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Publicação
NMR spectroscopy applied to process development for the synthesis of new drugs
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
A investigação e o desenvolvimento de novos processos químicos na Indústria direccionada
a sínteses de fármacos mais eficientes está intimamente ligada ao desenvolvimento de
ferramentas de Tecnologia Analítica de Processos (PAT) num conceito de Quality by Design
(QbD). A melhoria de ferramentas que permitem uma análise mais rápida e um maior controlo
na produção de medicamentos é hoje em dia uma das principais prioridades das agências
reguladoras, para que exista maior controlo da performance das matérias-primas durante os
processos de fabricação e para que o impacto nos parâmetros críticos para a qualidade seja
minimizado.
As ferramentas PAT têm-se baseado significativamente em métodos cromatográficos, que
requerem tempos de análise longos e que frequentemente se caracterizam por atrasos entre as
amostragens e as tomadas de decisão, ou em métodos de espectroscopia óptica, que embora
rápidos, mostram-se altamente dependentes da matriz da amostra.
A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é uma poderosa técnica analítica com uma ampla
gama de aplicações como a identificação de compostos orgânicos, elucidação estrutural,
quantificação, determinação de pureza, controlo de qualidade e análise e monitorização de
misturas reaccionais em tempo real. As principais vantagens da espectroscopia de RMN são a
facilidade de preparação de amostras e a rapidez de análise (ca. 10 min), tal como a
possibilidade de quantificação através de padrões externos, não sendo necessário padrão da
substância a analisar. Para além disso, o espectrómetro de RMN pode facilmente acompanhar
vários projetos ao mesmo tempo sem ser necessário definir diferentes condições por processo,
economizando tempo e recursos. No entanto, os instrumentos PAT devem ser robustos,
compactos e de fácil utilização e manutenção visto serem necessários em ambiente de produção.
Por esse motivo, e apesar da alta sensibilidade deste tipo de equipamentos, os espectrómetros
de RMN de campo alto não são adequados como instrumentos PAT.
Devido à necessidade de novos desenvolvimentos em técnicas espectroscópicas,
especialmente para controlo de processos, os espectrómetros compactos de RMN de baixo
campo começaram a ter um grande impacto nesta área, com bastantes empresas a oferecer este
tipo de sistema. Ao contrário dos espectrómetros de RMN de campo alto, os espectrómetros de
RMN de campo baixo são instrumentos robustos facilmente acessíveis em laboratórios de
síntese, onde informações estruturais dos compostos são necessárias durante e após reacções,
com a maior brevidade possível. Apesar de não providenciarem a mesma informação detalhada
que um espectrómetro de RMN de campo alto, são uma excelente alternativa para casos em que
o limite de deteção é ligeiramente mais alto e para rápidas análises em que a diminuição na
definição dos picos não é um problema. Para além disso, este tipo de instrumento é de fácil
utilização, não sendo necessário um técnico especializado, e é uma técnica bastante mais
ecónomica comparativamente a técnicas como cromatografia gasosa (GC) ou cromatografia
líquida de alta eficiência (HPLC). Isto significa que o RMN de baixo campo pode ser
efetivamente uma ferramenta PAT com um grande valor prático.
No total, 24 sistemas binários de solventes foram estudados qualitativamente e/ou
quantitativamente (qRMN) por 1H RMN para a monitorização de desvios químicos e para a
quantificação de solventes.
A monitorização dos desvios químicos nestes sistemas de solventes permitiu o entendimento
das interações existentes entre os solventes e os efeitos envolvidos nas variações do desvio
químico. Para além do claro interesse do ponto de vista académico, este estudo é também uma
grande referência para futuros trabalhos, especialmente num contexto de indústria, já que
permite a previsão e a possibilidade de quantificação dos solventes presentes nos sistemas
binários.
A utilização das curvas de calibração construídas para a quantificação de solventes mostrou
bons resultados, com curvas de calibração com excelentes coeficientes de determinação. Os
declives destas curvas mostraram ser bastante semelhantes para cada sinal de cada solvente, o
que comprova a fiabilidade do método. A aplicação mais imediata num contexto industrial é na
análise de processos de troca de solventes, onde o solvente inicial tem de ser controlado abaixo
de uma determinada concentração, muitas das vezes por estar associado à formação de uma
impureza no passo reacional seguinte.
Aplicando os sistemas de solventes estudados na análise de processos de troca de solventes,
23 dos 24 sistemas poderiam ser seguidos por RMN de campo baixo, visto que pelo menos um
sinal do solvente inicial não está sobreposto por nenhum sinal do outro solvente na mistura.
Para além do estudo da variação dos desvios químicos e quantificação de solventes, o
espectrómetro de RMN de baixo campo foi também utilizado em vários projetos correntes da
Hovione, para análise de diferentes processos.
A aplicação de qRMN (Ressonância Magnética Nuclear quantitativa) para a análise de
processos de troca de solventes e destilação mostrou excelentes resultados. A análise por 1H
RMN do projecto A mostrou resultados bastantes semelhantes aos obtidos por cromatografia
gasosa uma técnica mais dispendiosa em termos de tempo e recursos. Já a análise do projeto B
mostrou correlação entre a concentração de tetrahidrofurano e a concentração de uma impureza
presente nos passos seguintes, o que permitiu otimizar o processo.
A monitorização de reações para determinação do seu fim através de RMN e qRMN também
mostrou bons resultados. A análise por 1H qRMN do projeto C foi feita em paralelo com análise
por HPLC e ambos os resultados apresentaram concordância. No entanto, para a quantificação
de matérias primas ou de compostos em reações heterogéneas, a solubilidade é uma propriedade
a considerar visto que a sensibilidade do espectrómetro de RMN é limitada e o composto pode
não ser detetado. Consequentemente, é importante assegurar a solubilidade da amostra,
desenvolvendo métodos de amostragem caso seja necessário. Qualitativamente, a
espectroscopia de RMN é também uma excelente técnica para rapidamente verificar a evolução
de uma reação, como foi verificado através do Projeto D. Para além de oferecer resultados
preliminares relativamente a outras técnicas usualmente utilizadas, é também uma técnica com
custos reduzidos, visto que apenas alguns tubos de RMN são necessários. Por outro lado, a
aplicação de 1H RMN de baixo campo na caracterização de compostos precisa de confirmação
de outras técnicas e é altamente limitada pela baixa sensibilidade do espectrómetro e da
necessidade de consideráveis quantidades de amostra para deteção.
A aplicação da espectroscopia de RMN de baixo campo para procedimentos de limpeza e
sanitização em contexto de indústria farmacêutica (Projeto E) é comprometida pelo baixo limite
de deteção do instrumento, não sendo suficiente para a deteção de solventes
residuais/contaminantes que devem estar presentes em concentrações abaixo de 100 ppm de
forma a cumprirem as especificações para estes procedimentos. Já o insucesso da aplicação de
RMN de baixo campo para a determinação de quantidades residuais de água em sólidos (Projeto
F) deveu-se à sobreposição do sinal de água com sinais do composto. Por isso, apesar da
quantificação de solventes ser das melhores aplicações de RMN de campo baixo, é necessário
considerar os limites de deteção de determinado analito ou solvente e as propriedades da matriz
da amostra, visto que os sinais de interesse não podem estar sobrepostos por outros sinais que
não do mesmo analito/solvente.
Os casos de estudo aqui expostos proporcionam a validação do conceito que espectroscopia
de RMN de baixo campo pode ser aplicada na análise de troca de solventes e na monitorização
de reacções, considerando algumas limitações. Em conclusão, a espectroscopia de RMN de
baixo campo pode eficazmente substituir métodos cromatográficos nos laboratórios R&D,
poupando assim tempo e recursos.
Research and development of new chemical processes in industry toward more efficient drug synthesis is closely related to the development of Process Analytical Technology (PAT) tools in a Quality by Design (QbD) concept. The promotion of tools that allow a faster analysis and greater control of drug manufacturing is nowadays one of the top priorities of the regulatory agencies, so that the performance of raw materials during manufacturing processes is controlled and the impact on critical quality parameters minimized. PAT tools have relied heavily on chromatographic methods, that require long analysis time and often introduce delays between sampling and decision making, and on optical spectroscopic methods, that are fast enough but highly dependent on sample matrix. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a powerful analytic tool with wide range of applications such as organic compounds identification, structural elucidation, quantification, purity determination, quality control, and reaction mixture analysis and monitoring in real time. The main advantages of using NMR are easy sample preparation and speed of analysis (ca. 10 min), and the possibility of quantification with an external standard without the need of a standard of the product under analysis. In addition, NMR equipment can efficiently suit several projects at the same time with no need to set different conditions and system suitability, saving time and resources. In the present work, the Hovione benchtop cryogen-free low-field NMR spectrometer (43 MHz) was used as a qualitative and quantitative method (qNMR) for different in process control applications as solvent swap, structure elucidation and reaction monitoring. The results obtained showed that most solvent systems studied allow the quantification of both solvents, since the main signals are placed reasonably far from each other. However, for a wider application on the analysis of non-treated samples, the sample matrix or analyte peaks need to be taken in account as these might overlap the solvent signals, making it impossible to quantify. The monitoring of the chemical shifts revealed the type of interactions between solvents, which allows the prediction for the possibility of quantification for a determined solvent system by NMR. The case studies herein presented provide proof-of-concept that low-field NMR spectroscopy can be applied on solvent swap analysis and monitoring of reactions, considering a few limitations. In conclusion, low-field NMR can successfully replace chromatographic methods in the R&D laboratories leading to significant savings on time and resources.
Research and development of new chemical processes in industry toward more efficient drug synthesis is closely related to the development of Process Analytical Technology (PAT) tools in a Quality by Design (QbD) concept. The promotion of tools that allow a faster analysis and greater control of drug manufacturing is nowadays one of the top priorities of the regulatory agencies, so that the performance of raw materials during manufacturing processes is controlled and the impact on critical quality parameters minimized. PAT tools have relied heavily on chromatographic methods, that require long analysis time and often introduce delays between sampling and decision making, and on optical spectroscopic methods, that are fast enough but highly dependent on sample matrix. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a powerful analytic tool with wide range of applications such as organic compounds identification, structural elucidation, quantification, purity determination, quality control, and reaction mixture analysis and monitoring in real time. The main advantages of using NMR are easy sample preparation and speed of analysis (ca. 10 min), and the possibility of quantification with an external standard without the need of a standard of the product under analysis. In addition, NMR equipment can efficiently suit several projects at the same time with no need to set different conditions and system suitability, saving time and resources. In the present work, the Hovione benchtop cryogen-free low-field NMR spectrometer (43 MHz) was used as a qualitative and quantitative method (qNMR) for different in process control applications as solvent swap, structure elucidation and reaction monitoring. The results obtained showed that most solvent systems studied allow the quantification of both solvents, since the main signals are placed reasonably far from each other. However, for a wider application on the analysis of non-treated samples, the sample matrix or analyte peaks need to be taken in account as these might overlap the solvent signals, making it impossible to quantify. The monitoring of the chemical shifts revealed the type of interactions between solvents, which allows the prediction for the possibility of quantification for a determined solvent system by NMR. The case studies herein presented provide proof-of-concept that low-field NMR spectroscopy can be applied on solvent swap analysis and monitoring of reactions, considering a few limitations. In conclusion, low-field NMR can successfully replace chromatographic methods in the R&D laboratories leading to significant savings on time and resources.
Descrição
Tese de mestrado, Química Farmacêutica e Terapêutica, 2019, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
Palavras-chave
NMR spectroscopy Process development qNMR Low-field NMR Solvent swap Teses de mestrado - 2019