Föroreningsprofilering av kemiska reaktioner

Föroreningsprofilering syftar till identifiering och efterföljande kvantifiering av specifika komponenter som finns i låga nivåer, vanligtvis mindre än 1 % och helst lägre än 0,1 %. Föroreningar är oönskade rester som bildas under eller efter reaktionsförloppet. Resterna kan vara oorganiska, organiska kemikalier eller rester av lösningsmedel som definierar kvaliteten och egenskaperna hos en specifik produkt; till exempel effekten av en aktiv farmaceutisk ingrediens (API).

Föroreningsprofilering spelar en viktig roll under olika stadier av forskning och utveckling inom kemisk utveckling. Att förstå föroreningsbildning under kemisk syntes är viktigt för att kontrollera och ändra reaktionsförhållandena på ett sådant sätt att bildningen av föroreningen kan reduceras till en acceptabel nivå. Forskare kan utveckla metoder för att minimera bildning eller koncentrationer av föroreningar. Olika myndigheter, inklusive Europeiska läkemedelsmyndigheten (EMA), USA:s Food and Drug Administration (FDA) och International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Pharmaceutical for Human Use (ICH), reglerar den logiska grunden för rapportering och kontroll av föroreningar för organiska, oorganiska och lösningsmedelsrester. Dessutom har flera myndigheter antagit QbD-metoder (Quality by Design) för att förbättra produkt- och processkvaliteter för upptäckt, utveckling och tillverkning av API:er.

Varje forskare tar prover under hela varaktigheten av en kemisk reaktion. Provet eller alikvoten representerar den kemiska sammansättningen av reaktionen vid en viss tidpunkt. Under hela experimentet tas prover och förbereds därefter för offlineanalys, såsom kromatografi och kärnmagnetisk resonans (NMR). Informationen från offline-analysmetoder används sedan för att profilera omvandlingen av en kemisk reaktion och koppla koncentrationerna till omvandlingen, utbytet och selektiviteten kontra tid. Därför är prover avgörande för att avslöja reaktionskinetik, föroreningsprofiler, vägar och mekanistiska aspekter för att få grundläggande insikter inom forsknings- och utvecklingsprojekten.

När du tar ett prov manuellt finns det en chans att provet inte är representativt för den specifika tidpunkten. Ett prov tar inte nödvändigtvis hänsyn till reaktionsparametrarna och den kemiska miljön, som det måste representera. Vanligtvis fortsätter den kemiska reaktionen tills provet bearbetas, modifieras eller släcks ytterligare. Som ett resultat av detta utvecklades EasySampler för reproducerbar, representativ, automatiserad och obevakad provtagning.

Den automatiserade och obevakade provtagningslösningen, EasySampler, ger exakta, reproducerbara och representativa prover. Vid användardefinierade tidpunkter fångar EasySampler automatiskt upp reaktionsprover och släcker proverna omedelbart vid reaktionsförhållanden. Slutligen späder EasySampler ut provet till en användarspecificerad koncentration. Den innovativa och patenterade kombinationen av in-situ provtagning, kylning och spädning garanterar högkvalitativa prover, även från heterogena blandningar, luft- och fuktkänsliga reaktioner och reaktioner under tryck och toxiska förhållanden.

Noggrann och reproducerbar föroreningsprofilering är avgörande för alla nya läkemedelstillämpningar. En produkts renhet beror på flera faktorer, såsom råvaror, reaktionstyp, reaktionsväg och reningsprocesser. I de tidiga stadierna av kemisk utveckling är det viktigt att mäta och karakterisera föroreningsbildning. Syntetiska organiska kemister förändrar och kontrollerar reaktionsförhållandena på ett sådant sätt att bildningen av föroreningen kan reduceras till en acceptabel nivå, eller till och med undvikas. Läkemedelsmyndigheterna använder föroreningsprofilen som ett fingeravtryck, vilket indikerar hur robust tillverkningsprocessen är.

Provtagning av kemiska reaktioner, inklusive slam, vid förhöjt tryck, luft- eller fuktkänsliga reaktioner och flerfasreaktioner, är ofta svårt eller omständligt. Dessutom är många reaktioner långa, eller kan påbörjas sent på dagen, vilket gör det svårt att profilera föroreningar och samla in prover under hela reaktionen. Följaktligen kan ett begränsat antal prover samlas in, och/eller inkonsekvenser i urvalet kan uppstå när insamlingsmetoderna är tidskrävande eller när det är svårt att få ett representativt prov. Om proverna inte samlas in kontinuerligt är reaktionsprofilen, inklusive omvandlings-, avkastnings- och föroreningsnivåer, inte tillgänglig. Genom att använda automatiserad provtagning för att kontinuerligt samla in exakta och reproducerbara prover för analys får kemister mer kvalitetsinformation från färre experiment, vilket leder till snabba beslut för att utveckla innovativ kemi.

I två applikationsanteckningar diskuteras hur Janssen och Servier Pharmaceuticals tar prover på reaktioner utan att påverka reaktionsprogressionen:

• Reaktionsprofilering av en högtemperaturslurry från Buchwald-Hartwig
• Endpoint-detektion av en luftkänslig esterreduktion

Syrekänsliga reaktioner är svåra och tråkiga att ta prover på och kräver vanligtvis upprepade experiment för att få fullständiga datamängder. Manuell provtagning för in syre i reaktorn och stoppar reaktionsförloppet. Dessutom ändras proverna när de tillförs luft under manuell provtagning. Dessa faktorer påverkar reaktionshastigheten, noggrannheten och integriteten hos reaktionsprovet och leder till dåliga och inkonsekventa data. Att ha möjlighet att fånga ett representativt prov från dessa typer av reaktioner på ett automatiserat sätt ger en komplett och korrekt datauppsättning. Detta möjliggör noggranna kinetikstudier och genererar representativa föroreningsprofiler för att förstå bildningshastigheten och mekanismen för bildning. Sammantaget förbättrar de informationsrika experimenten produktiviteten och kostnadsbesparingarna och leder till minskade utvecklingstider.

David Place, Pfizer, presenterade en fallstudie med en palladiumkatalyserad C-H-aktiveringsreaktion, som visas till höger. Reaktionen är syrekänslig, och syrenivåer på 5000 ppm i huvudutrymmet skulle resultera i en 50% ökning av reaktionstiden. För att utveckla reaktionen var det emellertid nödvändigt att förstå den kinetiska profilen, mekanismen för föroreningsbildning och tilldela en rimlig slutpunkt; Men det var svårt att ta prover utan att tillföra syre till reaktionen.

För denna reaktion (schemat ovan) togs tolv prover med hjälp av EasySampler in-situ provtagning under en 24-timmarsperiod och analyserades med UPLC (se diagram). De data som samlats in under 24-timmarsperioden ger insikt i sammankopplingarna mellan de föroreningar som övervakas i reaktionen, och belyser särskilt behovet av en snäv reaktionscykeltid. Omvandlings- och föroreningsprofilerna visar att när produkten når ett maximum efter 8 timmar måste reaktionssystemet omedelbart kylas från 102 °C till 20 °C för att undvika att Des-CN-förorening (förorening 1) bildas. Om blandningen fortsätter att röra om för länge bildas biprodukten plötsligt och kan inte lätt avlägsnas i efterföljande upparbetnings- och reaktionssteg. Baserat på denna information ställde forskare snabbt in processkontroller för att korrelera reaktionstiden med föroreningsnivåer.

Automatiserade kemiska reaktorer med obevakad, representativ provtagning förändrar hur kemister arbetar i laboratoriet. Installationen är intuitiv och experimenten kan börja när som helst och lämnas att köras över natten. Med obevakad kontroll och kontinuerlig datainsamling får forskare en fördel: att förstå, förnya och fatta välgrundade beslut. 

Nedan finns en lista över publikationer från peer-reviewed tidskrifter om föroreningsprofilering av forskare för att stödja datarika experiment för att främja sin forskning.

Utvalda citat om föroreningsprofilering

• Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon, D., Dion, A., Maloney, M.T., Post, R.J., Li, R., "Kinetisk och datadriven reaktionsanalys för farmaceutisk processutveckling", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Avancerad 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-katalyserad amidation och amination av (hetero)arylklorider under homogena förhållanden som möjliggörs av ett lösligt DBU/NaTFA Dual-Base System", 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, MA, "Utvecklingen av experiment med hög genomströmning inom farmaceutisk utveckling och perspektiv på framtiden", 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., "Rapid route design of AZD7594", React. Chem. Eng. (2019), avancerad artikel.
• Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, CJ, "Facile Kinetic Profiling of Chemical Reactions Using MISER Chromatographic Analysis", Tetrahedron, (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., "Utveckling och uppskalning av en effektiv Miyaura Boryleringsprocess med hjälp av tetrahydroxydiboron", Org. Process Res. Dev. (2017) 21, 65-74.
• Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Automatiserad reaktionsövervakning av heterogena reaktioner: Kristallisationsinducerad stereoselektivitet i aminkatalyserade aldolreaktioner", 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., "Övervakning av HPLC-MS-reaktionsframsteg i realtid med hjälp av en automatiserad analytisk plattform", React. Chem. Eng. (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., Palbociclib Kommersiell Tillverkning Process Utveckling. Del I: Kontroll av Regioselektivitet i en Grignard-medierad SNAr-koppling", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191-1202.