Apport du CO2 dans le contrôle de phase cristalline – CYPRES

Afin de répondre aux enjeux proposés par le projet CYPRES, trois approches expérimentales complémentaires ont été mises en œuvre :

(i) cristallisation classique avec diagnostic in-situ,

(ii) la cristallisation assistée par CO2 supercritique (scCO2) en réacteur microfluidique,

(iii) la cristallisation assistée par CO2 supercritique en réacteur macroscopique.

L’approche a tout d’abord consisté à identifier et étudier le comportement des molécules et cocristaux chiraux en conditions de cristallisation classique. Certains systèmes ont été entièrement caractérisés du point de vue de leur comportement thermique (établissement de diagramme de phase), en particulier pour savoir si le système cristallise sous forme d’un conglomérat ou d’un composé racémique. Lorsqu’un conglomérat était détecté en cristallisation classique, un procédé de cristallisation préférentielle a été optimisé en solution et servait de base à l’étude de la transposition en essais de cristallisation en scCO2. De manière concomitante, un screening de fabrication de cocristaux par cristallisation sous scCO2 a été réalisé. Cette cristallisation, principalement conduite ici en mode antisolvant, consiste à ajouter le CO2 à une liqueur mère pour diminuer la solubilité des espèces et provoquer leur précipitation ou co-précipitation. L’enjeu majeur de ce procédé semi-continu est le contrôle de la pureté cristalline et de l’excès énantiomérique, caractéristiques qui dépendent de l’homogénéité dans l’espace et le temps du réacteur et de la thermodynamique. L’utilisation de microréacteurs microfluidiques a, quant à elle, permis de mieux contrôler le mélange entre le CO2 et le solvant, tout en ayant un accès direct optique et spectroscopique (Raman) à des informations à l’échelle du cristal. Le réacteur de plus grand volume a, lui, permis de produire la quantité nécessaire à l’identification des phases. Le développement d’une analyse in situ est en cours de développement en cristallisation classique.

• Screening de fabrication de cocristaux par cristallisation en CO2 antisolvant : sur les 13 systèmes testés, 5 cocristaux produits dont 3 non décrits dans la littérature. 3 cocristaux obtenus par voie sans solvant organique dans laquelle le CO2 intervient lui-même en tant que solvant des composés. La rapidité du process (2h pour obtenir cocristaux purs et secs à partir d’une solution), associée aux faibles températures concourent à promouvoir le CO2 comme une alternative ‘eco-friendly’.

• Identification de 2 molécules chirales (Proxyphylline PXL, Diprophylline DPL) cristallisant avec les coformeurs acide salicylique (SAL=2HBA) et Acide 4 Hydroxybenzoïque (4HBA) sous formes de composés racémiques et ayant la possibilité de former un conglomérat en présence d’eau (conglomérat de cocristaux hydrates).

Identification des domaines de compositions de solvants ((mélange eau/solvant organique) permettant la mise en place d’un procédé de cristallisation préférentielle pour 3 systèmes : PXL/SAL, DPL/SAL et PXL/4HBA. (Fig 1)

• Production d’une phase cristalline qui associe les molécules PXL, 4HBA et CO2, via la cristallisation sous CO2 comprimé et impossible à produire autrement. Le CO2 joue un rôle primordial dans le réseau cristallin et cette phase évolue spontanément avec le temps et/ou l’augmentation de température vers la phase anhydre obtenue par cristallisation plus conventionnelle : la phase stable du cocristal PXL:4HBA. (Fig 2)

• Transfert du procédé de cristallisation préférentielle « classique » (système Nefiracetam-acide mandélique) vers un procédé sous CO2 pressurisé : les 2 cocristaux énantiopurs cristallisent simultanément dans 2 zones distinctes du réacteur, contrairement à la cristallisation préférentielle en solution dans laquelle on ne fait précipiter qu’un seul énantiomère. (Fig 3)

Mise en place d’un protocole d’introduction de germes dans le réacteur sous pression

• Développement d'une plateforme de microfluidique haute pression pour le suivi in situ des phénomènes de diffusion puis de nucléation-croissance de cristaux par effet anti-solvant supercritique. Disposée sous un microscope (+caméra), elle permet l’acquisition d’images ainsi que de vidéo des évènements de cristallisation en temps réel. Equipée d’une sonde Raman, elle permet le suivi des espèces au cours du processus (diffusion, nucléation, croissance). Appliquée à des molécules chirales, la cristallisation sur micro-puce haute pression donne des résultats sur le temps de précipitation des formes RS et S du principe actif. Le traitement des images / spectres Raman obtenus permet de remonter à la cinétique de croissance des cristaux du principe actif. Le couplage, observation expérimentale et simulation numérique des phénomènes de diffusion des espèces dans le réacteur, a permis de remonter au taux de croissance in situ et en temps réel (Fig 4 et 5).

• Mise en place d’une analyse de détection de cristallisation énantiopure par spectroscopie SHG (Second Harmonic Generation)

• La plate-forme microfluidique avec micro-puits pour l’étude des procédés de cristallisation sous CO2 pressurisé est fonctionnelle et équipée de techniques de caractérisation in situ (microscopie, spectroscopie Raman). Il s’agit d’un outil très puissant qui permet de répondre à de nombreuses demandes analytiques. Un couplage DRX pourrait également être envisagée car les microsystèmes sont compatibles avec ce type d’analyses, comme démontré dans d’autres études au synchrotron.

• La caractérisation des phases cristallines chirales par analyse SHG in situ pourrait être étendue en condition de CO2 supercritique, en particulier avec la plateforme microfluidique sous CO2 pour faire un criblage rapide des phases obtenues sous pression.

• Les conditions expérimentales de la cristallisation préférentielle sous CO2 seront à optimiser

• Une étude fondamentale des paramètres influençant les conditions de cristallisation en solution (solvatation, interactions intermoléculaires, cinétiques de nucléation/croissance) dans ces systèmes multiconstitués (= cocristaux solvatés à l’état solide) va être initiée suite à ce projet.

F. Ercicek, O. Nguyen, C. Harscoat-Schiavo, M. Marchivie, A. Erriguible, P. Subra-Paternault, S. Marre, Microchip co-crystallization with supercritical CO2, European Meeting on Supercritical Fluids, poster session, May, 2021, online.

Léa Nimod, Isabelle Ziri, Olivier Monnier. “CYPRES project – Enantiomeric resolution by using supercritical CO2 co-crystallization”, Sanofi internal «R&D week« Sanofi Montpellier, 2 décembre 2021.

F. Ercicek, O. Nguyen, A. Erriguible, C. Harscoat-Schiavo, P. Subra-Paternault, S. Marre. On-chip in-situ observations of crystallization events under supercritical CO2. Oral presentation. ISSF 2022, 13 th International Symposium on Supercritical Fluids, Montréal 15-18 may 2022.

F. Ercicek, M. Marchivie, C. Harscoat-Schiavo, S. Marre, P. Subra-Paternault. Cocristallisation d’actifs pharmaceutiques en milieu supercritique. Présentation orale. CRISTAL 10, 9-10 juin 2022, Lyon

F. Ercicek, C. Harscoat-Schiavo, M.Marchivie, S. Marre and P. Subra-Paternault. Investigations of pharmaceutical compounds co-crystallization for application to chiral resolution assisted by supercritical CO2. Présentation orale. BIWIC 2022, 27th International Workshop on Industrial Crystallization, 31st august – 2nd september 2022, Espoo Finland

«Cristallisation préférentielle d’un cocristal chiral ; une voie originale pour la séparation d’énantiomères.«, Chrystal LOPES, Nino PATRY, Clément BRANDEL, Yohann CARTIGNY, Congrès CRISTAL 10 Lyon, juin 2022. Poster presentation

COMPARATIVE STUDY OF TWO RELATED CO-CRYSTALS: CRYSTALLIZATION BEHAVIORS, CRYSTAL STRUCTURES AND PREFERENTIAL CRYSTALLIZATION, Clément BRANDEL, Nino PATRY, Chrystal LOPES, Nicolas COUVRAT, Yohann CARTIGNY, CGOM, Sept 2023, Brussel. Oral presentation.

Teaching at ENSIC Engineering School, Nancy: «Aspects fondamentaux et appliqués du polymorphisme des composés moléculaires et pharmaceutiques« Y. CARTIGNY juin 2022

Fatma Ercicek, Christelle Harscoat-Schiavo, Patrick Layrisse, Mathieu Marchivie, Yohann Cartigny, et al.. Naproxen-bipyridine cocrystallization assisted by pressurized carbon dioxide. Journal of Supercritical Fluids, 2023, 200, pp.105976. ?10.1016/j.supflu.2023.105976?. ?hal-04098643?

Fatma Ercicek, Christelle Harscoat-Schiavo, Patrick Layrisse, Mathieu Marchivie, Yohann Cartigny, et al. Cocrystallization of Naproxen and Bipyridine assisted by supercritical CO2.
CO2 solvent or CO2 antisolvent, what is the best process?
présentation orale. European Meeting on Supercritical Fluids, May 2023, Budapest

Yohann Cartigny. STUDIES ON SOLID-VAPOR EQUILIBRIA TO DEVELOP NEW SOLID MATERIALS: THE CASE OF HYDRATES. Congrès Société Chimique de France, Nantes 25 au 27 juin 2023

Dans un contexte d’intensification de procédés, le projet évalue la possibilité de contrôler la phase cristalline par l’utilisation de CO2 comprimé en mettant l’accent sur les aspects cinétiques. Les produits cibles sont les cocristaux et les substances chirales, dont la production nécessite de gérer une cristallisation sélective. Si l’utilisation du CO2 supercritique est de plus en plus proposée pour la génération de particules, le contrôle de la phase cristalline et de sa pureté dans le cas de molécules organiques n’est que peu abordé alors que ce sont des caractéristiques d’importance cruciale pour les propriétés visées surtout pour l’activité thérapeutique d’un médicament. Le résultat d’une cristallisation notamment en terme de phase générée et de sa pureté résultant d’une interaction complexe entre la cinétique et la thermodynamique, l’utilisation du CO2 doit permettre d’agit sur ces facteurs au travers de spécificités et flexibilité opératoires données par le paramètre pression, les options de mise en contact entre les espèces et le CO2 et la composition variable CO2 :solvant.
Pour atteindre ses objectifs, le projet CYPRES repose sur l’expertise complémentaire des cinq partenaires, sur le développement de diagnostic in-situ (Raman, UV, RX) et sur trois technologies qui vont contribuer à rationaliser les paramètres clés de la cristallisation assistée au CO2. Les diagrammes de co-existence des phases et les cristallisations conventionnelles en solution avec diagnostic RX in-situ vont donner les fondamentaux pour les systèmes sélectionnés. La microfluidique en CO2, peu développée actuellement pour les molécules organiques, va permettre d’obtenir des informations spatiales et temporelles tout à fait originales sur la cristallisation induite par CO2 grâce à un meilleur contrôle des conditions locales, tandis que la simulation numérique, développée aussi à l’échelle microfluidique, va permettre de rationaliser les contributions des différents phénomènes. Les essais suivants de cristallisation sous CO2 seront conduits sous différentes options et conditions opératoires en s’appuyant sur les résultats précédents.