Μελέτη επίδράσεων των συνθηκών κρυστάλλωσης ορθορομβικής παρακεταμόλης από αιθανολικό διάλυμα

Abstract

Orthorhombic paracetamol (form II) is characterised by well-developed slip planes in its crystal lattice and as a result exhibits far better tabletability than that of monoclinic (form I). Therefore, its bulk crystallisation from solution attracts much interest as a pure form, suitable for tableting by direct compression. In this work, the effects of crystallisation conditions on the temperature changes of supersaturated ethanolic solutions after seeding with orthorhombic seed-crystals obtained by melt crystallisation were studied. The quality (composition, micromeritic and compression properties) of the resulting products was evaluated and the conditions for optimal crystal yield and orthorhombic content were elucidated. Also, the kinetics of solvent mediated transformation (induction times, tit, and activation energy, Ea) was determined. As a preliminary requirement, a simple, fast and reliable FT-IR spectroscopic method was developed for the identification of the orthorhombic form of the seed-crystals and for the determination of polymorphic composition of the crystalline product. FT-IR peaks at 836 and 806 cm-1 (not corresponding to fundamental attributions) are suggested for the identification. Intensity ratio of the 836 cm-1 band (attributed to the presence of both forms) to the 806 cm-1 monoclinic band plotted against the inverse monoclinic molar fraction (X) yields a straight line: I836/I806 = 0.515/X + 0.700 and r=0.9965 for 8 samples. Similarly, the area under the 454cm-1 band in FT-Raman spectra (which is attributed to both forms) over the area under the 465 cm-1 band of monoclinic form is inversely related to its molar fraction (X): A454/A465 = 0.482/X - 0.324 and r= 0.9954 for 8 samples. Precision (RSD %) was <5% for both the methods. Furthermore, linear regression analysis between content and intensity of characteristic XRD reflections for 4 different samples gave r= 0.9964 at 4.62 Å, and r= 0.9894 at 3.70 Å, for form II. For the content of form I, r = 0.9596 at 3.37 Å. The limit of detection for monoclinic form was estimated to be 0.012 mole fraction for both the methods. For the study of the effects of crystallisation conditions on the formation of orthorhombic paracetamol, two experimental sets based on full factorial designs, were applied. In the first experimental design different agitation rate, AR, and cooling temperature, Tc, were the independent variables. Average cooling rate (CR), time for maximum temperature deviation (tmax) and area confined between curves of measured and reference temperature-plots (AUC) were evaluated and correlated with crystal yield (Y). Also, the micromeritic (size and shape) and the compression properties, the density and the orthorhombic content of the crystalline product were evaluated and related to the main crystallisation conditions (Tc and AR) applied. It was found that crystal yield (Y) increases with AR and decreases with Tc. The ratio tmax/CR provides good prediction of Y (Y = 58.92 - 1.386 tmax/ CR, R2 = 0.964 and p = 0.0001). Both Tc and AR linearly affect crystal size and the size distribution, probably due to alterations in supersaturation, but they do not affect significantly the crystal shape, possibly due to predominance of size and form changes over those in growth rate of the different crystal faces. Density and compression properties (yield pressure and elastic recovery), are determined by the content of the orthorhombic form, which increases linearly with AR (p = 0.009) and with Tc (p = 0.039) when agitation is between 300 and 500 rpm, while tmax decreases. At 700 rpm orthorhombic content is maximised and becomes independent to Tc. In the second experimental design, lower levels of cooling temperature Tc (-20, -10 and 0 °C) were applied, agitation was fixed at high level (700 rpm) and the crystalline product was harvested after different crystallization time tH (20, 30 and 40 min) in order to increase the crystal yield but avoid transformation of orthorhombic to monoclinic form. It was found that crystal yield (Y%) increases with tH and decreases with Tc. Mean crystal size and size distribution is affected linearly by Tc, probably due to alterations in the nucleation and growth processes. The effects on the crystal shape can be elucidated only after size classification. As the crystals grow, they become more elongated, with rougher surface due to secondary nucleation and alteration in growth rate of different crystal faces. From the study of transformation kinetics in the crystallisation liquid it was found that induction times for solvent mediated transformation (tit), were remarkably longer than those corresponding to appearance of monoclinic form, when large scale collection and drying of crystalline product was applied, probably due to residual solvent evaporation. The activation energy of solvent mediated transformation (Ea=62.9 kJ/mol) is between those for nucleation in solid state and in solvent, indicating the operation of a mixed mechanism.

Η ορθορομβική παρακεταμόλη (μορφή II) χαρακτηρίζεται από την παρουσία καλώς αναπτυγμένων επιπέδων ολίσθησης στο κρυσταλλικό της πλέγμα και ως εκ τούτου την καλύτερη συμπιεστότητα και μεγαλύτερη ικανότητα δισκιοποίησης από τη μονοκλινή (μορφή I). Για το λόγο αυτό, η κρυστάλλωση από διαλύματα καθαρής ορθορομβικής μορφής σε μεγάλη σχετικά κλίμακα έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Στην παρούσα μελέτη επιχειρήθηκε η διερεύνηση της επίδρασης των κυριότερων συνθηκών κρυστάλλωσης εφαρμόζοντας τεχνική εμβολιασμού αιθανολικού διαλύματος με κρυσταλλικούς πυρήνες ορθορομβικής μορφής, οι οποίοι λαμβάνονταν μέσω τήξεως. Σκοπός της μελέτης ήταν να προσδιοριστούν οι βέλτιστες συνθήκες για την κρυστάλλωση της ορθορομβικής μορφής και να ευρεθεί μια γρήγορη μέθοδος ταυτοποίησης της μορφής των πυρήνων, ως ένα σημαντικό βοήθημα εφαρμογής της τεχνικής του εμβολιασμού, καθώς και μια απλή μέθοδος ποσοτικού προσδιορισμού (ανάλυσης) των κρυσταλλικών μορφών του τελικού προϊόντος για την ποσοτική αξιολόγηση του. Αναπτύχθηκε μια ταχεία, απλή και αξιόπιστη FT-IR φασματοσκοπική μέθοδος, η οποία αξιολογήθηκε και προτείνεται για την ταυτοποίηση της ορθορομβικής μορφής, καθώς και για τον ποσοτικό προσδιορισμό της μονοκλινούς μορφής σε μείγμα με την ορθορομβική. Κορυφές του FT-IR φάσματος διαπερατότητας στα 836 και 806 cm-1 (που δεν αντιστοιχούν σε θεμελιώδεις δονήσεις) προτείνονται για την ταυτοποίηση. Ο λόγος των εντάσεων των ταινιών απορρόφησης στα 836 cm-1 (ενδεικτικών της παρουσίας και των δύο μορφών) και στα 806 cm-1 (ενδεικτικών της παρουσίας της μονοκλινούς μορφής) ως προς το αντίστροφο του μοριακού κλάσματος της μονοκλινούς μορφής (X) έδωσε ευθεία γραμμή: Ι836/Ι806 = 0,515/Χ + 0,700, με r=0,9965 για 8 δείγματα. Ομοίως, ο λόγος της επιφάνειας κάτω από την κορυφή των 454 cm-1 στο φάσμα Raman (που αποδίδεται στην παρουσία και των δύο μορφών) προς την επιφάνεια της κορυφής των 465 cm-1 (της μονοκλινούς μορφής), είναι αντιστρόφως ανάλογος του μοριακού κλάσματος της μονοκλινούς μορφής (X): Α454/Α465 = 0,482/Χ - 0,324, με τ= 0,9954 για 8 δείγματα. Η διακύμανση (RSD %) ήταν < 5% και για τις δύο μεθόδους. Επιπλέον, ανάλυση γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ της έντασης χαρακτηριστικών ανακλάσεων στα φάσματα περίθλασης ακτινών X (XRD) για 4 διαφορετικά δείγματα, έδωσε r= 0,9964 στα 4,62 A και r= 0,9894 στα 3,70 Å, για την ορθορομβική μορφή. Για το περιεχόμενο της μονοκλινούς μορφής ελήφθη r = 0,9596 στα 3,37 Å. Το όριο ανίχνευσης της μονοκλινούς μορφής εκτιμήθηκε στο 0,012 μοριακό κλάσμα και για τις δύο μεθόδους. Από τα προαναφερθέντα συμπεραίνεται ότι η ορθορομβική και μονοκλινής μορφή μπορούν να ταυτοποιηθούν και να προσδιοριστούν ποσοτικά με την προτεινόμενη FT-IR μέθοδο. Η διερεύνηση των επιδράσεων των κυριότερων συνθηκών κρυστάλλωσης βασίστηκε σε δύο σειρές πλήρους παραγοντικού πειραματικού σχεδιασμού με δύο παράγοντες (συνθήκες κρυστάλλωσης) στην καθεμία. Στην πρώτη σειρά, εξετάστηκαν ποσοτικά οι επιδράσεις του ρυθμού ανάδευσης, AR, και της θερμοκρασίας ψύξεως, Tc, στις μεταβολές της θερμοκρασίας του υπέρκορου αιθανολικού διαλύματος (μέσο ρυθμό ψύξεως (CR), χρόνο της μέγιστης απόκλισης της θερμοκρασίας από την προγραμματισμένη (tmax) και εμβαδόν της επιφάνειας κάτω από την καμπύλη μεταβολής της θερμοκρασίας - χρόνου (AUC)), στην απόδοση των κρυσταλλώσεων (Υ), στην πυκνότητα και το περιεχόμενο ορθορομβικής μορφής του κρυσταλλικού προϊόντος, στις σωματιδιακές ιδιότητες (μέγεθος και σχήμα) και στις ιδιότητες συμπίεσης. Τελικά προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για απόδοση και περιεκτικότητα ορθορομβικής μορφής. Βρέθηκε ότι η απόδοση αυξάνει με το ρυθμό ανάδευσης, AR, και μειώνεται με τη θερμοκρασία ψύξεως, Tc. Ο λόγος tmax/CR παρέχει ικανοποιητική πρόβλεψη της απόδοσης, Y (Υ = 58,92 - 1,386 tmax / CR, R2 = 0,964, p = 0,0001). Επίσης, βρέθηκε ότι η Tc και ο AR επιδρούν γραμμικά στο μέγεθος των κρυστάλλων και την κατανομή μεγέθους, πιθανώς λόγω μεταβολής του βαθμού υπερκορεσμού, αλλά δεν επηρεάζουν σημαντικά το σχήμα των κρυστάλλων, πιθανώς λόγω της κυριαρχίας των μεταβολών του μεγέθους και σχήματος επί των μεταβολών του ρυθμού ανάπτυξης των κρυσταλλικών εδρών. Η πυκνότητα και οι ιδιότητες συμπίεσης (πίεση υποχώρησης και ελαστική επαναφορά) καθορίζονται από το περιεχόμενο της ορθορομβικής μορφής, το οποίο αυξάνει με το AR (p = 0,009) και την Tc (p = 0,039), όταν η ανάδευση είναι μεταξύ 300 και 500 σ.α.λ., ενώ το tmax μειώνεται. Στις 700 σ.α.λ. το περιεχόμενο ορθορομβικής μορφής μεγιστοποιείται και γίνεται ανεξάρτητο της θερμοκρασίας ψύξεως, Tc. Με βάση τα παραπάνω ευρήματα αναμένονται υψηλότερη απόδοση αλλά και περιεκτικότητα ορθορομβικής μορφής για χαμηλότερη Tc και μικρότερο tmax, το οποίο αντιστοιχεί σε υψηλότερο AR αλλά είναι δυνατόν και να επηρεάζεται από μεταβολές της διαδικασίας εμπυρήνωσης και συλλογής. Ως εκ τούτου, στη δεύτερη σειρά του πειραματικού σχεδιασμού, διερευνήθηκε η δυνατότητα αύξησης της κρυσταλλικής απόδοσης σε καθαρή ορθορομβική μορφή αυξάνοντας το χρόνο κρυστάλλωσης. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν χαμηλότερα επίπεδα θερμοκρασίας ψύξεως, Tc, η ανάδευση κρατήθηκε σταθερή σε υψηλό επίπεδο (700 σ.α.λ.) το οποίο, όπως βρέθηκε στο πρώτο πειραματικό σετ, ήταν υπεύθυνο για μεγαλύτερη απόδοση και μέγιστο περιεχόμενο ορθορομβικής μορφής. Ακόμη, το κρυσταλλικό προϊόν συλλεγόταν σε αυξανόμενο χρόνο, tH (20, 30 και 40 min) μετά τον εμβολιασμό. Αξιολογήθηκαν η απόδοση της κρυστάλλωσης (Υ), οι σωματιδιακές ιδιότητες και το περιεχόμενο της ορθορομβικής μορφής και επιπλέον μελετήθηκε η κινητική της μετάπτωσης με τη μεσολάβηση του διαλύτη υπολογίζοντας το χρόνο επαγωγής, tit, για διαφορετική Tc και την ενέργεια ενεργοποίησης της μετάπτωσης, Ea. Από τον δεύτερο πειραματικό σχεδίασμά, βρέθηκε ότι η απόδοση (Υ) αυξάνει με το χρόνο συλλογής, tH, και μειώνεται με τη θερμοκρασία ψύξεως, Tc. Το μέσο μέγεθος των κρυστάλλων και η κατανομή μεγέθους επηρεάζεται γραμμικά από την Tc, πιθανώς λόγω μεταβολών στην εμπυρήνωση και ανάπτυξη των κρυστάλλων. Οι επιδράσεις στο σχήμα των κρυστάλλων μπορούν να διαλευκανθούν μόνο μετά από ταξινόμηση κατά μέγεθος. Μάλιστα, βρέθηκε ότι καθώς οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται, γίνονται επιμήκεις και με τραχύτερες επιφάνειες. Ο χρόνος επαγωγής της μετάπτωσης με μεσολάβηση του διαλύτη (tit) ήταν σημαντικά μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο για την εμφάνιση μονοκλινούς μορφής όταν εφαρμοζόταν μεγαλύτερης κλίμακας συλλογή και ξήρανση του κρυσταλλικού προϊόντος. Αυτό αποδόθηκε στην εξάτμιση υπολειμμάτων του διαλύτη. Τέλος, η τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης για την μετάπτωση με τη μεσολάβηση του διαλύτη (Ea=62,9 kJ/mol) βρέθηκε μεταξύ των τιμών για εμπυρήνωση στη στερεά κατάσταση και σε διάλυμα, υποδηλώνοντας την λειτουργία μικτού μηχανισμού κατά την κρυσταλλική μετάπτωση.