Impurity Profiling of Chemical Reactions

불순물 프로파일링의 목표는 보통 1% 미만, 이상적으로는 0.1% 미만의 낮은 농도로 존재하는 특정 성분의 확인 및 그 이후의 정량화입니다. 불순물은 반응 과정 중 또는 이후에 형성되는 불필요한 잔여물입니다. 잔여물은 무기, 유기 화학물질 또는 잔여 용매일 수 있으며 특정 제품의 품질 및 특성(예: 활성 제약 성분(API)의 효능)을 정의합니다.

불순물 프로파일링은 화학 제품 개발 시 여러 R&D 단계에서 중요한 역할을 합니다.  화학 합성   중의 불순물 형성에 대해 이해하는 일은 불순물 형성을 허용 가능한 수준까지 줄이는 방식으로 반응 조건을 제어 및 변경하는 데 필수입니다. 연구원들은 불순물 형성 또는 농도를 최소화하는 혁신적인 방법을 개발할 수 있습니다. 유럽의약청(EMA), 미국식품의약국(FDA), 국제의약품규제조화위원회(ICH) 등의 여러 기관이 유기, 무기 및 잔여 용매의 불순물을 보고 및 제어하기 위한 근거를 규제하고 있습니다. 추가적으로 몇몇 관계당국은 API의 발견, 개발 및 제조를 위한 제품과 공정 품질의 개선을 유도하고자  품질 중심 설계(QbD) 방법을 도입하였습니다.

모든 과학자들은 화학반응 기간 동안 샘플을 채취합니다. 샘플 또는 부분 표본은 특정 시점에 나타나는 반응의 화학적 조성을 대표합니다. 실험 기간 동안 샘플을 채취한 다음 크로마토그래피와 핵 자기 공명(NMR)과 같은 오프라인 분석을 위해 준비합니다. 그 후 오프라인 분석법에서 얻은 정보는  화학 반응의 변형을 프로파일링하고 시간 대비  전환, 수율 및 선택성에 농도를 연결하는 데에 사용됩니다. 따라서 샘플은 연구 및 개발 프로젝트 내에서 기본적인 통찰력을 얻기 위해 반응 역학, 불순물 프로파일, 경로 및 역학적 측면을 밝히는 데 있어서 중요합니다.

샘플을 수동으로 채취할 경우, 샘플이 특정 시점을 대표하지 않을 가능성이 있습니다. 샘플이 대표해야만 하는 반응 파라미터와 화학적 환경을 반드시 계산할 필요는 없습니다. 일반적으로 화학 반응은 샘플이 추가적으로 처리, 변경 또는 퀀칭될 때까지 지속됩니다. 그 결과 재현 가능하고 대표성 있는 자동 무인 샘플링을 위한 EasySampler가 개발되었습니다.

 자동 무인 샘플링 솔루션인 EasySampler는 정확하고 재현 가능하며 대표성 있는 샘플을 제공합니다. EasySampler는 사용자가 지정한 시간에 반응 샘플을 자동으로 수집하고 반응 조건에서 즉시 샘플을 퀀칭시킵니다. 마지막으로 EasySampler는 사용자가 지정한 농도까지 샘플을 희석시킵니다. 혁신적이고 특허 받은 직접 취부식(In-situ) 샘플링, 퀀칭 및 희석의 조합은 불균일 혼합물, 공기 또는 수분에 민감한 반응, 압력 및 독성 조건하의 반응의 경우에도 고품질 샘플을 보장합니다.

정확하고 재현 가능한 불순물 프로파일링은 모든 신규 약물 Application에서 중요한 부분입니다. 제품의 순도는 원료, 반응 유형, 반응 경로 및 정제 공정 등 몇 가지 요소에 따라 달라집니다. 화학 개발 초기 단계에서 불순물 형성을 측정하고 특성화하는 것은 필수입니다. 합성 유기 화학 전문가는 불순물 형성을 허용 가능한 수준까지 줄이거나, 심지어 이를 방지하는 방법으로 반응 조건을 변경 및 제어합니다. 약물 관계 기관은 불순물 프로파일을 제조 공정의 견고함을 나타내는 지문과 같이 활용합니다.

높은 압력에서의 슬러리, 공기 또는 수분에 민감한 반응 및 다단계 반응을 포함한 샘플링 화학 반응은 종종 어렵고 따분할 수 있습니다. 뿐만 아니라  다수의 반응은 오랫동안 일어나거나 늦게 시작되므로, 전체 반응에 걸친 불순물 프로파일링 및 샘플 수집은 어려울 수 있습니다. 결과적으로  수집하는 샘플 수가 제한적일 수 있으며, 수집 방법이 시간 소모적인 경우나 대표 샘플 획득이 어려울 경우, 샘플링 불일치가 발생할 수 있습니다. 샘플을 계속해서 수집할 수 없는 경우, 전환, 수율 및 불순물 수준을 포함하는 반응 프로파일을 이용할 수 없습니다. 자동화 샘플링을 사용해 정확하고 재현 가능한 분석용 샘플을 지속적으로 수집함으로써, 화학 전문가는 더 적은 횟수의 실험만으로도 고품질 정보를 얻어 혁신적인 화학 제품을 개발하는 데 빠른 결정을 내릴 수 있습니다.

두 개의 Application Note에서는 얀센(Janssen)과 세르비에(Servier) 제약사에서 반응 진행에 영향을 미치지 않고 어떻게 반응을 샘플링 하는지 논의합니다.

• 고온 Buchwald-Hartwig 슬러리의 반응 프로파일링
• 공기에 민감한 에스테르 감소 종말점 검출

산소에 민감한 반응은 샘플링을 하기에 어렵고 지루할 수 있으며 일반적으로 완벽한 데이터 세트를 획득하려면 실험을 반복해야 합니다. 수동 샘플링은 산소를 반응기로 투입시키고 반응 진행을 중단합니다. 또한, 수동 샘플링 중 공기에 노출되면 샘플은 변경됩니다. 이러한 요소는 반응 속도, 정확도 및 반응 샘플 무결성에 영향을 미치며 데이터 불량 및 데이터 불일치를 초래합니다. 자동화 방법으로 이러한 반응 유형에서 대표 샘플을 캡처할 수 있는 능력을 통해 완벽하고 정확한 데이터 세트를 제공합니다. 이를 통해 정확한 반응 속도 연구가 가능하며 대표 불순물 프로파일을 생성해 속도와 형성 메커니즘에 대해 이해할 수 있습니다. 전반적으로, 정보가 풍부한 실험으로 생산성이 개선되고 비용이 절약되며 개발 시간이 줄어듭니다.

화이자(Pfizer)사의 David Place는 팔라듐 촉매 C-H 활성화 반응을 활용한 사례(오른쪽에 표시됨)를 제시했습니다. 이 반응은 산소에 민감한 반응으로 헤드 공간에서 5000 ppm의 산소 수치로 반응 시간이 50% 향상되는 결과를 보였습니다. 반응을 개발하는데 있어 반응 속도 프로파일, 불순물 형성 메커니즘을 이해하고, 합리적인 종말점을 결정하는 일이 필요했지만 산소를 차단하는 샘플링 작업은 까다로웠습니다.

이 반응(위 계획)의 경우 24시간 동안 EasySampler 직접 취부식(In-situ) 샘플링을 사용해 12개의 샘플을 획득했으며, 해당 샘플을 UPLC로 분석했습니다(그래프 참조). 24시간 동안 수집한 데이터는 반응 중 모니터링한 불순물 상호연결성에 대한 인사이트를 제공하며, 특히 짧은 반응 주기 시간의 필요성을 강조합니다. 변환과 불순물 프로파일을 통해 산물이 8시간에서 최대치에 도달할 경우, 반응 시스템을 102 °C에서 20 °C로 즉시 냉각해 Des-CN 불순물(불순물 1) 형성을 방지해야 한다는 것을 보여줍니다. 혼합물을 장시간 혼합할 경우, 부산물이 갑자기 형성되고 추후 정밀검사 및 반응 단계에서 쉽게 제거되지 않습니다. 이러한 정보를 바탕으로 연구자들은 공정 내 제어를 빠르게 설정해 불순물 수준과 반응 시간을 연계시킵니다. 

자동 화학 반응기(무인 대표 샘플링 포함)는 실험실 내 화학자들의 작업 방식을 변화시킵니다. 직관적인 설정이 가능하고 언제든 실험을 시작할 수 있으며, 밤새 안전하게 가동시킬 수 있습니다. 무인 제어와 지속적인 데이터 수집을 통해, 과학자들은 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다. 이해도, 혁신, 정보에 입각한 결정. 

아래는 연구원들이 데이터가 풍부한 실험을 뒷받침하여 연구를 진전시킨 불순물 프로파일링에 대한 동료 심사 학술지의 자료 목록입니다.

불순물 프로파일링 인용 자료

• 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
• 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.