Numbering-up Microreactors for Scalable Production of Drug Scaffolds and The Autonomous Optimization of Ultrafast Chemistry

Abstract

최근 제약 산업을 포함한 다양한 유기 합성 연구 분야에서 작은 반응기 규모를 기반으로 열 및 물질 전달이 우수한 마이크로 반응기 (Microreactor) 기반의 연속 흐름 공정이 플라스크 기반의 회분식 공정의 효과적인 대안으로 주목받고 있다. 마이크로 반응기를 기반으로 한 연속 흐름 공정은 반응 및 분리 등을 포함하는 일련의 공정을 'One-flow' 및 'End-to-end' 개념에 기반하여 동시 수행함에 따라 다양한 유-무기 분자의 고효율 생산에 활용되고 있다. 또한, 마이크로 반응기는 소형화된 화학 스크리닝 플랫폼으로서도 사용되어, 합성 방법론의 신속한 탐색과 최적의 조건에 대한 선별을 통해 의약품을 포함한 유기 분자들의 효율적이고 선택적인 합성을 가능하게 한다. 반면, 마이크로 반응기는 작은 반응기 규모로 인해 생산성 확보가 어렵다는 단점을 가진다. 또한 마이크로 반응기에서 합성의 조건을 최적화하는 과정에서 많은 노동력과 비용이 소모된다는 문제 또한 마이크로 반응기를 통한 의약품 개발 및 생산에 있어 장애물로서 작용하고 있다. 그러므로, 마이크로 반응기의 고질적인 생산성 문제를 해결하고 최적화 과정의 효율성을 확보하기 위한 새로운 전략 도입이 필요한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 마이크로 반응기에서의 생산성 문제를 극복하기 위해 마이크로 반응기를 병렬 복수화 하는 넘버링-업 (Numbering-up) 전략을 사용하여 생산량을 증가시키고자 한다. 또한 마이크로 반응기 시스템을 자동화하고, 자율적으로 반응 조건을 최적화 할 수 있는 알고리즘을 도입하여 자율형 마이크로 반응 플랫폼을 개발함으로서 반응 조건 최적화 및 의약품 생산 과정에서의 효율성 문제를 극복하고자 하였다. 본 박사학위 연구에 구성된 장 (Chapter) 에서는 촉매 화학, 유기 금속계 초고속 화학, 광화학 반응의 효율 개선, 생산량 증대를 위한 넘버링-업 마이크로 반응기 시스템을 개발하고, 유기계 의약 화합물 합성에 응용하였다. 특히 전산 유체 역학 (Computational Fluid Dynamics) 기반의 수치 해석법과 3차원 인쇄법 (3D printing) 을 활용하여 넘버링-업 반응기 시스템의 신속한 설계 및 제작을 가능하게 하여 주문형 의약 합성 및 신약개발에 유용하게 활용할 수 있다. 또한 고속 대량 탐색법 (HTS, High Throughput Screening)에 의한 합성 경로 도출 및 합성 변수 최적화를 신속 수행하고자 2가지 방법론을 제시하였다. 첫째로, 넘버링-업 시스템내 병렬 마이크로 반응기들을 통해 개별적으로 독립된 화학반응을 수행함으로서 다양한 화합물 라이브러리를 동시에 형성하였다. 둘째로, 자동화-자율화 마이크로 반응기 시스템을 개발하여 유기 금속계 초고속 화학의 최적 합성 변수 탐색을 신속하고 효율적으로 수행함으로서 유기합성 화학 메커니즘 연구 및 합성 경로 연구의 획기적인 수단을 확립하였다. 더욱 구체적으로, 1장에서는 화학산업의 흐름과 마이크로 반응기에 대한 간략한 소개부터 마이크로 반응기 제작을 위한 3차원 인쇄 기술, 마이크로 반응기의 넘버링-업, 마이크로 반응기 플랫폼의 자동화 및 자율화에 대한 소개를 정리하였다. 2장에서는 구리 촉매에 의한 상용 약물의 고처리량 생산을 위한 넘버링-업 금속 마이크로 반응기에 대해서 다룬다. 여기서는 상용 합성 의약품의 높은 생산성을 위해 유량 분배기와 구리 촉매 모듈을 통합하여 새로운 적층형 금속 마이크로 반응기를 제시하였다. 유량 분배기 및 내장형 배플 디스크는 각각 스테인리스강의 컴퓨터 수치제어 (CNC, Computerized Numerical Control) 가공 및 3차원 인쇄로 제조된 반면 촉매 반응 모듈은 병렬로 구성된 25개의 구리 코일 모세관으로 구성되었다. 결국, 각 기능 모듈을 조립하여 넘버링-업 마이크로 반응기 시스템을 구현하였으며, 본 시스템이 막힘에 관계없이, 균일 한 유동 분포 및 높은 혼합 효율을 보임을 확인하였다. 또한 해당 시스템을 통해 최적화된 조건에서 Cu(I) 촉매 azide–alkyne 고리화 첨가 반응을 통해 항경련제인 약물 "rufinamide "의 고처리량 합성을 달성했다 3장에서는 화합물 라이브러리의 다중 합성 및 매개변수의 효율적인 스크리닝을 가능하게 하는 금속 기반 흐름 병렬 합성기에 대해 서술되었다. 독특한 내장형 유량 분배기와 n개의 마이크로 반응기가 장착된 소형 흐름 병렬 합성 시스템은 여러 유형의 반응을 다양한 조건에서 병렬로 실행할 수 있다. 본 흐름 병렬 합성기의 증명을 위해, 반응 시간에 따라 96개의 서로 다른 반응 변수를 다중 스크리닝하여 얻은 최적의 조건에서 화학 라이브러리 합성을 위한 다양한 빌딩 블록이 공급되는 16개 (n = 16) 모세관에 시약을 분배하여 다양한 디아조늄 (Diazonium) 기반 반응이 탐색 되었다. 흐름 병렬 합성기의 성능은 24 종의 서로 다른 디아조늄 기반 반응을 통해 다양한 C–C, C–N, C–X 및 C–S 결합의 다중 형성을 수행함으로서 입증되었다. 4장에서는 아릴리튬 중간체를 통한 약물 스캐폴드 (Scaffold)의 대량 생산을 위한 3차원 인쇄된 넘버링-업 금속 마이크로 반응기에 대해 서술되어 있다. 먼저, 3개의 아릴 할라이드의 할로겐-리튬 교환 반응에서 불안정한 리튬화된 중간체의 초고속 합성 화학과 다양한 친전자체와의 후속 반응이 단일 마이크로 반응기(SMR)를 사용하여 수행되었다. 4개의 SMR과 4개의 분기 흐름 분배기를 공간 효율적으로 적층하여 통합한 4개의 넘버링-업 금속 미세 반응기(4 numbering-up printed metal microreactor; 4N-PMR)의 모놀리식 (Monolithic) 모듈을 고해상도 금속 3차원 인쇄를 통해 구현하여 초고속 합성의 더 큰 생산을 달성했다. 최종적으로, 약물 스캐폴드의 대량 합성을 위한 16개의 넘버링-업 금속 미세 반응기 (16N-PMR) 시스템은 4N-PMR의 4개의 모놀리식 모듈을 적층하여 조립되었으며, 이를 통해 10분 동안 약물 스캐폴드의 최대 20g의 높은 생산성이 달성되었다. 5장에서는 3차원 인쇄된 내화학성 녹색 발광 집중기 기반 광 마이크로 반응기 (green luminescent concentrator-based photo-microreactor; GLC-PM)에 대해 기술되어 있다. 광화학 반응을 향상시키기 위해 형광 염료 쿠마린 6으로 제형화된 광경화성 불소 중합체를 사용하여 다양하게 3차원 인쇄된 유동 모듈로 조립된 녹색 발광 집광기 기반 광 마이크로 반응기 (GLC-PM)가 제안되었다. 불소 중합체에 의해 본질적으로 내화학성이 있는 GLC-flow 모듈은 형광 염료의 침출과 벽에 광촉매의 침착 없이 화학적 효율성을 유지함이 확인되었다. 특히 육각형 모양의 GLC 모듈은 원터치 자체 정렬용 내장 자석을 사용하여 합성 요구 사항에 따라 맞춤형 PM에 쉽게 조립할 수 있다. 또한, 직렬로 조립된 GLC-PM은 Rose Bengal의 존재 하에서 C-C 결합 형성의 광촉매 반응을 향상시키고, 궁극적으로 직렬 및 방사형 연결에 의해 클러스터링된 GLC-PM은 Eosin-Y의 존재 하에서 C-P 결합 형성의 전환 및 처리량을 향상시킴이 확인되었다. 6장에서는 초고속 화학의 최적화 및 스크리닝을 위한 인공지능 기반 자동화 마이크로 반응기 플랫폼에 대해 서술되어 있다. 마이크로 반응기에서 초고속 화학을 통한 제약 화합물의 새로운 합성 경로의 발견은 매력적이지만, 단수명의 중간체 제어의 최적화 단계에서 기존 접근 방식의 시간, 비용 및 노동 소모적 한계를 극복해야 한다. 이 연구에서는 이에 대한 해결책으로서 인공지능 기술이 적용된 자동화된 마이크로 반응기 플랫폼을 제안하여 초고속 화학의 최적 조건을 자율적으로 탐색하고 단시간에 라이브러리를 구축하였다. 생물학적 활성 티오퀴나졸리논의 초고속 합성을 테스트 케이스로 하여 반응 부피, 온도, 유속을 제어하도록 특별히 설계된 자동화된 마이크로 반응기 플랫폼을 통해 사용자가 계획한 총 80개의 합성 조건을 순차적으로 탐색할 수 있음을 보였다. 또한 자동화된 마이크로 반응기 플랫폼은 베이지안 최적화 알고리즘을 통해 10번의 실험에서 가장 높은 수율 (88%)로 최적의 조건을 성공률 80%로 자율적으로 찾아내어 그 효율성이 입증되었다. 본 박사학위 논문은 다양한 유기 합성 화학에 대해 마이크로 반응기를 이용한 효율성 증대를 보여줄 뿐 아니라, 여기에 넘버링-업 기법을 도입하여 기존 마이크로 반응기의 고질적인 문제인 생산성 문제를 해결하고자 했다는 면에서 학술적/산업적 의의를 가진다. 또한 자율적으로 반응 조건 최적화가 가능한 자동화된 마이크로 반응기 플랫폼의 개발은 4차 산업혁명 시대에 맞춘 주문형 의약품 개발을 위한 초석이 될 것으로 기대된다.

Recently, in the field of organic synthesis including pharmaceutical applications, a continuous flow process constructed using microreactors having excellent heat and mass transfer due to a small reactor scale has attracted attention as an effective alternative to the conventional batch process. The continuous flow process enables high-efficiency production of various organic molecules by simultaneously performing a series of processes, including reaction and separation based on 'one-flow' or 'end-to-end' concepts. In addition, microreactors are also used as miniaturized chemical screening platforms, enabling efficient and selective synthesis of organic molecules through rapid exploration of synthesis methodologies and optimal synthetic conditions. Meanwhile, the microreactor has a disadvantage in that it is difficult to guarantee productivity because of its small scale. In addition, labor and cost incurred in the process of optimizing the synthesis conditions in the microreactor are also high. Therefore, it is necessary to introduce strategies to solve the chronic productivity problem of microreactors and improve the efficiency of the optimization process. In this thesis, a 'numbering-up' approach aligning multiple microreactors in parallel was used to overcome the productivity problem of microreactors. In addition, to increase the efficiency of the optimization process, an automated microreactor platform for ultrafast chemistry was developed, in which an algorithm to autonomously optimize the reaction conditions was introduced. In particular, in order to keep pace with new pharmaceutical developments and demand change, it aims to develop a microreactor that can be produced immediately using 3D printing, so as to meet pharmaceutical demand, and expand it for autonomous or automated microreactor platforms for high-throughput synthesis as well as screening synthetic conditions. In this study, the numbering-up of microreactors was performed to maximize the efficiency and productivity of various reactions, including catalyst-based chemistry, organometallic-based ultrafast chemistry, and photochemistry through microreactors. In addition, it was suggested that various compound libraries can be synthesized simultaneously via high-throughput process of numbered-up reactors, by taking advantage of the fact that each parallelized microreactor can be used individually. In addition, an AI-based automated microreactor platform for the autonomous discovery of reaction conditions in organometallic-based ultrafast chemistry was also developed. In Chapter 1, a general introduction to microreactors, 3D printing technology for microreactor fabrication, numbering-up of microreactor, and automated microreactor platforms was summarized. In Chapter 2, a numbering-up metal microreactor for high-throughput production of commercial drugs by copper catalysis is described. Here, a novel stacked metal microreactor is presented by integrating a flow distributor and copper catalyst module for high productivity of commercial synthetic pharmaceuticals. The flow distributor and built-in baffle disk were each manufactured by CNC machining and 3D printing of stainless steel (S/S), while the catalytic reaction module consisted of 25 copper coil capillaries configured in parallel. By assembling each functional module, the numbering-up microreactor system was implemented, and it was confirmed that the system showed a uniform flow distribution and high mixing efficiency regardless of clogging. In addition, the system achieved high-throughput synthesis of the anticonvulsant drug "rufinamide" through Cu(I)-catalyzed azide–alkyne cycloaddition reaction under optimized conditions. In Chapter 3, a metal-based flow-parallel synthesizer that enables the multiplex synthesis of compound libraries and the efficient screening of parameters is described. The compact flow parallel synthesizer with a unique built-in flow distributor and n microreactors can run multiple types of reactions in parallel under different conditions. Diazonium-based reactions are explored as a test case by distributing the reagent to 16 (n=16) capillaries to which various building blocks are supplied for the chemistry library synthesis at the optimal conditions obtained by multiplex screening of 96 different reaction variables in reaction time, concentration, and product type. The proficiency of the flow parallel synthesizer was showcased by multiplex formation of various C-C, C-N, C-X, and C-S bonds, leading to optimization of 24 different aryl diazonium chemistries. In Chapter 4, a 3D-printed numbering-up metal microreactor for the mass production of drug scaffolds via aryl lithium intermediates is described. First, ultrafast synthetic chemistry of unstable lithiated intermediates in halogen-lithium exchange reactions of three aryl halides and subsequent reactions with various electrophiles were performed using a single microreactor (SMR). Larger production of the ultrafast synthesis was achieved by devising a monolithic module of 4 numbering-up 3D-printed metal microreactors (4N-PMR) that were integrated by laminating four SMRs and four bifurcation flow distributors in a compact manner. Finally, a 16 numbered-up metal microreactor (16N-PMR) system for the scalable synthesis of drug scaffolds was assembled by stacking four monolithic modules of 4N-PMR, through which the drug High productivity of up to 20 g of scaffold was achieved. In Chapter 5, a 3D printed green luminescent concentrator-based photo-microreactor (GLC-PM) is described. The GLC-PM assembled by flow modules that are diversely 3D-printed using a photocurable fluoropolymer formulated with the fluorescent dye Coumarin 6 to enhance the photochemical reaction is proposed. The GLC-flow module, which is inherently chemically resistant by the fluoropolymer, maintains chemical efficiency without leaching of fluorescent dyes and deposition of photocatalysts on the walls. In particular, the hexagonal shaped GLC module can be easily assembled into a custom PM according to synthesis requirements with built-in magnets for one-touch self-alignment. In addition, serially assembled GLC-PM enhance the photocatalytic reaction of C-C bond formation in the presence of Rose Bengal, and ultimately GLC-PM clustered by serial and radial connection enhance conversion and throughput of C-P bond formation in the presence of Eosin-Y. In Chapter 6, an AI-based automated microreactor platform for optimization and screening of ultrafast chemistries is described. The discovery of novel synthetic routes of pharmaceutical compounds via ultrafast chemistry in microreactors is attractive, but the time, cost, and labor-consuming limitations of conventional approaches must be overcome in the optimization step of short-lived intermediate control. As a solution to this, an automated microreactor platform (AMP) with artificial intelligence (AI) technologies was proposed to explore the optimal condition of ultrafast chemistry autonomously and build libraries in a short time. With the ultrafast synthesis of biologically active thioquinazolinone as the test case, the AMP specifically designed to control reaction volume, temperature, and flow rate allows the user to sequentially explore a total of 80 synthetic conditions planned by the user. In addition, AMP can autonomously find the optimal condition with the highest yield (88%) within 10 experimental trials through the Bayesian optimization (BO) algorithm with a success rate of 80%, proving its effectiveness. In addition, AMP automatically performs combinatorial chemistry under optimized condition to sequentially synthesize a total of nine S-benzylic thioquinazolinone libraries in 20 min. This thesis has academic and industrial significance in that it not only demonstrates the high synthetic efficiency of using microreactors for these various synthetic chemistries, but also solves the productivity problem, which is a chronic problem of the existing microreactors by introducing the numbering-up technique. In addition, the development of the automated microreactor platform that is capable of autonomously optimizing reaction conditions is expected to serve as a cornerstone for the development of on-demand pharmaceuticals tailored to the era of the 4th Industrial Revolution.