Urenhedsprofilering af kemiske reaktioner

Urenhedsprofilering sigter mod identifikation og efterfølgende kvantificering af specifikke bestanddele, der er til stede i lave niveauer, normalt mindre end 1 % og ideelt set lavere end 0,1 %. Urenheder er uønskede rester, der dannes under eller efter reaktionsforløbet. Restprodukterne kan være uorganiske, organiske kemikalier eller restopløsningsmidler, der definerer et specifikt produkts kvalitet og egenskaber; for eksempel effektiviteten af en aktiv farmaceutisk ingrediens (API).

Urenhedsprofilering spiller en vigtig rolle i forskellige faser af forskning og udvikling i kemisk udvikling. Forståelse af urenhedsdannelse under kemisk syntese er afgørende for at kontrollere og ændre reaktionsbetingelser på en sådan måde, at dannelsen af urenheden kan reduceres til et acceptabelt niveau. Forskere kan innovere metoder til at minimere dannelse eller koncentrationer af urenheder. Forskellige agenturer, herunder Det Europæiske Lægemiddelagentur (EMA), United States Food and Drug Administration (FDA) og Det Internationale Råd for Harmonisering af Tekniske Krav til Lægemidler til Mennesker (ICH), regulerer rationalet for rapportering og kontrol af urenheder for organiske, uorganiske og opløsningsmiddelrester. Derudover har flere myndigheder indført Quality by Design-metoder (QbD) for at fremme forbedring af produkt- og proceskvaliteter til opdagelse, udvikling og fremstilling af API'er.

Hver videnskabsmand tager prøver under hele varigheden af en kemisk reaktion. Prøven eller delprøven repræsenterer den kemiske sammensætning af reaktionen på et bestemt tidspunkt. I løbet af eksperimentets varighed udtages prøver og forberedes efterfølgende til offline analyse, såsom kromatografi og kernemagnetisk resonans (NMR). Oplysningerne fra offline analysemetoder bruges derefter til at profilere transformationen af en kemisk reaktion og knytte koncentrationerne til konvertering, udbytte og selektivitet i forhold til tid. Derfor er prøver afgørende for at afsløre reaktionskinetik, urenhedsprofiler, veje og mekanistiske aspekter for at få grundlæggende indsigt inden for forsknings- og udviklingsprojekterne.

Når du tager en prøve manuelt, er der en chance for, at prøven ikke er repræsentativ for det specifikke tidspunkt. En prøve tager ikke nødvendigvis højde for de reaktionsparametre og det kemiske miljø, som den skal repræsentere. Normalt fortsætter den kemiske reaktion, indtil prøven er yderligere behandlet, modificeret eller slukket. Som et resultat blev EasySampler udviklet til reproducerbar, repræsentativ, automatiseret og uovervåget prøveudtagning.

Den automatiserede og ubemandede prøveudtagningsløsning, EasySampler, giver nøjagtige, reproducerbare og repræsentative prøver. På brugerdefinerede tidspunkter registrerer EasySampler automatisk reaktionsprøver og slukker prøverne med det samme ved reaktionsbetingelser, og til sidst fortynder EasySampler prøven til en brugerdefineret koncentration. Den innovative og patenterede kombination af in-situ prøvetagning, bratkøling og fortynding garanterer prøver af høj kvalitet, selv fra heterogene blandinger, luft- og fugtfølsomme reaktioner og reaktioner under tryk og toksiske forhold.

Nøjagtig og reproducerbar urenhedsprofilering er afgørende for enhver ny lægemiddelanvendelse. Et produkts renhed afhænger af flere faktorer, såsom råmaterialer, reaktionstype, reaktionsvej og rensningsprocesser. I de tidlige stadier af kemisk udvikling er det vigtigt at måle og karakterisere urenhedsdannelse. Syntetiske organiske kemikere ændrer og kontrollerer reaktionsbetingelserne på en sådan måde, at dannelsen af urenheden kan reduceres til et acceptabelt niveau eller endda undgås. Lægemiddelmyndighederne bruger urenhedsprofilen som et fingeraftryk, der indikerer fremstillingsprocessens robusthed.

Prøvetagning af kemiske reaktioner, herunder slurry, ved forhøjet tryk, luft- eller fugtfølsomme reaktioner og flerfasereaktioner er ofte vanskelig eller kedelig. Derudover er mange reaktioner lange eller kan startes sent på dagen, hvilket gør urenhedsprofilering og indsamling af prøver gennem hele reaktionen vanskelig. Der kan derfor udtages et begrænset antal prøver, og/eller der opstår uoverensstemmelser i prøveudtagningen, når indsamlingsmetoderne er tidskrævende, eller når det er vanskeligt at udtage en repræsentativ prøve. Hvis prøverne ikke indsamles kontinuerligt, er reaktionsprofilen, herunder omdannelse, udbytte og urenhedsniveauer, ikke tilgængelige. Ved at bruge automatiseret prøveudtagning til løbende at indsamle nøjagtige og reproducerbare prøver til analyse, får kemikere mere kvalitetsinformation fra færre eksperimenter, hvilket fører til hurtige beslutninger om at udvikle innovativ kemi.

To ansøgningsnotater diskuterer, hvordan Janssen og Servier Pharmaceuticals udtager reaktioner uden at påvirke reaktionsprogressionen:

• Reaktionsprofilering af en Buchwald-Hartwig-gylle ved høj temperatur
• Slutpunktsdetektion af en reduktion af luftfølsom ester

Iltfølsomme reaktioner er vanskelige og kedelige at indsamle og kræver typisk gentagne eksperimenter for at få komplette datasæt. Manuel prøveudtagning introducerer ilt i reaktoren og standser reaktionsprogressionen. Desuden ændres prøver, når de indføres i luften under manuel prøveudtagning. Disse faktorer påvirker reaktionshastigheden, nøjagtigheden og integriteten af reaktionsprøven og fører til dårlige og inkonsistente data. At have evnen til at fange et repræsentativt udsnit fra disse typer reaktioner på en automatiseret måde giver et komplet og nøjagtigt datasæt. Dette muliggør nøjagtige kinetiske undersøgelser og genererer repræsentative urenhedsprofiler for at forstå dannelseshastigheden og dannelsesmekanismen. Samlet set forbedrer de informationsrige eksperimenter produktiviteten og omkostningsbesparelserne og fører til reducerede udviklingstider.

David Place, Pfizer, præsenterede et casestudie med en palladiumkatalyseret C-H aktiveringsreaktion, vist til højre. Reaktionen er iltfølsom, og iltniveauer på 5000 ppm i headspace ville resultere i en 50% stigning i reaktionstiden. For at udvikle reaktionen var det imidlertid nødvendigt at forstå den kinetiske profil, mekanismen for dannelse af urenheder og tildele et rimeligt endepunkt; Men prøvetagning var vanskelig uden at tilføre ilt til reaktionen.

Til denne reaktion (skema ovenfor) blev tolv prøver indsamlet ved hjælp af EasySampler in-situ prøvetagning over en 24-timers periode og analyseret af UPLC (se graf). De data, der er indsamlet over 24-timersperioden, giver indsigt i sammenhængen mellem de urenheder, der overvåges i reaktionen, og fremhæver især behovet for en snæver reaktionscyklustid. Omdannelses- og urenhedsprofilerne viser, at når produktet når et maksimum efter 8 timer, skal reaktionssystemet straks afkøles fra 102 °C til 20 °C for at undgå dannelse af Des-CN-urenheder (urenhed 1). Hvis blandingen fortsætter med at omrøre for længe, dannes biproduktet pludselig og kan ikke let fjernes i efterfølgende oparbejdnings- og reaktionstrin. Baseret på disse oplysninger indstillede forskere hurtigt proceskontroller til at korrelere reaktionstid med urenhedsniveauer.

Automatiserede kemiske reaktorer med uovervåget, repræsentativ prøveudtagning ændrer den måde, kemikere arbejder på i laboratoriet. Opsætningen er intuitiv, og eksperimenter kan begynde når som helst og sikkert overlades til at køre natten over. Med uovervåget kontrol og kontinuerlig dataindsamling får forskere en fordel: at forstå, innovere og træffe informerede beslutninger. 

Nedenfor er en liste over publikationer fra peer-reviewed tidsskrifter om urenhedsprofilering af forskere for at understøtte datarige eksperimenter for at fremme deres forskning.

Udvalgte citater om urenhedsprofilering

• Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon, D., Dion, A., Maloney, M.T., Post, R.J., Li, R., "Kinetisk og datadrevet reaktionsanalyse til farmaceutisk procesudvikling", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Forhåndsartikel
• Beutner, G.L., Coombs, J.R., Green, R.A., Inankur, B., Lin, D., Qiu, J., Roberts, F., Simmons, E.M., Wisniewski, S.R., "Palladium-katalyseret amidering og aminering af (hetero)arylchlorider under homogene forhold muliggjort af et opløseligt DBU/NaTFA dual-base system", Org. Process Res. Dev. (2019), 23, 1529-1537.
• Mennen, S.M., Alhambra, C., Allen, C.L., Barberis, M., Berritt, S., Brandt, T.A., Campbell, A.D., Castañón, J., Cherney, A.H., Christensen, M., Damon, D.B., de Diego, J.E., García-Cerrada, S., García-Losada,P., Haro, R., Janey, J., Leitch, D.C., Li, L., Liu, F.,  Lobben, P.C., MacMillan, D.W.C., Magano, J., McInturff, E., Monfette, S., Post, R.J., Schultz, D., Sitter, B.J., Stevens, J.M., Strambeanu, I.I., Twilton, J., Wang, K., Zajac, M.A., "The Evolution of High-Throughput Experimentation in Pharmaceutical Development and Perspectives on the Future", Org. Process Res. Dev. (2019) 23, 1213−1242.
• Carter, H.L.,  Connor, A.W., Hart, R., McCabe, J., McIntyre, A.C., McMillan, A.E., Monks, N.R., Mullen, A.K., Ronson, T.O., Steven, A., Tomasia, S., Yates, S.D., "Rapid route design of AZD7594", React. Chem. Eng. (2019), Forhåndsartikel.
• Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, C.J., "Nem kinetisk profilering af kemiske reaktioner ved hjælp af MISER kromatografisk analyse", Tetraeder, (2017) 73, 5048-5053.
• Gurung, SR, Mitchell, C., Huang, J., Jonas, M., Strawser, J.D., Daia, E., Hardy, A., O'Brien, E., Hicks, F., Papageorgiou, C.D., "Udvikling og opskalering af en effektiv Miyaura-boryleringsproces ved hjælp af tetrahydroxydiboron", Org. Process Res. Dev. (2017) 21, 65-74.
• Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Automatiseret overvågning af reaktionsfremskridt af heterogene reaktioner: Krystallisationsinduceret stereoselektivitet i aminkatalyserede aldolreaktioner", React. Chem. Eng. (2017), 2, 226-231.
• Malig, T.C., Koenig, J.D.B., Situ, H., Chehal, N.K., Hultinb, P.G., Hein, J.E., "Overvågning af HPLC-MS-reaktionsfremskridt i realtid ved hjælp af en automatiseret analytisk platform", React. Chem. Eng. (2017) 2, 309-314.
• Duan, S., Place, D., Perfect, H.H., Ide, N.D., Maloney, M., Sutherland, K., Price Wiglesworth, K.E.; Wang, K., Olivier, M., Kong, F., Leeman, K., Blunt, J., Draper, J., McAuliffe, M., O'Sullivan, M., Lynch, D., Palbociclib Udvikling af kommercielle fremstillingsprocesser. Del I: Kontrol af regioselektivitet i en Grignard-medieret SNAr-kobling", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191−1202.