Dans le domaine de la chimie pharmaceutique la cristallisation des principes actifs ou intermédiaires est une étape importante, c'est elle qui va contrôler les propriétés physico-chimiques du solide obtenu. La première étape de la cristallisation, la nucléation, peut être lente, difficile ou perturbée par l'apparition d'une autre phase, solide ou liquide, indésirable. L'obtention du premier cristal et la recherche de nouveaux polymorphes nécessitent de longues et onéreuses études. Avec pour objectif de rationaliser ces recherches de conditions de cristallisation nous proposons, dans le cadre de cette thèse, l'étude et le développement de nouvelles techniques de cristallisation sur de faibles volumes (du µL au mL) en présence d'un champ externe. Par champ externe, on entend en présence d'un champ électrique, d'un faisceau lumineux ou d'ultrasons. Il s'agira d'être capable de provoquer la nucléation de manière localisée dans le temps et l'espace au sein de solutions métastables, afin de pouvoir l'observer et de mieux comprendre le mécanisme d'apparition du premier cristal.

Le but de cette thèse est le développement d'un outil microfluidique d'étude de la cristallisation (et plus particulièrement de la nucléation) adaptée aux contraintes de l'industrie, c'est-à-dire permettant de réaliser un grand nombre d'expériences de cristallisation tout en utilisant le moins de produits possible et en restant simple à mettre en place expérimentalement. Seule la microfluidique permet, en utilisant des volumes de l'ordre du nL, de répondre simultanément à ces deux contraintes. Les systèmes microfluidiques permettent en effet de générer des gouttes de quelques nanolitres qui sont autant de microcristallisoires permettant l'étude de la nucléation Ce travail présente la mise au point de systèmes microfluidiques et des méthodes analytiques associées dédiés à l'étude de la nucléation de principes actifs pharmaceutiques. Un système microfluidique existant a été adapté afin de répondre dans un premier temps aux problèmes posés par la cristallisation de protéines dans l'eau. Ce système a permis de mesurer la limite de zone métastable ainsi que la fréquence de nucléation d'une protéine modèle, le lysozyme, également utilisée comme principe actif. Puis ce système a été à nouveau adapté afin de permettre l'étude de la nucléation dans des solvants organiques variés et donc l'étude d'un grand nombre de principes actifs pharmaceutiques. À l'occasion de cette nouvelle adaptation, des méthodes plus polyvalentes d'études de la nucléation ont dû être mises au point afin de résoudre les nouveaux problèmes soulevés. La grande polyvalence du système microfluidique et des méthodes d'études de la nucléation ainsi mis au point permet d'envisager de ne pas limiter son champ d'application à la seule industrie pharmaceutique, mais de l'étendre à tous les domaines où l'utilisation de faibles volumes de solution permettrait de réduire les coûts (protéines) et/ou les risques (explosifs, matériaux radioactifs).

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.

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.