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RÉSUMÉ
Le polymorphisme est l’aptitude des molécules inorganiques et organiques à exister à l’état solide sous différentes formes cristallines. Ces différentes formes issues d’une même molécule peuvent présenter des propriétés physiques et chimiques très éloignées. Cet article aborde tous les aspects de ce phénomène, de l’origine physique aux méthodes actuelles d’étude, en passant par le cas particulier des solvates/hydrates.
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Michel BAUER : Consultant scientifique Sanofi-Aventis
INTRODUCTION
Dans son livre « La logique du vivant » [1], François Jacob citant Jean Perrin disait que « dans le monde du vivant comme ailleurs, il s’agit toujours d’expliquer du visible compliqué par de l’invisible simple ». Mais, dans les êtres comme dans les choses, c’est un invisible à « tiroirs ». Il n’y a pas une organisation du vivant, mais une série d’organisations emboîtées les unes dans les autres comme des poupées russes.
Si la biologie nous a révélé au cours de ces derniers siècles, et particulièrement celui qui vient de s’achever, l’infinie diversité des formes vivantes, pourtant toutes issues d’un nombre limité d’atomes, la physique et la chimie ne sont pas en reste. Elles nous ont révélé d’autres poupées russes incluses dans celles représentant le monde vivant et concernant les atomes et les molécules.
Un spectaculaire exemple, souvent cité, décrivant à merveille comment une entité (relativement simple) peut à l’état solide cristalliser suivant des organisations spatiales différentes, est celui du carbone. Rappelons en effet que, suivant la façon dont les atomes sont distribués, il peut donner naissance au diamant ou au graphite. Il est à peine utile de souligner combien les propriétés physico-chimiques de ces deux entités sont très différentes, et ce simplement parce qu’un même atome est spatialement distribué différemment à l’état solide.
Dans le cas des corps simples, l’aptitude des atomes à pouvoir exister à l’état solide sous différentes formes cristallines s’appelle l’allotropie. Cette même possibilité existe au niveau des molécules inorganiques et organiques. On parle alors de polymorphisme. Nous verrons plus loin une définition précise du phénomène.
Dans la plupart des cas, les différentes formes cristallines obtenues pour une même molécule auront des propriétés physiques et chimiques plus ou moins différentes.
Dès lors qu’un domaine d’activité technique mettra en œuvre des entités atomiques ou moléculaires (minérales comme organiques), les conséquences liées au polymorphisme devront être envisagées de façon précoce, si l’on veut éviter des problèmes aussi différents que le retrait du marché d’un médicament ou que le vieillissement du chocolat ou de la margarine, par exemple.
Pour une étude plus théorique du polymorphisme, le lecteur pourra consulter la référence [16] d’un article paru dans les Techniques de l’Ingénieur.
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- Version courante de nov. 2022 par Michel BAUER
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Cas des solvates/hydrates (pseudopolymorphisme)5. Polymorphisme et réactivité physico-chimique d’une molécule à l’état solide
À partir de la théorie de la thermodynamique et de la thermocinétique [9] [16], on peut démontrer les relations suivantes (dans le cas d’une dimorphie pour simplifier) :
avec :
- s :
- solubilité à saturation (pour T donnée)
- J :
- cinétique intrinsèque de dissolution
- k :
- constante cinétique de réaction dans un processus physico-chimique donné.
Ces formules rassemblent pratiquement toutes les facettes de la problématique induite par l’existence du polymorphisme. Le classement énergétique des formes (donc leur stabilité relative) peut s’effectuer simplement par mesure des solubilités à saturation (à condition qu’il n’y ait pas de transformation au cours de la détermination).
Par ailleurs, une forme métastable 1, par exemple, pourra être choisie comme présentant une cinétique de dissolution J1 plus rapide (ΔG = G1 − G2 > 0), mais sa réactivité ν1 dans les processus réactionnels sera également plus grande pouvant ainsi conduire à des problèmes de stabilité et de conservation. Ces deux derniers points ainsi que ceux mentionnés à propos de l’habitus cristallin 1.3 sont en particulier au cœur des préoccupations de la Recherche et du Développement pharmaceutique dans le cadre de la mise au point de formes solides ou pâteuses.
Les guidelines internationaux issus du processus d’harmonisation ICH [26] indiquent clairement la nécessité d’étudier le phénomène tant au niveau du principe actif lui-même que des excipients et, bien sûr, du produit fini. Le pire cas est atteint quand la cinétique de dissolution dans le tractus...
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