Profilazione delle impurità delle reazioni chimiche

Il profilo delle impurità mira all'identificazione e alla successiva quantificazione di componenti specifici presenti a bassi livelli, solitamente inferiori all'1% e idealmente inferiori allo 0,1%. Le impurità sono residui indesiderati che si formano durante o dopo il corso della reazione. I residui possono essere sostanze chimiche inorganiche, organiche o solventi residui che definiscono la qualità e le proprietà di un prodotto specifico; ad esempio, l'efficacia di un principio attivo farmaceutico (API).

Il profilo delle impurità svolge un ruolo importante durante le diverse fasi di ricerca e sviluppo nello sviluppo chimico. Comprendere la formazione di impurità durante la sintesi chimica è essenziale per controllare e modificare le condizioni di reazione in modo tale che la formazione di impurità possa essere ridotta a un livello accettabile. I ricercatori possono innovare i metodi per ridurre al minimo la formazione o le concentrazioni di impurità. Varie agenzie, tra cui l'Agenzia europea per i medicinali (EMA), la Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti e il Consiglio internazionale per l'armonizzazione dei requisiti tecnici per i prodotti farmaceutici per uso umano (ICH), regolano le motivazioni per la segnalazione e il controllo delle impurità per i residui organici, inorganici e solventi. Inoltre, diverse autorità hanno adottato metodologie Quality by Design (QbD) per promuovere il miglioramento delle qualità dei prodotti e dei processi per la scoperta, lo sviluppo e la produzione di API.

Ogni scienziato preleva campioni per tutta la durata di una reazione chimica. Il campione o l'aliquota rappresentano la composizione chimica della reazione in un momento specifico. Per tutta la durata dell'esperimento, vengono prelevati campioni e successivamente preparati per l'analisi offline, come la cromatografia e la risonanza magnetica nucleare (NMR). Le informazioni provenienti dai metodi di analisi offline vengono quindi utilizzate per profilare la trasformazione di una reazione chimica e collegare le concentrazioni alla conversione, alla resa e alla selettività rispetto al tempo. Pertanto, i campioni sono fondamentali per rivelare la cinetica di reazione, i profili di impurità, i percorsi e gli aspetti meccanicistici per ottenere informazioni fondamentali all'interno dei progetti di ricerca e sviluppo.

Quando si preleva un campione manualmente, è possibile che il campione non sia rappresentativo del punto temporale specifico. Un campione non tiene necessariamente conto dei parametri di reazione e dell'ambiente chimico che deve rappresentare. Di solito, la reazione chimica continua fino a quando il campione non viene ulteriormente elaborato, modificato o temprato. Di conseguenza, EasySampler è stato sviluppato per il campionamento riproducibile, rappresentativo, automatizzato e non presidiato.

La soluzione di campionamento automatizzata e non presidiata, EasySampler, fornisce campioni accurati, riproducibili e rappresentativi. A orari definiti dall'utente, EasySampler acquisisce automaticamente i campioni di reazione e li spegne immediatamente alle condizioni di reazione. Infine, EasySampler diluisce il campione a una concentrazione specificata dall'utente. L'innovativa e brevettata combinazione di campionamento, tempra e diluizione in situ garantisce campioni di alta qualità, anche da miscele eterogenee, reazioni sensibili all'aria e all'umidità e reazioni in condizioni di pressione e tossiche.

Un profilo accurato e riproducibile delle impurità è fondamentale per qualsiasi applicazione di nuovi farmaci. La purezza di un prodotto dipende da diversi fattori, come le materie prime, il tipo di reazione, il percorso di reazione e i processi di purificazione. Nelle prime fasi dello sviluppo chimico, è essenziale misurare e caratterizzare la formazione di impurità. I chimici organici sintetici modificano e controllano le condizioni di reazione in modo tale che la formazione dell'impurità possa essere ridotta a un livello accettabile, o addirittura evitata. Le autorità farmaceutiche utilizzano il profilo delle impurità come impronta digitale, indicando la robustezza del processo di produzione.

Il campionamento di reazioni chimiche, compresi i fanghi, a pressione elevata, reazioni sensibili all'aria o all'umidità e reazioni multifase, è spesso difficile o noioso. Inoltre, molte reazioni sono lunghe o possono essere avviate in ritardo nel corso della giornata, rendendo difficile la profilazione delle impurità e la raccolta di campioni durante l'intera reazione. Di conseguenza, il numero di campioni prelevati può essere limitato e/o si verificano incongruenze di campionamento quando i metodi di raccolta richiedono molto tempo o quando è difficile ottenere un campione rappresentativo. Se i campioni non vengono raccolti in modo continuo, il profilo di reazione, compresi i livelli di conversione, resa e impurità, non è accessibile. Utilizzando il campionamento automatizzato per raccogliere continuamente campioni accurati e riproducibili per l'analisi, i chimici ottengono più informazioni di qualità da un minor numero di esperimenti, il che porta a decisioni rapide per sviluppare una chimica innovativa.

Due note applicative illustrano il modo in cui Janssen e Servier Pharmaceuticals campionano le reazioni senza influire sulla progressione della reazione:

• Profilo di reazione di un impasto liquido di Buchwald-Hartwig ad alta temperatura
• Rilevamento del punto finale di una riduzione dell'estere sensibile all'aria

Le reazioni sensibili all'ossigeno sono difficili e noiose da campionare e in genere richiedono esperimenti ripetuti per ottenere set di dati completi. Il campionamento manuale introduce ossigeno nel reattore e blocca la progressione della reazione. Inoltre, i campioni vengono alterati quando vengono introdotti nell'aria durante il campionamento manuale. Questi fattori influenzano la velocità di reazione, l'accuratezza e l'integrità del campione di reazione e portano a dati scadenti e incoerenti. Avere la capacità di acquisire un campione rappresentativo di questi tipi di reazioni in modo automatizzato fornisce un set di dati completo e accurato. Ciò consente studi cinetici accurati e genera profili di impurità rappresentativi per comprendere la velocità e il meccanismo di formazione. Nel complesso, gli esperimenti ricchi di informazioni migliorano la produttività e i risparmi sui costi e portano a una riduzione dei tempi di sviluppo.

David Place, Pfizer, ha presentato un caso di studio con una reazione di attivazione C-H catalizzata con palladio, mostrata a destra. La reazione è sensibile all'ossigeno e livelli di ossigeno di 5000 ppm nello spazio di testa comporterebbero un aumento del 50% del tempo di reazione. Tuttavia, per sviluppare la reazione è stato necessario comprendere il profilo cinetico, il meccanismo di formazione delle impurità e assegnare un punto finale ragionevole; Ma il campionamento era difficile senza introdurre ossigeno nella reazione.

Per questa reazione (schema sopra), dodici campioni sono stati acquisiti utilizzando il campionamento in situ EasySampler per un periodo di 24 ore e analizzati da UPLC (vedi grafico). I dati raccolti nel periodo di 24 ore forniscono informazioni sulle interconnessioni delle impurità monitorate nella reazione e in particolare evidenziano la necessità di un tempo di ciclo di reazione ridotto. I profili di conversione e di impurezza mostrano che quando il prodotto raggiunge un massimo di 8 ore, il sistema di reazione deve essere immediatamente raffreddato da 102 °C a 20 °C, per evitare la formazione di impurità Des-CN (impurità 1). Se la miscela continua a mescolare troppo a lungo, il sottoprodotto si forma improvvisamente e non può essere facilmente rimosso nelle successive fasi di elaborazione e reazione. Sulla base di queste informazioni, i ricercatori hanno rapidamente impostato i controlli durante il processo per correlare il tempo di reazione con i livelli di impurità.

I reattori chimici automatizzati con campionamento rappresentativo e non presidiato cambiano il modo in cui i chimici lavorano in laboratorio. La configurazione è intuitiva e gli esperimenti possono iniziare in qualsiasi momento ed essere lasciati in sicurezza durante la notte. Con il controllo non presidiato e la raccolta continua dei dati, gli scienziati ottengono un vantaggio: comprendere, innovare e prendere decisioni informate. 

Di seguito è riportato un elenco di pubblicazioni di riviste peer-reviewed sulla profilazione delle impurità da parte dei ricercatori per supportare la sperimentazione ricca di dati per far progredire la loro ricerca.

Citazioni di profilazione delle impurità in primo piano

• Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon, D., Dion, A., Maloney, M.T., Post, R.J., Li, R., "Analisi delle reazioni cinetiche e basate sui dati per lo sviluppo di processi farmaceutici", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Articolo avanzato
• Beutner, G.L., Coombs, J.R., Green, R.A., Inankur, B., Lin, D., Qiu, J., Roberts, F., Simmons, E.M., Wisniewski, S.R., "Ammidazione e amminazione catalizzate da palladio di cloruri (etero)arilici in condizioni omogenee abilitate da un sistema a doppia base DBU/NaTFA solubile", 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., "L'evoluzione della sperimentazione ad alto rendimento nello sviluppo farmaceutico e le prospettive sul futuro", 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., "Progettazione rapida del percorso di AZD7594", React. Chem. Ing. (2019), Articolo anticipato.
• Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, C.J., "Facile profilazione cinetica delle reazioni chimiche utilizzando l'analisi cromatografica MISER", Tetraedro, (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., "Sviluppo e scale-up di un efficiente processo di borilazione di Miyaura utilizzando il tetraidrossidiboro", Org. Process Res. Dev. (2017) 21, 65-74.
• Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Monitoraggio automatizzato dell'andamento delle reazioni eterogenee: stereoselettività indotta dalla cristallizzazione nelle reazioni aldoliche catalizzate da ammine", React. Ing. (2017), 2, 226-231.
• Malig, T.C., Koenig, J.D.B., Situ, H., Chehal, N.K., Hultinb, P.G., Hein, J.E., "Monitoraggio dell'avanzamento della reazione HPLC-MS in tempo reale utilizzando una piattaforma analitica automatizzata", React. Ing. (2017) 2, 309-314.
• Duan, S., Luogo, D., Perfetto, 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 Sviluppo del processo di produzione commerciale. Parte I: Controllo della regioselettività in un accoppiamento SNAr mediato da Grignard", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191-1202.