sation
La cristallisation de composés d’intérêt pharmaceutique est, en général, très compli- quée car elle résulte de la compétition de nombreux mécanismes comme la nucléation et la croissance des différentes formes cristallines mais aussi, de la transformation des formes métastables vers les formes stables. C’est pourquoi, pour contrôler le polymorphisme, il est nécessaire de connaître et de comprendre non seulement l’influence des différentes condi- tions opératoires sur le polymorphisme mais aussi les différents mécanismes élémentaires mis en jeux lors de la cristallisation. Pour réaliser une nucléation sélective il est donc essentiel de connaître les paramètres clés du procédé.
I.4.1 Représentation schématique des facteurs influençant la cristallisation des polymorphes
Un diagramme schématique des facteurs influençant la cristallisation des polymorphes, proposé par Kitamura (Kitamura, 2002), est représenté sur la figure I.17. Cet auteur a identifié deux types de facteurs : les facteurs primaires liés aux polymorphes et au procédé comme la sursaturation, la température, les semences et les facteurs secondaires constitués par les substances externes comme le solvant, les additifs, le pH... La solubilité n’apparaît pas comme un facteur influant. Cependant, la sursaturation de chaque forme, la stabilité relative et le sens des transformations entre polymorphes sont basés sur la connaissance des solubilités.
I.4.2 Les facteurs primaires
I.4.2.1 Température et concentration
Lors des procédés de cristallisation par refroidissement, la température et la concentra- tion varient simultanément et il est très difficile d’étudier ces facteurs indépendamment. Une des possibilités est d’utiliser une méthode de «cristallisation différentielle» . Une faible quantité de cristaux est produite en maintenant la concentration de la solution et la tempé- rature constante. Cette approche à été mis en œuvre pour la cristallisation d’acides aminés (Kitamura, 2002), et des dérivés du thiazole (Kitamura & Nakamura, 2002). Lorsque les polymorphes cristallisent séparément, la cinétique de nucléation de chaque polymorphe, ainsi que la vitesse relative de nucléation peuvent être déterminées au moyen de l’équation (I.32). De cette manière, à température constante, il est possible de déterminer l’influence
Solubilité des polymorphes Facteurs Secondaires Facteurs Primaires pH Interface Additifs Solvant Semence Agitation Température Sursaturation Transformation Croissance Nucléation Contrôle de la cristallisation
Fig. I.17:Représentation schématique des facteurs influençant la cristallisation des polymorphes (Kita- mura, 2002)
du degré de sursaturation sur la nature du polymorphe formé (à condition de connaitre toutes les autres grandeurs de l’équation I.32) .
Le rôle de la température est plus délicat à étudier. En effet pour des systèmes énantio- tropes il est clair qu’elle conditionne directement la cristallisation, en favorisant la forma- tion de la forme stable (Nass, 1991). Pour les polymorphes de conformation, il est possible que la température joue un rôle non négligeable sur la nature des conformères stables en solution. Dans ce cas, la température serait responsable de la formation d’une forme métastable même pour des systèmes monotropes (Berstein, 2002).
Lorsque les cinétiques de transformation le permettent, la maturation est une technique très fiable pour obtenir le polymorphe le plus stable à la température considérée.
I.4.2.2 Ensemencement
L’ensemencement avec la forme souhaitée est l’une des techniques les plus utilisées lors de la cristallisation de polymorphes. Beckmann (Beckmann, 2000b) a développé une stratégie d’ensemencement afin d’obtenir la forme désirée (stable ou métastable). Le choix et la préparation des semences sont des paramètres très importants. En effet, avant toute introduction dans le cristallisoir, il est nécessaire de bien caractériser les semences afin d’être sûr de leur pureté. Dans le cas de l’abecarnil (Beckmann & Otto, 1996; Beckmann, 2000a) la forme métastable devait être cristallisée. La présence de moins de 5% de la forme stable dans les semences provoque la proflifération de cette forme pour en obtenir jusqu’à 50% dans le produit final. La granulométrie des semences doit aussi être contrôlée. En effet, les cristaux doivent présenter des surfaces spécifiques aussi grandes que possible. Cependant, un compromis doit être trouvé car les particules fines ont une forte tendance à l’agglomération ce qui diminue l’efficacité de l’ensemencement. De plus, il est préférable
de réaliser un ensemencement en voie humide afin d’une part d’eviter l’empoisonnement des semences par l’environnement, mais aussi pour des raisons de facilité d’introduction (pompage).
Pour un procédé de cristallisation en solution par refroidissement, il est important de déterminer la température d’introduction des semences. Les semences peuvent être intro- duites à des niveaux faibles de sous-saturation. Dans ce cas, les semences vont se dissoudre jusqu’à ce que la saturation soit atteinte. Cette dissolution va « activer » les semences comme si elles avaient été introduites en voie humide. Cependant la quantité et la distri- bution de taille des semences doivent être ajustées en fonction de la vitesse de refroidis- sement, afin qu’elles ne soient pas toutes dissoutes avant d’atteindre la sursaturation. La limite haute d’ensemencement est déterminée par la largeur de la zone métastable, afin d’éviter la nucléation spontanée.
La détermination du point d’ensemencement nécessite la connaissance préalable des courbes de solubilité et des limites de zones métastables. Les semences sont introduites classiquement entre un état sous saturé proche de la courbe de solubilité et au maximum au quart ou à la moitié de la largeur de la zone métastable. En pratique, la température d’ensemencement est déterminée par introduction progressive des semences au cours du refroidissement et le point d’ensemencement correspond à l’augmentation brutale de la turbidité de la solution. Ces observations sont résumées sur la figure I.18.
C on ce nt ra ti on Température
a) Ensemencement tardif b) Ensemencement prématuré
c) Ensemencement réussi
Fig. I.18: Représentation schématique des différentes procédures d’ensemencement. a) Ensemencement tardif : la nucléation spontanée n’est pas évitée. b) Ensemencement prématuré : dissolution des semences. c) Ensemencement réussi : la dissolution des semences ou la nucléation spontanée sont évitées au profit de la nucléation secondaire et de la croissance
I.4.2.3 Vitesse de refroidissement
La vitesse de refroidissement est un facteur qui n’apparaît pas directement dans les critères définis par Kitamura (cf. figure I.17). Cependant, il est très important de contrô- ler cette grandeur car elle conditionne le niveau de sursaturation et la limite de la zone métastable. Par exemple, si une forme métastable doit être cristallisée, une vitesse éle- vée de refroidissement doit être utilisée, afin d’éviter toute transformation vers des formes plus stables. Une pratique couramment utilisée pour produire des formes métastables, à l’échelle du laboratoire, consiste à ajouter brutalement un non-solvant froid. Ce refroidisse- ment brutal empêche, pour des raisons cinétiques, la formation de la forme la plus stable. Cependant, il est très difficile de contrôler la taille des cristaux produits par un tel procédé. En revanche si des cristaux de la forme stable doivent être produits, la meilleure solution consiste à maintenir, au cours de la cristallisation, un niveau de sursaturation toujours inférieur à la solubilité de la forme métastable.
I.4.3 Les facteurs secondaires
Le rôle des facteurs secondaires influençant la cristallisation est plus délicat à déter- miner. Le rôle des additifs lors de la cristallisation est très compliqué. Il nécessite une description précise des différentes formes polymorphes, notamment de la vitesse de crois- sance des face constituants les différents cristaux. Ces additifs sont en général utilisés pour inhiber la croissance de la forme stable au profit de la forme métastable. Ils sont choisis en connaissant les molécules ou les parties de molécules présentes sur les faces des cristaux. Ces nouvelles interactions additifs-molécules créent de nouvelles surfaces défavorables à la croissance cristalline. Le rôle et le choix du solvant est aussi complexe. En effet, un solvant dans lequel le composé a une solubilité faible aura tendance à orienter la cristallisation vers la forme métastable. Mais pour des raisons économiques, écologiques et de productivité, la cristallisation doit réalisée dans un solvant résultant d’un compromis entre ces différentes contraintes.