La fluidique est un outil offrant des avantages industriels notamment en termes de sécurité grâce à un meilleur contrôle thermique mais aussi une diminution des risques due à un engagement de volumes faibles. Cette technologie permet des réactions chimiques plus efficaces grâce à un système plus homogène qui impacte les rendements, la sélectivité ou encore la quantité de réactifs nécessaire. Aujourd’hui, la production de principes actifs pharmaceutiques est réalisée majoritairement en procédé batch. Ainsi, dans une première partie, la microfluidique a été appliquée à la synthèse d’un principe actif pharmaceutique. Les diverses étapes réactionnelles ainsi que les paramètres physiques du système ont été optimisés avec l’utilisation de micromélangeurs. Un procédé multi-étapes a été développé avec une productivité atteignant 100 g.h-1. Des productions ont été réalisées validant les tests préliminaires ainsi que la possibilité de production du principe actif pharmaceutique en continu.Les dérivés du bore sont quant à eux des intermédiaires réactionnels couramment utilisés pour leurs réactivités en synthèse organique. Ainsi, dans une seconde partie, la réaction de borylation électrophile a été étudiée, et plus spécifiquement la synthèse des oxa et des azaborinines grâce au complexe diisopropylamine borane (DIPAB) utilisé comme agent de borylation. Ces dernières molécules ont ensuite été fonctionnalisées grâce à des réactions d’oxydation, d’amination ou d’halogénation. / Fluidic devices offer industrial advantages especially in terms of security due to a better thermal control and a minimization of risks with lower volumes involved. This technology increases chemical reaction efficiencies thanks to a more homogeneous system which affects yields, selectivity and reagent quantities. Nowadays, pharmaceutical active principles are still predominantly produced using batch. Thus, in a first part, microfluidic has been applied to the synthesis of an active pharmaceutical ingredient. Each reaction step as well as the physical parameters of the system have been optimized by using a micromixer. A multi-step process has been developed with a productivity up to 100 g.h-1. Productions have been realized thereby validating preliminary studies including the possibility to produce the active pharmaceutical ingredient.Boron derivatives are chemical intermediates commonly used in organic synthesis for their reactivity. In a second part, electrophilic borylation reaction has been studied with the synthesis of oxa and azaborinins compounds as targets and the use of diisopropylamine borane complex (DIPAB) as a borylation agent. These molecules have then been functionalized through the use of oxidation, amination or halogenation reactions.

L’un des nombreux défis pour l’industrie pharmaceutique est de développer des procédés compétitifs pour produire des principes actifs de hautes qualités à bas coût. Pour ce faire, plusieurs sociétés se tournent vers la chimie en flux continu et les avantages qu’elle présente comparé au batch traditionnel. C’est pourquoi ces travaux de thèse se centrent sur le développement d’un procédé continu allant des matières premières au principe actif. La première étape pour parvenir à ce but fut de collecter des données sur le procédé batch industriel actuel. Il se compose de trois étapes de réactions chimiques, une de séparation chromatographique et une étape de cristallisation. A partir de là, la chimie de chaque réaction a été adaptée pour profiter au mieux des avantages du flux continu. La dissipation de chaleur étant plus efficace qu’en batch il fut possible de développer une réaction exothermique sans solvant à haute température. Une étude cinétique a été réalisée afin de modéliser cette réaction. Ensuite, cet outil fut utilisé pour déterminer les conditions opératoires optimales théoriques de la réaction et en guider l’optimisation ainsi que la conception du futur réacteur. La deuxième partie de ce travail se focalise sur la cristallisation en continu du principe actif avec la technique des jets impactant. Il est nécessaire d’avoir un contrôle précis sur la distribution de taille de particules (DTP) et la morphologie des cristaux. En effet, le principe actif peut cristalliser sous deux formes compétitives : cristaux cubiques ou en forme d’aiguilles. Les cubes sont la forme désirée. La technique des jets impactant a été sélectionnée car c’est un procédé continu qui permet la génération de fines particules avec une DTP resserrée. La sursaturation est généralement crée en impactant un jet de solution de principe actif avec un jet d’anti-solvant. Ici, le solvant et l’anti-solvant sont les mêmes. Seule une large différence de température entre les deux jets génère la sursaturation. En testant différentes conditions opératoires, une « zone cubique » a été définie, où seuls des cristaux de forme désirée sont générés. Une fois la nucléation maîtrisée, le murissement et la séparation solide-liquide furent étudiés pour développer un procédé complet de cristallisation. En combinant les recherches sur le développement des réactions chimiques et l’étape de cristallisation, un procédé continu complet fut proposé et comparé au procédé batch actuel afin d’évaluer les bénéfices apportés par la transposition en flux continu à la production du principe actif. / One of the many challenges in the pharmaceutical industry is to develop competitive processes to generate high quality active pharmaceutical ingredient (API) at low cost. To achieve this goal, many companies are looking towards flow chemistry and the advantages it affords, compared to traditional batch production. It is why this PhD work is focused on developing a continuous process from the raw materials to the API. The first step to achieve this goal was to collect data on the actual industrial batch process. It is composed of five steps, three steps of chemical reactions, one chromatographic separation and a crystallization step. From this starting point, the chemistry of each reaction was adapted to better use the advantages of flow chemistry. Thus, as the heat recovery in a continuous reactor is more efficient than in batch, it was possible to develop an exothermal reaction in neat conditions and at high temperature. A kinetic study was undertaken to gather knowledge on the reaction and develop a reaction model. This tool was used to find theoretical optimal operating conditions (temperature, residence time…) to guide the optimisation of the reaction and to design the future industrial reactor. The second part of this work is focused on the continuous crystallization of the API using the two impinging jets technology. It is required to have a tight control upon the morphology of the crystals and the particle size distribution (CSD). Indeed, the targeted API may crystallize under two competitive forms: cubic and needle crystals. The cubic form is the desired one. The two impinging jets technique was selected, since it is a continuous process able to generate small particles with a narrow CSD. The supersaturation is traditionally generated by impacting a jet of API solution with an anti-solvent one. Here, the solvent and the antisolvent are identical and only a large temperature difference between both streams is used to create the supersaturation. By screening different operating conditions, a “cubic zone” could be defined. Within this zone, only the desired crystal form is generated. Once the nucleation was under control, crystal growth and solid-liquid separation were studied to develop a complete crystallization process. By combining the research on the development of the chemical reactions and the crystallization step a full continuous process was proposed and was compared to the current batch one in order to evaluate the benefits brought by the flow chemistry to the API production.

This project focus on investigating the dissolution of low water-soluble intermediate organic compounds called active pharmaceutical ingredients (API) and organic substances that are manufactured by a pharmaceutical company, Cambrex Karlskoga in Sweden. Several dissolution methods were used and evaluated using methods including total organic carbon (TOC), chemical oxygen demand (COD), biochemical oxygen demand (BOD) and Microtox toxicity test. The selection of solvents were based on previous studies and specifications from the Swedish Institute of Standards, SIS.The performance of eight solvents for different organic substances were evaluated using the above mentioned methods. Solvents that are highly volatile and have low solubility in water were excluded. Therefore, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF) and Pluronic F-68, that had highest water solubility, low acute toxicity and not degradable by microorganisms, were further used to dissolve four organic substances. Furthermore, DMSO and DMF were then also used to dissolve four censored chemicals with addition of physical treatment and solvent mixtures (DMF:DMSO with ratio 1:2).Results from each method were discussed and statistical tests were also performed in order to compare different dissolution methods. In addition, quality control and quality assurance were made in order to ensure the quality of measured values from analytical methods. Four organic substances were dissolve in DMSO, DMF and Pluronic F-68 with dissolution ≥79% using six ratios of DMSO and DMF and five ratios of Pluronic F-68 which were analyzed using TOC. Physical treatment increased dissolution of two APIs with 40%. Using BOD, para-aminobenzonic acid (PABA) and 5-nitroisophthalic acid (5-NIPA) had values higher than the guideline values, which indicate high biodegradability of these organic substances. PABA, 5-NIPA and bupivacaine base were acute toxic where PABA showed EC50 values of 27.9 mg/L using DMSO and 36.0 mg/L using DMF, and EC50 values of 5-NIPA were 102 mg/L using DMSO and 84.0 mg/L using DMF, and bupivacaine base had EC50 value of 174 mg/L using solvent mixture (DMF:DMSO with ratio 1:2). With increasing amount of Pluronic F-68, 5-NIPA had increased values of EC50, thereby Pluronic F-68 was not appropriate to use.In conclusion, DMSO and DMF were most appropriate solvents to use in order to dissolve APIs and organic substances with analyte: DMSO ratio of 1:0.5 and analyte: DMF ratio of 1:0.25. In addition, physical treatment could be used in order to increase dissolution of the APIs.

The production of stable solid crystalline material is an important issue in the pharmaceutical industry and the challenge to control the desired active pharmaceutical ingredient (API) with the specific chemical and physical properties has led to more development in the drug industry. Increasing the solubility and the dissolution of the drug will increase its bioavailability; therefore the solubility can be improved with the change in the preparation method. The formation of co-crystals has emerged as a new alternate to the salts, hydrates and solvate methods since the molecules that cannot be formed by the usual methods might crystallise in the form of co-crystals. Co-crystals are multicomponent crystals which can be known as supramolecules and are constructed by the non covalent bonds between the desired former and co-former. Therefore the synthon approach was utilised to design co-crystals with the specific properties, this involves the understanding of the intermolecular interactions between these synthons. These interaction forces can be directed to control the crystal packing in the design of the new crystalline solid with the desired chemical and physical properties. The most familiar synthon was the amide group with its complementary carboxylic group, in this work isonicotinamide and benzoic acid were chosen to design co-crystal and much literature exist that introduce the determination of co-crystal growth from these two compounds. The growth of co-crystals was carried out in water, ethanol and ethanol / water mixed solvent (30 - 90 % ethanol) by utilising the Cryo-Compact circulator. Co-crystals (1:1) and (2:1) were grown in ethanol and water respectively and a mixture of both phases were grown in the mixed solvent. All the phases were examined by powder X-ray diffraction (PXRD), Raman, Infrared and 1H-NMR spectroscopy. The solubility of isonicotinamide, benzoic acid, co-crystals (1:1) and (2:1) in water, ethanol and ethanol/water mixed solvent (30 - 90 % ethanol) were determined at 25 °C, 35 °C and 40 °C by utilising the React-Array Microvate. It was important to understand some of the thermodynamic factors which control the formation of these polymorphs such as the change in the enthalpy and the change in the entropy. Also it was important to study the pH behaviour during dissolution of the former, co-former and co-crystals in water, ethanol and ethanol/water mixed solvent (30 - 90 % ethanol) in-order to examine the affect of the solvent composition on the solubility and to identify if some ions were formed during the dissociation and how this could affects the formation of co-crystals. A discussion has been introduced in this research of how similar solubility of the compounds maps the formation of the typical ternary phase diagram of the mixture of 1:1 while compounds with different solubility maps the formation of skewed phase diagram as shown in section 1.6.2.3. In this project an isotherm ternary phase diagram at 20 °C and 40 °C was constructed to map the behaviour of benzoic acid and isonicotinamide and to show all possible phases formed and the regions where all phases are represented in the ternary phase diagram were determined by the slurry method. The ternary phase diagram was used to design a drawn out and cooling crystallisation at 100 cm3 solution of 50 % ethanol / water mixed solvent and a study of the impact of seeds of co-crystals 1:1 on the cooling crystallisation method.

Les entreprises pharmaceutiques ont progressivement adopté le concept de Process Analytical Technology (PAT) afin de contrôler et d'assurer en temps réel la qualité des produits pharmaceutiques au cours de leur production. Le PAT et un composant central du concept plus général de Quality-by-Design (QbD) promu par les agence régulatrices et visant à construire la qualité des produits via une approche scientifique et la gestion des risques.Une méthode basée sur la spectroscopie proche infrarouge (PIR) a été développée comme un outil du PAT pour contrôler en ligne la cristallisation d'un principe actif pharmaceutique. Au cours du procédé les teneurs en principe actif et en solvant résiduel doivent être déterminées avec précision afin d'atteindre un point d'ensemencement prédéfini. Une méthodologie basée sur les principes du QbD a guidé le développement et la validation de la méthode tout en assurant l'adéquation avec son utilisation prévue. Des modèles basés sur les moindres carrés partiels ont été construits à l'aide d'outils chimiométriques afin de quantifier les 2 analytes d'intérêt. La méthode a été totalement validée conformément aux requis officiels en utilisant les profils d'exactitude. Un suivi du procédé en temps réel a permis de prouver que la méthode correspond à son usage prévu.L'implémentation de cette méthode comme à l'échelle industrielle au lancement de ce nouveau procédé permettra le contrôle automatique de l'étape de cristallisation dans le but d'assurer un niveau de qualité prédéfini de l'API. D'autres avantages sont attendus incluant la réduction du temps du procédé, la suppression d'un échantillonnage difficile et d'analyses hors ligne fastidieuses. / Pharmaceutical companies are progressively adopting and introducing the Process Analytical Technology (PAT) concept to control and ensure in real-time product quality in development and manufacturing. PAT is a key component of the Quality-by-Design (QbD) framework promoted by the regulatory authorities, aiming the building of product quality based on both a strong scientific background and a quality risk management approach.An analytical method based on near infrared (NIR) spectroscopy was developed as a PAT tool to control on-line an API (active pharmaceutical ingredient) crystallization. During this process the API and residual solvent contents need to be precisely determined to reach a predefined seeding point. An original methodology based on the QbD principles was applied to conduct the development and validation of the NIR method and to ensure that it is fitted for its intended use. Partial least squares (PLS) models were developed and optimized through chemometrics tools in order to quantify the 2 analytes of interest. The method was fully validated according to the official requirements using the accuracy profile approach. Besides, a real-time process monitoring was added to the validation phase to prove and document that the method is fitted for purpose.Implementation of this method as an in-process control at industrial plant from the launch of this new pharmaceutical process will enable automatic control of the crystallization step in order to ensure a predefined quality level of the API. Other valuable benefits are expected such as reduction of the process time, and suppression of a difficult sampling and tedious off-line analyzes.

Die Kristallisation ist ein wichtiger Teilprozess bei der industriellen Herstellung vieler Materialien und Medikamente. Es ist jedoch ein vielschichtiger, physikalischer Vorgang, der noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Kristallisation von organischen, polymorphen Verbindungen aus unterschiedlichen Lösungsmitteln. Die Kristallisationsstudien wurden in einem akustischen Levitator mit Klimakammer, der den Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit und festen Oberflächen steuert, durchgeführt. Verschiedene analytische in-situ-Methoden und deren Kopplung kamen für die Analyse der Kristallisationsabläufe zum Einsatz. Als Unterstützung für die Interpretation der beobachteten Phänomene wurden unter äquivalenten Bedingungen Moleküldynamik-Simulationen vorgenommen. Die Kristallisation der Modellverbindungen zeigte verschiedene spezifische Kristallisationspfade, die nicht dem klassischen Kristallisationsmodell entsprachen. Zunächst verdampfte das Lösungsmittel, was mit einer Konzentrationszunahme der Lösung und der Ausbildung von charakteristischen amorphen Phasen (Polyamorphismus) einherging, und schließlich trat die Kristallisation ein. Durch die oberflächenfreie Kristallisation wurde ausschließlich nur ein Polymorph ein- und derselben Verbindung als Kristallisationsprodukt isoliert. Die gezielte Wahl der Ausgangskonzentration und eines Lösungsmittels ermöglichte die Steuerung des Kristallisationsverlaufs hin zu einer gewünschten Kristallstruktur des untersuchten Materials. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen das Verständnis über den komplexen Ablauf des Kristallisationsvorgangs, gleichzeitig zeigen sie weitere Ansätze auf, die Kristallisation zu untersuchen. Die neuen Erkenntnisse sind hilfreich bei der Optimierung der Herstellungsprozesse verschiedener Materialien. / Crystallization is a complex process, which is used in different processes in the industrial production of various materials. The limited understanding about its fundamental mechanisms challenges the control of crystallization and influences the quality of the materials. The research of this work concentrates on the crystallization studies of organic model systems (active pharmaceutical ingredients) from different organic solvents in an acoustic levitator. This specific sample environment regulates the influence that solid surfaces, temperature, and humidity have on the crystallization process. The investigations were performed with in situ analytical techniques and theoretical simulations to gain a comprehensive insight into processes, occurring intermediates, and required reaction conditions. The results show that the model systems follow specific crystallization pathways different than those predicted by the classical nucleation theory. The crystallization proceeded via the evaporation of the solvent and the formation of characteristic amorphous phases (polyamorphism) into one crystalline structure of the compound. The targeted choice of the solvent and the concentration enabled the guidance of the pathways, therefore, resulting in the isolation of one desired crystalline structure. The findings are of great interest and they help explain the crystallization mechanisms on a molecular level, which is a fundamental contribution for the optimization of manufacturing processes.

Le développement d’un médicament pour une cible thérapeutique donnée passe par plusieurs étapes qui se résument en une étape de criblage, une phase préclinique et plusieurs phases cliniques. Ces étapes permettent de sélectionner une substance active et de démontrer son efficacité thérapeutique et sa sécurité toxicologique. Ces deux critères définissent la qualité du médicament qui, une fois démontrée, doit être garantie pendant toute sa durée de validité. La qualité est évaluée au moyen d’études de stabilité qui sont réalisées d’abord sur la matière première de la substance active au cours de la phase de pré-développement du médicament, ensuite sur le produit fini. La stabilité intrinsèque de la substance active concerne à la fois ses propriétés chimiques et ses propriétés physiques qui sont liées à la nature de la substance. L’étude de stabilité repose d’abord sur la caractérisation de ces propriétés, et ensuite sur l’étude de la sensibilité de la substance à l’égard des facteurs environnementaux pouvant modifier les propriétés intrinsèques de la substance. L’approche adoptée dans ce travail repose d’une part sur l’évaluation de la stabilité chimique c’est à dire de la réactivité chimique des substances à usage pharmaceutique au travers des études de pureté chimique et des études de dégradation forcée de ces substances en solution, et d’autre part, sur l’évaluation de la stabilité physique. Dans ce cadre, l’étude du polymorphisme cristallin revêt une grande importance, tout comme l’aptitude à la formation d’hydrates ou de solvates. Cette étude, basée sur la thermodynamique, consiste pour l’essentiel à construire un diagramme de phases pression-température permettant de définir les domaines de stabilité relative des différentes formes cristallines. Cinq substances actives, existant à l’état solide et entrant dans la composition de médicaments administrés par voie orale, ont été étudiées dans le cadre de ce travail. L’analyse chimique du tienoxolol, présentant un effet anti-hypertenseur, a montré qu’il est très sensible à l’hydrolyse et à l’oxydation. Sept produits de dégradation ont été identifiés pour ce produit dont un schéma probable de fragmentation a été établi. Des diagrammes de phases pression-température ont été construits pour le bicalutamide et le finastéride, médicaments du cancer de prostate, en utilisant une approche topologique basée simplement sur les données disponibles dans la littérature. Cette étude a montré que la relation thermodynamique (énantiotropie ou monotropie) entre les formes cristallines sous conditions ordinaires peut être modifiée en fonction de la température et de la pression. Ce résultat est important pour la production des médicaments car il montre comment une telle information peut être obtenue par des mesures simples et accessibles aux laboratoires de recherche industrielle, sans que ces derniers soient contraints d’expérimenter sous pression. La méthode topologique de construction de diagramme de phases a été validée ensuite en la comparant à une méthode expérimentale consistant à suivre, par analyse thermique, des transitions de phases en fonction de la pression. La méthode expérimentale a été appliquée à deux composés, la benzocaine, anesthésique local, et le chlorhydrate de cystéamine, médicament utilisé pour les cystinoses. Les deux formes étudiées de benzocaine présentent une relation énantiotrope qui se transforme en relation monotrope à haute pression. Une nouvelle forme cristalline (forme III) du chlorhydrate de cystéamine a été découverte au cours de ce travail. La relation thermodynamique entre cette forme III et la forme I est énantiotrope dans tout le domaine de température et de pression. De plus, le chlorhydrate de cystéamine, classé hygroscopique, a fait l’objet d’une étude quantitative de sa sensibilité à l’eau, montrant qu’il devient déliquescent sans formation préalable d’hydrate (...) / The development of a drug for a given therapeutic target requires several steps, which can be summarized by drug screening, a preclinical phase and a number of clinical phases. These steps allow the selection of an active substance and a verification of its therapeutic efficacy and toxicological safety. The latter two criteria define the quality of the drug, which once demonstrated, must be guaranteed throughout its shelf life. Quality is assessed through stability studies that are carried out with the raw material of the active substance (preformulation phase) and with the final product. The intrinsic stability of the active substance depends on its chemical and physical properties and their characterization is the core of the stability studies, which in addition consists of sensitivity studies of the active pharmaceutical ingredient (API) for environmental factors that can modify the intrinsic properties of the substance. The approach presented in this work is based on the one hand on the assessment of the chemical stability, i.e. the reactivity of APIs through chemical purity studies and forced degradation in solution, and on the other hand on the assessment of the physical stability. For the latter, crystalline polymorphism is of great importance, as is the ability of the API to form hydrates or solvates. The study of crystalline polymorphism is based on the construction of pressure-temperature phase diagrams in accordance with thermodynamic requirements leading to the stability condition domains of the different crystalline forms. The stability behavior of five APIs used or meant for oral applications has been studied as part of this work. The chemical analysis of tienoxolol, an antihypertensive drug, has demonstrated its sensitivity for hydrolysis and oxidation. Seven degradation products were identified and patterns of fragmentation have been established. Pressure-temperature phase diagrams have been constructed for bicalutamide and finasteride, drugs against prostate cancer, using a topological approach based on data available in the literature. The study demonstrates that the thermodynamic relationship (enantiotropy or monotropy) between crystalline forms under ordinary conditions can change depending on the pressure. This is important for drug development as it demonstrates how stability information can be obtained by standard laboratory measurements accessible to industrial research laboratories without the necessity to carry out experiments under pressure. The topological approach for the construction of phase diagrams has subsequently been validated by measuring transition temperatures as a function of pressure. Experiments have been carried out with benzocaine, a local anesthetic, and with cysteamine hydrochloride, a drug used against cystinosis. Two crystalline forms were observed in the case of benzocaine. They exhibit an enantiotropic relationship that becomes monotropic at high pressure. For cysteamine hydrochloride, a new crystalline form (form III) was discovered. The thermodynamic relationship between the new form III and the known form I is enantiotropic for the entire temperature and pressure range. Cysteamine hydrochloride’s sensitivity to water has been studied, as it is hygroscopic. It has been demonstrated that it becomes deliquescent in the presence of water and no trace of a hydrate has been found. Finally, a study combining thermal and chromatographic methods showed that, under the effect of temperature, cysteamine hydrochloride turns into cystamine in the solid as well as in the liquid state, The latter is known to be an important impurity of cysteamine hydrochloride. In conclusion, the approach developed in this work allowed to characterize the stability properties of a number of APIs and to determine the factors that may change these properties and influence the intrinsic stability (...)