工藝開(kāi)發(fā)和在線控制帶來(lái)的便捷：未來(lái)化學(xué)合成

背景介紹

近年來(lái)，新興的反應(yīng)數(shù)據(jù)采集、處理和控制技術(shù)已開(kāi)始將制藥工藝開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)化為日益豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)領(lǐng)域。制藥企業(yè)開(kāi)始采用 “工業(yè)4.0” 的方法，通過(guò)模擬在質(zhì)量、安全、成本效益和可持續(xù)性方面，系統(tǒng)集成和大型數(shù)據(jù)分析是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵因素。充分利用這些技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行工藝開(kāi)發(fā)和過(guò)程在線控制可以顯著提高化學(xué)品生產(chǎn)的速度和可靠性。

 

制藥監(jiān)管機(jī)構(gòu)zui近推出了“質(zhì)量源于設(shè)計(jì)”（QbD）計(jì)劃，鼓勵(lì)制造商在充分了解反應(yīng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和控制工藝。該計(jì)劃的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)獲取化學(xué)工藝開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)，通過(guò)過(guò)程分析技術(shù)（PAT）進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)。

 

制藥行業(yè)目前正在從活性藥物成分（API）的傳統(tǒng)的批量生產(chǎn)向連續(xù)加工轉(zhuǎn)變。FDAzui近的審查強(qiáng)調(diào)了PAT在連續(xù)流技術(shù)中的重要作用。PAT在連續(xù)流動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制工藝優(yōu)化，例如在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）中，通過(guò)自動(dòng)化優(yōu)化動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)估計(jì)來(lái)指導(dǎo)藥物發(fā)現(xiàn)程序。

 

zui常用的實(shí)時(shí)在線PAT工具有UV/VIS、拉曼、紅外、和核磁共振。它們的使用變得越來(lái)越流行，部分原因是增加了商用臺(tái)式裝置。此外在連續(xù)流動(dòng)平臺(tái)內(nèi)可使用高效/超高效液相色譜（HPLC/UPLC）和GC等綜合色譜分析技術(shù)。

 

在學(xué)術(shù)和工廠實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，離線分析技術(shù)仍然是司空見(jiàn)慣的。在這些情況下，樣品制備浪費(fèi)時(shí)間，分析樣品并不總能表現(xiàn)當(dāng)時(shí)反應(yīng)性能。與僅使用離線分析的情況相比，使用實(shí)時(shí)分析的過(guò)程，數(shù)據(jù)將更快、更可靠的用于過(guò)程優(yōu)化。

 

實(shí)例表明，目前在連續(xù)流程系統(tǒng)中集成單個(gè)在線分析儀器，用于分析一步反應(yīng)已有很多良好的案例。而且，連續(xù)流化學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵好處是能夠在不需要人工干預(yù)的情況下，在集成連續(xù)流系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的多級(jí)轉(zhuǎn)換，可以達(dá)到將不同的反應(yīng)器模塊和分析方法結(jié)合到一個(gè)完整的一體化連續(xù)過(guò)程中。

 

歐洲連續(xù)流大咖的最新成果

2019年4月08日，歐洲著名連續(xù)流專家C. Oliver Kappe教授研究小組的一項(xiàng)成果發(fā)表在Reaction Chemistry & Engineering期刊上（DOI: 10.1039 / C9RE 00087A ）。該文章以在線分析與連續(xù)流化學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建了有利于工業(yè)4.0的未來(lái)實(shí)驗(yàn)室如圖1b所示，并以化合物丙酸叔丁酯在該體系下合成β-羥基丁酸酯類產(chǎn)物為例進(jìn)行了說(shuō)明。如圖1a所示。

 

圖1.  a）反應(yīng)方案顯示丙酸叔丁酯1的去質(zhì)子化，其與醛親電子試劑3的反應(yīng)，然后驟冷，得到醛醇產(chǎn)物5；b）本研究中使用的zui終反應(yīng)裝置示意圖，顯示泵，傳感器（T =溫度傳感器; P =壓力傳感器）和PAT儀器的位置，以及它們與LabVision控制系統(tǒng)的連接（黑色虛線=電信號(hào)連接線，藍(lán)色虛線=循環(huán)換熱介質(zhì)路線）。

結(jié)果與討論：

第一步是通過(guò)用二異丙基氨基鋰（LDA）去質(zhì)子化丙酸叔丁酯1來(lái)生成烯醇化物2（圖1a）。然后烯醇化物2與4-氟苯j(luò)ia醛3反應(yīng)生成金屬化的中間體4. 隨后用水原位淬滅得到所需產(chǎn)物5. 這類化學(xué)物質(zhì)廣泛用于靶向合成相關(guān)藥物。

 

整個(gè)系統(tǒng)包括連續(xù)流反應(yīng)器，四個(gè)進(jìn)料泵，進(jìn)料溶液包括：

1. 0.4M底物1和內(nèi)標(biāo)（聯(lián)苯）在THF中的溶液

2. 0.44M LDA在THF中的溶液

3. 0.48M 4-氟苯j(luò)ia醛3在THF中的溶液，

4. 水

 

首先將基質(zhì)1和LDA溶液混合以在1#反應(yīng)片中形成烯醇化物2，停留時(shí)間為約5秒。隨后，將醛3溶液引入2#反應(yīng)片中，在驟冷之前再反應(yīng)80秒。驟冷的停留時(shí)間相當(dāng)于約18秒。

 

將來(lái)自1#反應(yīng)模塊的流出物通過(guò)IR流通池進(jìn)行在線IR分析。然后使反應(yīng)混合物通過(guò)在線流動(dòng)池（0.8mL內(nèi)部體積），用臺(tái)式NMR光譜儀（Spinsolve Ultra 43MHz，Magritek）監(jiān)測(cè)。然后引入水以淬滅反應(yīng)混合物并收集出口混合物。在引入水之后在線進(jìn)行UPLC分析并通過(guò)對(duì)分餾的反應(yīng)器輸出進(jìn)行取樣來(lái)離線。在在線分析的情況下，將工藝流出的樣品轉(zhuǎn)移，然后用H2O / MeCN稀釋。

 

隨后，將6號(hào)通閥（2.6μL注射體積）注入等分試樣的稀釋流到LC柱上。連續(xù)流量設(shè)置中的泵和傳感器連接到HiTec Zang LabManager單元，并由LabVision軟件控制。

 

結(jié)果得到圖2，IR分析圖，圖3，NMR，圖4，UPLC分析圖，可以在反應(yīng)的不同階段通過(guò)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)及時(shí)觀察到過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)和生產(chǎn)。

 

圖2. 代表性的ReactIR光譜  a）丙酸叔丁酯原料1及其去質(zhì)子化形成烯醇化物2; b）丙酸叔丁酯1和醛親電子試劑3的組合溶液。

 

圖3. 反應(yīng)混合物的堆疊NMR光譜

 

顯示醛3轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物烯醇化物4的程度。使用配備有玻璃流通池的Magritek Spinsolve Ultra 43MHz獲得這些光譜。

 

 

圖4. 代表性的UPLC色譜圖顯示了所有測(cè)量的反應(yīng)組分

 

標(biāo)記為“極性物質(zhì)”的信號(hào)主要由4-氟苯甲酸組成，在醛3中作為次要雜質(zhì)存在。并根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析得到圖5與圖6，對(duì)多步反應(yīng)判斷更加準(zhǔn)確。

 

 

圖5. 使用離線UPLC分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的模型預(yù)測(cè)產(chǎn)品產(chǎn)量的等高線圖

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圖6. 橫向擴(kuò)展運(yùn)行的反應(yīng)數(shù)據(jù)  a）總體反應(yīng)方案，突出顯示量化的物種; b）圖表顯示了不同儀器檢測(cè)到的每個(gè)物種隨時(shí)間的數(shù)量。

 

在幾乎整個(gè)反應(yīng)期間觀察到酯1的完全去質(zhì)子化，這意味著試劑遞送與任何流速變化的可忽略的影響一致（圖7b，紅線）。當(dāng)觀察到兩次短暫的干擾時(shí)（29和32分鐘），酯1去質(zhì)子化程度降低5％導(dǎo)致產(chǎn)率降低10％，持續(xù)約10分鐘。由這種微小偏差引起的這種顯著影響強(qiáng)調(diào)了該過(guò)程對(duì)微小變化的敏感性，以及實(shí)時(shí)反應(yīng)監(jiān)測(cè)的能力。

 

UPLC分析顯示在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間所需產(chǎn)物5的產(chǎn)率為70-85％（圖6b，綠線），與來(lái)自先前產(chǎn)生的多項(xiàng)式模型的預(yù)測(cè)值相對(duì)應(yīng)。然而，NMR監(jiān)測(cè)提供了85-90％的前驅(qū)物4的始終較高的值。這種差異被認(rèn)為是由于通過(guò)NMR在所需中間體4與副產(chǎn)物6之間的差的差異引起的。

 

這種副產(chǎn)物來(lái)自于將產(chǎn)物烯醇化物4加入到第二個(gè)親電試劑分子中（ESI第4.2節(jié)），并且其在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中的增加與醛3的減少相對(duì)應(yīng)。這突出了UPLC作為定量分析技術(shù)的能力，它在眾多化學(xué)物種之間的分辨率盡管絕對(duì)值存在差異，但兩種技術(shù)觀察到的趨勢(shì)基本相同，從而進(jìn)一步為獲得的數(shù)據(jù)提供了信心。

 

按比例縮小的連續(xù)流動(dòng)過(guò)程在70分鐘的時(shí)間內(nèi)成功運(yùn)行，通過(guò)柱色譜法純化后分離出4.9g所需產(chǎn)物，相當(dāng)于產(chǎn)率為70％，產(chǎn)率為4.2g h-1。

 

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

 

本研究已經(jīng)證明了三種不同的在線分析儀器在模塊化反應(yīng)器系統(tǒng)中的集成，可用于多步有機(jī)金屬反應(yīng)的優(yōu)化和過(guò)程監(jiān)測(cè)。該模塊化流動(dòng)反應(yīng)器可通過(guò)多個(gè)傳感器和集成控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反應(yīng)監(jiān)測(cè)。

 

使用在線React IR監(jiān)測(cè)LDA對(duì)丙酸叔丁酯1的去質(zhì)子化，其中可以清楚地量化酯C = O拉伸的消失。隨后，使用醛質(zhì)子和芳基質(zhì)子作為不同的標(biāo)記，通過(guò)在線NMR監(jiān)測(cè)烯醇鋰加入到親電子試劑3中的進(jìn)程。zui終的反應(yīng)性能通過(guò)在線UPLC量化，通過(guò)定制的連續(xù)二次取樣稀釋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

 

利用大量數(shù)據(jù)快速探索反應(yīng)參數(shù)，繪制實(shí)驗(yàn)空間。對(duì)于生成的所有多項(xiàng)式模型，獲得了良好的擬合，允許估計(jì)每個(gè)參數(shù)的小變化將對(duì)總體反應(yīng)性能產(chǎn)生的影響。使用集成傳感器和在線分析來(lái)監(jiān)控每個(gè)反應(yīng)步驟，從而擴(kuò)大了流程。開(kāi)發(fā)的具有集成PAT的反應(yīng)器平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)豐富的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，用于實(shí)時(shí)多步反應(yīng)監(jiān)測(cè); 對(duì)于制藥和精細(xì)化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0以及未來(lái)實(shí)驗(yàn)室至關(guān)重要。