Impurity Profiling of Chemical Reactions

杂质分析旨在鉴定和定量以低含量存在的特定组分（通常含量低于1％，理想含量低于0.1％）。 杂质是在反应过程中或之后形成的多余残留物。 残留物可以是无机或有机化学品或残留溶剂，它们可定义特定产品的质量与特性，例如：活性药物成分（API）的功效。

杂质分析在化学研发的不同阶段起着重要作用。 了解 化学合成 期间的杂质形成对于控制和改变反应条件 至关重要，通过这种方式可将形成的杂质减少至可接受的水平。 研究人员可通过改进方法最大限度减少杂质形成或浓度。 包括欧洲药品管理局（EMA）、美国食品药品监督管理局（FDA）和国际人用药品技术要求协调委员会（ICH）在内的不同机构对有机与无机杂质以及溶剂残留物的报告和控制方法进行监管。 此外，一些机构也采用 质量源于设计（QbD）方法来推动API发现、开发和生产过程中产品和过程质量的改善。

每一位科研人员在化学反应的整个过程中都会取样。 这些样品或试样代表反应过程中某个特定时间的化学成分。 在整个实验过程中，进行取样并准备离线分析，例如色谱分析和核磁共振（NMR）。 然后将离线分析获得的信息用于 分析化学反应的转化，并将浓度与 转换率、产量和选择性随时间的变化联系起来。 因此，样品对于揭示反应动力学、杂质分布情况、路径和机理等方面以便在研究和开发项目中获得基本见解至关重要。

当手动取样时，样品可能无法代表特定时间点。 样品无需考虑反应参数及其必须代表的化学环境。 化学反应通常会持续到样品进一步被加工、改性或淬灭。 因此，我们开发了EasySampler全自动取样系统，以实现可重现、具有代表性、自动化以及无人值守的取样。

作为 自动化与无人值守的取样解决方案，EasySampler自动取样系统可获取准确、可重现以及具有代表性的样品。 在用户定义的时间点，EasySampler自动取样系统可自动采集反应样品、并在反应条件下立即淬灭样品。 最后，EasySampler 自动取样系统会将样品稀释至用户指定的浓度。 这种创新技术将原位取样、淬灭和稀释功能集于一身，即使是异质混合物、空气与湿度敏感反应以及在加压和有毒条件下的反应，也可确保获取高质量的样品。

准确和可重现的杂质分析对于任何新药品的应用至关重要。 产品的纯度取决于多种因素，例如：原料、反应类型、反应途径与纯化过程。 在化学开发的早期阶段，测量和表征杂质的形成至关重要。 有机合成化学家改变和控制反应条件，从而将形成的杂质减少至可接受的水平甚至是完全避免。 药品管理机构将杂质分布图作为指纹，用于指明制造过程的可靠性。

对化学反应进行取样（包括浆状物、高压条件下反应、空气或湿度敏感反应与多相反应）通常既复杂又繁琐。 此外， 许多反应用时长，或者有可能在夜间开始，难以在整个反应过程中进行杂质分析和采集样品。 因此， 当采集方法耗时或者难以获取具有代表性的样品时，采集到的样品数量会非常有限，甚至出现取样不一致的情况。 如果没有持续采集样品，则无法获得转换率、产量和杂质含量等反应曲线图。 化学工程师通过使用自动化取样技术连续采集准确并且可重现的样品进行分析，可从较少的实验中获得更多优质信息，从而在开发创新的化学过程方面做出快速决定。

在两份应用手册中讨论了Janssen和Servier Pharmaceuticals是如何在不影响反应过程的情况下进行反应取样的：

• 关于高温 Buchwald-Hartwig 浆液的反应分析
• 对气敏性酯还原反应进行终点监测

对氧气敏感的反应进行取样是非常困难和繁琐的，通常需要反复实验才能获得完整的数据集。 人工取样会将氧引入反应釜内，并会妨碍反应进程。 另外，如果在人工取样时样品与空气接触，则样品会发生改变。 这些因素会对反应样品的反应速率、准确性和完整性产生影响，并会导致数据不准确和不一致。 如果能够以自动方式从这些类型的反应中采集具有代表性的样品，则可提供完整并且准确的数据集。 这样可以进行准确的动力学研究，并且可以得到具有代表性的杂质分布图，从而了解杂质形成的速率与机理。 总之，信息量丰富的实验可提高生产效率和节省成本，并可缩短开发时间。

辉瑞公司的David Place发表了一篇钯催化C-H活化反应的案例研究（如右图所示）。 此次反应为氧气敏感性反应，顶部空间内 5000 ppm 的含氧量将会导致反应时间延长一半。 然而，为了开发这个反应，需要了解动力学情况、杂质形成的机理以及分设定合理的反应终点；但是很难在不引入氧气的情况下对该反应体系进行取样。

对于该反应（上图），在24小时内利用EasySampler全自动取样系统原位取样技术获取了十二份样品，并使用UPLC进行了分析（如图表所示）。 在24小时内采集的数据诠释了反应中各杂质之间的关联性，尤其重点强调了进行快速反应的必要性。 转化率与杂质分布图显示，当产物在大约 8 小时后达到最大转化率时，必须将反应系统从 102 °C 立即冷却至 20 °C，避免 Des-CN 杂质（杂质 1）的形成。 如果混合物持续搅拌太长时间，则副产物会突然形成，并且很难在随后的操作和反应步骤中消除。 根据这些信息，研究人员能够快速设置过程控制参数，以便将反应时间与杂质含量相关联。 

搭配全自动取样系统的全自动化学反应器改变了化学工程师在实验室内的工作方式。 安装直观简便，可随时开始实验并可安全地进行过夜反应。 通过自动化控制与连续采集数据，科研人员能够理解反应过程、提出创新建议并作出明智决定。 

以下为研究人员关于杂质分析的同行评审期刊中的出版物清单，可支持通过数据丰富的实验推进研究。

关于杂质分析的精选引文

• 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.