Cristallisation et polymorphisme - Physico-chimie du polymorphisme

Deuxième d’une série de trois, cet article aborde les principes physiques et thermodynamiques à l’origine du polymorphisme.

Après avoir montré comment la notion d’empilement de sphères peut constituer un modèle simple permettant la compréhension du phénomène du polymorphisme et de ses conséquences, une étude détaillée des forces physiques mises en jeu dans les empilements cristallins est proposée (forces ioniques, de Van der Waals, de répulsion) ainsi qu’une rapide évocation des techniques de modélisation du polymorphisme.

Le cœur de l’article est consacré à une introduction à la thermodynamique du polymorphisme cristallin. Après avoir rappelé les définitions de l’enthalpie libre de Gibbs et de l’entropie d’un système cristallin, les notions d’énantiotropie et de monotropie caractérisant les stabilités thermodynamiques relatives en fonction de la température et de la pression, pour différentes formes cristallines d’une même molécule, sont discutées dans le cadre des diagrammes pression/ température et enthalpie libre/température. Des exemples de systèmes monotropiques ou énantiotropiques sont ensuite décrits montrant, en particulier, comment l’analyse calorimétrique peut aider à la classification des phénomènes. Les relations entre la différence d’enthalpie libre de Gibbs de deux formes cristallines et leurs solubilités à saturation, leurs cinétiques intrinsèques de dissolution et leurs réactivités chimiques sont ensuite démontrées. Ce paragraphe, d’une importance fondamentale, permet de comprendre les conséquences du polymorphisme dans divers domaines, tout particulièrement celui du domaine pharmaceutique ; ces conséquences sont exposées dans le troisième fascicule .

Ce deuxième article traite, par ailleurs, du cas des solvates et hydrates et, de façon plus succincte, du cas où les molécules présentent une chiralité (carbones asymétriques essentiellement).

Enfin, une revue des méthodes analytiques de caractérisation du polymorphisme ainsi que des méthodes d’obtention (criblage polymorphique) sont abordées avec un renvoi important à la littérature.