Probing effects of organic solvents on paracetamol crystallization using in silico and orthogonal in situ methods

Abstract

Polymorphismus ist die Eigenschaft vieler anorganischer und insbesondere organischer Moleküle, in mehr als einer Struktur zu kristallisieren. Es ist wichtig, die Faktoren zu verstehen, die den Polymorphismus beeinflussen, da er viele physikochemische Eigenschaften wie Stabilität und Löslichkeit beeinflusst. Nahezu 80 % der vermarkteten Medikamente weisen Polymorphismus auf. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Wahl des organischen Lösungsmittels auf den Polymorphismus von Paracetamol untersucht und verschiedene Methoden entwickelt und angewandt, um den Einfluss genauer zu verstehen. Es wurde festgestellt, dass Ethanol viel stärker auf Paracetamol-Kristallisation als Methanol wirkt. Nichtgleichgewichts-Molekulardynamiksimulationen mit periodischer, simulierter Abkühlung (Simulated Annealing) wurden verwendet, um Vorläufer der metastabilen Zwischenprodukte im Kristallisationsprozess zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die Strukturen der Bausteine der Paracetamol-Kristalle durch geometrische Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Paracetamol bestimmt werden. Die statistisch häufigsten Bausteine in der Selbstassemblierung definieren die finale Kristallstruktur. Ein speziell angefertigter akustischer Levitator hat die Proben zuverlässig gehalten, wodurch die Untersuchung des Einflusses von Lösungsmitteln ermöglicht, heterogene Keimbildung abgeschwächt und andere Umgebungsfaktoren stabilisiert wurden. Die Kristallisation wurde in diesem Aufbau mit zeitaufgelöster In-situ-Raman-Spektroskopie verfolgt und mit einer neuen Zielfunktion basierenden Methode der nichtnegativen Matrixfaktorisierung (NMF) analysiert. Orthogonale Zeitrafferfotografie wurde in Verbindung mit NMF verwendet, um eindeutige und genaue Faktoren zu erhalten, die sich auf die Spektren und Konzentrationen verschiedener Anteile der Paracetamol-Kristallisation beziehen, die als latente Komponenten in den unbehandelten Daten vorhanden sind.

Polymorphism is the property exhibited by many inorganic and organic molecules to crystallize in more than one crystal structure. There is a strong need for understanding the influencing factors on polymorphism, as it is responsible for differences in many physicochemical properties such as stability and solubility. Nearly 80 % of marketed drugs exhibit polymorphism. In this work, we took the model system of paracetamol to investigate the influence of solvent choice on its polymorphism. Different methods were developed and employed to understand the influence of small organic solvents on the crystallization of paracetamol. Non-equilibrium molecular dynamics simulations with periodic simulated annealing were used as a tool to probe the nature of precursors of the metastable intermediates occurring in the crystallization process. Using this method, it was found that the structures of the building blocks of crystals of paracetamol is governed by solvent-solute interactions. In situ Raman spectroscopy was used with a custom-made acoustic levitator to follow crystallization. This set-up is a reliable method for investigating solvent influence, attenuating heterogeneous nucleation and stabilizing other environmental factors. It was established that as a solvent, ethanol is much stronger than methanol in its effect of driving paracetamol solutions to their crystal form. The time-resolved Raman spectroscopy crystallization data was processed using a newly developed objective function based non-negative matrix factorization method (NMF). An orthogonal time-lapse photography was used in conjunction with NMF to get unique and accurate factors that pertain to the spectra and concentrations of different moieties of paracetamol crystallization existing as latent components in the untreated data.