Parallelsynthese

Indem sie die gleichzeitige Durchführung mehrerer Experimente ermöglicht, spart die Parallelsynthese viel Zeit bei der Unterscheidung von Verbindungen.

Die Parallelsynthese beschleunigt die Entdeckung neuer Verbindungen und ermöglicht ein Screening für optimale Prozessbedingungen. In der Pharmaindustrie dient die Parallelsynthese zur beschleunigten Entdeckung und Entwicklung potenzieller Arzneiwirkstoffe. Sie ermöglicht beispielsweise die Synthese kompletter Bibliotheken mit unterschiedlichen chemischen Strukturen für die Untersuchung auf potenzielle biologische Aktivität.

Die Parallelsynthese eignet sich für Anwendungsbereiche unterschiedlicher Größenordnung, darunter die Identifizierung und Optimierung von Wirkstoffen sowie das Screening für optimale Reaktionsbedingungen. Sie beschleunigt damit die Optimierung bei der Prozessskalierung und -entwicklung, indem sie besseren Einblick in die Auswirkungen der Reaktionsvariablen liefert: Lösungsmittelsysteme, optimale Temperaturen und Konzentrationen, die richtigen Reagenzien, Reaktionszeiten und Auswahl der Katalysatoren.

In der Arzneimittelforschung wird ein Zielmolekül (z. B. ein Protein) identifiziert, das mit einem Krankheitsverlauf im Zusammenhang steht. Sobald das Zielmolekül validiert wurde, beginnen Wissenschaftler mit der Suche nach weitere Molekülen oder Substanzen, die auf das Zielmolekül wirken. Die Suche nach geeigneten Molekülen (Lead-Molekülen) kann sehr aufwendig sein. Bis einer oder mehrere geeignete Kandidaten ermittelt sind, müssen oft Tausende von Verbindungen gescreent werden. Sobald ein Lead-Molekül identifiziert ist, kann es chemisch verändert werden, damit es besser auf das Zielmolekül wirkt. 

Die Parallelsynthese ist ein entscheidender Vorgang beim Screening nach Lead-Verbindungen. Die Parallelsynthese ermöglicht die schnelle und logische Synthese von tausenden Molekülen, von denen jedes die gewünschte Wirkung auf das Zielmolekül haben könnte. Vor dem Einsatz der Parallelsynthese in der kombinatorischen Chemie war die Suche nach Lead-Molekülen ein zeitaufwendiger und  zu einem nicht unerheblichen Teil auf Zufall basierender sequentieller Prozess. 

Mit kombinatorischer Chemie lassen sich viele potenziell neuartige und/oder biologisch aktive Verbindungen erschaffen, indem alle möglichen Kombinationen einer kleineren Gruppe individueller Moleküle unter ähnlichen Reaktionsbedingungen durchgespielt werden. Daraus kann sich eine gewaltige Anzahl von Verbindungen (die Bibliothek) ergeben und ganze Familien neuartiger Verbindungen können auf diese Weise zur Identifizierung von Lead-Verbindungen näher getestet werden.

Die kombinatorische Chemie befindet sich seit einigen Jahren im Aufwind, doch in der Praxis erweist sich die Identifizierung der biologisch aktiven Verbindungen unter so vielen Proben als extrem aufwendig.Bei der Parallelsynthese mit chemischen Reaktoren werden die Vorteile der kombinatorischen Chemie so ausgenutzt, dass ein Ansatz mit stärkerem Fokus auf das Zielmolekül verfolgt wird. Hierdurch wird die Auswahl an Verbindungen verkleinert, was die Auswahl von Lead-Molekülen erleichtert.

Da mehrere Experimente gleichzeitig durchgeführt werden können, ermöglicht die Parallelsynthese eine erhebliche Zeitersparnis bei der Unterscheidung von Verbindungen. Sie kann in der flüssigen oder in der festen Phase durchgeführt werden. Bei der Parallelsynthese in der Festphase werden die Moleküle vorübergehend zu einer unlöslichen Verbindung kombiniert. Im weiteren Verlauf der Synthese werden wichtige funktionale Gruppen geschützt oder aufgebrochen.

Die Parallelsynthese in der Festphase bietet zahlreiche Vorteile. Mit überschüssigen Reagenzien oder reaktionsfördernden Techniken wie Mikrowellenstrahlen werden die Reaktionen mühelos zum Abschluss gebracht. Die Veredelung wird durch die Abspaltung des Endprodukts vom festen Trägerstoff vereinfacht. Wie bei der Parallelsynthese in der Flüssigphase eignet sich die Festphasensynthese hervorragend für die Automatisierung, wodurch Effizienz, Geschwindigkeit und Durchsatz noch weiter gesteigert werden.

Die EasyMax-Parallelsynthesereaktoren bieten eine hervorragende Plattform für die Parallelsynthese zur Unterstützung von Experimenten zur Reaktionsoptimierung. Da die beiden EasyMax-Reaktoren präzise und genau gesteuert werden, können parallele Experimente ohne Abstriche bei der Qualität der Resultate durchgeführt werden. Die gleichzeitige Durchführung von Reaktionen mit definierten Reaktionsvariablen beschleunigt Studien zur statistischen Versuchsplanung (DoE).

Das EasyMax-Reaktorsystem verfügt über zwei vollkommen unabhängige Reaktoren in variabler Grösse. Neben Dosiereinheiten, pH-Kontrolle, verschiedenen Rührertypen und Temperaturregelung auf 0,1 °C können EasyMax-Reaktoren mit FTIR-Spektrometern, Raman-Spektrometern und Partikelgrössenanalysatoren ausgestattet werden.

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

Mit der Verwendung einer Peptidsynthese von LONZA verfolgte diese Arbeit die folgenden Ziele:

• Identifizierung der zur Erstellung eines kinetischen Modells erforderlichen Reaktionsparameter
• Maximierung von Ertrag und Selektivität
• Minimierung der Bildung von Nebenprodukten 

Im Zusammenhang mit der Konzentration der Reagenzien und der Temperatur wurden vier Parameter ausgewählt. Ausserdem wurde eine statistische Versuchsplanung (DoE) aus elf Experimenten parallel in den EasyMax-Reaktoren durchgeführt.  

Die HPLC-Analyse zeigte, dass Umwandlung und Ertrag bei einer Temperatur von 10,0 °C nach 90 Minuten erwartungsgemäss minimal waren.  Die Menge an Verunreinigungen wurde jedoch ebenfalls minimiert. Durch eine Steigerung der Temperatur wurden Umwandlung und Ertrag verbessert, gleichzeitig wurde jedoch die Selektivität verschlechtert und es traten mehr Verunreinigungen auf. Bei einer niedrigeren Temperatur und geringeren Menge einer der Reagenzien (EDC) waren weniger Verunreinigungen festzustellen. Eine geringe TEA-Konzentration hingegen führte zu mehr Verunreinigungen.

Die Kombination aus statistischer Versuchsplanung und Parallelsynthese beschleunigte die Optimierung dieser Peptidsynthese.

Durch eine Steigerung der Temperatur wurden Umwandlung und Ertrag verbessert, gleichzeitig wurde jedoch die Selektivität verschlechtert und es traten mehr Verunreinigungen auf. Bei einer niedrigeren Temperatur und geringeren Menge einer der Reagenzien (EDC) waren weniger Verunreinigungen festzustellen. Eine geringe TEA-Konzentration hingegen führte zu mehr Verunreinigungen.

Die Kombination aus statistischer Versuchsplanung und Parallelsynthese beschleunigte die Optimierung dieser Peptidsynthese.