Impurity Profiling of Chemical Reactions

Die Ermittlung von Verunreinigungsprofilen dient der Identifizierung und nachfolgenden Quantifizierung spezifischer Komponenten, die in geringen Mengen – normalerweise unter 1 % und idealerweise unter 0,1 % – vorhanden sind. Verunreinigungen sind unerwünschte Rückstände, die sich während der Reaktion oder nach ihrem Verlauf bilden. Bei den Rückständen kann es sich um anorganische oder organische Chemikalien oder Lösemittelrückstände handeln, welche die Qualität und Eigenschaften eines spezifischen Produkts definieren; z. B. die Effizienz eines aktiven pharmazeutischen Wirkstoffs.

Die Ermittlung von Verunreinigungsprofilen spielt in verschiedenen Phasen der F&E eine wichtige Rolle. Ein Verständnis der Bildung von Verunreinigungen bei der chemischen Synthese ist essenziell, um die Reaktionsbedingungen so zu kontrollieren und zu verändern, dass die Bildung von Verunreinigungen auf ein akzeptables Mass reduziert werden kann. Wissenschaftler können Methoden entwickeln, um die Bildung und Konzentration von Verunreinigungen zu minimieren. Verschiedene Agenturen, einschliesslich der Europäischen Arzneimittel-Agentur (EMA), der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) und des International Council for Harmonisation of Technical Requirements for Pharmaceuticals for Human Use (ICH), regulieren die Grundlage für die Protokollierung und Kontrolle von Verunreinigungen für organische und anorganische Rückstände sowie für Lösemittelrückstände. Ausserdem haben viele Behörden die Methoden des Ansatzes Quality by Design (QbD) eingeführt, um die Produkt- und Prozessqualität für die Entdeckung, Entwicklung und Herstellung von APIs zu verbessern.

Jeder Wissenschaftler nimmt Proben über die gesamte Dauer einer chemischen Reaktion. Die Probe oder das Aliquot repräsentieren die chemische Zusammensetzung der Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt. Über die gesamte Dauer des Experiments werden Proben entnommen und anschliessend für die Offline-Analyse, z. B. Chromatographie oder nuklearmagnetische Resonanz, vorbereitet. Die Informationen aus den Offline-Analysemethoden werden danach verwendet, um zur Umwandlung einer chemischen Reaktion ein Profil zu ermitteln und die Konzentrationen der Umwandlung, dem Ertrag und der Selektivität in Abhängigkeit zur Zeit zuzuordnen. Proben sind daher für das Offenlegen von Reaktionskinetiken, Verunreinigungsprofilen, Pfaden und mechanischen Aspekten von entscheidender Bedeutung, um im Rahmen von Wissenschafts- und Entwicklungsprojekten grundlegende Erkenntnisse zu gewinnen.

Bei einer manuellen Probennahme besteht die Möglichkeit, dass die Probe zu dem bestimmten Zeitpunkt nicht repräsentativ ist. Eine Probe berücksichtigt nicht unbedingt die Parameter der Reaktion und die chemische Umgebung, die sie repräsentieren müsste. Normalerweise dauert die chemische Reaktion an, bis die Probe weiterverarbeitet, verändert oder gequencht wird. Als Folge wurde der EasySampler für eine reproduzierbare, repräsentative, automatisierte und unbeaufsichtigte Probennahme entwickelt.

Die Lösung zur automatisierten und unbeaufsichtigten Probennahme, EasySampler, liefert genaue, reproduzierbare und repräsentative Proben. An vom Benutzer festgelegten Zeitpunkten entnimmt der EasySampler automatisch Proben aus der Reaktion und quencht diese sofort unter Reaktionsbedingungen. Zum Schluss verdünnt EasySampler die jeweilige Probe auf eine vom Benutzer festgelegte Konzentration. Die innovative und patentierte Kombination aus In-Situ-Probennahme, Quenchen und Verdünnen garantiert hochwertige Proben, selbst aus heterogenen Mischungen, luft- und flüssigkeitsempfindlichen Reaktionen und unter Druck stehenden sowie giftigen Reaktionen.

Eine genaue und reproduzierbare Ermittlung von Verunreinigungsprofilen ist für jegliche Anträge auf Arzneimittelzulassung unerlässlich. Die Reinheit eines Produkts hängt von unterschiedlichen Faktoren wie beispielsweise Rohmaterialien, Reaktionstyp, Reaktionsweg und Reinigungsverfahren ab. In den frühen Phasen der chemischen Entwicklung ist es entscheidend, die Bildung von Verunreinigungen zu messen und zu charakterisieren. Chemiker im Bereich der synthetischen organischen Chemie können Reaktionsbedingungen so ändern und steuern, dass die Bildung von Verunreinigung auf ein vertretbares Mass reduziert oder sogar verhindert wird. Arzneimittelbehörden nutzen die Verunreinigungsprofile wie einen Fingerabdruck, an dem sich ablesen lässt, wie robust die Herstellungsprozesse sind.

Die Probennahme bei chemischen Reaktionen, z. B. bei Suspensionen, Reaktionen mit erhöhtem Druck, luft- bzw. feuchteempfindlichen Reaktionen und mehrphasigen Reaktionen, ist häufig schwierig und mühsam. Ausserdem sind viele Reaktionen langwierig oder werden möglicherweise erst im späteren Verlauf des Tages gestartet. Dies erschwert es, über eine komplette Reaktion Proben zu sammeln und ein Verunreinigungsprofil zu erstellen. Folglich wird möglicherweise nur eine begrenzte Anzahl an Proben erfasst und/oder es treten Inkonsistenzen bei der Probennahme auf, wenn die Erfassungsmethoden zu zeitaufwändig sind oder wenn sich die Entnahme einer repräsentativen Probe als schwierig gestaltet. Falls Proben nicht durchgängig erfasst werden, kann das Reaktionsprofil einschliesslich Umwandlung, Ertrag und Verunreinigungsgrad nicht ermittelt werden. Durch den Einsatz der automatischen Probennahme zur durchgängigen Entnahme genauer und reproduzierbarer Proben für die Analyse können Chemiker aus weniger Versuchen hochwertigere Informationen gewinnen. Dies führt zu einer schnelleren Entscheidungsfindung bei der Entwicklung innovativer Chemikalien.

In zwei Applikationsberichten wird beschrieben, wie Janssen und Servier Pharmaceuticals Proben aus Reaktionen nehmen, ohne den Reaktionsfortschritt zu beeinträchtigen.

• Reaktions-Profiling einer Hochtemperatur-Buchwald-Hartwig-Aufschlämmung
• Endpunktbestimmung einer luftempfindlichen Esterreduktion

Die Probennahme bei sauerstoffempfindlichen Reaktionen gestaltet sich schwierig und mühsam. In der Regel sind wiederholte Versuche erforderlich, um vollständige Datensätze zu erhalten. Durch die manuelle Probennahme wird Sauerstoff in den Reaktor eingebracht, was den Reaktionsfortschritt beeinträchtigen kann. Darüber hinaus können sich Proben verändern, wenn Sie während der manuellen Probennahme mit Luft in Kontakt kommen. Diese Faktoren wirken sich auf die Reaktionsrate, die Genauigkeit und Integrität von Reaktionsproben aus und führen zu mangelhaften und inkonsistenten Daten. Durch die Fähigkeit, eine repräsentative Probe auf automatisierte Weise aus diesen Reaktionsarten zu entnehmen, erhalten Sie einen vollständigen und genauen Datensatz. Dadurch können genaue Kinetikstudien sowie repräsentative Verunreinigungsprofile erstellt werden, mit denen sich Bildungsrate und -mechanismus verstehen lassen. Alles in allem steigern die informationsreichen Versuche die Produktivität, senken Kosten und führen zu reduzierten Entwicklungszeiten.

David Place, Pfizer, stellte eine Fallstudie mit einer palladium-katalysierten C-H-Aktivierungsreaktion vor, die auf der rechten Seite dargestellt ist. Die Reaktion ist sauerstoffempfindlich und ein Sauerstoffgehalt von 5.000 ppm im Headspace würde zu einer um 50 % höheren Reaktionszeit führen. Für die Reaktionsentwickelung war es jedoch notwendig, das Kinetikprofil sowie die Mechanismen der Verunreinigungsbildung zu verstehen und einen sinnvollen Endpunkt zuzuordnen; allerdings liess sich eine Probennahme ohne den Eintrag von Sauerstoff in die Reaktion nur schwer umsetzen.

Bei dieser Reaktion (siehe Schema oben) wurden über einen Zeitraum von 24 Stunden zwölf Proben mittels In-situ-Probennahme mit dem EasySampler entnommen und mit UPLC analysiert (siehe Diagramm). Die über den 24-Stunden-Zeitraum gesammelten Daten geben Einsicht in die Zusammenhänge der bei der Reaktion beobachteten Verunreinigungen und zeigen besonders die Notwendigkeit einer kurzen Reaktionszeit.Die Umsetzungs- und Verunreinigungsprofile zeigen, dass das Reaktionssystem direkt von 102 auf 20 °C abgekühlt werden muss, wenn das Produkt ein Maximum von 8 Stunden erreicht. So wird die Bildung der Des-CN-Verunreinigung (Verunreinigung 1) verhindert. Ein zu langes Rühren des Reaktionsgemisches führt zur plötzlichen Bildung eines Nebenprodukts. Dieses lässt sich in der nachfolgenden Aufarbeitung und weiteren Reaktionsschritten nicht mehr problemlos entfernen. Basierend auf diesen Daten konnten die Wissenschaftler schnell prozessintegrierte Kontrollen einrichten, um die Reaktionszeit auf den Verunreinigungsgrad abzustimmen. 

Automatisierte chemische Reaktoren mit unbeaufsichtiger, repräsentativer Probennahme verändern die Arbeitsweise von Chemikern im Labor. Die Einrichtung erfolgt intuitiv und Versuche können jederzeit gestartet werden sowie sicher über Nacht ablaufen. Die unbeaufsichtigte Steuerung und die dauerhafte Datenerfassung verschaffen den Wissenschaftlern grosse Vorteile: Sie gewinnen Erkenntnisse, schaffen Neuerungen und treffen fundierte Entscheidungen. 

Nachfolgend finden Sie eine Liste mit in Fachzeitschriften zur Ermittlung von Verunreinigungsprofilen veröffentlichten Beiträgen von Wissenschaftlern zur Unterstützung von datenreichen Experimenten und Verbesserung ihrer Forschung.

Veröffentlichungen zum Thema Ermittlung von Verunreinigungsprofilen

• 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, S. 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, S. 1191−1202.