Investigations of Crystallization Conditions for Polymorph Control and Enhanced Production og an Aromatic Amine

Abstract

Ulike krystalliseringsforhold av et dimorft aromatisk amin ble undersøkt gjennom eksperimen- ter av podet batch avkjølingskrystallisering. Hensikten med arbeidet var å tilegne kunnskap om krystalliseringen og undersøke effekten av ulike parametre på det polymorfiske utfallet for å oppnå kontroll over produktets polymorfiske sammensetning på en energieffektiv måte. De to polymorfene, PI og PII, kunne karakteriseres ved bruk av røngtendiffraksjon og Fourier- transform infrarød spektroskopi, i tillegg til at de utviste visuelle forskjeller i krystallstørrelse og morfologi som kunne observeres med SEM og lysmikroskop. PII utviste betraktelig bed- re filtreringsegenskaper sammenlignet med PI, og filtrerbarheten av krystalliseringsslurryen viste seg å bli betraktelig svekket av tilstedeværelsen av små mengder PI. Det polymorfis- ke utfallet av krystalliseringen ble funnet til å være diktert av konsentrasjonsprofilen under avkjølingen. En tilstrekkelig avmetning tidlig i avkjølingsprosessen er nødvendig for å unngå en oppbygning av overmetning og en polymorfisk faseovergang fra PII til PI. Den ønskede konsentrasjonsprofilen ble oppnådd når tilstrekkelig mengde PII ble felt ut før avkjøling. Det ble funnet at dette kunne oppnås ved å benytte et tilstrekkelig langt initielt opphold ved 80C eller ved å øke mengden podestoff av ett av de tre undersøkte podematerialene. Et dy- namisk avkjølingsregime med en ekstra oppholdstid ved 40C ble funnet til å forbedre den polymorfiske sammensetning med et lavere energibehov sammenlignet med å øke varigheten av det initielle oppholdet ved 80C. Implementeringen av et dynamisk avkjølingsregime viser derfor et betydelig potensial for å oppnå polymorfisk kontroll med et lavere energibehov. Det ble imidlertidig mistenkt at dannelsen av PI ikke var fullstendig forhindret, til tross for at PI ikke ble detektert i produktet av røngtendiffraksjon. Det ble konkludert at detekterings- begrensinger knyttet til røngtendiffraksjon som karakteriseringsverktøy var grunnen til dette. Dermed ble videre optimalisering og utforming av et passende dynamisk avkjølingsregime foreslått som tema for videre arbeid. Eksperimentelt fastslåtte løslighetsdata avslørte et en- antiotropisk forhold mellom polymorfene, og løslighetskurvene bidro til verdifull informasjon vedrørende de termodynamiske drivkreftene til systemet. Disse dataene tydeliggjorde at det polymorfiske utfallet er tett relatert til det å hindre overmetningen i å overskride visse nivåer i løpet av avkjølingen. Videre arbeid ble derfor anbefalt å rette seg mot å fastlå en konsentra- sjonsterskel hvor løsningen trygt kan avkjøles videre uten fare for polymorfisk faseovergang såfremt konsentrasjonen holder seg under denne terskelen.

Investigations of crystallization conditions of a dimorphic aromatic amine were carried out through seeded batch cooling crystallization experiments. The objective of the research work was to acquire knowledge on the crystallization behaviour and investigate the effect of diffe- rent parameters on the polymorphic outcome in order to achieve polymorphic control in an energy-efficient manner. The two polymorphs, PI and PII, were found to be distinguishable by XRD and FTIR, in addition to showing visual differences in crystal size and morphology by SEM and light microscopy. PII showed substantially better filtration properties compared to PI, and the filterability of the crystallization slurry showed to significantly decrease with the presence of PI, even for low PI content. The polymorphic outcome of the crystallization showed to be strongly dictated by the concentration profile during cooling. A sufficient desa- turation during the early stages of cooling was required to prevent a supersaturation build-up and a polymorphic transformation from PII to PI. The desired concentration trajectory was obtained when sufficient amount of PII had precipitated prior to cooling. This was shown to be achieved by having a sufficiently long hold-up at 80C or by increasing the seed loading of one of the three investigated seed materials. A dynamic cooling regime with an additio- nal hold-up at 40C enabled the product composition to be improved with a lower energy consumption compared to extending the initial hold-up at 80C. Implementing a dynamic cooling mode therefore shows great potential for achieving polymorphic control with a lower energy requirement. However, it was suspected that the formation of PI was not completely prevented, despite PI not being detected in the product by XRD. This was concluded to be due to detection limitations of XRD as a characterization method. Thus, further opti- mization and design of a suitable dynamic cooling regime was suggested for further work. Experimentally obtained solubility data revealed an enantiotropic relationship between the polymorphs, and the solubility curves provided valuable knowledge on the thermodynamic drivers of the precipitating phases. This data made it evident that yielding the desired poly- morph was strongly related to maintaining the supersaturation at low levels throughout the cooling. Further work is recommended to be directed towards determining a concentration threshold below which the temperature of the solution can be decreased without the risk of a polymorphic transformation.