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    藥物中的雜質分析——雜質的來源和分類

    發布日期:2020年10月28日瀏覽量:文章來源:藥事縱橫

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    為了保證APIs及制劑的質量,必須在工藝開發、優化和工藝轉化中必須仔細監控雜質。法規和國際指導原則更加關注原料藥中雜質的分離、鑒定和控制。在本文的第一節,作者以具體實例列舉了不同類型雜質和不同來源雜質的情況。


    Definitionand sources of impurities 雜質的定義和來源


    不純物可定義為目標成分與外來物的混合物或本身劣質的物質。往往是最終的制備工藝對原料藥的成本具有重大影響。產量、物理特性、化學純度是API生產、制劑處方、制劑生產中需要重點考慮的地方。作為新藥申請的一部分,申請人必須向FDA提交原料藥和制劑的生產和過程控制。如果生產批次不符合純度和雜質質量標準要求,制造商必須進行返工,這不但會消耗原料藥和其他資源,還會耽誤其他批次原料藥的生產,代價很高。雜質的來源和類型可以通過原料藥的生產工藝流程圖來進行分析。雜質的形成與生產工藝的每個階段相互關聯,如圖1所示。


    簡而言之,任何影響原料藥或成品純度的物質都被可認為是雜質。雜質有各種來源,通常包括:起始原料(S)、中間體,倒數第二步中間體、副產物、轉化產品、相互作用產物,有關物質、降解產物和互變異構體。


    Startingmaterial(s) 起始物料

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    圖1:APIs和成品雜質形成路徑的示意圖

     

    監管機構一直期望對用于生產APIs的起始物料中的雜質進行控制(1)。API的起始物料可以是原料、中間體、或用于生產API及作為API重要結構部分的API。API的起始物料通常有確定的化學性質和結構(2)。FDA指南草案:原料藥—化學和生產控制信息反映出了對起始原料的關注,認為起始原料應進行良好的選擇和控制,因為起始原料將來的任何變化都會原料藥物的安全性、同一性、純度和質量造成影響(3)。FDA指導原則草案和ICH指導原則為起始物料的選擇提供了依據:


    • 用適宜的、有區分力的方法檢測起始物料的質量。

    • 制定恰當的質量標準來保證API的質量。

    • 起始物料質量對API質量的影響應該被理解和控制。

    • 起始原料應是商業可供的,并被作為一種重要的結構納入到新的藥物中。

    • 起始物料可表征,穩定性被充分理解。

    • 起始物料是一種化合物,在化學文獻中已明確定義了其名字、化學結構、化學和物理特點和性質及雜質概況(4)。


    由于起始物料對API質量的潛在影響,所以起始物料越在API的合成工藝中接近最終API,越應該對其進行嚴格的控制。


    例如,氟硝基苯是API奧氮平的關鍵起始物料。如果關鍵起始物料中存在2-4-二氟硝基苯雜質,根據文獻條件,將轉化為8-氟奧氮平,一種非藥典雜質(美國藥典[USP]方法,相對保留時間[rrt] 1.07)。2-4-二氟硝基苯與氟硝基苯一起進入下一階段,在最終階段會生成類似化合物。


    另一個例子中,N-[6-(4-苯基丁氧)己基)]苯甲胺(見圖2)為選擇性長效-2-腎上腺素受體激動劑沙美特羅藥物主文件(DMF)中的起始物料。該藥物在臨床上作為吸入支氣管擴張劑使用,用于治療哮喘和慢性支氣管炎(5, 6)。


    在沙美特羅的例子中,4-苯基丁醇與1,6-二溴己烷反應產生中間體1,在二甲亞砜和三乙胺存在的情況下,該中間體反過來與芐胺反應產生N-[6-(4-苯基丁氧)己基)]苯甲胺,是沙美特羅DMF中的起始物料(見圖2)。化合物4-苯基丁醇為市售商業可得,從苯和琥珀酸酐中制備(7–11)。如果苯中含有微量的甲苯,則甲苯轉化為4-(4-甲基芐基)-1-丁醇。化合物4-(4-甲基芐基)-1-丁醇作為起始物料雜質存在于4-苯基丁醇中,經過進一步反應,類似于4-苯基丁醇,產生甲基沙美特羅雜質(見圖2)。同樣,4-苯基丁醇中存在苯乙醇,3-苯基-1-羥基丙烷和4-苯基-2-羥基丁烷將分別產生已知的雜質B,C和E。


    同樣的,6-羥基和二氯雜質,如果存在于環丙沙星DMF的起始物料中,將轉化為歐洲藥典雜質F和非藥典雜質(氯環丙沙星) RRT2.1。


    Intermediates中間體


    APIs合成中形成的有機化合物稱為中間體。合成工藝中,在生產出最終預期化合物前的化合物稱為倒數第二步中間體。

     

    Impuritiesdue to rearrangement由于重排產生的雜質


    在較短的合成路線或通過一個或兩個鍋反應產生高收率的產品,通常涉及到重排中間體的生成。


    例如,API羅匹尼羅(ropinirole)中的溴硝基苯乙烯環化涉及中間環離子重排以產生吲哚環并形成異羥肟酯和氯肟醋酸鹽雜質。

     

    Impurities due to in situ reactions由于原位反應產生的雜質


    合成化學的進步已經使得多步法反應只需一步或兩步法進行,而無需分離中間體。此類反應的缺點是形成數量眾多的預期外的雜質,這是因為沒有對中間體和試劑進行分離。


    例如,在四丁基溴化銨存在的情況下,使用氫氧化鉀使API左乙拉西坦的關鍵起始物料(S)-2 -氨基丁酰胺與氯丁酰氯烷化,產生中間體并最終環化為左乙拉西坦。但是,該中間體作為USP雜質A存在于終產品中。

     

    Nonreactive intermediates無反應活性中間體


    無反應活性中間體是由于殘留而與隨后階段使用的試劑發生反應形成的某中間階段的雜質。此類雜質在隨后階段中保持無反應活性。


    例如,4-苯基丁醇是合成沙美特羅中間體1和2的關鍵起始物料(見圖2)。中間體1在氫化鈉和甲苯存在的情況下,與4-苯基丁醇反應生成化合物1,該化合物1在隨后步驟中為無反應活性雜質。中間體2與微量中間體1反應,在相同條件下,反應形成化合物2(見圖2)。

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    圖2:沙美特羅和雜質的反應圖


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    圖3:利奈唑胺(如惡唑烷酮類)和培美曲塞二鈉異構體對映體雜質


    Reactive intermediates反應活性中間體


    反應活性中間體,顧名思義,是由于反應的中間步驟而產生的副產物或雜質,有可能與隨后階段中使用的試劑或催化劑發生反應。它們作為反應活性中間體進入每一階段直至最終API中。


    在沙美特羅工藝開發中,在2.08 RRT檢測出一種未知雜質,其濃度為0.11%,經分離后確定為化合物3(見圖2)。由于中間體2中存在的N-芐基-6-(4 -環己丁氧基)己烷-1-胺使得最終API中形成的雜質,生成沙美特羅環己基雜質(12)。


    反應活性中間體,N-芐基-4-苯基丁烷-1-胺存在于中間體2中(見圖2)。通過4-苯基丁醇與芐胺反應形成,并在所有反應步驟中與中間體2競爭形成化合物4(見圖2)。


    開發API阿瑞吡坦烯化路線主要面臨的挑戰是隨后乙烯醚中間體與雙環戊二烯基二甲基鈦的反應形成乙基雜質(13)。


    Bis-compoundimpurities雙化合物雜質


    即使在較小規模下成功了,但當工藝放大時,可能會形成新雜質或未知雜質。檢查此類雜質的分子量,經常顯示出該化合物的重量正好是該反應步驟中形成的化合物重量的2倍。此類二聚衍生物稱為雙化合物雜質。本文的第3節中將討論在利奈唑胺合成的中間體和最終階段中形成的雙化合物雜質。


    Byproducts副產物


    在有機合成化學中,很少能得到100%純度的單一的最終產物,因為轉化為副產物,這可通過多種副反應形成,如不完整反應、過度反應、異構化、或起始物料、中間體、化學試劑或催化劑間的無用反應。例如,在批量生產對乙酰氨基酚時,可形成副產物二乙酰乙酰氨基酚(14)。


    高溫下二乙苯胺中的芳炔醚Claisen重排,形成預期的chroman product并伴隨連續生成越來越多的呋喃副產物(15)。


    在羅匹尼羅合成中,在最后步驟中觀察到了有點類似的情況。羅匹尼羅前體 4 –(2-溴乙基)-13-二氫-2H-吲哚-2-酮和二丙胺水溶液間的反應,產生的羅匹尼羅收率一般為57%,而作為副產物的苯乙烯為38% (16)。


    另一個實例中,噻吩是重要的雜環化合物,廣泛作為許多農用化學品和藥品的基礎材料(17)。2-氨基-5-甲基噻吩-3-腈的合成是通過使用三乙胺與硫,丙醛,丙二腈,二甲基甲酰胺的混合物來實現的(18–26)。


    丙醛和丙二腈及硫的反應導致生成兩種未知雜質,多達7%,通過1 H NMR(核磁共振光譜),相關光譜,核歐佛豪瑟效應光譜和單晶X-射線結晶分離并確認為雜質1(見圖4和5)。發現這些雜質進一步與2-氟硝基苯反應生成下一步的雜質,通過各個步驟的純化來進行控制。

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    圖4:丙醛和丙二腈反應

     

    雜質1(見圖5)是一種新型的三氰基雙環化合物,截至寫本文時,文獻中還未知。通過用于計算化學結構的各種藥物相關性的OSIRISProperty Explorer軟件測定,預測LogP為0.65,類藥性為4.04,藥物分為0.45。結構-活性關系,定量構效關系,用其他修飾的有機/無機雜環基來設計藥物可能產生某種生物活性。


    雜質1用于特定和非特定目的(如DNA結合,酶抑制,抗癌療效)的分子設計是基于分子特性的了解,如官能團活性、分子幾何構型、電子結構,及基于類似分子的分類信息。化合物2,6-二氨基-7-乙基-8-甲基二環[2.2.2]-2,5-辛二烯-1,3,5-三氰基可與活性或無活性肽耦合來檢查作為前體藥物或藥物的生物活性。也可進行抗瘧藥,抗有絲分裂藥和抗腫瘤藥的潛在治療和預防活性。該雙環化合物經體內外試驗后,可單獨作為單一藥物使用,或在化療中與任何有機或無機鹽一起使用,或與其他化療藥一起使用。


    Transformation products 轉化產物


    轉化產物涉及反應中產生的理論產物和非理論產物。可能是副產物的合成衍生物,與副產物密切相關。


    存在轉化產物的反應是使用二氯甲烷(MDC)和氯化鋁(AlCl3)的水楊醛與溴乙酰溴的酰化反應中形成水楊醛氯乙酰衍生物。機制上,使用溴乙酰溴可能未預期會形成氯乙酰衍生物,但假設,由于鹵素交換,可能發生轉化反應。在二氯甲烷中使用路易斯酸AlCl3的Friedel–Craft酰化反應中,路易斯酸形成離子復合物[Cl–AlCl2–Br]–,最終經鹵素與溴酰基離子交換而產生氯乙酰衍生物。反應中該雜質的形成高達7–20%,是生產工藝中未進行控制的雜質。然而,該雜質不影響最終原料藥的純度,因為轉化雜質與2(見圖6,第1節)反應形成預期的產物,沙美特羅。氯雜質的存在也已通過試驗得到了證明(見圖6,第2節)。

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    圖5:奧氮平雜質的反應流程圖

     

    Interaction products 相互作用產物


    相互作用產物涉及兩種或以上中間體/化合物與各種化學物質有意或無意的相互作用。相互作用產物比副產物和轉化產物稍微復雜些。常見的兩種類型的相互作用產物是原料藥-輔料相互作用產物和原料藥-容器/密封組件相互作用產物。


    Related products 有關物質


    有關物質指的是與原料藥具有類似結構的雜質,可顯示類似生物活性。但是,該結構類似性本身不提供任何類似活性的保證。有關物質的實例是8 -氟奧氮平。


    Degradation products 降解產物


    在原料藥生產中,通過最終產物分解或降解而形成的雜質稱為降解產物。該術語也包括由于貯存、制劑或老化而產生的降解產物。本文的第2和第3節將進一步詳細地討論降解產物的類型和來源。


    Tautomer impurities 互變異構體雜質


    互變異構體是易于相互轉化的結構異構體,在平衡時可共存。對于存在互變異構現象的APIs或藥物分子,在識別兩種互變異構型時易于混淆。如果一種互變異構體熱力學穩定,是主要形式,則另一種互變異構體應視為雜質或稱為API或藥物分子的互變異構體。據作者所知,文獻還未涉及最終API互變異構體雜質的分離、合成或表征。


    利奈唑胺是治療革蘭氏陽性菌院內感染的藥物。惡唑烷酮類具有獨特的菌體蛋白的合成抑制機制(38–39)。利奈唑胺由于該內酰胺-內酰亞胺互變異構現象而具有N-乙酰基(–NH–CO–CH3),這可能發生在合成過程中,而且可能保持穩定。需開發有效的分析方法來識別兩種互變異構體。


    培美曲塞二鈉2,4-二氨基-6 -羥基嘧啶的關鍵起始物料顯示,酮-烯醇形式存在于不同的比例中,使用已知的合成路線可轉換為最終藥物(見圖3)。


    不同互變異構體的動力學和熱力學穩定性不同,所以很難確定是否能進行分離或分析。在API/藥物中使用術語“互變異構體雜質”在不久的將來會是一個重要的討論點。


    Conclusion結論


    本文的第一節突出了雜質的來源和分類,對原料藥和制劑中的雜質提供了一種觀點。原料藥的雜質概況對保證制劑質量正變得日益重要。無論哪類雜質,對于工藝開發化學家來說,進行識別和充分的控制是一項巨大的挑戰。因為沒有相同的兩種藥物,所以也沒有相同的兩種開發路徑。每個候選藥物在雜質方面造成的挑戰不同,建立一個有效方法對雜質進行分離和控制是一項關鍵任務。



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