Impurity Profiling of Chemical Reactions

Цель профилирования — выявление и последующее определение количества отдельных компонентов с низкой концентрацией, обычно менее 1 %, но концентрация менее 0,1 % предпочтительнее. Нежелательные осадки, образующиеся в ходе реакции или после ее завершения, формируют примеси. Это могут быть неорганические или органические химические соединения и остатками растворителей. Осадки влияют на качество и свойства конечного продукта, например на эффективность активных фармацевтических субстанций (API).

Профилирование примесей имеет большое значение на разных этапах исследований и разработки химических процессов. Понимание процесса формирования примесей при химическом синтезе необходимо для эффективного изменения условий реакции с целью уменьшения скорости формирования примесей и достижения их приемлемой концентрации. Исследователи получают средства для разработки инновационных методов, при этом скорость образования примесей и их концентрация остаются минимальными. Различные организации, включая Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA), Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA) в США и Международный совет по гармонизации технических требований к регистрации лекарственных препаратов для медицинского применения (ICH), устанавливают нормы, которые требуют контроля и регистрации содержания примесей органических, неорганических веществ и растворителей. Кроме того, отдельные руководящие органы приняли концепцию «Качество через проектирование» для совершенствования продуктов и процессов исследования, разработки и производства активных фармацевтических субстанций (API).

Исследователь отбирает пробы в течении всей химической реакции. Образец (аликвота) представляет химический состав реакционной среды в определенный момент времени. Пробоотбор идет в течение всего эксперимента. Образцы проходят подготовку для исследования с помощью автономных средств, например хроматографии или ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Информация, полученная с помощью этих методов, затем используется для профилирования хода химической реакции и исследования временной связи между концентрацией и степенью превращения, выходом и избирательностью. Поэтому образцы необходимы для исследования кинетики реакции, профилирования примесей, исследования пути реакции и ее механики — для получения основной информации в исследовательских проектах.

При ручном отборе проб существует вероятность, что образец окажется не представительным для соответствующей временной точки. Зачастую образец не отражает параметры реакции и условия реакционной среды, из которой он взят. Это происходит потому, что химическая реакция в образце не останавливается, пока не будут выполнены последующие этапы гашения и обработки. Чтобы избежать подобных ситуаций, была разработана система EasySampler. Она предназначена для автоматического отбора воспроизводимых и представительных проб без участия оператора.

EasySampler — система автоматического отбора проб без участия оператора — позволяет получать точные, воспроизводимые и представительные пробы. Система EasySampler автоматически выполняет отбор проб в заданные пользователем моменты времени и немедленно проводит гашение реакции в образце в исходных условиях. Кроме того, система EasySampler разбавляет образец до заданной пользователем концентрации. Запатентованная комбинированная система для отбора проб in-situ, остановки в них реакции и разбавления обеспечивает высокое качество образцов даже в сложных средах: неоднородных, чувствительных к воздуху и влаге, токсичных или находящихся под высоким давлением.

Точное и воспроизводимое профилирование примесей очень важно при производстве новых лекарственных средств. Чистота продукта зависит от ряда факторов, таких как сырье, тип и путь реакции, а также процесс очистки. На ранних стадиях химического процесса важно измерять и оценивать образование примесей. Специалисты лабораторий органического синтеза контролируют и изменяют условия реакции, тем самым предотвращая образование примесей или поддерживая их концентрацию на допустимом уровне. Для органов фармацевтического контроля профиль примесей является одним из основных показателей надежности производственного процесса.

Отбор проб из реакционных сред, включая суспензии, реакции под давлением, реакции, чувствительные к воздуху или влажности, и многофазные реакции, нередко представляет трудности. Кроме того, многие реакции длятся долго или запускаются в конце рабочего дня, что затрудняет отбор проб и профилирование примесей в течение всей реакции. Это может привести к ограничению числа образцов и (или) к противоречивым результатам в связи с большими затратами времени или проблемами с отбором представительных проб. Без регулярного пробоотбора невозможно составить профиль реакции, включая степень превращения, выход и концентрации примесей. Автоматический отбор проб обеспечивает высокую точность и воспроизводимость образцов и тем самым повышает качество данных при одновременном сокращении числа опытов. Это позволяет специалистам быстро принимать решения в процессе разработки.

На примере двух рекомендаций по применению показано, как компании Janssen и Servier Pharmaceuticals отбирают пробы без влияния на ход реакции.

• Профилирование реакции в суспензии Бухвальда — Хартвига при высокой температуре.
• Определение конечной точки при чувствительном к воздуху восстановлении сложных эфиров.

Отбор проб из чувствительных к кислороду реакционных смесей отличается сложностью и трудоемкостью; для получения полных наборов данных обычно требуются несколько повторных экспериментов. Ручной отбор проб вызывает попадание кислорода в реактор и тормозит реакцию. Кроме того, воздействие воздуха на образцы при ручном отборе вызывает в них изменения. Эти факторы влияют на скорость реакции, точность данных и целостность образцов, и в результате информация о реакции будет неполной и противоречивой. Возможность автоматического получения представительных проб из реакций такого типа гарантировала бы полноту и точность наборов данных. Автоматический пробоотбор обеспечивает высокую точность кинетических исследований и создание представительных профилей примесей для изучения скорости и механизма их образования. В целом повышение информативности опытов улучшает производительность, снижает расходы и сокращает время разработки.

Дэвид Плейс из компании Pfizer проиллюстрировал это на примере активации связи С–Н метоксильных групп, катализируемой палладием (см. справа). Данная реакция чувствительна к кислороду: концентрация кислорода в воздушной прослойке в 5000 ppm увеличивает время реакции на 50 %. Для разработки реакции необходимо было изучить ее кинетику и механизм образования примесей, а также определить конечную точку, однако нерешенной оставалась проблема отбора проб без попадания кислорода.

Для этой реакции (см. схему выше) с помощью прибора EasySampler в условиях in situ было отобрано 12 образцов в течение 24-часового периода. Для анализа образцов использовалась ВЭЖХ (см. график). Данные, собранные в течение 24-часового периода, дают представление о взаимосвязях между примесями, мониторинг которых осуществлялся в ходе реакции, и, в частности, отражают необходимость сокращения времени реакции. Ход превращения и профили примесей показывают, что когда содержание продукта достигает максимума (через 8 часов), необходимо немедленное охлаждение системы с 102 до 20 °C, чтобы избежать образования примеси Des-CN (примесь 1). Если перемешивание смеси продолжится в таких условиях, то сразу начинают образовываться побочные продукты, которые трудно удалить на последующих этапах подготовки и реакции. Основываясь на этой информации, исследователи могут своевременно применить средства активного контроля, регулируя время реакции для получения нужной степени чистоты. 

Автоматизированные рабочие станции, обеспечивающие получение представительных проб без участия оператора, меняют представления о работе химических лабораторий. Их настройка интуитивно понятна, а эксперименты можно проводить без участия оператора в любое время — даже ночью. Автоматизация и непрерывный сбор данных позволяют специалистам лучше понимать процессы, внедрять инновации и принимать обоснованные решения. 

Ниже приведен ряд публикаций в рецензируемых журналах, где рассматривается профилирование примесей при высокоинформативных методах исследования.

Избранные публикации о профилировании примесей

• 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), препринт статьи.
• 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), препринт статьи.
• 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.