Impurity Profiling of Chemical Reactions

La determinación de perfiles de impurezas está encaminada a la identificación y posterior cuantificación de determinados componentes presentes en niveles bajos, normalmente inferiores a 1 % e idealmente inferiores a 0,1 %. Las impurezas son residuos no deseados que se forman durante o después del curso de la reacción. Estos residuos pueden ser tanto productos químicos orgánicos como inorgánicos, o disolventes residuales que definen la calidad y las propiedades de un producto determinado, como la eficacia de un ingrediente farmacéutico activo (API).

La determinación de perfiles de impurezas desempeña una importante función durante las diferentes etapas de la I+D en el desarrollo de productos químicos. Es fundamental entender cómo se forman las impurezas durante las síntesis químicas para poder controlar y cambiar las condiciones de las reacciones de tal modo que se reduzca la formación de impurezas a un nivel aceptable. Los investigadores pueden desarrollar métodos para minimizar la formación o concentración de impurezas. Diversos organismos, como la Agencia Europea de Medicamentos (EMA), la Agencia de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) de los Estados Unidos y el Consejo Internacional de Armonización de los Requisitos Técnicos para los Productos Farmacéuticos de Uso Humano (ICH), regulan los fundamentos para la creación de informes y el control de las impurezas de residuos orgánicos, inorgánicos o de disolventes. Además, varias autoridades adoptaron metodologías de calidad por diseño (QbD) para impulsar la mejora de calidades de productos y procesos para la detección, el desarrollo y la fabricación de API.

Cada científico toma muestras durante el tiempo que dura una reacción química. La muestra o la alícuota representan la composición química de la reacción en un momento específico. En lo que dura el experimento, se toman las muestras y se preparan para el análisis fuera de línea, como la cromatografía y la resonancia magnética nuclear (RMN). Luego, se usa la información de los métodos de análisis fuera de línea para determinar el perfil de la transformación de una reacción química y vincular las concentraciones con la  conversión, el rendimiento y la capacidad de selección frente al tiempo. Por ello, las muestras son cruciales a la hora de revelar la cinética de reacción, los perfiles de impurezas, las vías y los aspectos mecánicos para obtener información fundamental de los productos de investigación y desarrollo.

Si se toma una muestra de forma manual, existe la posibilidad de que esta no represente el momento específico. Una muestra no tiene por qué considerar los parámetros de la reacción ni el entorno químico que debe representar. Por lo general, la reacción química continúa hasta que la muestra tomada se siga procesando, modificando o enfriando. En consecuencia, se desarrolló EasySampler para obtener un muestreo reproducible, representativo, automatizado y sin necesidad de supervisión.

La solución automatizada y sin necesidad de supervisión, EasySampler, ofrece un muestreo exacto, reproducible y representativo. En los momentos que define el usuario, EasySampler captura automáticamente las muestras de reacciones y las enfría inmediatamente en las condiciones de la reacción. Por último, EasySampler diluye la muestra en una concentración especificada por el usuario. La innovadora combinación patentada del muestreo, enfriamiento y dilución in situ asegura la toma de muestras de gran calidad, incluso de mezclas heterogéneas, reacciones sensibles al aire y la humedad, y reacciones sometidas a condiciones de presión y tóxicas.

Los perfiles de impurezas exactos y reproducibles son esenciales para el uso de un nuevo fármaco. La pureza de un producto depende de varios factores, como las materias primas, el tipo de reacción, la trayectoria de la reacción y los procesos de purificación. En las primeras etapas del desarrollo químico, es fundamental medir y caracterizar la formación de impurezas. Los expertos en química orgánica de síntesis cambian y controlan las condiciones de la reacción de tal modo que pueden reducir la formación de impurezas a un nivel aceptable o incluso evitarlas. Las autoridades farmacéuticas usan el perfil de impureza como una huella dactilar que indica la solidez del proceso de fabricación.

Muestrear reacciones químicas, incluidas las mezclas densas, a una presión elevada, las sensibles al aire y la humedad, y las de varias fases, suele ser un trabajo arduo o tedioso. Además, muchas reacciones llevan su tiempo o tienen que iniciarse al final del día, lo que dificulta la determinación de perfiles de impurezas y la recogida de muestras a lo largo de toda la reacción. Por ello, puede que el número de muestras recogidas sea limitado, o que se produzcan incoherencias en el muestreo cuando los métodos de recogida requieren mucho tiempo o cuando resulta complicado obtener una muestra representativa. Si no se recopilan las muestras continuamente, no se podrá acceder al perfil de reacción y, por ello, tampoco a los niveles de conversión, rendimiento e impureza. Al usar el muestreo automatizado con el fin de recoger muestras exactas y reproducibles de forma continua para realizar análisis, los químicos obtienen más información de calidad con menos experimentos, de modo que se toman decisiones más rápido para desarrollar procesos químicos innovadores.

Dos notas de la aplicación tratan sobre cómo las farmacéuticas Janssen y Servier realizan el muestreo de las reacciones sin que el progreso de la reacción se vea afectado:

• Determinación de perfiles de reacción de Buchwald-Hartwig de una mezcla a alta temperatura
• Detección de puntos finales de una reducción de ésteres sensible al aire

Muestrear reacciones sensibles al oxígeno es un trabajo arduo y tedioso y, con frecuencia, es preciso repetir los experimentos para llegar a conjuntos de datos completos. Con el muestreo manual se introduce oxígeno en el reactor, lo que frena el avance de la reacción. Es más, las muestras se alteran cuando se exponen al aire durante este tipo de muestreo. Estos factores influyen en la velocidad de la reacción, en la exactitud y en la integridad de la muestra de reacción, y conducen a datos incoherentes y de mala calidad. La posibilidad de tomar muestras representativas de estos tipos de reacciones de forma automatizada permite obtener datos completos y precisos. Así, se pueden realizar estudios de cinética precisos y obtener perfiles de impurezas representativos para conocer la velocidad y el mecanismo de formación. En general, los experimentos con alto valor informativo aumentan la productividad y el ahorro de costes, y reducen el tiempo de desarrollo.

David Place, de Pfizer, ha presentado un caso práctico con una reacción de activación del enlace C-H catalizada con paladio, que se muestra a la derecha. Esta reacción es sensible al oxígeno, por lo que unos niveles de oxígeno de 5000 ppm en la cámara volátil harían que el tiempo de reacción aumentara un 50 %. No obstante, para desarrollar la reacción ha sido preciso comprender el perfil de cinética y el mecanismo de formación de impurezas, y asignar un punto final razonable, pero el muestreo ha resultado difícil sin introducir oxígeno en la reacción.

Para esta reacción (esquema anterior), se tomaron doce muestras mediante el muestreo in situ de EasySampler durante 24 horas, que se analizaron con UPLC (consulte el gráfico). Los datos recopilados durante esas 24 horas ofrecen información sobre las interconectividades de las impurezas controladas en la reacción y, en particular, resaltan la necesidad de que el ciclo de la reacción sea ajustado. La conversión y los perfiles de impurezas muestran que, cuando el producto alcanza un máximo a las ocho horas, el sistema de reacción debe enfriarse de inmediato para pasar de 102 a 20 °C y evitar la formación de impurezas sin CN (impureza 1). Si la mezcla se sigue agitando demasiado, de repente se forma el producto secundario, que no se podrá eliminar fácilmente en las posteriores tareas de tratamiento y reacción. Partiendo de esta información, los investigadores rápidamente instauran controles dentro del proceso para correlacionar el tiempo de reacción y los niveles de impureza. 

Los reactores químicos automatizados con muestreo representativo y sin necesidad supervisión cambian la forma de trabajar de los químicos en el laboratorio. La instalación es intuitiva, y los experimentos se inician en cualquier momento y pueden dejarse para que se realicen durante la noche sin ningún peligro. Gracias al control sin supervisión y la recogida de datos continua, los científicos gozan de una gran ventaja: ganan conocimientos, innovan y toman decisiones fundadas. 

A continuación, figura una lista de publicaciones de revistas revisadas por profesionales sobre la determinación de perfiles de impurezas por parte de los investigadores para sustentar la experimentación con datos abundantes a fin de avanzar en sus investigaciones.

Menciones destacadas de la determinación de perfiles de impurezas

• 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.