Synteza równoległa

Dzięki jednoczesnemu wykonywaniu wielu eksperymentów synteza równoległa zapewnia dużą oszczędność czasu i umożliwia lepsze różnicowanie związków.

Metoda ta pozwala także na szybsze odkrywanie nowych związków chemicznych i poszukiwanie optymalnych warunków procesów . W przemyśle farmaceutycznym synteza równoległa znajduje zastosowanie przy odkrywaniu i badaniu związków, które mogą stać się lekami. Przykładem może być zastosowanie tej metody do tworzenia bibliotek zróżnicowanych struktur chemicznych, które można następnie badać pod kątem potencjalnej aktywności biologicznej.

Synteza równoległa może być używana na duża i małą skalę, na przykład przy generowaniu i optymalizacji związków wiodących oraz w badaniach mających na celu wyłonienie optymalnych warunków reakcji. Metody syntezy równoległej pozwalają lepiej zrozumieć wpływ zmiennych reakcji, takich jak układy rozpuszczalników, optymalne temperatury i stężenia, a także dobór odczynników, katalizatorów i czasów reakcji, umożliwiając tym samym szybszą optymalizację procesów na etapie zwiększania skali i rozwoju.

Podczas badań mających na celu odkrycie leku identyfikuje się cząsteczkę docelową, na przykład białko, która jest powiązana z procesem chorobowym. Po zweryfikowaniu cząsteczki docelowej naukowcy rozpoczynają proces, który ma z kolei pozwolić na znalezienie cząsteczek lub substancji wykazujących oddziaływanie na cząsteczkę docelową. Proces poszukiwania cząsteczki, która działa na cząsteczkę docelową (czyli cząsteczki wiodącej), może być przytłaczającym zadaniem. Znalezienie jednej lub dwóch rokujących cząsteczek wiodących wymaga zazwyczaj przebadania tysięcy związków chemicznych. Rozpoznana cząsteczka wiodąca może być poddana modyfikacjom chemicznym, które zwiększą skuteczność jej oddziaływania na cząsteczkę docelową. 

Synteza równoległa odgrywa kluczową rolę w procesie poszukiwania cząsteczek wiodących. Dzięki tej metodzie możliwe staje się szybkie i logiczne syntezowanie tysięcy cząsteczek, z których każda może się okazać tą właściwą. Zanim w chemii kombinatorycznej sięgnięto po metody syntezy równoległej, odkrywanie cząsteczek wiodących było  procesem sekwencyjnym, który pochłaniał wiele czasu i był obarczony sporą przypadkowością. 

Chemia kombinatoryczna umożliwia tworzenie dużych zbiorów związków chemicznych, wśród których mogą znaleźć się związki wcześniej nieznane i biologicznie aktywne. W tym celu w zbliżonych warunkach reakcji syntezuje się wszelkie możliwe kombinacje mniejszego zbioru poszczególnych cząsteczek. Metoda umożliwia przygotowywanie całych rodzin nowych związków chemicznych, tworzących często ogromnie liczne zbiory (czyli biblioteki) związków, spośród których można później wyłonić związki wiodące.

Chemia kombinatoryczna zaczęła być stosowana na szeroką skalę już wiele lat temu, jednak identyfikacja biologicznie aktywnych związków w olbrzymich zbiorach okazała się w praktyce bardzo trudnym zadaniem. Sposobem na wykorzystanie zalet chemii kombinatorycznej w sposób, który zapewnia nieco bardziej ukierunkowane badanie cząsteczek docelowych, jest użycie syntezy równoległej oraz reaktorów chemicznych. Ta metoda pozwala uzyskać mniejszy, bardziej skondensowany zbiór związków, co ułatwia proces selekcji związku wiodącego.

Syntezę równoległą, która dzięki jednoczesnemu prowadzeniu wielu eksperymentów zapewnia dużą oszczędność czasu i umożliwia uzyskanie zróżnicowanych związków, można prowadzić w roztworach lub w fazie stałej. W syntezie równoległej w fazie stałej cząsteczki są tymczasowo związane z nierozpuszczalnym nośnikiem i prowadzona jest progesywna synteza z zastosowaniem ochrony i deprotekcji kluczowych grup funkcyjnych.

Synteza równoległa w fazie stałej niesie z sobą szereg korzyści. Reakcje można łatwo doprowadzić do końca z użyciem nadmiaru odczynników lub technik usprawniających, takich jak napromieniowanie mikrofalami. Produkt końcowy odłącza się od stałego nośnika, co upraszcza jego oczyszczenie. Ten rodzaj syntezy, podobnie jak synteza równoległa w roztworach, znakomicie poddaje się automatyzacji, co zapewnia dużą efektywność, szybkość i ogólną wysoką wydajność produkcyjną.

Reaktory do syntezy równoległej EasyMax doskonale nadają się do eksperymentów mających na celu optymalizację reakcji. Precyzyjne i dokładne sterowanie dwoma reaktorami systemu EasyMax zapewnia wysoką jakość wyników przebiegających równolegle eksperymentów. Dzięki jednocześnie prowadzonym reakcjom, których zmienne są z góry zdefiniowane, analiza metodą DoE (Design of Experiments) może przebiegać szybciej.

System EasyMax zawiera dwa w pełni niezależnie reaktory o zmiennej wielkości. Reaktory EasyMax standardowo wyposażone są urządzenia dozujące, funkcje kontroli pH, różne rodzaje mieszadeł oraz funkcje sterowania temperaturą do 0,1°C. Ponadto opcjonalnie można je wyposażyć w  spektrometry FTIR, spektrometry ramanowskie oraz analizatory wielkości cząstek.

Urs Groth, Fabio Visentin, „Fast and Effective Synthesis of Peptides: A Statistical Approach Using EasyMax”, nota aplikacyjna METTLER TOLEDO 2010-002.

Celem pracy, w której wykorzystano syntezę peptydu w firmie LONZA, były:

• rozpoznanie parametrów reakcji, które są niezbędne do stworzenia modelu kinetycznego;
• maksymalizacja wydajności i selektywności;
• ograniczenie powstawania produktów ubocznych. 

Wybrano cztery parametry związane ze stężeniem odczynników i temperaturą, a następnie wykorzystano reaktory EasyMax, aby równolegle wykonać procedurę DoE złożoną z 11 eksperymentów.  

Zgodnie z przewidywaniami analiza HPLC wykazała, że po 90 minutach w temperaturze 10,0°C konwersja i wydajność były na poziomie minimalnym.  Ilość zanieczyszczeń także spadła jednak do minimum. Wzrost temperatury zapewnił lepszą konwersję i wydajność, ale spowodował utratę selektywności i zwiększenie ilości zanieczyszczeń. Ilość zanieczyszczeń udało się zredukować przez obniżenie temperatury i zmniejszenie dawki jednego z odczynników (EDC). Niskie stężenia TEA powodowały z kolei zwiększenie zawartości zanieczyszczeń.

Dzięki połączeniu eksperymentów statystycznych wykorzystujących reaktory do syntezy równoległej udało się szybciej zoptymalizować tę syntezę peptydu.

Wzrost temperatury zapewnił lepszą konwersję i wydajność, ale spowodował utratę selektywności i zwiększenie ilości zanieczyszczeń. Obniżenie temperatury i zmniejszenie dawki jednego z odczynników (EDC) pozwoliło zredukować ilość zanieczyszczeń. Niskie stężenia TEA powodowały z kolei zwiększenie zawartości zanieczyszczeń.

Dzięki połączeniu eksperymentów statystycznych wykorzystujących reaktory do syntezy równoległej udało się szybciej zoptymalizować tę syntezę peptydu.