Impurity Profiling of Chemical Reactions

Le profilage des impuretés a pour objectif d'identifier et de quantifier ensuite les composants spécifiques présents à de faibles niveaux, généralement inférieurs à 1 % et idéalement, à 0,1 %. Les impuretés sont des résidus indésirables qui se forment pendant la réaction (ou après). Il peut s'agir de produits chimiques inorganiques ou organiques ou de solvants résiduels qui définissent la qualité et les propriétés d'un produit spécifique ; par exemple, l'efficacité d'un principe actif pharmaceutique (API).

Le profilage des impuretés joue un rôle important à différents stades de la R&D. Il est essentiel de comprendre la formation des impuretés pendant la synthèse chimique afin de contrôler et de modifier les conditions de réaction de sorte à réduire la formation d'impuretés à un niveau acceptable. Les chercheurs peuvent innover des méthodes pour réduire au minimum la formation d'impuretés ou leur concentration. Divers organismes, notamment l'AEM (Agence Européenne des Médicaments) en Europe, la FDA (Food and Drug Administration) aux États-Unis et le Conseil international sur l'harmonisation des exigences techniques relatives à l'homologation des produits pharmaceutiques à usage humain (CHI), réglementent les principes de génération de comptes rendus et de contrôle des impuretés afin d'identifier des résidus organiques, inorganiques et de solvants. 

Au cours d'une réaction chimique, les chercheurs prélèvent des aliquotes, c'est-à-dire des échantillons avec référence au temps. Ces échantillons représentent la composition chimique à un moment précis au cours de la réaction. Ils sont préparés pour l'analyse selon les étapes suivantes : filtration, dissolution et dérivatisation. Les échantillons sont ensuite analysés par des méthodes hors ligne, notamment la chromatographie et la résonance magnétique nucléaire (RMN).  

Si l'échantillon est prélevé manuellement, il est possible qu'il ne soit pas représentatif à un moment précis. Un échantillon ne prend pas forcément en compte les paramètres de réaction et l'environnement chimique qu'il doit représenter. En règle générale, la réaction chimique se poursuit jusqu'à ce que l'échantillon prélevé soit traité, modifié ou mis en trempe.  Ainsi, EasySampler a été développé pour un échantillonnage reproductible, représentatif, automatisé et sans surveillance.

Un profilage des impuretés exact et reproductible est essentiel à toute nouvelle application pharmaceutique. La pureté d'un principe actif pharmaceutique dépend de plusieurs facteurs, tels que les matières premières, le type de réaction, la méthode de réaction et les procédés de purification. Au début du développement chimique, il est essentiel de mesurer et de caractériser la formation d'impuretés. Avec le profilage des impuretés, les chimistes en synthèse organique peuvent modifier et contrôler les conditions de la réaction afin de réduire la formation d'impuretés à un niveau acceptable, voire de l'éliminer. Les organismes de réglementation pharmaceutique considèrent le profil des impuretés comme une empreinte digitale qui indique la fiabilité du procédé de fabrication.

Un échantillonnage fiable des réactions chimiques, y compris les bouillies, les réactions à haute pression, les réactions sensibles à l'air ou à l'humidité, ainsi que les réactions à plusieurs phases, est souvent difficile et fastidieux.  En outre, de nombreuses réactions sont longues ou peuvent être lancées en fin de journée, ce qui complique le profilage des impuretés et la collecte d'échantillons tout au long de la réaction. Le nombre d'échantillons collectés risque donc d'être réduit, et/ou les échantillons risquent de ne pas être homogènes si les méthodes de collectes demandent du temps ou lorsque l'obtention d'un échantillon représentatif est difficile. Toutefois, sans une collecte d'échantillon en continu, vous risquez de manquer la cible de conversion de la réaction et les niveaux d'impuretés peuvent devenir trop élevés. L' échantillonnage automatisé permet aux chimistes de collecter en continu des échantillons exacts et reproductibles à analyser, afin d'obtenir des informations de meilleure qualité en un nombre réduit d'expériences, ce qui permet de prendre des décisions rapides et de développer une chimie innovante. 

Deux notes d'application abordent les méthodes des laboratoires pharmaceutiques Janssen et Servier pour prélever des échantillons sans nuire à la progression de la réaction :

• Profilage de la réaction de Buchwald-Hartwig en milieu hétérogène à haute température
• Détection du point final d'une réduction d'ester sensible à l'air

L'échantillonnage des réactions sensibles à l'oxygène est difficile et fastidieux, et demande généralement plusieurs itérations de l'expérience pour obtenir des jeux de données complets. L'échantillonnage manuel introduit de l'oxygène dans le réacteur et arrête la progression de la réaction. De plus, les échantillons sont altérés au contact de l'air. Ces facteurs influent sur la vitesse de réaction, l'exactitude et l'intégrité de l'échantillon, et les données obtenues sont médiocres et incohérentes. La capacité à capturer de façon automatisée un échantillon représentatif de ces types de réactions permet d'obtenir un jeu de données complet et exact, qui permet à son tour des études cinétiques précises et la génération de profils des impuretés représentatifs permettant de comprendre la vitesse et le mécanisme de leur formation. En bref, des expériences fructueuses en matière d'informations améliorent la productivité et la réduction des coûts, et permettent de réduire les temps de développement.

David Place, de Pfizer, a présenté une étude de cas portant sur une réaction d'activation de liaison C-H catalysée au palladium, illustrée à droite. Cette réaction est sensible à l'oxygène, et des niveaux d'oxygène de 5 000 ppm dans l'espace de tête entraîneraient une augmentation de 50 % du temps de réaction. Toutefois, le développement de la réaction nécessitait la compréhension du profil cinétique, du mécanisme de formation des impuretés, ainsi que l'affectation d'un point final raisonnable. Cependant, l'échantillonnage s'avérait délicat sans introduire d'oxygène dans la réaction.

Pour cette réaction (voir schéma ci-dessus), douze échantillons ont été collectés sur une période de 24 heures à l'aide d'un échantillonneur EasySampler in situ, puis analysés par UPLC (voir graphique). Les données collectées sur cette période de 24 heures fournissent des informations sur les interconnexions des impuretés surveillées dans la réaction, et tout particulièrement sur la nécessité d'une durée du cycle de réaction réduite. Les profils de conversion et des impuretés indiquent que lorsque le produit atteint un maximum au bout de 8 heures, le système de réaction doit immédiatement être refroidi de 102 °C à 20 °C afin d'éviter la formation de l'impureté Des-CN (impureté 1). Si l'agitation du mélange se poursuit trop longtemps, le sous-produit dérivé se forme soudainement et s'avère difficile à retirer lors des étapes suivantes du travail et de la réaction. Grâce à ces informations, les chercheurs ont rapidement établi des contrôles en cours de procédé afin de corréler le temps de réaction et les niveaux d'impuretés. 

La solution d'échantillonnage automatisé et sans surveillance, EasySampler, permet d'obtenir des échantillons exacts, reproductibles et représentatifs. Aux moments définis par l'utilisateur, EasySampler prélève automatiquement des échantillons de la réaction, les met en trempe immédiatement et dans les conditions de la réaction, puis dilue l'échantillon à la concentration indiquée par l'utilisateur. La solution innovante et brevetée qui combine l'échantillonnage in situ, la trempe et la dilution garantit des échantillons de haute qualité, même à partir de mélanges hétérogènes, de réactions sensibles à l'air et à l'humidité, ainsi que de réactions sous pression et en conditions toxiques. 

Les réacteurs chimiques automatisés avec échantillonnage représentatif sans surveillance modifient la façon de travailler des chimistes. Leur configuration est intuitive et les expériences peuvent démarrer à tout moment et se dérouler en toute sécurité pendant la nuit. Grâce au contrôle sans surveillance et à la collecte continue de données, les scientifiques peuvent comprendre, innover et prendre des décisions en connaissance de cause. 

Vous trouverez ci-dessous une liste de publications issues de revues à comité de lecture sur le profilage des impuretés et réalisées par les chercheurs afin de soutenir des expériences riches en données permettant de faire avancer leurs recherches.

Publications connexes sur le profilage des impuretés

Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon,D., Dion, A., Maloney, M.T., Post, R.J., Li, R., "Kinetic and Data Driven Reaction Analysis for Pharmaceutical Process Development", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Advance article (DOI: 10.1021/acs.iecr.9b03578)

Beutner, G.L., Coombs, J.R., Green, R.A., Inankur, B., Lin, D., Qiu, J., Roberts, F., Simmons, E.M., Wisniewski, S.R., "Palladium-Catalyzed Amidation and Amination of (Hetero)aryl Chlorides under Homogeneous Conditions Enabled by a Soluble 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), Advance Article.

Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, C.J., "Facile Kinetic Profiling of Chemical Reactions Using MISER Chromatographic Analysis", Tetrahedron, (2017) 73, 5048-5053.

Gurung, S.R., Mitchell, C., Huang, J., Jonas, M., Strawser, J.D., Daia, E., Hardy, A., O’Brien, E., Hicks, F., Papageorgiou, C.D., "Development and Scale-up of an Efficient Miyaura Borylation Process Using Tetrahydroxydiboron", Org. Process Res. Dev. (2017) 21, 65−74.

Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Automated Reaction Progress Monitoring of Heterogeneous Reactions: Crystallization-induced Stereoselectivity in amine-catalyzed aldol reactions", 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., ”Real-time HPLC-MS reaction progress monitoring using an automated analytical 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 Commercial Manufacturing Process Development. Part I: Control of Regioselectivity in a Grignard-Mediated SNAr Coupling", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191−1202.