkovaná krystalizace
Krystalizace ochlazením
Krystalizace odpařením
hmotná bilance: LP / LS = (MP / MS)1/3 , L-velikost, M-hmotnost, MS je asi 10% Beckmann W.: Organic Process Research & Development 4, 372 (2000).
Jestliže krystalizace probíhá do cca 1/3 metastabilní zóny vlevo od křivky rozpustnosti – hovoříme o krystalizaci řízené termodynamicky, tzn. že nukleační krok je potlačen ve prospěch růstu krystalů
Praktické aspekty očkované krystalizace • očka se opatří buď v laboratoři, z předchozí šarže nebo z tablet konkurence (reverzní inženýrství) • očka se přidávají ve formě krystalické kaše (aktivace oček) • vznikající krystaly musí s roztokem vytvářet suspenzi • suspenze musí být neustále promíchávána, aby nesedala na dno krystalizátoru a nevytvářely se shluky krystalů (agregáty) • pro kvalitu výsledného produktu je důležitá hustota a viskozita suspenze, teplota očkování, rychlost chlazení
Operace následující po krystalizaci z roztoku -
Filtrace (filtrát + filtrační koláč)
-
Sušení (zbytkové rozpouštědlo zachycené v pórech a kavitách) – energeticky náročný proces, (limity obsahů viz: http://www.lekopis.cz/Kap_5_4.htm) Optimalizací krystalizace lze podstatně zkrátit dobu sušení. 0,1mm
-
Mletí nebo sítování
Krystalové inženýrství nukleace na substrátech: nukleace 6 konformačních polymorfů 5-methyl2-[(2-nitrofenyl)amino]-3-thiofenkarbonitrilu na různých plochách monokrystalu kyseliny pimelové (Mitchell C.A., Yu L., Ward D. M.: J.Am. Chem. Soc. 123, 10830 (2001).) nukleace utrazvukem: sonokrystalizace (Prosonix) – vysoce intenzivní (100 W/L , nízko-frekvenční (20-100 kHz) (Ruecroft G. et al.: Organic Process Research & Development 9, 923 (2005)). nukleační (krystalizační) aditiva: blokování (zpomalování) krystalizace, resp. růst určitých krystalových ploch – močovina, karboxymethylcelulósa, iontové soli, kyselina octová aj. ovlivnění krystalového habitu (polymorfu): použité rozpouštědlo, resp. směs rozpouštědel (obsah vody v rozpouštědle) – krystalizace polymorfů terguridu, obsah vody v acetonu
Sonokrystalizace (technologie Prosonix) Ultrazvuk, 20-100 kHz, ale i až 2MHz umožňuje krystalizovat API požadované morfologie a velikosti zrna
5 litrové zařízení pro krystalizaci ve farmacii s 21 přenašeči ultrazvuku (Ruecroft G.: Manufacturing Chemist 42, June 2006).
Sonokrystalizace (technologie Prosonix)
Akustická kavitace a její kolaps – lokální mikrorázová vlna (5000K, 2000 atm) (Ruecroft G.: Manufacturing Chemist 42, June 2006).
Používané techniky sonokrystalizace
(Prezentováno se svolením Dr. Grahama Ruecrofta, Prosonix)
Sonokrystalizace (technologie Prosonix)
Zúžení metastabilní zóny při použití ultrazvuku (Ruecroft G.: Manufacturing Chemist 42, June 2006).
(Prezentováno se svolením Dr. Grahama Ruecrofta, Prosonix)
(Prezentováno se svolením Dr. Grahama Ruecrofta, Prosonix)
Superkritické kapaliny
Fázový diagram látky s vyznačením superkritické oblasti (SCF)
Chuchvalec P., Novák J. P.: Kritické veličiny látek a jejich predikce. Chem. Listy 101, 989 (2007).
Krystalizace ze superkritického CO2
(kritické parametry: teplota 31,1oC; 7,38 MPa ; 4,7 g/cm3) "superhustý" plyn s vlastnostmi mezi kapalinou a plynem
Krystalizační aditiva
NaCl krystalizovaný z vodného roztoku (krychle)
NaCl krystalizovaný z vodného roztoku s přídavkem močoviny (oktaedry)
roviny {111} a {100} : molekuly močoviny se váží přednostně na ionty Na+ v rovině {100} a tím blokují její růst
Rozměrová stejnorodost
Zablokování růstu některých krystalových ploch anatasu krystalizačními aditivy
Tvar krystalů – důležitý technologický parametr Tvar krystalů určuje důležité mechanické vlastnosti produktu: sypná hustota, filtrovatelnost, sušící charakteristiky, mikronizovatelnost aj. a kromě toho ovlivňuje i vlastnosti formulací…
„ Dobré krystaly “ - blížící se kulovitému tvaru (krychličky, hranolky, oktaedry atd,) „ Špatné krystaly “ - vlasovité jehličky, tenké lístečky atd.
Tvar krystalů – příklady Making Crystals by Design: Braga D. and Grepioni F. (Eds). Wiley-VCH Weinheim 2007.
Ritonavir, forma I (vlevo), forma II (vpravo)
Ranitidin hydrochlorid, forma I (vlevo), forma II (vpravo)
Tvar krystalů – lze ovlivnit především použitým rozpouštědlem, příp. jejich směsí Přehled 20 nejpoužívanějších rozpouštědel (kromě vody). Používání rozpouštědel (solventů) je ve farmacii stanoveno směrnicí ICH Topic Q3C
Rozpouštědla lze podle příbuznosti hodnot jejich parametrů (např. polarita, dipólový moment, viskozita, povrchové napětí, bod varu, hustota aj.) kategorizovat do skupin, což pomáhá při vytváření cíleného krystalového designu.
Ovlivnění krystalového designu volbou rozpouštědla
Různé tvary aspirinu (acetylsalicylové kyseliny) krystalované z různých rozpouštědel
Krystalizace kys. anthranilicové z různých rozpouštědel
i) z vody, pak z ethanolu ii) přemístění do kys. octové
Tvar krystalu vyplývá z jeho krystalové struktury
0,1mm
Racionalizace tvaru a růstu krystalu pergolidu methansulfonátu (mesylátu) formy I. Vlevo je na krystalu černě ohraničena rovina (011) a vpravo je tato rovina vyznačena v krystalové struktuře (obrázek laskavě poskytli Dr.Alexandr Jegorov, Ivax Pharmaceuticals a Dr. Jan Čejka, VŠCHT Praha)
Závěr
Řízená krystalizace probíhá pod důkladnou kontrolou termodynamických a kinetických parametrů v systému Při finální krystalizaci API se v případě polymorfního systému používá metoda očkované krystalizace (když hrozí nebezpečí nežádoucího polymorfního přechodu) Cílem optimalizace krystalizace je zejména: - zlepšení chemické čistoty substance - dosažení optimálního krystalového tvaru a jakosti povrchu - zkrácení doby sušení (odstranění zbytkového rozpouštědla pod povolený limit) - optimalizace distribuce velikosti částic (krystalků)
