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Article

1 - COSMO-RS : RAPPELS THÉORIQUES

2 - LIQUIDES IONIQUES ET EUTECTIQUES PROFONDS

3 - FORMULATION ET CONCEPTION DE MÉDICAMENTS

4 - SURFACES ET INTERFACES LIQUIDES

5 - STRUCTURES SUPRAMOLÉCULAIRES EN PHASE LIQUIDE

6 - POLYMÈRES NATURELS ET SYNTHÉTIQUES

7 - FLUIDES ET MATÉRIAUX COMPLEXES DONT LA STRUCTURE CHIMIQUE EST INCONNUE

8 - CONCLUSION

9 - GLOSSAIRE

10 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : J2116 v1

Polymères naturels et synthétiques
COSMO-RS : applications en formulation

Auteur(s) : Théophile GAUDIN, Jean-Marie AUBRY

Date de publication : 10 juil. 2023

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RÉSUMÉ

COSMO-RS est une théorie prédictive des propriétés en phase liquide. Cet article recense ses principales applications en formulation, illustrées par exemple par la conception de solvants agro-sourcés, liquides ioniques ou eutectiques profonds destinés à solubiliser des actifs pharmaceutiques, cosmétiques ou phytosanitaires ainsi que des polymères. COSMO-RS permet aussi d’anticiper les performances, la toxicité ou l’écotoxicité d’un ingrédient. COSMOplex, développé récemment, permet d’étudier les tensioactifs, les micelles et les membranes. Enfin, la fonction backfitting de COSMOquick traite les solutés et matériaux dont la composition moléculaire est inconnue ou mal définie.

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ABSTRACT

COSMO-RS: applications in formulation

COSMO-RS is a theory that predicts liquid phase properties. This article reviews its main applications in the field of formulation, with examples such as the screening of green solvents, co-crystals, ionic liquids or deep eutectics to solubilize active pharmaceutical, cosmetic or pesticide ingredients as well as polymers. COSMO-RS also allows to anticipate the performance, toxicity and ecotoxicity of a given ingredient in the formulation. In addition, COSMOplex, recently developed, provides a framework to study surfactants, micelles and membranes. Finally, the “backfitting” function in COSMOquick provides a general toolbox to handle solutes and materials with an unknown or ill-defined molecular composition.

Auteur(s)

  • Théophile GAUDIN : Docteur en chimie - Spécialiste en support scientifique à Dassault Systèmes

  • Jean-Marie AUBRY : Professeur émérite à l’école nationale supérieure de chimie de Lille - Ingénieur de l’école supérieure de physique et de chimie industrielles de Paris (ESPCI) - Agrégé de chimie, docteur es-sciences en chimie

INTRODUCTION

La formulation recouvre l’ensemble des savoir-faire nécessaires au développement et à la fabrication d’un produit fini caractérisé par sa valeur d’usage et répondant à un cahier des charges préétabli [J 2 110].

De nombreux produits bien connus du grand public sont des formulations :

  • médicaments ;

  • produits agroalimentaires ;

  • cosmétiques et parfums ;

  • peintures, encres et adhésifs ;

  • détergents et produits d’entretien ;

  • produits phytosanitaires ;

  • explosifs ;

  • matières plastiques ;

  • verres, bétons et céramiques.

Ainsi, les domaines couverts par la formulation sont très larges, et correspondent à des marchés tantôt à fort volume (avec, par exemple, une demande mondiale de 318 millions de tonnes de plastiques en 2021 ), tantôt à forte valeur ajoutée (le marché des produits pharmaceutiques pesait 1,25 milliard de milliards de dollars en 2021 ).

Afin d’augmenter leur valeur d’usage et de répondre au mieux au cahier des charges, la composition des formulations doit être finement optimisée par le formulateur. Toutefois, le grand nombre de matières premières disponibles et la diversité des mélanges qu’il est possible de réaliser en formulation rendent la tâche complexe. Afin de limiter le temps passé à optimiser la composition des formulations, le formulateur peut avoir recours aux plans d’expériences [P 230] ou à des techniques de modélisation.

Trois grandes catégories de modélisation peuvent être distinguées :

1. Les approches physiques basées sur les lois de la physique à l’échelle macroscopique ;

2. Les approches moléculaires fondées sur la modélisation directe du système à l’échelle microscopique ;

3. Les approches statistiques qui exploitent les connaissances antérieures accumulées pour des systèmes similaires à la cible.

La théorie COSMO-RS, qui relie la structure moléculaire des composés chimiques à leurs propriétés macroscopiques, relève à la fois des approches moléculaires et physiques. En outre, les formalismes mathématiques à la base de la théorie, et les descripteurs qu’elle peut générer, permettent aussi de l’employer comme une approche statistique. Ainsi, cette méthodologie peut trouver des applications dans une variété de problématiques rencontrées en formulation.

Toutefois, les formulations sont généralement des mélanges complexes de substances aux structures elles-mêmes complexes et/ou mal définies. Par conséquent, la question de la représentation des substances composant une formulation est centrale pour appliquer COSMO-RS en formulation. Cet article présente un vaste panorama de l’utilisation de COSMO-RS pour modéliser différents types de substances (solvants non conventionnels, principes actifs, polymères) et de milieux (interfaces et structures supramoléculaires, matrices complexes) omniprésents en formulation. Dans un premier temps, nous décrirons les différentes approches disponibles pour aborder ces systèmes complexes. Puis nous illustrerons ces méthodes en détaillant quelques applications particulièrement importantes sur le plan pratique.

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KEYWORDS

prediction   |   formulation   |   COSMO-RS   |   physico-chemical properties

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j2116


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6. Polymères naturels et synthétiques

COSMO-RS est la meilleure méthode pour traiter les polymères en tant que phase solvante et calculer l’affinité de solutés pour un polymère donné. Réciproquement, COSMO-RS est également une méthode de choix pour anticiper l’affinité du polymère vis-à-vis des solvants. Il est à noter que les prédictions de COSMO-RS sont plus fiables pour les polymères linéaires non cristallins car les effets de la cristallinité et des ramifications ne sont pas directement pris en compte par COSMO-RS pour le moment.

Un polymère n’est pas uniquement défini par la structure des monomères. En effet, sa taille (reflétée par sa masse molaire) et sa structure tridimensionnelle (reflétée par sa densité), influent sur ses interactions avec les solutés, les solvants et les autres polymères. Afin d’en tenir compte, COSMO-RS emploie une correction du potentiel chimique basé sur le modèle de volume libre d’Elbro .

Les propriétés typiques de systèmes impliquant des polymères qu’il est possible de calculer par COSMO-RS sont :

  • la solubilité d’un soluté dans une matrice polymère ;

  • la pression de vapeur saturante d’un mélange polymère/solvant ;

  • le coefficient de partage polymère/solvant ou polymère/polymère d’un soluté ;

  • le paramètre de Flory-Huggins χ d’un polymère en dilution infinie dans un solvant (reflétant son affinité pour ce solvant) .

6.1 Traitement par COSMO-RS

Signalons que la série logicielle Amsterdam Modelling Suite (AMS) commercialisée par SCM dispose d’un module basé sur COSMO-RS spécialisé dans les calculs d’affinité...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -   Plastic market size, share & trends analysis report.  -  Grand View Research, p. 230 (2021).

  • (2) -   Pharmaceuticals global market report 2021.  -  Research and Markets (2021).

  • (3) - LOSCHEN (C.), KLAMT (A.) -   COSMOquick : a novel interface for fast σ-profile composition and its application to COSMO-RS Solvent screening using multiple reference solvents.  -  Ind. Eng. Chem. Res., 51(43) : p. 14303-14308 (2012).

  • (4) - HANSEN (C.M.) -   The three dimensional solubility parameter and solvent diffusion coefficient.  -  Technical University of Danemark, Copenhagen (1967).

  • (5) - ABRAMS (D.S.), PRAUSNITZ (J.M.) -   Statistical thermodynamics of liquid mixtures : a new expression for the excess Gibbs energy of partly or completely miscible systems.  -  AlChE J., 21(1) : p. 116-128 (1975).

  • (6)...

1 Brevets

Renormalization by Complete Asymmetric Fluctuation Equations (CAFE) 20220148687 COSMOPLEX : Self-consistent simulation of self-organizing systems 20210020273.

Selection method for odorants 20030008788.

Selection method for aroma substances 20020152038.

Selection method for cosmetic auxiliaries 20020146441.

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2 Annuaire

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2.1 Distributeurs (liste non exhaustive)

Dassault Systèmes, marque BIOVIA – Solvation Chemistry :

http://www.3ds.com

SCM, ADF-COSMO-RS :

http://www.scm.com

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