Profiliranje nečistoč kemijskih reakcij

Profiliranje nečistoč je namenjeno identifikaciji in naknadni kvantifikaciji specifičnih sestavin, ki so prisotne na nizkih ravneh, običajno manj kot 1% in v idealnem primeru nižje od 0,1%. Nečistoče so neželeni ostanki, ki nastanejo med ali po poteku reakcije. Ostanki so lahko anorganske, organske kemikalije ali ostanki topil, ki določajo kakovost in lastnosti določenega proizvoda; na primer učinkovitost aktivne farmacevtske sestavine (API).

Profiliranje nečistoč ima pomembno vlogo v različnih fazah raziskav in razvoja v kemijskem razvoju. Razumevanje nastajanja nečistoč med kemično sintezo je bistvenega pomena za nadzor in spreminjanje reakcijskih pogojev na tak način, da se lahko nastanek nečistoče zmanjša na sprejemljivo raven. Raziskovalci lahko inovativne metode za zmanjšanje nastajanja ali koncentracij nečistoč. Različne agencije, vključno z Evropsko agencijo za zdravila (EMA), ameriško upravo za hrano in zdravila (FDA) in Mednarodnim svetom za usklajevanje tehničnih zahtev za farmacevtske izdelke za uporabo v humani medicini (ICH), urejajo utemeljitev poročanja in nadzora nečistoč za organske, anorganske in topilne ostanke. Poleg tega je več organov sprejelo metodologije kakovosti po zasnovi (QbD) za izboljšanje kakovosti izdelkov in procesov za odkrivanje, razvoj in proizvodnjo API.

Vsak znanstvenik jemlje vzorce v času trajanja kemijske reakcije. Vzorec ali alikvot predstavlja kemijsko sestavo reakcije v določeni časovni točki. V času trajanja poskusa se vzorci vzamejo in nato pripravijo za analizo brez povezave, kot sta kromatografija in jedrska magnetna resonanca (NMR). Informacije iz metod analize brez povezave se nato uporabijo za profiliranje transformacije kemijske reakcije in povezavo koncentracij s pretvorbo, donosom in selektivnostjo glede na čas. Zato so vzorci ključnega pomena pri razkrivanju kinetike reakcije, profilov nečistoč, poti in mehanističnih vidikov za pridobitev temeljnih vpogledov v raziskovalne in razvojne projekte.

Pri ročnem jemanju vzorca obstaja možnost, da vzorec ni reprezentativen za določeno časovno točko. Vzorec ne upošteva nujno reakcijskih parametrov in kemijskega okolja, ki ga mora predstavljati. Običajno se kemijska reakcija nadaljuje, dokler se vzorec ne predela, spremeni ali ugasne. Kot rezultat, EasySampler je bil razvit za ponovljivo, reprezentativno, avtomatizirano in nenadzorovano vzorčenje.

Avtomatizirana in brezskrbna rešitev za vzorčenje EasySampler zagotavlja natančne, ponovljive in reprezentativne vzorce.  V uporabniško določenih časih EasySampler samodejno zajame reakcijske vzorce in takoj ugasne vzorce v reakcijskih pogojih. Na koncu EasySampler razredči vzorec na koncentracijo, ki jo določi uporabnik. Inovativna in patentirana kombinacija vzorčenja, gašenja in redčenja na kraju samem zagotavlja visokokakovostne vzorce, tudi iz heterogenih zmesi, reakcij, občutljivih na zrak in vlago, ter reakcij pod pritiskom in strupenimi pogoji.

Natančno in ponovljivo profiliranje nečistoč je ključnega pomena za vsako novo uporabo zdravil. Čistost izdelka je odvisna od več dejavnikov, kot so surovine, vrsta reakcije, reakcijska pot in postopki čiščenja. V zgodnjih fazah kemijskega razvoja je nujno izmeriti in karakterizirati nastanek nečistoč. Sintetični organski kemiki spreminjajo in nadzorujejo reakcijske pogoje tako, da je nastajanje nečistoče mogoče zmanjšati na sprejemljivo raven ali se jim celo izogniti. Organi za droge uporabljajo profil nečistoč kot prstni odtis, ki kaže na robustnost proizvodnega procesa.

Vzorčenje kemijskih reakcij, vključno z gnojevkami, pri povišanem tlaku, reakcijah, občutljivih na zrak ali vlago, in večfaznih reakcijah, je pogosto težko ali dolgočasno. Poleg tega so številne reakcije dolge ali pa se lahko začnejo pozno čez dan, kar otežuje profiliranje nečistoč in zbiranje vzorcev v celotni reakciji. Zato je lahko število odvzetih vzorcev omejeno in/ali pride do nedoslednosti vzorčenja, kadar so metode zbiranja zamudne ali kadar je pridobivanje reprezentativnega vzorca težavno. Če se vzorci ne zbirajo neprekinjeno, reakcijski profil, vključno s pretvorbo, izkoristkom in ravnmi nečistoč, ni dostopen. Z uporabo avtomatiziranega vzorčenja za nenehno zbiranje natančnih in ponovljivih vzorcev za analizo kemiki pridobijo več kakovostnih informacij iz manj poskusov, kar vodi do hitrih odločitev za razvoj inovativne kemije.

Dve opombi o uporabi obravnavata, kako Janssen in Servier Pharmaceuticals vzorčita reakcije, ne da bi to vplivalo na napredovanje reakcije:

• Reakcijsko profiliranje visokotemperaturne gnojevke Buchwald-Hartwig
• Zaznavanje končne točke zmanjšanja estra, občutljivega na zrak

Reakcije, občutljive na kisik, so težko in dolgočasne za vzorčenje in običajno zahtevajo ponavljajoče se poskuse, da pridobijo popolne nabore podatkov. Ročno vzorčenje vnaša kisik v reaktor in ustavi napredovanje reakcije. Poleg tega se vzorci spremenijo, ko se med ročnim vzorčenjem vnesejo v zrak. Ti dejavniki vplivajo na hitrost reakcije, natančnost in celovitost reakcijskega vzorca ter vodijo do slabih in nedoslednih podatkov. Možnost samodejnega zajemanja reprezentativnega vzorca iz teh vrst reakcij zagotavlja popoln in natančen nabor podatkov. To omogoča natančne študije kinetike in ustvarja reprezentativne profile nečistoč, da bi razumeli hitrost in mehanizem nastajanja. Na splošno eksperimenti, bogati z informacijami, izboljšajo produktivnost in prihranke pri stroških ter skrajšajo čas razvoja.

David Place, Pfizer, je predstavil študijo primera s paladijevo katalizirano reakcijo aktivacije C-H, prikazano na desni. Reakcija je občutljiva na kisik in raven kisika 5000 ppm v glavnem prostoru bi povzročila 50-odstotno povečanje reakcijskega časa. Vendar pa je bilo za razvoj reakcije potrebno razumeti kinetični profil, mehanizem nastajanja nečistoč in določiti razumno končno točko; vendar je bilo vzorčenje težko brez vnosa kisika v reakcijo.

Za to reakcijo (zgornja shema) je bilo dvanajst vzorcev pridobljenih z uporabo vzorčenja EasySampler in situ v 24-urnem obdobju in analiziranih z UPLC (glej graf). Podatki, zbrani v 24-urnem obdobju, zagotavljajo vpogled v medsebojne povezave nečistoč, ki se spremljajo v reakciji, in še posebej poudarjajo potrebo po kratkem času reakcijskega cikla. Profila pretvorbe in nečistoč kažeta, da je treba reakcijski sistem, ko produkt doseže največ 8 ur, takoj ohladiti s 102 °C na 20 °C, da se prepreči nastanek nečistoče Des-CN (nečistoča 1). Če se zmes predolgo meša, se stranski proizvod nenadoma oblikuje in ga ni mogoče zlahka odstraniti v nadaljnjih korakih obdelave in reakcije. Na podlagi teh informacij so raziskovalci hitro nastavili nadzor med procesom, da bi povezali reakcijski čas z ravnmi nečistoč.

Avtomatizirani kemični reaktorji z reprezentativnim vzorčenjem brez nadzora spreminjajo način dela kemikov v laboratoriju. Nastavitev je intuitivna, poskusi pa se lahko začnejo kadar koli in jih varno pustite, da tečejo čez noč. Z nadzorom brez nadzora in nenehnim zbiranjem podatkov znanstveniki pridobijo prednost: razumevanje, inovacije in sprejemanje informiranih odločitev. 

Spodaj je seznam publikacij iz strokovnih revij o profiliranju nečistoč, ki jih raziskovalci podpirajo eksperimentiranje, bogato s podatki, da bi napredovali svoje raziskave.

Predstavljeni citati profiliranja nečistoč

• Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon, D., Dion, A., Maloney, MT, Post, R.J., Li, R., "Kinetična in podatkovno vodena reakcijska analiza za razvoj farmacevtskih procesov", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Predhodni članek
• Beutner, G.L., Coombs, J.R., Green, R.A., Inankur, B., Lin, D., Qiu, J., Roberts, F., Simmons, E.M., Wisniewski, S.R., "Paladij-katalizirana amidacija in aminacija (hetero)arilnih kloridov v homogenih pogojih, ki jih omogoča topni sistem dvojne baze DBU / NaTFA", Org. Proces 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., "Razvoj visokozmogljivih eksperimentov v farmacevtskem razvoju in perspektive prihodnosti", Org. Proces 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., "Hitro načrtovanje poti AZD7594", React. Chem. Eng. (2019), vnaprejšnji članek.
• Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, C.J., "Enostavno kinetično profiliranje kemijskih reakcij z uporabo kromatografske analize MISER", Tetraeder, (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., "Razvoj in povečanje učinkovitega procesa borilacije Miyaura z uporabo tetrahidroksidibora", Org. Proces Res. Dev. (2017) 21, 65-74.
• Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Avtomatizirano spremljanje napredka reakcije heterogenih reakcij: stereoselektivnost, ki jo povzroča kristalizacija, v aldolnih reakcijah, ki jih katalizirajo amin", 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., "Spremljanje napredka reakcije HPLC-MS v realnem času z uporabo avtomatizirane analitične platforme", React. (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., Razvoj komercialnega proizvodnega procesa Palbociclib. Del I: Nadzor regioselektivnosti v Grignardovo posredovani SNAr sklopki", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191−1202.