Между реакцией и регуляцией: роль растворителей в синтезе АФС

С детства каждый знаком с самым популярным растворителем — DHMO. В зависимости от среды воспитания, к нему может добавиться и EtOH. Однако химикам этого мало: вода и спирты хоть и удобны, но часто слишком реакционноспособны — могут гидролизовать чувствительные реагенты или просто умножать возможный результат на ноль. Поэтому на практике, приходится выбирать из сотен других жидких сред. Хотя реальных фаворитов - всего несколько дюжин.

Растворители настолько базовая часть органического синтеза, что кажется - и обсуждать-то нечего. Но...

Выбирая растворитель, мы вовсе не добавляем "инертную жидкость". Он может участвовать в побочных реакциях, становиться источником примесей, оставаться в продукте и влиять на кинетику.

А если этого мало — в игру вступают и внешние ограничения. У регуляторов есть чёткие требования к токсичности, контролю остаточных растворителей и допустимым уровням примесей. Производство добавляет своё: растворитель должен быть безопасным, недорогим, легко утилизируемым и желательно — не взрываться при комнатной температуре. Поэтому выбор растворителя — это не просто вопрос “что зальём в колбу”, а ещё и компромисс между химией, экономикой и GMP.

Так что пробежимся по функциям растворителей, критериям выбора, перечислим нежелательные и приведем парочку гайдов. В финале - краткая инструкция для разработчиков.

Функции растворителей

В своём прошлогоднем посте мы уже разбирали этапы химической технологии. Большинство операций можно свести к простому циклу: синтезировать → выделить → очистить.

Без растворителей не обойтись на всех этапах до финальной сушки:

1. Синтез/реакция - используется как основная среда в которой суспендируется или растворяются реагенты, протекает целевая реакция и образуется продукт, который или тоже растворяется или выпадает в осадок сразу. Последний вариант обычно более предпочтителен.
2. Выделение продукта - растворитель для процесса выделения обычно не совпадает с растворителем для синтеза, потому что растворимость продукта в реакционной среде и для выделения отличатся. Например в случаях с кристаллизацией.
3. Анализ вещества - приготовление образца или сам анализ, тут выбор растворителя тоже очень важен, но не настолько критичен для самого продукта.

Именно на этих этапах химик стоит перед философским выбором: в чем варить и как выделять? Чтобы ответить, нужно понимать, какие функции растворитель может выполнять.

Пробежимся кратко! Да, там каждый пункт можно на учебник расписать, но время то нерезиновое.

Синтез

Растворители на стадии реакции нужны для

• Смешивания реагентов - Чтобы смешать реагенты и обеспечить их взаимодействие. Твердофазные реакции (dry media) не самое частое явление в тонкой органической химии, поэтому растворитель помогает смешать все составляющие реакции в нужных концентрациях. Тут приходится учитывать растворимость используемых веществ.
• Контроля хода реакции - в зависимости от растворителя может меняться принципиальный механизм, что приводит к разным продуктам из одинаковых реагентов. Тема очень обширная, поэтому пока просто сошлюсь на книгу- Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry
• Буферизации и контроля энергии - неочевидный фактор, но растворитель позволяет легче контролировать температуру реакции и выступает буфером, который может накопить лишнюю энергию в случае экзотермичных реакций. То есть если реакция протекает при 60 °C в толуоле и внезапно начинает выделять тепло, то есть добрые 50 °C разницы до тех пор пока растворитель не начнет активно выкипать и убегать из реактора.
• Удобства дозирования - речь о добавлении растворов. Актуально если реакция чувствительна к количеству добавляемых веществ или есть риск размазать порошок по стенкам реактора и нарастить булыжник реагента на вале мешалки. Опять же это возвращает нас к вопросу растворимости.

Выделение продукта

Вторая и последняя веха увлекательного путешествия. Достаточно редко получается так, что продукт выпадает в виде аккуратного белого порошка по окончанию реакции, поэтому приходится прибегать к операциям которые позволяют выделить продукт и тут есть три варианта:

• Дистилляция - когда наш продукт внезапно жидкость и его можно отогнать из реакционной массы. В фарме такого практически не случается, поэтому опустим этот вариант.
• Кристаллизация - тут необходимо подобрать систему растворитель/антирастворитель. И как назло, зачастую, ни один из компонентов этой системы не является реакционным растворителем. То есть надо как-то заменить растворитель №1 - реакционный, на растворитель №2 - кристаллизационный. Обычно тут применяется техника solvent swap, немного про это я писал, но основное правило - температура кипения растворителя №1 должна быть меньше температуры кипения растворителя №2, иначе подобная замена займет слишком много времени и нервных клеток. То есть необходимо учитывать растворимость продукта в системе и физические свойства относительно реакционного растворителя.
• Экстракция - неизбежный этап отмывки продукта реакции от различной неорганики. Подразумевается что продукт лучше растворяется в органике, поэтому достаточно растворить продукт в растворителе и отмыть его водой (или солевыми растворами). Однако, судьба обычно не благоволит, и исходные растворители из основной реакции не всегда для этого подходят поэтому опять на помощь приходит solvent swap.

Критерии выбора

Когда и почему надо морочиться с выбором растворителя разобрались, теперь про критерии. Попытаемся уместить это во что-то удобоваримое, чтобы не снесло волной информации.

⚗️Пригодность для реакции/выделения

Первый критерий очевиден: растворитель должен обеспечивать целевую конверсию и не мешать реакции. Конечно можно поставить реакцию кросс-сочетания в воде, но результат будет очевидно далек от ожидаемого.

Растворитель должен идеально подходить для выделения целевого продукта. Так как в фарме обычно речь идет о порошках, продукт должен выпадать с максимальным выходом из выбранного растворителя и это не всегда реакционный растворитель.

💀Безопасность

Взрывопожароопасность. К сожалению практически всегда речь идет о ЛВЖ с точкой вспышки <18 °C, и стоит еще учитывать воспламеняемость, упругость паров, теплоту разложения, риск образования пероксидов. Хотя лучше загрузить этим вопросом отдел БЖД.

Токсичность. То, что не горит, ещё не значит, что безопасно для человека. Некоторые растворители могут дать прикурить АФС в качестве биологической активности, так что тоже учитываем. Речь, например, про галогенорганику (привет хлороформ и хлористый метилен) и ароматику (ммм… бензол)

🌳Экологичность

Растворители — серьёзная тема в контексте green chemistry. Идеальный кандидат должен:

• относительно легко подвергаться биодеградации
• не превращаться в более опасные побочные продукты
• быть совместимым с водной фазой (ха-ха)
• и, желательно, не нарушать экологические нормы при утилизации

Самые нелюбимые в этом плане - галогенсодержащие. Их боятся не зря: токсичны, трудно утилизируются, часто устойчивы в природе.

И даже сливать условно безвредный спирт в канализацию просто так никто не даст - поэтому стоимость утилизации учитывать обязательно.

☑️ Качество

Растворители - идеальный источник непредсказуемых примесей, как и любой другой реагент с квалификацией - “технический”.

Разработчик должен учитывать:

• метод получения растворителя — он определяет набор возможных примесей, который могут тянутся с технологии получения растворителя
• CoA и входной контроль - лучше перепроверять за производителями качество используемых реактивов. Особенно, если в ходе разработки внезапно пришлось поменять поставщика.
• квалификацию поставщиков - особенно если продукт пойдёт на производство. Если проводить разработку на условном растворителе от “Сигмы Олдрич”, а валидацию процесса на “Вектон” - сюрпризы неизбежны.

Всё это критично, потому что даже следы примесей могут испортить профиль АФС или привести к отклонению серии.

📜 Соответствие регуляторным требованиям

В ICH Q3C и ЕАЭС есть конкретные списки растворителей, которые не очень приветствуются в использовании синтеза. Поэтому, когда речь идет о синтезе АФС, процессному химику жизненно необходимо ориентироваться на регуляторные требования.

💵 Цена

Невероятно, но основной вклад в сырьевую стоимость субстанций вносят именно растворители. Не полупродукты, не катализаторы, не специфические реагенты, а именно растворители, потому что в среднем используется 55 кг растворителя на 1 кг финальной субстанции. С пептидами и олигонуклеотидами ситуация того хуже - хроматографическая очистка дело затратное. Так что даже 5–10% экономии на растворителе дают очень ощутимый эффект.

Разброс обычно от 3$/kg за EtOH до 50$/kg за 2-MeTHF если говорить про оптом.

Растворители-абьюзеры

Теперь попробуем перейти к конкретике. Поскольку количество возможных растворителей измеряется десятками, проще пойти от обратного: перечислить те, которых лучше избегать. Начнём с “любимцев” химиков, но совсем не любимцев регуляторов и технологов.

n-hexane (гексан)

До сих пор активно используется на постсоветском пространстве, удобен как антирастворитель для кристаллизаций или для экстракции неполярных соединений, однако есть небольшая проблемка - он токсичен. Вернее не он сам, а его метаболит 2,3-гексадион.

Причем значительная часть гексана любить залетать именно респираторно. То есть необязательно прикладываться к колбе, чтобы ощутить долгосрочный эффект. Поэтому, если вы даже не работаете в разработке процессов, но любите пару-тройку раз в неделю поставить колоночку с гексаном, то лучше подумать.

Идеальной заменой считается гептан, всего одна -CH₂-, а жить уже становится легче. Гептан не так любим нашей печенью, поэтому рисков с ним меньше и сейчас повсеместно заместил токсичный гексан.

DMAc (диметилацетамид)

Несмотря на отличный выбора данного растворителя для реакций нуклеофильного замещения, к сожалению имеет выраженный гепатотоксичный и тератогенный эффект. Поэтому его невзлюбило REACH и начинает запрещать продавать в принципе. В разработке он теперь растворитель нон грата и компаниям приходится жертвовать реакционными выходами, но таки переходить на альтернативы.

Сложно подыскать замену диполярному апротонному растворителю, но основная рекомендация это переключаться на ацетонитрил, в качестве резервного варианта - работает чуть более коряво, но что поделать.

DMF, NMP (Диметилформамид, N-метил-2-пирролидон)

Продолжая тему с амидами. Ну конечно с DMF работали практически все кто хоть как-то был причастен к химии. NMP же не так популярен, но его тут тоже уместно упомянуть. И да, они тоже провинились в излишней репротоксичности и от него нынче повально отказываются и заставляют жестче контролировать в субстанциях.

Стоит упомянуть его приличную активность в побочных реакциях, что иногда приводит к взрывным результатам - Potential Safety Hazards Associated with Using N,N-Dimethylformamide in Chemical Reactions.

Идеальная замена для DMF и NMP это диметил карбонат, пропилен карбонат или всё тот же ацетонитрил однако тут тоже стоит оценивать риски реакционной способности.

Чуть подробнее про замену и вообще общую проблему с DMF можно полистать тут - N,N‐Dimethyl Formamide European Restriction Demands Solvent Substitution in Research and Development

DMSO (диметилсульфоксид)

Понимаю, что сейчас пойдут следующие мысли - “ну к ДМСО, ты чего прикопался, нормально же все было”.

Помимо его низкой температуры плавления (19 °C) и вечной зимней проблемой - “опять ДМСО замерз”, этот растворитель не очень хорош для процессов ввиду его нестабильности. При любом нагреве можно ожидать признаки значительной деградации до формальдегидов, сульфатов и т.д., всё это богатство естественно может ожидаться потом в финальном продукте.

Ну и вишенкой на торте является его взрывоопасность при взаимодействии с современными реагентами, то есть если в качестве среды используется DMSO и реакция протекает при температуре выше комнатной, есть нехилые риски по пожароопасности - Potential Explosion Hazards Associated with the Autocatalytic Thermal Decomposition of Dimethyl Sulfoxide and Its Mixtures

И конечно мы умалчиваем его высокую температуру кипения и манию оставаться в АФС до последнего.

В общем лучше его оставить для ЯМР образцов и in vitro тестов, а для процессов использовать дорогущий Cyrene или сложные эфиры (EtOAc, iPrOAc) как альтернативу.

DCM (хлористый метилен)

Отличный растворитель - с водой не смешивается и имеет большую плотность, отлично растворяет органику, но наличие аж двух атомов хлора настораживает. ECHA и EPA классифицирует его как потенциально канцерогенный, что накладывает ограничения к его использованию в химической промышленности. Исходя из этого, в фарме растворитель не очень приветствуется, хоть он и относится к 2 классу в ICH Q3C.

И вроде бы его можно отнести к средним рискам, но нет - DCM как факт уже строго запретили использовать за океаном и в некоторых европейских странах, например Швеция.

Вся эта нелюбовь к хлористому метилену распространяется на все галогенированные растворители, то есть хлороформ или тетрахлорметан в ту же копилку. Помимо токсичности, основная проблема хлорсодержащих растворителей это влияние на окружающую атмосферу.

Сложно эффективно утилизировать вещество в котором есть хлор, и биодеградация не подходит по причине излишней токсичности даже для микроорганизмов. Поэтому приходится сжигать и нейтрализовать образующуюся соляную кислоту. Звучит очень трудозатратно = приходится тратить много денег.

Фармацевтические компании сейчас рьяно избегают использования DCM в своих процессах. Про хлороформ или тетрахлорметан мы вообще молчим. Поэтому иногда приходится просто тратить кучу времени на разработку процессов, которые было бы очень легко провести в DCM, но новый дивный зеленый мир такого не прощает.

В качестве альтернатив сложно предложить что-то одно, обычно это или этилацетат или ацетонитрил. Если вдруг вы вняли этому абзацу и начали думать о том, как бы усложнить себе жизнь то могу предложить хороший обзор от GSK на эту тему - Chlorinated Solvents: Their Advantages, Disadvantages, and Alternatives in Organic and Medicinal Chemistry

THF

В целом не замечен в чем-то токсичном, однако этот парень может дать нехило прикурить, если его оставить где-нибудь откисать. Может и будет образовывать перекиси, которые будут приводить к образованию генотоксичных примесей, а на сдачу еще могут взорваться.

В общем, ТГФ уже не используется в современной процессной химии, но хоть тут есть замена в виде 2-MeTHF. Это конечно дорогой растворитель, но он более стабилен и не норовит взорваться или накинуть пару других примесей в продукт, которые к тому же могут быть генотоксичны. Да да - наличие ТГФ в схеме синтеза это красный флаг для регуляторов и попросят удостоверится в отсутствии 4-хлорбутанола или его производных с продуктом. Особенно если была задействована соляная кислота.

В качестве уж совсем стабильно и зеленой альтернативы я периодически встречаю 2,5-Dimethyltetrahydrofuran. Стабилен, с водой не смешивается, получают из целлюлозы, но вопрос цены опустим 🙄

Benzene

Вроде масштабы использования бензола даже в постсоветских странах немного снизились, но вьетнамские флэшбеки сладковатого запаха пластмассы напомнили о себе. В общем использование бензола запрещено всеми возможными организациями - бьет по печени с образованием какого-то бесконечного количества метаболитов. Даже в ICH не поленились написать, что не допускается больше 2 ppm бензола в АФС. Для сравнения, того же толуола допускается до 890 ppm.

То есть лучше не проверять, насколько преувеличены слухи о канцерогенности бензола на себе и использовать вместо него хотя бы толуол. Анизол не рекомендуется ввиду его упрямости и нежеланию нормально разделяться во время экстракции.

Diethyl ether

В принципе не было замечен за чем то токсичным, однако температура кипения в 34.6 °C, любовь к образованию пероксидов и взрывопожароопасность ставит его в категорию нежелательных к использованию.

Самая банальная замена - Methyl tert-butyl ether (MTBE), намного безопаснее, постабильнее и не норовит свалить куда-нибудь особенно если забыть закрыть крышку сосуда. А еще пахнет поприятнее😅

Общие рекомендации

Вроде самых ненадежных товарищей удалось перечислить, но понятно что остается еще огромное количество возможных и даже сомнительных вариантов.

Если обобщать, на что стоит ориентироваться химику-разработчику:

• В первую очередь забыть про использование сухих растворителей на больших объемах. Если реакция не терпит даже несколько десятков ppm воды, то просто забудьте, не портите жизнь производству, если оно не заточено на спец. реактивы.
• Физические параметры - их очень много. Но основные это температура кипения, плотность, давление насыщенного пара, растворимость в воде, полярность, параметры растворимости Хансена (HSP).
• Насколько растворитель инертен в условиях реакции, вдруг он таки реагирует с чем-то из того, что вы засыпали в колбу. Протекает ли вообще целевая реакция с достаточной конверсией.
• Подходит ли реакционный растворитель для выделения продукта или надо будет делать solvent swap.
• Безопасность для производства - на граммовых количествах можно работать в принципе с любой гадостью, а вот можно ли тоже самое будет использоваться на объеме в нескольких сотнях литрах?
• Можно ли его регенерировать и если нельзя, то можно ли его сжечь от греха подальше
• Какие локальные требования в стране в которой будет производится АФС. Например по понятным причинам этанол мало кто любит использовать на больших масштабах.
• Насколько ощутимый финальный вклад в стоимость продукта можно ожидать

Сложновато как-то получается, но слава здравому смыслу кто-то уже суммировал информацию и объединил рекомендации в готовые к употреблению материалы.

Куда обращаться со советом

Конечно можно накидать с десяток ссылок, но наверное стоит ограничиться парочкой самых популярных, чтобы не затеряться в обилии информации.

1. Гайд от GSK. Пока что является самой любимой статьей на которую постоянно ссылаются коллеги и является обновлением статьи 2011 года. Коллеги постарались суммировать все вышеперечисленные критерии. В самой статье более подробно описана система оценки, но общую саммари диаграмму прикладываю ниже. Стоит отметить, что использование растворителей из красной зоны не то чтобы полное табу, поэтому стоит учитывать еще регуляторику.

2. ICH Q3c - сюда стоит обращаться за конкретными концентрационными пределами растворителей в финальной субстанции. Там же идет подразделение растворителей на различные классы от: “очень опасно, нельзя использовать”, до “если бы мы знали что это такое, но мы знаем что это такое”.

3. A survey of solvent selection guides - мета анализ по гайдам от Pfizer, Sanofi и пр., примечателен тем, что упоминаются адекватные замены неприятным опциям и в целом добавляют больше рассуждений на тему “что такое плохо, и что такое на самом деле очень плохо”. Хотя в целом рекомендации совпадают с первой статьей

4. Solvent Selection Guides – ACS GCI Pharmaceutical Roundtable - ну и наконец можно потыкаться на сайте ACS, где подробно проходятся по имеющимся гайдам и рекомендациям.

Итого

Жить, возможно, легче не стало. Кругом одни запреты, регуляции и красные флажки, а тут ещё и растворители под прицелом. Но если мы всерьёз заботимся о здоровье пациентов — начинать нужно с самых ранних этапов разработки.

Из практики можно отметить, что отказ от хлорсодержащих растворителей, таких как DCM, прилично усложняет жизнь в разработке, особенно в части выделения и очистки финального продукта. И радости не добавляет предпочтение кислородсодержащим и полярным растворителям типа различных эфиров. Хоть они и не доставляют проблем с растворимостью или реакциями но уж вызывают много проблем при кристаллизации и solvent swap.

Всякая экзотика, типа ионных жидкостей, пока не очень популярна и уж астрономически дорога, чтобы думать о её рутинном применении, поэтому про них речь в тексте так и не зашла.

Очевидно, что будущее за совсем зелеными органическими растворителями, получаемых с помощью биосинтеза, например cyrene, но их стоимость пока не позволяет свободно использовать их на рутинной основе.

Поэтому, остается путь компромиссов, анализов рисков и обоснований, за исключением товарищей, перечисленных выше, их то уже никто не ждет на своей производственной вечеринке.

Choose your path wisely

P.S. Инструкция по выбору растворителей

Бонус для химиков-разработчиков, если вы не планируете или не связали свою жизнь с химической лабораторией, то лучше дальше не читать. Нервы нынче дорогие.

Итак, перед нам стоит задача разработать оптимальный процесс, с максимальным реакционным и операционным выходом

Подчеркну, что речь идет о оптимизации процесса, именно на этом этапе имеет смысл обращать внимание на окончательные параметры процесса и выбора растворителя, так как финальное решение останется до GMP масштабов.

В случае же исследовательской и поисковой химии единственными стоп-факторами является собственная безопасность и бюджет вашей лаборатории, поэтому в принципе можно не особо заморачиваться, главное провести реакцию, охарактеризовать продукты и написать статью.

Для любителей корпеть над процессной оптимизацией с миллиграммами веществ. Это действительно вызывает уважение, что с помощью супер современной реакции удалось получить уникальное вещество. В этом и есть цель исследовательской химии - расширять горизонт знаний.
Без обид, но если целевая конверсия плачет от следовых количеств влаги в реакции и никак не получается выделить даже хотя бы грамм вещества, то лучше вернуться к химической схеме. Все эти “оптимизации” на мг количествах не имеют прикладного смысла. Поэтому, рекомендуется начинать оптимизацию процесса, только когда у вас уже на руках приличное количество вещества.

1. Подразумевается, что вы уже уверены в том, что оптимизируемая реакция протекает с адекватной целевой конверсией. Если нет очевидных конкурирующих реакций, то я обычно ориентируюсь на >65% выхода в растворе как критерий приемлемости. Эта цифра до выделения продукта и рассчитывается с помощью количественной ВЭЖХ. Внутренняя нормализация честно говоря не очень применима, когда на кону судьба лекарственного продукта. К этому моменту уже подобраны первичные факторы, такие как катализаторы, лиганды и даже вроде понятен оптимальный диапазон температур.
2. В ходе первичных испытаний с помощью колоночной хроматографии или упорными усилиями вам уже удалось наработать как минимум несколько грамм вещества. А может его даже удалось купить у доблестных китайцев. Если же такого роскошества еще не имеется на руках, ну штош - рановато лезть в оптимизацию, лучше вернутся в поисковому этапу и апробировать химические схемы получше.
3. Итак, берем 1-1.5 драгоценных грамма вещества и проводим исследования растворимости. Основная цель - понять из какой системы растворителей можно будет кристаллизовать продукт с максимальным выходом. Турбидиметр в помощь. Если под руках не оказалось кристаллизационной станции, то можно воспользоваться методам пошагового добавления растворителя или температурной вариации. В результате на руках у вас должен быть ответ - в чем лучше всего растворяется или не растворяется ваш продукт. Финальный результат растворимости конечно должен быть в мг/мл.
4. Для дизайна исследований растворимости конечно лучше всего начинать с растворителей, которые подходят для целевой реакции. Тут необходимо включать химическую чуйку (gut feeling) и дизайнить сетку растворителей исходя из молекулярной структуры целевого вещества. Основная цель - подобрать систему в которой разница растворимостей между 20°C и 50 °C будет максимальна, чтобы увеличить будущий кристаллизационный выход. Примеры систем - гептан/этилацетат, спирт/вода, 2-MeTHF/CPME
5. Дальше выбираем растворитель для реакции исходя из уже подобранных растворителей для кристаллизации:
• Растворитель для кристаллизации должен быть более высококипящим чем растворитель для реакции, чтобы было легче сделать замену (solvent swap) после реакции.
• В идеале растворитель для реакции не должен смешиваться с водой, особенно, если в реакции используется хоть какая-то неорганика, чтобы иметь опцию для отмывки.
• И конечно ориентируемся на зеленость, классы ICH и стоимость.

По итогу у вас должен быть два ответа:

• Какой растворитель будет уместно использовать для реакции не теряя в целевой конверсии и не подвергая риску производственный персонал. Ну и определиться с концентрацией, обычный диапазон- не больше 20 литров растворителя на 1 кг загружаемого стартового вещества. Но лучше ориентироваться на золотую середину - 10 л/кг
• Можно ли использовать тот же растворитель для последующей кристаллизации, а если нет, то насколько легко будет произвести solvent swap

Ну вот и всё - вы прекрасны. Алгоритм позволяет рутинно разрабатывать даже самое страшные и капризные реакции и рационально подбирать растворители для процесса, а не бегать как курица с оторванной головой, надеясь что “уж сегодня нам точно повезет”.