Systematic optimization of a robust telescoped process for a BTK

May 8, 2019 - The development of a telescope process for the API step in the route to a reversible inhibitor to BTK is reported. Although a robust and...
2 downloads 0 Views 1MB Size
Subscriber access provided by UNIV AUTONOMA DE COAHUILA UADEC

Full Paper

Systematic optimization of a robust telescoped process for a BTK inhibitor with atropisomer control by high-throughput experimentation, design of experiments, and linear regression. Federico Lora Gonzalez, Steven R. Wisniewski, Kishta Katipally, Jason M Stevens, Victor W. Rosso, Brendan Mack, and Thomas M. Razler Org. Process Res. Dev., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.oprd.8b00398 • Publication Date (Web): 08 May 2019 Downloaded from http://pubs.acs.org on May 8, 2019

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Organic Process Research & Development

Systematic optimization of a robust telescoped process for a BTK in‐ hibitor with atropisomer control by high‐throughput experimenta‐ tion, design of experiments, and linear regression.  Federico Lora Gonzalez*, Steven R. Wisniewski, Kishta Katipally, Jason M. Stevens, Victor Rosso,  Brendan Mack, Thomas M. Razler  Chemical and Synthetic Development, Bristol‐Myers Squibb Company, One Squibb Drive, New Brunswick, New  Jersey 08903,United States.   KEYWORDS: Atropisomer, Bruton’s Tyrosine Kinase, Chiral Axis, Optimization, High‐throughput Experiments    ABSTRACT:  The  development  of  a  telescoped  process  for  the  API  step  in  the  route  to  a  reversible  inhibitor  to  BTK  is  reported. Although a robust and effective reaction and crystallization was previously implemented, concerns around the  storage and stability of the penultimate material led to investigating a telescoped process. Utilizing design of experiments  (DoE) to understand impacts to the API reaction and high‐throughput extractions (HTEx) to optimize the work‐up, a pro‐ cess was rapidly developed to achieve the same quality API with an overall 13% improvement to yield and 41% improvement  in process mass intensity (PMI). 

INTRODUCTION      Since the introduction of the Food and Drug Admin‐ istration’s  (FDA)  initial  guidance  on  Quality  by  Design  (QbD), the use of statistical design of experiments, multi‐ variate analysis, and study of chemical kinetics for process  understanding  has  become  commonplace.1  The  QbD  framework  as  outlined  by  the  FDA  proposed  to  shift  the  paradigm from product testing to more thorough and fun‐ damental  understanding  of  the  chemical  synthesis  and  unit operations involved in the manufacture of active phar‐ maceutical  ingredients  (APIs).  The  QbD  proposal,  along  with subsequent publications by the International Council  for Harmonisation of Technical Requirements for Pharma‐ ceuticals for Human Use (ICH) emphasized the use of ex‐ perimental  design,  statistical  methods,  and  fundamental  understanding to mitigate risk to quality in the production  of API.2       The  use  of  statistical  design  of  experiments  (DoE),  model‐based  optimization,  and  parallel  experimentation  has  also  enabled  faster  development  timelines  with  less  cost,  improved  use  of  resources,  smaller  environmental  footprints for both the experiments and the resulting pro‐ cesses, and more robust control strategies for critical qual‐ ity attributes (CQAs).3 Herein, we present a case study of  parallel development of a multi‐step process (multiple re‐ actions  and  workups)  using  statistically  designed  screen‐ ing design of experiments, high‐throughput screening for  extractions (HTEx), and parallel experimentation to opti‐ mize yield, safety, process mass intensity (PMI), and cost  while maintaining an atropisomer impurity to acceptable 

levels. This work fits in to the FDA’s vision of QbD by uti‐ lizing  different  methods  to  drive  down  risk  to  quality  by  understanding the parameter space and the critical aspects  of the operations to achieve acceptable CQA levels.       The case study presented here is focused on the devel‐ opment of a telescoped process of the final two steps in the  synthesis  of  a  Bruton’s  Tyrosine  Kinase  (BTK)4  inhibitor.  The  goal  of  the  design  of  the  telescoped  process  was  to  maximize yield and minimize cost while  maintaining ac‐ ceptable quality. The penultimate step in the route5 to a re‐ versible  inhibitor  of  BTK  involves  an  EDAc  (1‐ethyl‐3‐(3‐ dimethylaminopropyl) carbodiimide) mediated amidation  between  a  highly  functionalized  aniline  1  and  carboxylic  acid 2 (Eq 1). Optimization of the reaction parameters and  charge  ranges  of  the  reagents  led  to  a  robust  transfor‐ mation  in  which  variation  of  reagent  equivalents  (1‐me‐ thyl‐imidazole,  methanesulfonic  acid,  EDAc)  or  reaction  temperature (0‐20 °C) had little impact to the yield and no  impact to the quality of 3. The reaction was demonstrated  with six batches at 63 kg scale each, affording amide 3 in  an average yield of 86%.   H2N H 2N

O H N

HO O

F Me NH2 1

1-Me-Imidazole (1.3 equiv) MSA (0.5 equiv) EDAc*HCl (1.4 equiv)

OH

PrO

N Me

1.2 equiv. 2

F

DMF (7 vol) 10 °C, 4 h, 86%

O H N

O F

Me

OH (1)

O

N H PrO2C N Me 3

F

The crystallization of 3 initially proved to be challenging.  Exploration of numerous solvents and conditions yielded  only one form that could be reproducibly crystallized and 

ACS Paragon Plus Environment

 

Organic Process Research & Development 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

easily filtered.3 This form was the heptane solvate, crystal‐ lized by the addition of heptane to a solution of 3 in iso‐ propyl acetate (IPAc) and dichloromethane. The crystalli‐ zation was extremely efficient by purging all but one im‐ purity to below reporting limits with low loss to the mother  liquor. Further, residual heptane after drying did not have  an impact on the final step of the synthesis.   Although  an  effective  crystallization  was  developed,  long‐term  storage  of  the  heptane  solvate  posed  a  signifi‐ cant stability risk. In the first iteration of the process, the  solvate was isolated with ~13 wt % heptane. Over 6 months  of  storage  without  desiccant,  the  amount  of  heptane  de‐ creased from 11.5 wt% to 3.9 wt%. The potential release of  a  significant  amount  of  a  flammable  solvent  (~4.8  kg  of  heptane  based  on  the  63  kg  scale)  led  us  to  investigate  whether we could dry the solvate to a stable level before  discharging. Drying studies completed on lab scale showed  that the levels of heptane became stable at ~6 wt % upon  isolation and storage with desiccant, which would alleviate  our  concerns  around  solvent  release.  Upon  implementa‐ tion of this drying process on plant scale (45 kg), the time  required to reach a stable level of heptane was ~40 h, and  the drying temperature had to be increased from 55 °C to  60 °C to reach the desired endpoint. The extended drying  time, however, posed a significant quality risk as the only  impurity, a product degradant,6 formed at a rate of 0.01 AP  (area percent by HPLC)/h when drying at 60 °C. This prod‐ uct degradant results in the formation of an undesired at‐ ropisomer in the API step, and therefore it must be care‐ fully  controlled  during  the  penultimate  step.  Increased  amount of this impurity increases the risk of failing a CQA,  and  therefore  is  the  highest  risk  that  needed  to  be  miti‐ gated  in  the  optimization  of  the  process  to  arrive  at  the  API.  A second quality risk appeared when storing the heptane  solvate, as it is hygroscopic. In two weeks at ambient con‐ ditions without desiccant, an increase in the water content  from 0.2 wt % to 2 wt % was observed. Water has a signifi‐ cant effect on the subsequent step, greatly increasing the  formation of one critical impurity. Therefore, residual wa‐ ter has to be tightly controlled, and any significant increase  in water content requires an additional pre‐reaction azeo‐ tropic distillation in the subsequent step, increasing pro‐ cessing time, solvent demands, and process complexity.  To alleviate the concerns around the stability of the hep‐ tane solvate of amide 3 and potential risks to quality, we  envisioned developing a telescoped process that subjected  a solution of 3 directly to the final reaction.  In addition to  circumventing the issues associated with isolating the pe‐ nultimate compound 3, a telescoped process could consid‐ erably lower the overall API cost and lower the PMI by re‐ ducing  both  solvent  demands  and  cycle  time  via  the  re‐ moval  of  the  isolation  (filtration,  drying,  etc.).  Further,  a  telescoped process could increase the yield by elimination  of mother liquor losses in the isolation of 3.  To prevent increasing quality risks, the impurity profile  of the telescoped process must be controlled to the same  limits as the original process. The ultimate goal of the tel‐

Page 2 of 12

escoped process was to develop the process in a safe, ro‐ bust, and efficient manner with optimum control over the  CQAs of the API.  Due to the complexity and scale of the problem, a com‐ binatorial  approach  to  experimental  optimization  would  be inefficient and impractical. As such, we opted to use de‐ sign  of  experiments  and  statistical  models  to  optimize  three  separate  unit  operations  in  parallel.  The  API  reac‐ tion, the penultimate workup, and the penultimate reac‐ tion  were  independently  and  contemporaneously  opti‐ mized,  then  integrated  into  a  single  process.  Previous  scale‐up knowledge of the process and established CQAs  informed the experimental designs for each operation; fur‐ thermore, critical process parameters (CPPs) identified in  downstream operations were considered as responses for  optimizing upstream operations, and upstream responses  were regarded as input factors to downstream operations  (Figure  1).   Using  this  approach  constrained  the  scope  of  the optimization for each unit operation and enabled tele‐ scoping  the  two  reactions.  Ultimately,  the  optimization  significantly increased the yield and purity and minimized  cost and PMI of the API in the shortest amount of time.  

  Figure 1. Schematic representation of the experimental plan  and constraints guiding the use of DoE and HTEx. 

  Results and Discussion    Part I: Optimization of the API Reaction  The first step in the work flow was evaluation of the API  reaction to determine which CPPs needed to be addressed  during the work‐up of the penultimate step (Figure 1). The  API‐forming reaction (Eq. 2) involves a base‐catalyzed, di‐ astereoselective cyclization to afford the quinazolinone 4.7  The key impurity formed in the reaction is the atropisomer  of  the  API  5.  The  selectivity  in  the  API  reaction  is  con‐ trolled by the use of lithium as a counterion of the base,  presumably  through  a  preferred  lithium  aggregate  that  leads  to  the  desired  product.8  Therefore,  we  investigated  residual  N,N‐dimethylformamide  (DMF)  from  the  up‐ stream  steps  in  the  organic  stream  and  residual  water  of  both the penultimate solution and the base solution (the  API step is a slow addition of a solution of penultimate to  a  solution  of  base)  as  coordination  of  both  of  these  to  a  lithiated  intermediate  may  impact  selectivity.  We  also 

ACS Paragon Plus Environment

2

Page 3 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Organic Process Research & Development

looked at reaction concentration as a factor to determine  if dilution would impact the selectivity of the reaction. Fur‐ ther, we investigated temperature of the reaction because  faster isomerization of the atropisomer 5 is observed when  increasing the temperature.5 

  A screening DoE9 was used to better understand the im‐ pact of these parameters on the API reaction, and to opti‐ mize the robustness of the unit operation (Table 1). Twenty  experiments  were  run,  none  of  which  were  center  point  conditions.10  The  original  design  (n  =  16)  was  run,  then  augmented (n = 4) based on the measured values of resid‐ ual  water  input  (experimental  values  shown  in  Table  1).   The  experiments  were  run  on  a  Mettler‐Toledo  EasyMax workstation in blocks of 4 experiments. The pa‐ rameter ranges were chosen based on previous experience  with the process. We also included mixing rate and equiv‐ alents of base as factors to see if they would affect the tel‐ escoped  API  reaction.  Of  the  parameters  tested,  mixing  rate,  base  equivalents,  and  input  stream  concentration  were found to be not significant to the formation of atro‐ pisomer 5 within the ranges tested. The other factors were  analyzed by fitting the experimentally measured atropiso‐ mer levels with a simple linear regression.11          Table 1. Factors in the API DoE  Factor 

Low 

High  Impact 

Temperature (°C) 

15 

35 

DMF (mL/g) 



0.045  High 

Vol. Pot (mL/g) 

15 

25 

Med 

H2O, pen sol. (ppm) 

58 

4061 

Med 

H2O, base sol. (ppm) 

51 

715 

High 

Mixing rate (rpm) 

100 

500 

Low 

Base (mol %) 



10 

Low 

High 

  Figure 2. Impact of DMF and water on the API Reaction. The  effect of water and DMF on the atropisomer level can be re‐ duced by increasing the temperature. 

In the original process, residual water from the aqueous  splits in the work‐up of the amidation step was completely  removed  through  an  azeotropic  distillation  and  subse‐ quent  crystallization.  Residual  DMF  was  also  completely  purged in the isolation of 3, and therefore neither DMF nor  water could impact the API reaction. However, when the  reaction  is  telescoped,  any  residual  DMF  and  water  after  the work‐up will be carried into the API reaction. One ben‐ efit  from  statistically  designed  experiments  is  observing  the  presence  of  secondary  interactions;  in  this  case,  the  secondary interaction between DMF and temperature was  significant (Figure 2) where, at low temperatures, the effect  of  residual  DMF  was  amplified.  Under  the  center  point  conditions (white marker in Figure 3), ~4.2 AP of the atro‐ pisomer is formed. At 20 °C, an increase to only 0.040 mL/g  DMF could lead to a 0.8 AP increase in atropisomer. How‐ ever, at 30 °C, an increase in residual DMF to 0.040 mL/g  did not have an effect on the atropisomer levels. Because  of this effect and to mitigate risk, the reaction temperature  was increased to from 20 °C to 30 °C.       

  Based on the results of the DoE, the most important fac‐ tors influencing the selectivity of the reaction are: temper‐ ature,  water  content  of  the  input  and  base  solution,  and  residual DMF in the input stream (Figure 2). An increase  in the water content coupled with an increase in DMF re‐ sults in a significant increase in atropisomer 5. However,  the data suggests that if the reaction is run at higher tem‐ perature, the effects of higher DMF and higher water can  be reduced.   

ACS Paragon Plus Environment

3

Organic Process Research & Development 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 12

  Table 2: Factors impacting the EDAc coupling reaction  Factor 

Low 

Center 

High 

DMF (vol%) 

40 

60 

75 

Total Vol (mL/g) 







2 (equiv) 

0.9 

1.15 

1.25 

Temperature (°C) 



10 

20 

1‐Me‐Imidazole (equiv) 

1.15 

1.30 

1.45 

MSA (equiv) 

0.45 

0.5 

0.55 

EDAc (equiv) 

1.15 

1.4 

1.55 

  Figure 3. Predicted atropisomer 5 levels at the end of the cy‐ clization reaction as a function of DMF and reaction temper‐ ature. White marker = original center point conditions. Red  marker  =  first  generation  telescoped  conditions.  Green  marker = optimized telescoped process. 

Optimization and understanding of the API reaction by  the use of design of experiments and linear regression im‐ proved  the  robustness  of  the  process  by  identifying  new  centerpoint conditions and CPPs that must be controlled  in  upstream  operations  as  responses  (residual  DMF  and  water). Additionally, the use of DoE identified secondary  interactions (temperature + DMF) that would have other‐ wise been missed and could affect the robustness of the re‐ action.     Part II. Optimization of the EDAc Coupling Reaction.   The next step in the workflow was analysis of the penul‐ timate  reaction.  Because  residual  DMF  was  potentially  quality and yield impacting, we investigated changing the  solvent ratio in the penultimate step.  We envisioned using  a  mixture  of  the  API  reaction  solvent  2‐methyltetrahy‐ droufuran  (MeTHF)  and  DMF  to  not  only  decrease  the  amount of DMF from the initial 7 mL/g but also to improve  process  greenness.  The  EDAc  reaction  cannot  be  run  in  neat MeTHF due to insolubility of the reactants and rea‐ gents.    A set of statistically designed experiment was run to ef‐ ficiently evaluate the impact of the mixed solvent system  on  the  quality  and  performance  of  the  penultimate  reac‐ tion (Table 2). A total of twenty four experiments were run  in parallel in a high‐throughput set‐up using robotic solids  handling  and  robotic  sampling  (Freeslate  CM3).12,13  The  use of laboratory automation technology enabled the en‐ tire experimental setup to be initiated over the course of  a  single day to produce detailed and highly structured exper‐ imental data.  The factors tested were: solvent composition  (DMF  vol  %,  balance  MeTHF),  EDAc  (equiv),  2  (equiv),  MSA  (equiv),  1‐Me‐imidazole  (equiv),  total  solvent  vol‐ umes (mL/g), and temperature (°C). The automation pro‐ tocols allowed for programmed and evenly spaced kinetic  data to be collected every hour for 8 hours.14 For the anal‐ ysis, data points from the early times (