Onzuiverheidsprofilering van chemische reacties

Profilering van onzuiverheden is gericht op het identificeren en vervolgens kwantificeren van specifieke componenten die aanwezig zijn in lage niveaus, meestal minder dan 1% en idealiter lager dan 0,1%. Onzuiverheden zijn ongewenste reststoffen die zich tijdens of na het verloop van de reactie vormen. De residuen kunnen anorganische, organische chemicaliën of resterende oplosmiddelen zijn die de kwaliteit en eigenschappen van een specifiek product bepalen; bijvoorbeeld de werkzaamheid van een actief farmaceutisch ingrediënt (API).

Profilering van onzuiverheden speelt een belangrijke rol tijdens verschillende stadia van R&D in de chemische ontwikkeling. Inzicht in de vorming van onzuiverheden tijdens chemische synthese is essentieel om de reactieomstandigheden zodanig te beheersen en te veranderen dat de vorming van de onzuiverheid tot een aanvaardbaar niveau kan worden teruggebracht. Onderzoekers kunnen methoden innoveren om de vorming of concentraties van onzuiverheden te minimaliseren. Verschillende instanties, waaronder het Europees Geneesmiddelenbureau (EMA), de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) en de International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Pharmaceutical for Human Use (ICH), reguleren de grondgedachte voor de rapportage en controle van onzuiverheden voor organische, anorganische en oplosmiddelhoudende residuen. Daarnaast hebben verschillende autoriteiten Quality by Design (QbD) -methodologieën aangenomen om de product- en proceskwaliteiten voor de ontdekking, ontwikkeling en productie van API's te verbeteren.

Elke wetenschapper neemt monsters tijdens de duur van een chemische reactie. Het monster of het aliquot geeft de chemische samenstelling van de reactie op een bepaald tijdstip weer. Gedurende de duur van het experiment worden monsters genomen en vervolgens voorbereid voor offline analyse, zoals chromatografie en nucleaire magnetische resonantie (NMR). De informatie uit offline analysemethoden wordt vervolgens gebruikt om de transformatie van een chemische reactie te profileren en de concentraties te koppelen aan de conversie, opbrengst en selectiviteit versus tijd. Daarom zijn monsters cruciaal voor het onthullen van reactiekinetiek, onzuiverheidsprofielen, routes en mechanistische aspecten om fundamentele inzichten te verwerven binnen de onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten.

Wanneer u een monster handmatig neemt, bestaat de kans dat het monster niet representatief is voor het specifieke tijdstip. Een monster houdt niet noodzakelijkerwijs rekening met de reactieparameters en de chemische omgeving die het moet vertegenwoordigen. Meestal gaat de chemische reactie door totdat het monster verder is verwerkt, gewijzigd of gedoofd. Als gevolg hiervan is EasySampler ontwikkeld voor reproduceerbare, representatieve, geautomatiseerde en onbemande bemonstering.

De geautomatiseerde en onbemande bemonsteringsoplossing, EasySampler, biedt nauwkeurige, reproduceerbare en representatieve monsters. Op door de gebruiker gedefinieerde tijdstippen legt EasySampler automatisch reactiemonsters vast en dooft monsters onmiddellijk onder reactieomstandigheden. Ten slotte verdunt EasySampler het monster tot een door de gebruiker gespecificeerde concentratie. De innovatieve en gepatenteerde combinatie van in-situ bemonstering, afschrikken en verdunnen garandeert monsters van hoge kwaliteit, zelfs uit heterogene mengsels, lucht- en vochtgevoelige reacties en reacties onder druk en toxische omstandigheden.

Nauwkeurige en reproduceerbare profilering van onzuiverheden is van cruciaal belang voor elke nieuwe medicijntoepassing. De zuiverheid van een product is afhankelijk van verschillende factoren, zoals grondstoffen, reactietype, reactieroute en zuiveringsprocessen. In de vroege stadia van de chemische ontwikkeling is het essentieel om de vorming van onzuiverheden te meten en te karakteriseren. Synthetische organische chemici veranderen en beheersen de reactieomstandigheden op zo'n manier dat de vorming van de onzuiverheid tot een acceptabel niveau kan worden teruggebracht, of zelfs vermeden. Drugsautoriteiten gebruiken het onzuiverheidsprofiel als een vingerafdruk, wat de robuustheid van het productieproces aangeeft.

Het bemonsteren van chemische reacties, waaronder slurry's, bij verhoogde druk, lucht- of vochtgevoelige reacties en meerfasenreacties, is vaak moeilijk of vervelend. Bovendien zijn veel reacties lang of kunnen ze laat op de dag beginnen, waardoor het moeilijk wordt om onzuiverheden te profileren en monsters te verzamelen gedurende de hele reactie. Bijgevolg kan er een beperkt aantal monsters worden verzameld en/of treden inconsistenties in de bemonstering op wanneer de verzamelmethoden tijdrovend zijn of wanneer het moeilijk is om een representatief monster te verkrijgen. Als er niet continu monsters worden verzameld, is het reactieprofiel, met inbegrip van conversie-, opbrengst- en onzuiverheidsniveaus, niet toegankelijk. Door geautomatiseerde bemonstering te gebruiken om voortdurend nauwkeurige en reproduceerbare monsters te verzamelen voor analyse, halen chemici meer kwaliteitsinformatie uit minder experimenten, wat leidt tot snelle beslissingen om innovatieve chemie te ontwikkelen.

In twee application notes wordt besproken hoe Janssen en Servier Pharmaceuticals reacties samplen zonder het reactieverloop te beïnvloeden:

• Reactieprofilering van een Buchwald-Hartwig-drijfmest op hoge temperatuur
• Eindpuntdetectie van een luchtgevoelige esterreductie

Zuurstofgevoelige reacties zijn moeilijk en vervelend om te bemonsteren en vereisen doorgaans herhaalde experimenten om volledige datasets te verkrijgen. Handmatige bemonstering brengt zuurstof in de reactor en blokkeert de reactieprogressie. Bovendien worden monsters gewijzigd wanneer ze tijdens handmatige bemonstering in de lucht worden gebracht. Deze factoren beïnvloeden de reactiesnelheid, nauwkeurigheid en integriteit van het reactiemonster en leiden tot slechte en inconsistente gegevens. De mogelijkheid om op een geautomatiseerde manier een representatief monster van dit soort reacties vast te leggen, levert een volledige en nauwkeurige dataset op. Dit maakt nauwkeurige kinetische studies mogelijk en genereert representatieve onzuiverheidsprofielen om de snelheid en het mechanisme van vorming te begrijpen. Over het algemeen verbeteren de informatierijke experimenten de productiviteit en kostenbesparingen en leiden ze tot kortere ontwikkelingstijden.

David Place, Pfizer, presenteerde een casestudy met een palladium gekatalyseerde C-H activeringsreactie, rechts weergegeven. De reactie is zuurstofgevoelig en een zuurstofgehalte van 5000 ppm in de headspace zou resulteren in een toename van de reactietijd met 50%. Om de reactie te ontwikkelen, was het echter nodig om het kinetische profiel, het mechanisme van onzuiverheidsvorming, te begrijpen en een redelijk eindpunt toe te kennen; Maar bemonstering was moeilijk zonder zuurstof in de reactie te introduceren.

Voor deze reactie (schema hierboven) werden twaalf monsters verkregen met behulp van EasySampler in-situ bemonstering gedurende een periode van 24 uur en geanalyseerd door UPLC (zie grafiek). De gegevens die over de periode van 24 uur zijn verzameld, geven inzicht in de onderlinge verbanden van de onzuiverheden die in de reactie worden gecontroleerd, en benadrukken vooral de noodzaak van een strakke reactiecyclustijd. Uit de omzettings- en onzuiverheidsprofielen blijkt dat wanneer het product na 8 uur een maximum bereikt, het reactiesysteem onmiddellijk moet worden gekoeld van 102 °C naar 20 °C, om de vorming van Des-CN-onzuiverheid (onzuiverheid 1) te voorkomen. Als het mengsel te lang blijft roeren, vormt het bijproduct zich plotseling en kan het niet gemakkelijk worden verwijderd in de volgende opwerkings- en reactiestappen. Op basis van deze informatie stelden onderzoekers snel in-process controles in om de reactietijd te correleren met onzuiverheidsniveaus.

Geautomatiseerde chemische reactoren met onbeheerde, representatieve bemonstering veranderen de manier waarop chemici in het laboratorium werken. De installatie is intuïtief en experimenten kunnen op elk moment beginnen en veilig 's nachts worden uitgevoerd. Met onbeheerde controle en continue gegevensverzameling hebben wetenschappers een voordeel: ze kunnen begrijpen, innoveren en weloverwogen beslissingen nemen. 

Hieronder vindt u een lijst met publicaties van peer-reviewed tijdschriften over onzuiverheidsprofilering door onderzoekers ter ondersteuning van datarijke experimenten om hun onderzoek vooruit te helpen.

Aanbevolen citaten voor onzuiverheidsprofilering

• Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon, D., Dion, A., Maloney, MT, Post, R.J., Li, R., "Kinetische en datagestuurde reactieanalyse voor farmaceutische procesontwikkeling", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Geavanceerd artikel
• Beutner, G.L., Coombs, J.R., Green, R.A., Inankur, B., Lin, D., Qiu, J., Roberts, F., Simmons, E.M., Wisniewski, S.R., "Palladium-gekatalyseerde amidatie en aminering van (hetero)arylchloriden onder homogene omstandigheden mogelijk gemaakt door een oplosbaar DBU/NaTFA dual-base systeem", 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., "De evolutie van high-throughput experimenten in farmaceutische ontwikkeling en perspectieven op de toekomst", 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., "Snel routeontwerp van AZD7594", React. Chem. Eng. (2019), Advance artikel.
• Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, C.J., "Gemakkelijke kinetische profilering van chemische reacties met behulp van MISER chromatografische analyse", Tetraëder, (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., "Ontwikkeling en opschaling van een efficiënt Miyaura-borylatieproces met behulp van tetrahydroxydiboron", Org. Process Res. Dev. (2017) 21, 65-74.
• Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Geautomatiseerde reactievoortgangsbewaking van heterogene reacties: kristallisatie-geïnduceerde stereoselectiviteit in amine-gekatalyseerde aldolreacties", 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 reactie voortgangsmonitoring met behulp van een geautomatiseerd analytisch platform", React. Chem. Eng. (2017) 2, 309-314.
• Duan, S., Plaats, D., Perfect, H.H., Ide, N.D., Maloney, M., Sutherland, K., Prijs Wiglesworth, K.E.; Wang, K., Olivier, M., Kong, F., Leeman, K., Blunt, J., Draper, J., McAuliffe, M., O'Sullivan, M., Lynch, D., Palbociclib Ontwikkeling van het commerciële productieproces. Deel I: Controle van regioselectiviteit in een Grignard-gemedieerde SNAr-koppeling", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191-1202.