Параллельный синтез

Параллельный синтез обеспечивает существенную экономию времени и дифференциацию соединений благодаря одновременному проведению нескольких экспериментов.

Этот подход широко используется для ускоренного поиска новых соединений и определения оптимальных параметров процессов. В фармацевтической промышленности параллельный синтез применяется для поиска и разработки новых лекарственных препаратов. Это позволяет, например, создавать библиотеки различных химических соединений, которые можно проверить на наличие биологической активности.

Параллельный синтез можно реализовать на разных уровнях: от выявления набора перспективных веществ и оптимизации этого набора до скрининга для определения оптимальных параметров реакции. При разработке и масштабировании технологического процесса методы параллельного синтеза позволяют ускорить оптимизацию процесса благодаря подробному изучению различных параметров реакции: систем растворителей, температурных режимов, концентраций, времени реакции, необходимых реагентов и катализаторов.

При поиске новых лекарственных веществ прежде всего выявляется молекулярная мишень, например белок, связанный с патологическим процессом. После того как молекулярная мишень определена, начинается поиск других молекул или веществ, способных воздействовать на мишень. Процесс поиска вещества, которое воздействует на мишень (его называют соединением-прототипом), может быть долгим. Скорее всего, придется провести скрининг тысяч соединений, чтобы найти хотя бы один или несколько перспективных прототипов. Когда соединение-прототип найдено, его можно химически модифицировать для повышения его эффективности по отношению к молекулярной мишени. 

Параллельный синтез чрезвычайно важен на этапе скрининга соединений-прототипов. Параллельный синтез позволяет быстро и системно синтезировать тысячи молекул, любая из которых может оказаться той, что способна взаимодействовать с мишенью. До открытия метода параллельного синтеза в комбинаторной химии поиск соединений-прототипов выполнялся последовательно  и отнимал много времени, а его успех зависел от случая. 

Методы комбинаторной химии позволяют создавать большие наборы потенциально новых и (или) биологически активных соединений. Для этого меньший набор отдельных молекул во всех возможных комбинациях помещается в схожие реакционные условия. Размер итогового набора соединений (так называемой библиотеки) может быть огромным, и таким образом могут быть подготовлены целые семейства новых соединений для дальнейшего тестирования с целью идентификации соединений-прототипов.

Комбинаторная химия стала широко применяться несколько лет назад, но задача выявления соединений с биологической активностью в таких огромных наборах образцов оказалась чрезвычайно сложной. Параллельный синтез с помощью рабочих станций синтеза — это способ оптимизировать методы комбинаторной химии таким образом, чтобы сделать поиск активных молекул более целенаправленным. В результате получается меньший, не столь разнородный набор соединений, что облегчает процесс определения прототипов.

Множественные эксперименты, которые при параллельном синтезе выполняются одновременно для экономии времени и эффективной дифференциации соединений, можно проводить как в жидкой, так и в твердой фазе. При параллельном синтезе в твердой фазе молекулы временно связываются с нерастворимой основой, а синтез молекулы продукта осуществляется последовательно с помощью защиты ключевых функциональных групп и последующего снятия такой защиты.

Параллельный синтез в твердой фазе обладает рядом преимуществ. Реакции легко доводятся до завершения с использованием избыточного объема реагентов или с помощью методов усиления реакции, например микроволнового облучения. Очистка упрощается, так как конечный продукт просто отделяется от твердофазной подложки. Как и в случае с параллельным синтезом в жидкости, синтез в твердой фазе может быть в значительной степени автоматизирован, что обеспечит высокую эффективность, скорость и значительный общий выход конечного продукта.

Рабочая станция параллельного синтеза EasyMax  — отличная платформа для параллельного синтеза в экспериментах по оптимизации реакций. Благодаря точности и надежности управления обоими реакторами EasyMax параллельные эксперименты можно проводить с полной уверенностью в качестве результатов. Исследования методом моделирования экспериментов (DoE) проводятся быстрее, так как реакции с заданными параметрами выполняются одновременно.

Станции EasyMax оснащены двумя полностью независимыми реакторами разных размеров. Помимо дозирующих модулей, устройств для контроля рН, мешалок различных типов и термостатов с точностью до 0,1 °С, станции EasyMax могут быть оснащены ИКФС-спектрометрами, рамановскими спектрометрами и анализаторами размеров частиц.

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

В настоящей работе использовалась станция синтеза пептидов компании LONZA. Основные цели работы:

• определить параметры реакции, необходимые для создания кинетической модели;
• довести до максимума выход продукта и селективность;
• минимизировать образование побочных продуктов. 

Были выбраны четыре параметра, связанные с концентрацией реагентов и температурой. 11 экспериментов, спланированных по методике моделирования экспериментов (DoE), были запущена параллельно на станциях EasyMax.  

Анализ методом ВЭЖХ показал, что при температуре 10,0 °C превращение и выход через 90 минут находятся на минимальном уровне, как и ожидалось.  Однако уровень примесей также оказался минимальным. Повышение температуры улучшило превращение и выход, но привело к потере селективности и увеличению количества примесей. Использование более низкой температуры и меньшего количества одного из реагентов (дихлорэтана) уменьшает количество примесей. Напротив, низкие концентрации триэтаноламина вызывают более высокое содержание примесей.

Сочетание статистических экспериментов с использованием рабочих станций параллельного синтеза ускорило оптимизацию этого процесса синтеза пептидов.

Повышение температуры улучшило превращение и выход, но привело к потере селективности и увеличению количества примесей. Использование более низкой температуры и меньшего количества одного из реагентов (дихлорэтана) уменьшает количество примесей. Напротив, низкие концентрации триэтаноламина вызывают более высокое содержание примесей.

Сочетание статистических экспериментов с использованием рабочих станций параллельного синтеза ускорило оптимизацию этого процесса синтеза пептидов.