Study of the physical state of solid caffeine, a pharmaceutical and food-industry compound.

Stabilité Physique et Désordre Orientationnel dans un Cristal à Usage Thérapeutique : La Caféine

Anne-Amandine Decroix (1)

1 LDSMM - Laboratoire de dynamique et structure des matériaux moléculaires

We present the study of the physical state of solid caffeine, a well-known pharmaceutical and food-industry compound, in order to understand its original polymorphism and the associated instabilities. Experimental characterisations have been obtained by DSC, XRD, NMR and dielectric relaxation. The study of the molecular mobility of anhydrous phases shows a very slow complex dynamic at room temperature. Two similar dynamical processes are observed in phases I and II, called AI and AII, and a process slower in phase I called BI. The phases transformations (from I to II and II to I) have been studied to determine the origin of the extraordinary property of caffeine to be maintained in situation of high metastability. This investigation reveals anomalous slow transformation processes, influenced by the slow molecular mobility. The results suggest a first order I→II transformation kinetic, controlled by the nucleation rate, and directly governed by the BI dynamical process. A coherent model has also been proposed for the II→I transition, suggesting a transformation from the surface, with a high influence of the microstructure. Milling operations confirm the microstructural influence for the II→I transition. It has also been shown that milling induces I→II transformation but also II→I transformation according to the milling intensity.

Ce travail porte sur l’étude des états physiques de la caféine solide, composé bien connu des industries pharmaceutique et agroalimentaire, afin de comprendre la nature de son polymorphisme original et des instabilités associées. Les caractérisations expérimentales ont été menées par DSC, DRX, RMN et relaxation diélectrique. La caractérisation de la mobilité moléculaire des phases anhydres a mis en évidence la présence d’une dynamique complexe extrêmement lente à température ambiante. Deux processus dynamiques analogues sont observés dans les phases I et II, notés AI et AII, et un processus plus lent dans la phase I, noté BI. Les transformations entre les phases I et II ont été étudiées afin de rechercher les origines des capacités extraordinaires de la caféine à pouvoir être maintenue dans des situations de métastabilité très prononcées. Cette investigation a révélé des processus de transformation inhabituellement lents, influencés par la dynamique moléculaire lente. Les résultats obtenus suggèrent que la cinétique de transformation I→II est du 1er ordre, qu’elle est contrôlée par la vitesse de germination et que la dynamique par l’intermédiaire du processus BI en est un facteur déterminant. Un modèle cohérent a également été construit pour la transition II→I, il suggère une transformation à partir de la surface, avec une influence particulièrement importante de la microstructure de l’échantillon. Des opérations de broyage ont permis de confirmer l’influence microstructurale de la transition II→I et ont révélé que le broyage induit mécaniquement une transformation de la phase I vers la phase II, mais aussi de la phase II vers la phase I selon l’intensité du broyage.

Mots clés: Cafeine; polymorphism; Molecular mobility; Phase transition; Milling

Mots clés: Caféine; polymorphisme; mobilité moléculaire; transition de phase; broyage

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Cristallographie; Biologie structurale [q-bio.BM]

Anne-Amandine Decroix. Stabilité Physique et Désordre Orientationnel dans un Cristal à Usage Thérapeutique : La Caféine. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Lille 1, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03373960⟩