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Coeficiente de partición

En las ciencias físicas , un coeficiente de partición ( P ) o coeficiente de distribución ( D ) es la relación de concentraciones de un compuesto en una mezcla de dos disolventes inmiscibles en equilibrio . Esta relación es, por tanto, una comparación de las solubilidades del soluto en estos dos líquidos. El coeficiente de partición se refiere generalmente a la relación de concentración de especies no ionizadas del compuesto, mientras que el coeficiente de distribución se refiere a la relación de concentración de todas las especies del compuesto (ionizado más no ionizado). [1]

En las ciencias químicas y farmacéuticas , ambas fases suelen ser disolventes . [2] Lo más común es que uno de los disolventes sea agua, mientras que el segundo sea hidrófobo , como el 1-octanol . [3] Por lo tanto, el coeficiente de partición mide qué tan hidrófila ("amante del agua") o hidrófoba ("teme al agua") es una sustancia química. Los coeficientes de partición son útiles para estimar la distribución de fármacos dentro del cuerpo. Los fármacos hidrófobos con coeficientes de partición octanol-agua altos se distribuyen principalmente en áreas hidrófobas como las bicapas lipídicas de las células. Por el contrario, los fármacos hidrófilos (coeficientes de partición octanol/agua bajos) se encuentran principalmente en regiones acuosas como el suero sanguíneo . [4]

Si uno de los disolventes es un gas y el otro un líquido, se puede determinar un coeficiente de partición gas/líquido. Por ejemplo, el coeficiente de partición sangre/gas de un anestésico general mide la facilidad con la que el anestésico pasa de gas a sangre. [5] Los coeficientes de partición también se pueden definir cuando una de las fases es sólida , por ejemplo, cuando una fase es un metal fundido y la segunda es un metal sólido, [6] o cuando ambas fases son sólidas. [7] La ​​partición de una sustancia en un sólido da como resultado una solución sólida .

Los coeficientes de partición se pueden medir experimentalmente de varias maneras (mediante agitación en matraz, HPLC , etc.) o estimarse mediante cálculo basado en una variedad de métodos (basado en fragmentos, basado en átomos, etc.).

Si una sustancia está presente en varias especies químicas en el sistema de partición debido a la asociación o disociación , a cada especie se le asigna su propio valor de Kow . Un valor relacionado, D, no distingue entre especies diferentes, sino que solo indica la relación de concentración de la sustancia entre las dos fases. [ cita requerida ]

Nomenclatura

A pesar de la recomendación formal en sentido contrario, el término coeficiente de partición sigue siendo el término predominantemente utilizado en la literatura científica. [8] [ cita(s) adicional(es) necesaria(s) ]

Por el contrario, la IUPAC recomienda que ya no se utilice el término del título, sino que se reemplace por términos más específicos. [9] Por ejemplo, la constante de partición , definida como

donde K D es la constante de equilibrio del proceso , [A] representa la concentración del soluto A que se está probando, y "org" y "aq" se refieren a las fases orgánica y acuosa respectivamente. La IUPAC recomienda además "coeficiente de partición" para los casos en los que se pueden determinar los coeficientes de actividad de transferencia , y "coeficiente de distribución" para la relación de las concentraciones analíticas totales de un soluto entre fases, independientemente de la forma química. [9]

Coeficiente de partición y logaritmoPAG

En un material de vidrio especial, como este embudo de decantación , que permite agitar y tomar muestras, se establece un equilibrio de la sustancia disuelta, distribuida entre una fase hidrófoba y una fase hidrófila, a partir del cual se determina el log P. Aquí, la sustancia verde tiene una mayor solubilidad en la capa inferior que en la capa superior.

El coeficiente de partición , abreviado P , se define como una relación particular de las concentraciones de un soluto entre los dos disolventes (una bifase de fases líquidas), específicamente para solutos no ionizados , y el logaritmo de la relación es, por tanto, log P. [ 10] : 275ff  Cuando uno de los disolventes es agua y el otro es un disolvente no polar , entonces el valor de log P es una medida de lipofilicidad o hidrofobicidad . [10] : 275ff  [11] : 6  El precedente definido es que los tipos de fase lipófila e hidrófila siempre estén en el numerador y denominador respectivamente; por ejemplo, en un sistema bifásico de n - octanol (en adelante simplemente "octanol") y agua:

En una primera aproximación, la fase no polar en tales experimentos suele estar dominada por la forma no ionizada del soluto, que es eléctricamente neutro, aunque esto puede no ser cierto para la fase acuosa. Para medir el coeficiente de partición de solutos ionizables , el pH de la fase acuosa se ajusta de manera que la forma predominante del compuesto en solución sea la no ionizada, o su medición a otro pH de interés requiere la consideración de todas las especies, no ionizadas e ionizadas (ver a continuación).

Se deriva un coeficiente de partición correspondiente para compuestos ionizables, abreviado log P I , para los casos en los que hay formas ionizadas dominantes de la molécula, de modo que se debe considerar la partición de todas las formas, ionizadas y no ionizadas, entre las dos fases (así como la interacción de los dos equilibrios, partición e ionización). [11] : 57ff, 69f  [12] M se utiliza para indicar el número de formas ionizadas; para la forma I -ésima ( I = 1, 2, ... , M ) el logaritmo del coeficiente de partición correspondiente, , se define de la misma manera que para la forma no ionizada. Por ejemplo, para una partición octanol-agua, es

Para distinguir entre este y el coeficiente de partición estándar no ionizado, al no ionizado a menudo se le asigna el símbolo log P 0 , de modo que la expresión indexada para solutos ionizados se convierte simplemente en una extensión de este, en el rango de valores I > 0 . [ cita requerida ]

Coeficiente de distribución y logaritmoD

El coeficiente de distribución , log D , es la relación entre la suma de las concentraciones de todas las formas del compuesto (ionizado más no ionizado) en cada una de las dos fases, una esencialmente siempre acuosa; como tal, depende del pH de la fase acuosa, y log D = log P para compuestos no ionizables a cualquier pH. [13] [14] Para las mediciones de coeficientes de distribución, el pH de la fase acuosa se amortigua a un valor específico de modo que el pH no se perturbe significativamente por la introducción del compuesto. El valor de cada log D se determina entonces como el logaritmo de una relación: de la suma de las concentraciones medidas experimentalmente de las diversas formas del soluto en un disolvente, a la suma de dichas concentraciones de sus formas en el otro disolvente; puede expresarse como [10] : 275–8 

En la fórmula anterior, los superíndices "ionizado" indican la suma de las concentraciones de todas las especies ionizadas en sus respectivas fases. Además, dado que el log D depende del pH, se debe especificar el pH al que se midió el log D. En áreas como el descubrimiento de fármacos (áreas que involucran fenómenos de partición en sistemas biológicos como el cuerpo humano), el log D en el pH fisiológico = 7,4 es de particular interés. [ cita requerida ]

A menudo es conveniente expresar el log D en términos de P I , definido anteriormente (que incluye P 0 como estado I = 0 ), cubriendo así tanto las especies ionizadas como las no ionizadas. [12] Por ejemplo, en octanol-agua:

que suma los coeficientes de partición individuales (no sus logaritmos), y donde indica la fracción molar dependiente del pH de la forma I -ésima (del soluto) en la fase acuosa, y otras variables se definen como anteriormente. [12] [ verificación necesaria ]

Ejemplo de datos de coeficiente de partición

Los valores para el sistema octanol-agua en la siguiente tabla provienen del Banco de Datos de Dortmund . [15] [ se necesita una mejor fuente ] Están ordenados por coeficiente de partición, del más pequeño al más grande (la acetamida es hidrófila y el 2,2',4,4',5-pentaclorobifenilo es lipófilo), y se presentan con la temperatura a la que se midieron (que afecta los valores). [ cita requerida ]

Se pueden encontrar valores para otros compuestos en una variedad de revisiones y monografías disponibles. [2] : 551ff  [21] [ página necesaria ] [22] : 1121ff  [23] [ página necesaria ] [24] En varias revisiones aparecen discusiones críticas sobre los desafíos de la medición de log  P y el cálculo relacionado de sus valores estimados (ver a continuación). [11] [24]

Aplicaciones

Farmacología

El coeficiente de distribución de un fármaco afecta fuertemente la facilidad con la que el fármaco puede alcanzar su objetivo previsto en el cuerpo, la fuerza del efecto que tendrá una vez que alcance su objetivo y el tiempo que permanecerá en el cuerpo en forma activa. [25] Por lo tanto, el log P de una molécula es un criterio utilizado en la toma de decisiones por los químicos medicinales en el descubrimiento de fármacos preclínicos, por ejemplo, en la evaluación de la similitud farmacológica de los fármacos candidatos. [26] Asimismo, se utiliza para calcular la eficiencia lipofílica en la evaluación de la calidad de los compuestos de investigación, donde la eficiencia de un compuesto se define como su potencia , a través de valores medidos de pIC 50 o pEC 50 , menos su valor de log P . [27]

Permeabilidad del fármaco en los capilares cerebrales ( eje y ) en función del coeficiente de partición ( eje x ) [28]

Farmacocinética

En el contexto de la farmacocinética (cómo el cuerpo absorbe, metaboliza y excreta un fármaco), el coeficiente de distribución tiene una fuerte influencia en las propiedades ADME del fármaco. Por lo tanto, la hidrofobicidad de un compuesto (medida por su coeficiente de distribución) es un determinante principal de cuán similar es a un fármaco . Más específicamente, para que un fármaco se absorba por vía oral, normalmente debe pasar primero a través de las bicapas lipídicas en el epitelio intestinal (un proceso conocido como transporte transcelular ). Para un transporte eficiente, el fármaco debe ser lo suficientemente hidrofóbico como para dividirse en la bicapa lipídica, pero no tan hidrofóbico como para que una vez que esté en la bicapa, no vuelva a dividirse. [29] [30] Del mismo modo, la hidrofobicidad juega un papel importante en la determinación de dónde se distribuyen los fármacos dentro del cuerpo después de la absorción y, como consecuencia, en la rapidez con la que se metabolizan y excretan.

Farmacodinamia

En el contexto de la farmacodinámica (cómo el fármaco afecta al cuerpo), el efecto hidrofóbico es la principal fuerza impulsora de la unión de los fármacos a sus receptores diana. [31] [32] Por otro lado, los fármacos hidrofóbicos tienden a ser más tóxicos porque, en general, se retienen durante más tiempo, tienen una distribución más amplia dentro del cuerpo (p. ej., intracelular ), son algo menos selectivos en su unión a las proteínas y, finalmente, a menudo se metabolizan ampliamente. En algunos casos, los metabolitos pueden ser químicamente reactivos. Por lo tanto, es aconsejable hacer que el fármaco sea lo más hidrofílico posible mientras aún conserva una afinidad de unión adecuada con la proteína diana terapéutica. [33] Para los casos en los que un fármaco alcanza sus ubicaciones diana a través de mecanismos pasivos (es decir, difusión a través de membranas), el coeficiente de distribución ideal para el fármaco suele ser intermedio en valor (ni demasiado lipofílico ni demasiado hidrofílico); en los casos en los que las moléculas alcanzan sus objetivos de otra manera, no se aplica tal generalización. [ cita requerida ]

Ciencia ambiental

La hidrofobicidad de un compuesto puede dar a los científicos una indicación de la facilidad con la que un compuesto puede ser absorbido por las aguas subterráneas y contaminar los cursos de agua, y su toxicidad para los animales y la vida acuática. [ 34] El coeficiente de partición también se puede utilizar para predecir la movilidad de los radionucleidos en las aguas subterráneas. [35] En el campo de la hidrogeología , el coeficiente de partición octanol-agua Kow se utiliza para predecir y modelar la migración de compuestos orgánicos hidrófobos disueltos en el suelo y las aguas subterráneas.

Investigación agroquímica

Los insecticidas y herbicidas hidrófobos tienden a ser más activos. Los agroquímicos hidrófobos en general tienen vidas medias más largas y, por lo tanto, presentan un mayor riesgo de impacto ambiental adverso. [36]

Metalurgia

En metalurgia , el coeficiente de partición es un factor importante para determinar cómo se distribuyen las diferentes impurezas entre el metal fundido y solidificado. Es un parámetro crítico para la purificación mediante fusión por zonas y determina la eficacia con la que se puede eliminar una impureza mediante solidificación direccional , descrita por la ecuación de Scheil . [6]

Desarrollo de productos de consumo

Muchas otras industrias tienen en cuenta los coeficientes de distribución, por ejemplo en la formulación de maquillaje, ungüentos tópicos, tintes, colorantes para el cabello y muchos otros productos de consumo. [37]

Medición

Se han desarrollado varios métodos para medir los coeficientes de distribución, incluidos el método del matraz agitador, el método del embudo de separación, la HPLC de fase inversa y las técnicas de pH-metría. [10] : 280 

Método del embudo de separación

En este método, las partículas sólidas presentes en los dos líquidos inmiscibles se pueden separar fácilmente suspendiendo dichas partículas sólidas directamente en estos líquidos inmiscibles o algo miscibles.

Matraz agitador

El método clásico y más confiable para determinar el log P es el método del matraz agitado , que consiste en disolver parte del soluto en cuestión en un volumen de octanol y agua, y luego medir la concentración del soluto en cada solvente. [38] [39] El método más común para medir la distribución del soluto es mediante espectroscopia UV/VIS . [38]

Basado en HPLC

Un método más rápido para determinar el log P es la cromatografía líquida de alto rendimiento . El log P de un soluto se puede determinar correlacionando su tiempo de retención con compuestos similares con valores de log P conocidos . [40]

Una ventaja de este método es que es rápido (5–20 minutos por muestra). Sin embargo, dado que el valor de log P se determina mediante regresión lineal , varios compuestos con estructuras similares deben tener valores de log P conocidos , y la extrapolación de una clase química a otra (aplicando una ecuación de regresión derivada de una clase química a una segunda) puede no ser confiable, ya que cada clase química tendrá sus parámetros de regresión característicos . [ cita requerida ]

pH-métrico

El conjunto de técnicas pH-métricas determina los perfiles de pH de lipofilicidad directamente a partir de una única titulación ácido-base en un sistema bifásico agua-solvente orgánico. [10] : 280–4  Por lo tanto, se puede utilizar un único experimento para medir los logaritmos del coeficiente de partición (log P ) que da la distribución de moléculas que son principalmente neutrales en carga, así como el coeficiente de distribución (log D ) de todas las formas de la molécula en un rango de pH, por ejemplo, entre 2 y 12. Sin embargo, el método requiere la determinación por separado del valor(es) pKa de la sustancia.

Electroquímica

Las interfaces líquidas polarizadas se han utilizado para examinar la termodinámica y la cinética de la transferencia de especies cargadas de una fase a otra. Existen dos métodos principales. El primero es ITIES , "interfaces entre dos soluciones electrolíticas inmiscibles". [41] El segundo son los experimentos con gotas. [42] En este caso, se ha utilizado una reacción en una interfaz triple entre un sólido conductor, gotas de una fase líquida activa redox y una solución electrolítica para determinar la energía necesaria para transferir una especie cargada a través de la interfaz. [43]

Enfoque de una sola célula

Existen intentos de proporcionar coeficientes de partición para fármacos a nivel de una sola célula. [44] [45] Esta estrategia requiere métodos para la determinación de concentraciones en células individuales, es decir, con espectroscopia de correlación de fluorescencia o análisis de imágenes cuantitativos . El coeficiente de partición a nivel de una sola célula proporciona información sobre el mecanismo de captación celular. [45]

Predicción

Existen muchas situaciones en las que resulta útil predecir los coeficientes de partición antes de realizar mediciones experimentales. Por ejemplo, decenas de miles de productos químicos fabricados industrialmente son de uso común, pero solo una pequeña fracción ha sido sometida a una evaluación toxicológica rigurosa . Por lo tanto, es necesario priorizar el resto para realizar pruebas. Las ecuaciones QSAR , que a su vez se basan en coeficientes de partición calculados, se pueden utilizar para proporcionar estimaciones de toxicidad. [46] [47] Los coeficientes de partición calculados también se utilizan ampliamente en el descubrimiento de fármacos para optimizar las bibliotecas de selección [48] [49] y para predecir la similitud farmacológica de los candidatos a fármacos diseñados antes de que se sinteticen. [50] Como se analiza con más detalle a continuación, las estimaciones de los coeficientes de partición se pueden realizar utilizando una variedad de métodos, incluidos los basados ​​en fragmentos, los basados ​​en átomos y los basados ​​en el conocimiento que se basan únicamente en el conocimiento de la estructura del producto químico. Otros métodos de predicción se basan en otras mediciones experimentales, como la solubilidad. Los métodos también difieren en precisión y en si se pueden aplicar a todas las moléculas o solo a las similares a las moléculas ya estudiadas.

Basado en átomos

Los enfoques estándar de este tipo, que utilizan contribuciones atómicas, han sido nombrados por quienes los formulan con una letra de prefijo: AlogP, [51] XlogP, [52] MlogP, [53] etc. Un método convencional para predecir log P a través de este tipo de método es parametrizar las contribuciones del coeficiente de distribución de varios átomos al coeficiente de partición molecular general, lo que produce un modelo paramétrico . Este modelo paramétrico se puede estimar utilizando una estimación de mínimos cuadrados restringida , utilizando un conjunto de entrenamiento de compuestos con coeficientes de partición medidos experimentalmente. [51] [53] [54] Para obtener correlaciones razonables, los elementos más comunes contenidos en los fármacos (hidrógeno, carbono, oxígeno, azufre, nitrógeno y halógenos) se dividen en varios tipos de átomos diferentes según el entorno del átomo dentro de la molécula. Si bien este método es generalmente el menos preciso, la ventaja es que es el más general, pudiendo proporcionar al menos una estimación aproximada para una amplia variedad de moléculas. [53]

Basado en fragmentos

El más común de estos utiliza un método de contribución de grupo y se denomina cLogP. Se ha demostrado que el log P de un compuesto se puede determinar por la suma de sus fragmentos moleculares no superpuestos (definidos como uno o más átomos unidos covalentemente entre sí dentro de la molécula). Los valores de log P fragmentarios se han determinado en un método estadístico análogo a los métodos atómicos (ajuste de mínimos cuadrados a un conjunto de entrenamiento). Además, se incluyen correcciones de tipo Hammett para tener en cuenta los efectos electrónicos y estéricos . Este método en general da mejores resultados que los métodos basados ​​en átomos, pero no se puede utilizar para predecir coeficientes de partición para moléculas que contienen grupos funcionales inusuales para los que el método aún no se ha parametrizado (muy probablemente debido a la falta de datos experimentales para moléculas que contienen tales grupos funcionales). [21] : 125ff  [23] : 1–193 

Basado en el conocimiento

Una predicción típica basada en minería de datos utiliza máquinas de vectores de soporte , [55] árboles de decisión o redes neuronales . [56] Este método suele ser muy exitoso para calcular valores de log P cuando se utiliza con compuestos que tienen estructuras químicas similares y valores de log P conocidos . Los enfoques de minería de moléculas aplican una predicción basada en matrices de similitud o un esquema de fragmentación automática en subestructuras moleculares. Además, también existen enfoques que utilizan búsquedas de subgrafos comunes máximos o núcleos de moléculas .

RegistroDdel registroPAGy pKa

Para los casos en que la molécula no está ionizada: [13] [14]

Para otros casos, la estimación de log D a un pH dado, a partir de log P y la fracción molar conocida de la forma no ionizada, , en el caso en que se puede descuidar la partición de las formas ionizadas en la fase no polar, se puede formular como [13] [14]

Las siguientes expresiones aproximadas son válidas sólo para ácidos y bases monopróticos : [13] [14]

Otras aproximaciones para cuando el compuesto está en gran parte ionizado: [13] [14]

Para la predicción de p K a , que a su vez se puede utilizar para estimar log  D , se han aplicado con frecuencia ecuaciones de tipo Hammett . [57] [58]

RegistroPAGdel registroS

Si se conoce o predice  la solubilidad, S , de un compuesto orgánico tanto en agua como en 1-octanol, entonces el log P se puede estimar como [46] [59]

Hay una variedad de enfoques para predecir solubilidades y, por lo tanto, log S. [ 60] [61]

Coeficiente de partición octanol-agua

El coeficiente de partición entre n -octanol y agua se conoce como coeficiente de partición n -octanol-agua o K ow . [62] También se lo conoce con frecuencia con el símbolo P, especialmente en la literatura inglesa. También se lo conoce como relación de partición n -octanol-agua . [63] [64] [65]

Kow , que es un tipo de coeficiente de partición, sirve como medida de la relación entre la lipofilicidad (solubilidad en grasas) y la hidrofilicidad (solubilidad en agua) de una sustancia. El valor es mayor que uno si una sustancia es más soluble en solventes similares a las grasas, como el n-octanol, y menor que uno si es más soluble en agua. [ cita requerida ]

Valores de ejemplo

Los valores de log Kow suelen oscilar entre -3 (muy hidrófilo) y +10 (extremadamente lipófilo/hidrófobo ) . [66]

Los valores que se enumeran aquí [67] están ordenados por coeficiente de partición. La acetamida es hidrófila y el 2,2′,4,4′,5-pentaclorobifenilo es lipófilo.

Véase también

Referencias

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