Impurity Profiling of Chemical Reactions

O perfil de impureza visa a identificação e subsequente quantificação de componentes específicos presentes em níveis baixos, geralmente abaixo de 1% e idealmente inferiores a 0,1%. Impurezas são resíduos indesejados que se formam durante ou após a reação. Os resíduos podem ser produtos químicos inorgânicos ou orgânicos ou resíduos de solvente que definem a qualidade e as propriedades de um produto específico; por exemplo, a eficácia de princípios ativos farmacêuticos (API).

O perfil de impureza tem uma função importante nos diferentes estágios de P&D no desenvolvimento de produtos químicos. Compreender a formação de impurezas durante síntese química é essencial para controlar e alterar as condições da reação de maneira que a formação de impurezas possa ser reduzida a um nível aceitável. Os pesquisadores podem inovar métodos para minimizar a formação ou concentração de impurezas. Diversas agências, inclusive a EMA (European Medicines Agency), a FDA (Food and Drug Administration) dos EUA e o ICH (The International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Pharmaceutical for Human Use), regulamentam a justificativa para notificação e controle de impurezas orgânicas e inorgânicas e resíduos de solvente. Além disso, muitas autoridades adotaram metodologias Quality by Design (QbD) para melhorar a qualidade do produto e do processo para descoberta, desenvolvimento e fabricação de APIs.

Todo cientista coleta amostras durante toda a duração de uma reação química. A amostra ou alíquota representa a composição química da reação em um ponto de tempo específico. Ao longo da duração do experimento, amostras são coletadas e posteriormente preparadas para análises off-line, como cromatografia e Ressonância Magnética Nuclear (RMN). As informações dos métodos de análise off-line são então usadas para traçar o perfil da transformação de uma reação química e vincular as concentrações à conversão, produção e seletividade ao longo do tempo. Portanto, as amostras são cruciais para revelar a cinética de reação, perfis de impureza, caminhos e aspectos mecanísticos para obter insights fundamentais nos projetos de pesquisa e desenvolvimento.

Ao coletar uma amostra manualmente, existe a chance de a amostra não representar o ponto de tempo específico. Uma amostra não considera necessariamente os parâmetros da reação e o ambiente químico que deve representar. Normalmente, a reação química continua até a amostra coletada ser posteriormente processada, modificada ou resfriada. Por esse motivo, o EasySampler foi desenvolvido para que a amostragem seja reprodutível, representativa, automatizada e autônoma.

A solução para amostragem automática e autônoma, EasySampler, permite a obtenção de amostras precisas, reprodutíveis e representativas. Em tempos definidos pelo usuário, o EasySampler captura automaticamente as amostras de reação e as resfria imediatamente nas condições da reação. Finalmente, o EasySampler dilui a amostra para uma concentração especificada pelo usuário. A combinação inovadora e patenteada de amostragem, resfriamento e diluição in situ garante amostras de alta qualidade, mesmo de misturas heterogêneas, reações sensíveis ao ar e à umidade e reações em condições de pressão e tóxicas.

O perfil de impureza preciso e reprodutível é essencial para aplicação de qualquer medicamento novo. A pureza de um produto depende de vários fatores, como matéria-prima, tipo de reação, rota de reação e processos de purificação. Nos primeiros estágios do desenvolvimento químico, é essencial medir e caracterizar a formação de impurezas. Os químicos orgânicos sintéticos alteram e controlam as condições da reação de maneira que a formação de impurezas pode ser reduzida a um nível aceitável ou até mesmo evitada. As agências reguladoras de medicamentos usam o perfil de impureza como uma impressão digital que indica a robustez do processo de fabricação.

A amostragem das reações químicas, inclusive reações de pastas, em pressões elevadas, sensíveis ao ar ou à umidade e reações com múltiplas fases, costuma ser difícil e entediante. Além disso, muitas reações são demoradas ou podem ser iniciadas no fim do dia, dificultando a obtenção do perfil de impureza e a coleta de amostras ao longo de toda a reação. Como consequência, pode haver um número limitado de amostras coletadas e/ou inconsistências de amostragem podem ocorrer quando os métodos de coleta levarem muito tempo ou quando for difícil obter uma amostra representativa. Se as amostras não forem coletadas continuamente, o perfil da reação, inclusive conversão, produção e níveis de impureza, não estará acessível. Ao usar a amostragem automática para coletar continuamente amostras precisas e reprodutíveis para análise, os químicos recebem informações de melhor qualidade com menos experimentos, o que permite tomar decisões rápidas para desenvolver rotas sintéticas inovadoras.

Duas notas de aplicação discutem como a Janssen e a Servier Pharmaceuticals obtêm amostras de reações sem afetar a progressão da reação:

• Perfil de Reação de uma Pasta Buchwald-Hartwig de Alta Temperatura
• Detecção de Ponto Final de uma Redução de Éster Sensível ao Ar

É difícil e entediante fazer a amostragem de reações sensíveis ao oxigênio, e geralmente é preciso repetir os experimentos para obter dados completos. A amostragem manual introduz o oxigênio no reator e paralisa a progressão da reação. Além disso, as amostras são alteradas quando são introduzidas no ar durante a amostragem manual. Esses fatores afetam a taxa da reação, a precisão e a integridade da amostra da reação e resultam em dados inconsistentes e de baixa qualidade. Ser capaz de capturar uma amostra representativa desses tipos de reação de maneira automatizada significa obter dados completos e precisos. Isso permite a realização de estudos precisos de cinética e a criação de perfis representativos de impureza para entender a taxa e o mecanismo da formação. Em geral, os experimentos que produzem informações boas e abundantes aumentam a produtividade e a economia de custos e reduzem os tempos de desenvolvimento.

David Place, da Pfizer, apresentou um estudo de caso com uma reação de Ativação de C-H catalisada por paládio, mostrada à direita. A reação é sensível ao oxigênio, e os níveis de oxigênio de 5.000 ppm no espaço vazio resultariam em um aumento de 50% no tempo da reação. No entanto, para desenvolver a reação, foi necessário entender o perfil de cinética e o mecanismo da formação de impurezas, e atribuir um ponto final razoável. Entretanto, realizar a amostragem sem introduzir oxigênio à reação foi difícil.

Para essa reação (esquema acima), doze amostras foram obtidas usando a amostragem in situ do EasySampler durante um período de 24 horas e foram analisadas por UPLC (consulte o gráfico). Os dados coletados no período de 24 horas fornecem informações sobre as interconectividades das impurezas monitoradas na reação e destacam a necessidade de um período de ciclo de reação mais restrito. A conversão e os perfis de impureza mostram que quando o produto atinge um máximo de 8 horas, o sistema da reação deve ser imediatamente refrigerado de 102 °C para 20 °C a fim de evitar a formação da impureza Des-CN (impureza 1). Se a mistura for agitada por muito tempo, o subproduto se formará de repente e não poderá ser removido facilmente nas etapas subsequentes de processamento e reação. Com base nessas informações, os pesquisadores rapidamente definiram controles no processo para correlacionar o tempo de reação aos níveis de impureza. 

Reatores químicos automatizados com amostragem autônoma e representativa mudam a maneira como os químicos trabalham nos laboratórios. A configuração é intuitiva e os experimentos podem ser iniciados a qualquer momento ou ser executados durante a noite de maneira segura. Com o controle autônomo e a coleta de dados contínua, os cientistas se beneficiam, pois podem entender e inovar os processos e tomar decisões informadas. 

Abaixo está uma relação de publicações de artigos revisados por pares sobre perfil de impureza da autoria de pesquisadores para apoiar a experimentação rica em dados para o avanço de suas pesquisas.

Citações de Perfil de Impureza Apresentadas

• Wang, K., Han, L., Mustakis, J., Li, B., Magano, J., Damon, D., Dion, A., Maloney, M.T., Post, R.J., Li, R., "Kinetic and Data Driven Reaction Analysis for Pharmaceutical Process Development", Ind. Eng. Chem. Res. (2019), Advance article
• Beutner, G.L., Coombs, J.R., Green, R.A., Inankur, B., Lin, D., Qiu, J., Roberts, F., Simmons, E.M., Wisniewski, S.R., "Palladium-Catalyzed Amidation and Amination of (Hetero)aryl Chlorides under Homogeneous Conditions Enabled by a Soluble 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, M.A., "The Evolution of High-Throughput Experimentation in Pharmaceutical Development and Perspectives on the Future", 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), Advance Article.
• Zawatzky, K., Grosser, S., Welch, C.J., "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., "Development and Scale-up of an Efficient Miyaura Borylation Process Using Tetrahydroxydiboron", Org. Process Res. Dev. (2017) 21, 65-74.
• Rougeot, C., Situ, H., Cao, B.H., Vlachos, V., Hein, J.E., "Automated Reaction Progress Monitoring of Heterogeneous Reactions: Crystallization-induced Stereoselectivity in amine-catalyzed aldol reactions", 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 reaction progress monitoring using an automated analytical platform", 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 Commercial Manufacturing Process Development. Part I: Control of Regioselectivity in a Grignard-Mediated SNAr Coupling", Org. Process Res. Dev. (2016), 20, 1191−1202.