反應監控方法

專利名稱：反應監控方法
技術領域：
本發明涉及一種監控有關藥品化學反應的方法。
背景技術：
藥物的生產經常包括一種如合成一類的反應工藝步驟，其中，在反應容器中，原始成分被混合后互相反應。在這種反應過程中，當生成希望的物質時，原始反應物被消耗。該生產過程的反應工藝步驟是一種分批過程，從經濟性方面希望分批過程應盡可能快地進行。另外，如果在反應完成后，成品被遺留在反應容器中，則在反應容器中將生成不希望的副產品。因此，希望知道反應在何時完成。
確定反應何時完成的傳統方法是測量產物的濃度，這種方法經常與一種或多種原始成分的濃度測量結合在一起。根據經驗來判斷濃度應該達到什么范圍。
為了測量產物的濃度和/或一種或多種原始成分的濃度，不同的方法已被應用。先有技術的方法包括那些基于光譜學的方法，如NIR(近紅外線)，MIR(中紅外線)和ATR(衰減全反射法)的結合，或拉曼(Raman)光譜法。得到的光譜信息與所述濃度有關。通過在有效波長時測量一個或多個波峰的峰值高度和/或峰值面積，并將測量值與相關的基準比較來確定最終結果。
上述確定反應終點的先有技術描述的方法涉及時間延遲，它被加入到完成特定反應需要的平均時間中。這樣做的目的是為了確定當進行測量時反應通常已完成。因此，需考慮反應時間的變化。為了避免做過多的測量而增加時間延遲。
為了減少時間延遲，開發了上述的光譜法以能夠連續監控反應過程。公知方法包括拉曼光譜法，其中向溶液輻射單一波長，所述溶液散射出光譜，稱為拉曼光譜。由于產生的拉曼光譜的相對狹窄的峰值，使它容易區別與該溶液的特定物質有關的個別峰值，因而拉曼光譜是有利的。為了產生用于監控目的的相關的光譜，執行這種拉曼監控的裝置應是足夠快速的。
然而，為了測定物質濃度的光譜評價仍然依賴于峰值高度和峰值面積的測定，這又依次要求相應的光譜的校準，以及已校準的光譜與相應的參考光譜的對比。為了提高校準，可以利用如局部最小二乘方回歸(partial least squares regression)一類的多變量方法。
在US-5638172中公開了進行這種評價的先有技術方法的一個實例，但該評價是應用于定量監控在典型過程中產生的化學組合物的組份。
另外，先有技術的拉曼監控方法當這種溶液的成分幾乎在同一波長引起幾個峰值時，存在區別特定峰值的問題。這在有關藥品的反應溶液中是普遍的。
發明概述本發明的一個目的是提供一種監控反應的方法，該方法提供了一種反應程度的精確測定。
本發明的另一個目的是提供一種監控反應的方法，當出現若干個重疊峰時，該方法可被使用。
本發明的再一個目的是提供一種監控反應的方法，該方法不要求分別測定參考樣本或光譜。
上述目的是通過一種按照本發明的監控有關藥品化學反應的方法來實現的。該方法包括以下步驟-通過用基本為單色的輻射來照射所述溶液并檢測散射輻射，連續地得到反應容器內所含化學成分的溶液的拉曼光譜樣本；-通過多變量數據分析(MVDA)方法來處理所述拉曼光譜樣本，用以連續地產生與可表示反應進度的特征變量有關的至少第一主要成分，其中多變量數據分析與使用具有公知成分的目標參考測量法的校準無關；-根據所述至少第一主要成分，另外還可根據從一種或多種先前進行的同類反應中產生的額外的一種或多種主要成分，來確定該化學反應的程度。
由于本發明提供了反應的連續監控和得到連續的拉曼光譜，通過應用MVDA法，可以容易地跟蹤反應進度。通過MVDA可有效地檢測反應容器內狀態的變化，并反映在單一或一些主要組分中。然后，對主要成分進行處理，以檢測所述變化隨時間而如何發展。MVDA法得到了一個關于反應內部成分和物理性能的結果，因此沒有必要進行特別的參照。
本發明的一個實施方案的特征在于，本發明沒有必要使用具有公知成分的目標參考測量法的校準。原則上，如果有的話，使用的唯一響應變量是反應時間，或一個與反應時間成比例的值。
本發明進一步的目的和優點將通過以下的典型實施方案的裝置來討論。
附圖的簡要說明

圖1圖示為監控如合成一類反應的一種布置；圖2所示為在第一反應的不同點得到的拉曼光譜；圖3是與圖2有關的譜值曲線圖；圖4是與圖2有關的載荷曲線圖；圖5所示為與第二反應有關的不同化合物的拉曼光譜；圖6所示為在第二反應的不同點得到的拉曼光譜；圖7是與圖6有關的譜值曲線圖；圖8是與圖6有關的譜值曲線圖；和圖9為分別表示光譜差和載荷的圖。
實施方案的描述在圖1中表示了反應監控布置的一個實施例。該布置包括一個拉曼光譜儀，它配備有一個電荷耦合器件(CCD)檢波器1、一個全息透射光柵3、一個激光器5、一個光導纖維7和一個光學界面9，以及一個評價裝置11。標號13表示一個反應容器，它內部的反應成分被監控。容器13有一個玻璃壁，通過它可以進行監控。
下面將描述本發明監控方法的一個優選實施方案。
在按照本發明方法的一個優選實施方案中，反應容器含有包括如反應物、催化劑等的不同成分的溶液，要求該反應器生產所需的有關藥物的物質，在下面簡稱為物質。為了提供適宜于進行反應的條件，溶液一般被攪拌，并經受特定的溫度等。
根據焦距，將光學界面9適當地定位在距容器13的外玻璃壁面有一定距離處，或將光學界面9定位在容器13內，放入溶液中。通過激光器5來照射單色輻射，并通過光導纖維7導入光學界面9，將輻射耦合入溶液。溶液散射光譜，光譜被光學界面接收，并被光導纖維導入CCD檢波器。光導纖維可以由本領域技術人員公知的任何合適的方法適當地構成。例如，所述的光導纖維可以由兩束或幾束纖維構成，使用一束或多束來將單色輻射引入容器，并使用一束或多束另外的纖維將散射的輻射通過全息透射光柵3引回到CCD中。然后，由CCD檢波器如此取樣的拉曼光譜由評價裝置來處理，評價裝置可以是一種通用計算機，執行專有系列指令，用以實現處理，或是一種專用計算機，具有特殊的結構和/或程序，用以實現處理。
在下面將CCD檢波器輸出的處理稱作光譜樣本，該處理的目的在于，監控該反應以確定反應程度。例如，反應程度的測定可以是反應已經進行到什么程度的測定，或最終是反應結束時的時間點。這種處理包括以下主要步驟a)得到一種新的光譜樣本；b)將化學測量方法(chemometric)應用于光譜樣本，與先前的光譜樣本結合以執行MVDA，從而產生與可表示反應進度的特征變量有關的主要成分；c)使用一個或多個分析結果的主要成分，用來測定反應程度。
在整個反應過程期間，上述步驟重復進行。如以下將描述的，步驟c)包括幾個可替代的測定法，這些測定法可結合在一起。
上述定義的步驟a)可通過閱讀CCD檢波器的輸出來簡單地進行。該輸出由在不同波長下的一些數值組成，這里稱為譜值。
在步驟b)，進行MVDA(多變量數據分析)。監控化學反應的先有技術方法是基于與溶液中的特定物質有關的一個或多個峰的峰值高度和面積變化的測定。例如，在先有技術中，當峰值高度/面積不再變化時，或當其達到一預定值時，可以確定該反應已完成。這種測定法依賴于如激光強度一類的瞬時條件，這些條件從一個樣本到另一個樣本發生變化。因此，為了確定拉曼光譜的特定峰的峰值，先有技術方法要求光譜樣本要相對于明確公知的內部或外部的參考光譜樣本來校準。做為選擇，該校準是用相似樣本的不同的獨立分析結果來進行。所描述的條件使先有技術方法變得復雜。按照本發明，創造性地使用多變量數據分析作為消除對這種參照需要的手段。
有多種多變量數據分析方法供選擇。然而，在優選實施方案中，根據情況，使用主成分分析(PCA)或局部最小二乘法(PLS)。PCA和PLS都是投影法，它將多維空間中的點投影到較少維數的空間上，優選為一維或數維空間。PCA投影以矩陣形式表示X＝TP’＋E＝t1P1’＋t2P2’＋…＋tAPA’＋E(1)光譜樣本按行排列在矩陣X中，X有n行k列。因此，每一行表示一種光譜樣本，而每一列表示單一波長。矩陣X用兩個較小的矩陣T和P’的乘積近似。這些矩陣取矩陣X的基本模式。E是一個干擾矩陣。例如，如果X是一個20×10矩陣，即，20個光譜樣本和10個波長，那么T是一個20×A矩陣而P’是一個A×10矩陣。A代表從PCA得到的主成分的數目。數學上，分解矩陣X的做法是將一個10維空間投影到一個A維空間上，而使用最小二乘計算法使矩陣E最小化來確定矩陣T和P’。因此，該主成分模型(PC-模型)是一個平面，通過展開矩陣P’的A行得到。每一個主成分由兩個向量組成，即譜值(score)向量t和載荷向量p。譜值向量t對每一個光譜樣本包含一個譜值，而這個譜值表明在那個具體的主成分內該光譜樣本如何與其它光譜樣本相關。載荷向量p說明在原始光譜樣本中哪一種光譜特征被所研究的主成分所捕捉。具體地，主成分的適當的數目A是由，例如，交叉驗證的方法確定的。在這個實施方案中，確定一個或幾個主成分。正如下面將會明白的那樣，第一主成分捕捉矩陣X中最大的變量，該變量和反應過程緊密相關。因此，少數第一主成分可用于本發明所希望的監控目的。
PLS已經被用來替代PCA。PLS是一個涉及X矩陣和y向量(或矩陣)的一種投影和回歸方法。在這個實施方案中，從反應開始所經歷過的時間被創造性地用作為與拉曼光譜學有關的y。PLS方法用一種類似于PCA的方法工作。一個差別是，PCA在每一個成分中捕捉盡可能多的X的變量，PLS則計算既捕捉X的變量又與y中變量相關的成分。
參考下面的方程式2-5進一步討論該PLS方法。載荷權向量wa表示在X中與y相關的光譜特征，其中a表示PLS成分的數目a，wa用方程式2計算。譜值向量ta能夠用與PCA相同的方法解釋，它由方程式3計算。然后用方程式4計算純量系數ca，它依次和ta一起組成一個對于y的方程，其中f是在y(方程式5)中有非模變量的差值。Wa=X′a-1ya-1||X′a-1ya-1||---(2)]]>
ta＝Xa-1wa(3)ca=t′aya-1t′ata---(4)]]>y＝c1t1＋c2t2＋…＋cata＋f(5)要使用的PLS成分的數目經常用交叉驗證和/或獨立測試樣本組的方法選出。像PCA那樣，這里我們主要地對少數第一成分感興趣。
在下面，“主成分”將被作為PCA主成分和PLS或其它任何適當的多變量數據分析的類似成分的通用術語來使用。
作為PCA或PLS的準備工作，標準的正則變換(SNV)或相關變換可應用于光譜樣本中，如下所述。
標準的正則變換(SNV)是一個用于減少光譜中加法和乘法效應的公知技術。這種變換對每個光譜單獨地按如下方程式進行xi,SNV=(xi-x-)Σi=1k(xi-x-)2k-1---(6)]]>其中xI，SNV是對波數xI變換后的拉曼強度，￣而x是在光譜中所有k個波數的平均強度。方程式6將對光譜中所有的波數k重復計算。
用SNV的一個好處在于不需要存貯任何供進一步變換的值，比如像乘法符號修正方法(MSC)那樣。
這樣產生的主成分和光譜樣本的特征變量有關，其特征變量表示反應進度。
在步驟c)中，進行若干種不同的方法中的一種或幾種，基本上采用PCA或PLS的第一主要成分方法。最初，測定所述的第一主要成分中固有的一個指示值，這個值表示反應的程度，并且，例如，可以表示一個化合物的濃度。實際用作這種指示值的是第一主要成分的譜值向量的譜值。為了保證所述譜值向量的譜值的改變與反應進度有關，而與溫度的改變無關(偶爾會有與溫度有關的情況)，對相應的載荷向量平行地評估。
然后，這個指示值，或通常地，一個指示值向量，即譜值向量，依賴于所要求的評估，可以以另一種或幾種不同的方式來使用。
一種實行的方法在于，通過監控由連續的MVDAs方法產生的譜值痕跡的軌跡，來確定反應的進度是否按照一個典型的進度表來進行。將這個譜值痕跡和一個預定的軌跡相比較，例如，和先前進行的反應所產生的幾個軌跡的平均值相比較。如果當前的軌跡極度偏離這個預定的軌跡，則就可以確定那個反應并非典型地進行。用這種測定方法，可在早期階段停止不正確的反應，因而節省了生產時間。
另一種實行的方法在于，將當前的譜值向量和一組預先測定的貫穿從開始到結束的整個反應過程的譜值向量相比較。由與當前譜值向量的差值最小的預定的譜值向量所表示的反應程度被視為當前反應所達到的程度。
再一種實行的方法在于，使用這種譜值向量來測定反應什么時候完成。這是通過測定連續的表示值，即譜值，的一個變化率所得到的結果。該變化率和反應的程度有關，因為當達到平衡時，這個變化率為0，反應完成時當然也是這種情況。做為選擇，可確定一個停止的界限。當這個變化率減少到所述停止界限之下時，就能確定該反應已經完成。至少如果使用PCA方法，該譜值也能被用作測定變化率的指示值。使用這種方法能夠迅速和準確地測出反應的結束時間，因而節約了生產時間。
為了說明本方法是怎樣具體實現的，現在將描述一個簡單的實施例。為了簡明清楚起見，該實施例并不針對有關藥品的反應。因為這種反應經常是更為復雜的。相反，本實施例針對的是用水作溶劑的乙酸乙酯的水解。這種水解的反應式為
圖2表示在反應過程中四個不同的時間點，該水解的拉曼強度對波數的四個不同的圖形。箭頭表示在四個不同的波數處，拉曼強度或者峰值高度的形成。從中可以看出三個峰值的高度隨時間下降而一個峰值的高度隨時間上升。下降的峰值高度代表乙酸乙酯，而上升的峰值高度代表乙醇和乙酸，因為它們的峰值彼此重疊。
在圖3中，對從不同點水解所得到的拉曼光譜進行的PCA，繪出了第一主要成分，即主成分(PC1)的譜值。從該曲線中可明顯看出反應是如何進行的。圖4表示按照完整的X矩陣測定的相應的載荷曲線。該載荷曲線說明決定譜值曲線模式的光譜特征。如上所述，這一譜值曲線可用于測定反應的程度。例如，從曲線中可明顯看出在反應結束時，變化率接近于零。
在上面，本發明用了一個簡單的反應方法來舉例說明。然而，本發明完全可應用于峰值重疊的更復雜的情況，比如一種典型的有關藥品的反應。為了說明所述的可應用性，這里將簡要地描述另一個實例。所討論的反應涉及美多心安堿(metoprolol base)的生產。美多心安是在Meepb和異丙胺之間進行反應產生的，Meepb是1-(2，3-環氧丙氧基)-4-(2-甲氧基乙基)苯或(p-甲氧基乙基-環氧丙氧基苯)(1-(2，3-epoxypropoxy)-4-(2-methoxyethyl)benzene(或p-methoxyethyl-epoxypropoxybenzene))的縮寫。該反應在異丙醇溶劑中進行。其反應式為
圖5表示在反應進行的過程中，所有出現在同一時間的溶液的四種化合物的拉曼光譜。特別應注意，Meepb和美多心安堿(metoprololbase)的光譜是非常相似的，而其它化合物的光譜實質上和美多心安堿(metoprolol base)的光譜重疊。這就使得使用先有技術的方法監控這種反應會極其困難。如圖6所示，這種重疊的峰值導致在該反應進行過程中，拉曼光譜有很少的和微弱的峰值變化。
然而，利用本發明，甚至于處理這種困難的情況也是可能的。通過將MVDA，更具體地是PCA，應用于連續的光譜樣本，得到圖7的譜值曲線。參照上面的簡單實例的描述，清楚地表明，該譜值曲線可用于反應監控的目的，盡管Meebp和美多心安堿(metoprolol base)之間的光譜相似以及其峰值極度重疊。圖8表示PLS分析的譜值曲線用于和圖7的PCA譜值曲線比較。
圖9的上部曲線表示在反應開始時取樣的第一次光譜和在反應結束時取樣的第二次光譜之間的差值。圖9的下部曲線表示第一主要成分(PC1)的載荷曲線。該曲線以整個X矩陣為基礎。注意其相似性，它證實了第一成分的載荷表示在反應過程中發生的光譜變化。
上面的方法被描述為監控單一的反應。然而，除此之外，與先有技術方法相反，本方法能監控多個反應步驟，或者監控在一個及同一反應容器內連續進行的反應。這是可能的，因為它有能力或多或少的迅速并準確地測定出反應的程度，并且，作為其中的一個特殊情況，測定反應的終點。
另外，在另一個實施方案中，本發明的方法包括反應的反饋控制。這種反饋控制依賴于通過MVDA得到的結果。因此，這種PCA或PLS成分被進一步評估，以便獲知化學反應是否按要求那樣進行或者需要改變某些參數使它按要求那樣進行。
因此，如果發現了過量的反應偏差，根據所述PCA或PLS成分的進一步評估，就能確定哪些反應參數應被改變以便消除或減少這種反應偏差。更具體地說，例如，這種反饋控制可根據譜值和載荷的改變進行，因為它們和溫度的變化有關。溫度是否已經改變的測定是根據，例如，對少數第一PCA或PLS成分的譜值曲線的導數的測定。然后據此調整包圍該反應容器的恒溫環境。
在上面，已描述了按照本發明方法的一個優選實施方案。這個方案應僅僅被看作一個非限定的實施例。正如權利要求所確定的那樣，很多種改進的方法都可能在本發明的范圍之內。
這里需要注意，上面描述的用來實現本發明方法的一種布置也可以進行配置以便使它適應不同的環境、生產要求等，這些對本領域的技術人員來說都是顯而易見的。因此，例如，可以使用各種光柵，測量儀等。
權利要求
1.一種監控有關藥品化學反應的方法，其特征在于，包括以下步驟-通過用基本為單色的輻射來照射溶液并檢測散射輻射，連續地得到反應容器內所含化學成分的溶液的拉曼光譜樣本；-通過多變量數據分析(MVDA)方法來處理所述拉曼光譜樣本，用以連續地產生與可表示反應進度的特征變量有關的至少第一主要成分，其中多變量數據分析與使用具有公知成分的目標參考測量法的校準無關；-根據所述至少第一主要成分，還可根據從一種或多種先前進行的同類反應中產生的另外的一種或多種主要成分，來確定該化學反應的程度。
2.一種如權利要求1的方法，其特征在于，測定化學反應程度的步驟包括以下步驟-測定一個指示值，表示在所述主成分中固有的所述化學反應的所述程度；以及-將所述的指示值和一組預定的這種指示值的界限值或者和在所述的化學反應的不同程度處特有的指示值之間的關系相比較。
3.一種如前述權利要求之任一所述的方法，其特征在于，測定化學反應程度的步驟包括以下步驟-測定表征所述反應進度的連續的指示值，所述指示值是所述主成分中固有的；-測定所述連續指示值的變化率；以及-確定當所述變化率減少到一個預定的界限之下時反應結束。
4.一種如前述權利要求之任一所述的方法，其特征在于，測定化學反應程度的步驟包括以下步驟-測定表征所述反應進度的連續的指示值，所述指示值是所述主成分中固有的；-根據這些連續的指示值確定一條軌跡；以及-通過將所述軌跡與典型的軌跡相比較，確定該反應是否典型地進行。
5.一種如權利要求2到4之任一所述的方法，其特征在于，所述的指示值是一種譜值。
6.一種如前述權利要求之任一所述方法，其特征在于，多變量數據分析包括一種主成分分析(PCA)。
7.一種如權利要求1到5之任一所述的方法，其特征在于，多變量數據分析包括局部最小二乘方(PLS)回歸。
8.一種如前述權利要求之任一所述的方法，其特征在于，該反應是一種美多心安(metoprolol)合成反應。
9.一種如前述權利要求之任一所述的方法，其特征在于，在一個及同一反應容器內，對一系列連續進行的二個或多個反應步驟進行監控。
10.一種如前述權利要求之任一所述的方法，其特征在于還包括，通過基于對所述至少第一主要成分評估的反饋控制，來進一步控制這種反應的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種監控有關藥品的化學反應的方法。包括以下步驟:通過用基本為單色的輻射來照射溶液并檢測散射輻射,連續地得到反應容器內所含化學成分的溶液的拉曼光譜樣本;通過多變量數據分析(MVDA)方法來處理所述拉曼光譜樣本,用以連續地產生與可表示反應進度的特征變量有關的至少第一主要成分,其中多變量數據分析與使用具有公知成分的目標參考測量法的校準無關;根據所述至少第一主要成分,還可根據從一種或多種先前進行的同類反應中產生的另外的一種或多種主要成分,來確定該化學反應的程度。
文檔編號C07C217/32GK1332844SQ9981539
公開日2002年1月23日 申請日期1999年12月22日 優先權日1999年1月5日
發明者M·約瑟夫松, F·朗基爾德, O·斯文松 申請人:阿斯特拉曾尼卡有限公司