H + OH - Předpoklad: kyselá hydrolýza řízena výhradně stérickými vlivy (Taft) = log (k/k 0 ) A E S

Transkript

1 Polární konstanty v alifatických sloučeninách: R R R C + R C H + H - R C + Předpoklad: kyselá hydrolýza řízena výhradně stérickými vlivy (Taft) stérický vliv: H - H H 2 R H + H 2 s* = [log (k/k 0 ) B log (k/k 0 ) A ] / 2.48 (1) E S = log (k/k 0 ) A (2) Použití: omezené - vypočteny pouze pro hlavní substituenty (pro CH 3 = 0, pro H = 0.49, pro n-pr = -0.12, pro i-pr = 0.19, pro Cl = 2.68, pro H = 1.80, 1 halogeny, alkyly; n pro NH 2 ) - obvykle: substituce různými alkyly (malé rozdíly v hodnotách s*, interkorelace mezi s* a E S ) Častá kombinace elektronového, stérického a hyperkonjugačního efektu: log k (log(1/c) = rs* + de S + nh + const (3) h. empirická konstanta n.. počet H-atomů na a-c atomu

2 Experimentální fyzikálně chemické veličiny: - - pk hodnoty - rychlostní (rovnovážné) reakční konstanty - spektrální veličiny (IČ, NMR) Ideální případ: podobná povaha fyz.chemického a biologického procesu

3 Spektrální veličiny: Chemické posuny 15 N v NMR spektrech: Pro substance I: d N1 = ( 0.89) s d N2 = ( 0.51) s d N3 = ( 1.01) s Wilman D.E.V. in:qsar: Rational Approaches to Drug Design, p. 159, Elsevier, 1991 Chemické posuny 13 C v NMR spektrech: Blokátory dopamin D 2 receptorů: X X I N H 5-9 X = Me, Et, n-pr, n-bu, hal, Me, SMe, NH 2, N 2,S 2 NH 2 pk i = 0.254( 0.043) C ( 0.009) C ( 0.011) C ( 0.007) SMR 46.05( 7.95) n = 18, r = 0.948, s = 0.308, F 0.01 = 28 El Tayar N et al. In: QSAR: Rational Approaches to Drug Design, p. 163, Elsevier, 1991 N N N N

4 CDESSA PR project Cmprehensive DEscriptors for Structural and Statistical Analysis Deskriptory: a) konstituční (8) b) topologické (12) c) geometrické (8) d) elektrostatické (14) e) valenční (9) f) kvantově chemické (18) g) termodynamické (7) Metody: 1) multilineární regresní analýza 2) výběr descriptorů 3) multivariační metody (PCA, faktorová analýza, PLS regresní analýza) University of Florida,

5 Electrostatic Descriptors Gasteiger-Marsili empirical atomic partial charges Zefirov s empirical atomic partial charges Mulliken atomic partial charges Minimum (most negative) and maximum (most positive) atomic partial charges Polarity parameters Dipole moment Molecular polarizability, Molecular hyperpolarizability, Average ionization energy Minimum electrostatic potential at the molecular surface Maximum electrostatic potential at the molecular surface Local polarity of molecule Total variance of the surface electrostatic potential Electrostatic balance parameter

6 Valenční deskriptory Highest occupied molecular orbital (HM) energy Lowest occupied molecular orbital (LUM) energy Absolute hardness Activation hardness Fukui atomic nucleophilic reactivity index* Fukui atomic electrophilic reactivity index* Fukui atomic one-electron reactivity index* Mulliken bond orders Free valence *na základě výpočtu Fukuiho funkce (ab initio)

7 LEKCE 7 - lipofilní parametry, rozdělovací koeficient, experimentální stanov - lipofilita a disociace - parametrizace lipofility, logaritmus rozdělovacího koeficientu, parametry p, fragmentové konstanty f - výpočty log P fragmentovou metodou příklady - program KWWIN

8 Lipofilní parametry Lipofilita dominantní vlastnost bioaktivních látek - transport z místa podání na místo účinku - interakce s biomakromolekulou v místě účinku Schopnost látek rozpouštět se v olejích a tucích Lipofilní látky vzájemně interagují prostřednictvím disperzních sil; mají nízkou až žádnou schopnost tvorby H-vazeb Charakterizace: rozděl solutu mezi dvě rozpouštědla Kvantifikace: rozdělovacím koeficientem P = C(o) / C(w)

9 Vztah mezi P a termodynamickými veličinami (DG 0 ) DG 0 chem. potenciál m závisí na slož každé fáze (vyjádřeno mol.zlomkem x i ): m i = m 0 + RT ln x i (1) x i = C i. V 0 s (2) m i = m 0 + RT ln C i + RT ln V 0 s (3) v rovnováze: m o = m w (4) m o0 + RT ln C o + RT ln V o0 = m w0 + RT ln C w + RT ln V 0 w (5) log (C o /C w ) = log P = Dm 0 /2.3 RT + log (V w0 /V o0 ) (6) Termodynamická veličina (úměrná změně Gibbsovy energie): log P

10 Lipofilní parametry Experimentální stanov rozdělovacího koeficientu Nezbytné požadavky: a) vzájemné nasyc obou fází před stanovm b) čistota hodnocené látky c) čistota rozpouštědel d) vhodný poměr obou fází e) účinné protřepání obou fází a jejich odděl f) vysoká přesnost analytického stanov Poznámky: - vzájemná rozpustnost ovlivňuje vlastnosti obou fází (v 1 lt n-oktanolu se rozpustí 2.3 molu vody) - HPLC jako metoda první volby - spektrální čistota; čištění n-oktanolu: protřepat NaH, H 2 S 4, destilace přes kolonu - se stoupající lipofilitou látky snižovat objem organického rozpouštědla (nutný odhad lipofility) - pracovat se zředěnými roztoky ( mol.l -1 ); tvorba micel - doba třepání cca 30 min, odděl odstředěním (vznik emulzí) - analytické stanov: HPLC s UV detekcí

11 Standardizace stanov lipofility (P, n-oktanol voda) bioaktivních látek Pro některé účely (např. registrace aktivních farmaceutických substancí nebo environmentální a pracovní toxikologie, hodnoc permeability) je rozdělovací koeficient, resp. log P, důležitou fyzikálně chemickou veličinou Metoda třepáním standardizována pro stanov P v rámci ECD Guidelines of Testing Chemicals, Section I; ECD, Paris 1981 Pro látky s log P v rozmezí 2 až 4 pro vyšší log P vznik emulzí omezuje přesnost Vyvinuta metoda pomalého míchání až do log P cca 9; pracná a zdlouhavá, náročná analýza Woodhurne K.B. et al. Environ.Sci Technol. 1984, 18, 457 Pro lipofilní substance nepřímé stanov pomocí RP HPLC prostřednictvím lineárního vztahu: log P vs. log k standardizována ECD a US EPA (Environmental Protection Agency) Guidance for Testing of Chemicals, ECD 117, Paris, 2000 Product Properties Test Guidlines PPTS , US EPA, Washington D.C., 1996

12 Další experimentální metody: distribuce mezi polymérní fázi a rozpouštědlo Kong X.Q. et al. Anal.Chem. 2005, 77, 1275 založena na korelaci rozdělovacích koeficientů mezi polymérní fázi a rozpouštědlo log K p/s a log P o/w - platí v seriích podobných látek - polymérní fáze: polydimethylsiloxan ve formě disku - rozpouštědlo: methanol/voda Požadavky: rozpustit všechny hodnocené látky dostatečné rozmezí v absorpci látek na polymérní fázi Proved: po absorpční fázi (cca 48 h) jsou substance vymyty z polymérní fáze acetonem analytické stanov v acetonovém roztoku Rozdělovací koeficient látky P se vypočítá z rovnice : P = P St (A o /A Sto ) / (A w /A Stw ) (1) A o, A Sto, A w, A Stw plochy maxim v UV substance a standardu v polymérní a vodné fázi Metoda prověřena na substancích s P v rozmezí 0.01 až (log P: -2 až 4)

13 Současné stanov pk a lipofility gradientovou RP HPLC Wiczling P. et al. Anal.Chem. 2006, 78, 239 Princip: měř s mobilní fází methanol/pufr s koncentračním gradientem při různých hodnotách ph mobilní fáze Pro výpočet hodnot pk a lipofilních parametrů (log k w ) použity dva modely vypočtené hodnoty vzájemně korelují Výhody (autoři uvádějí): - velmi malé množství substance, - lze hodnotit směsi látek - pk hodnoty v rozmezí 3 10, lipofilní parametry v rozmezí 7 jednotek Nevýhody (autoři neuvádějí): - je nezbytná extrapolace na nulovou koncentraci modifikátoru (methanol) - žádoucí strukturní podobnost hodnocených látek 93 bazí a kyselin: kyseliny: pk a (chrom) = 0.94 pk a (lit) r = 0.962, s = (1) báze: pk a (chrom) = 0.95 pk a (lit) r = 0.959, s = (2)

14 Rozdělovací koeficienty disociujících látek: D = (1 - a) P (1) Pro kyseliny: D A = P / ( ph pk ) (2) Pro báze: D B = P / ( pk ph ) (3) log P = log D A + log ( ph pk ) = log D A + C D (4) log P = log D B + log ( pk ph ) = log D B + C D (5) Korekce C D závisí na pk a ph, resp. DpH: pro kyseliny: DpH = pk ph (6) pro báze: DpH = ph pk (7) DpH C D čím vyšší je záporné DpH tím vyšší je disociační stupeň a tím větší je rozdíl mezi log P a log D

15 Pravý rozdělovací koeficient: u bází. ph dostatečně vyšší než pk u kyselin ph dostatečně nižší než pk (viz obr.) DpH > 2 Pokud DpH 0.5: podílí se i ionizovaná forma na mezifázové distribuci Viz: log P n (benzoová kyselina) = 1.81 log P i (benzoátový anion) = P i /P n D = (1 - a)p n + ap i D A = (P n. 10 pk ) / (10 pk + 10 ph ) + (P i. 10 ph ) / (10 pk + 10 ph ) D B = (P n. 10 ph ) / (10 pk + 10 ph ) + (P i. 10 pk ) / (10 pk + 10 ph ) Možnost stanov log P a pk současně (především u kyselin) pozor na slož pufru; možnost tvorby iontových párů nejvhodnější: fosfátové pufry

16 Závislost log P na ph

17 Rozdělovací koeficient v různých soustavách rganická fáze rozdílný charakter solvatačních sil při rozpouštění solutu hydrofobní interakce, disperzní síly, vodíkové vazby (slabé interakce) - různá koncentrace vody v nasyceném stavu - rozdílné změny entropie při změně uspořádání molekul vody - rozdílné interakce: týkají se celé molekuly solutu především polárních a hlavně hydrofilních skupin Volba vhodné organické fáze (simulující organickou biofázi) rganická biofáze: obsahuje NH a H skupiny vysoké nasyc vodou Vyšší alkohol simuluje organickou biofázi, jako referentní zvolena soustava: n-oktanol - voda Je možné převést log P z jiné soustavy do soustavy n-oktanol voda?

18 Vztah mezi různými soustavami Collanderova rovnice log P 1 = a.log P 2 + b (1) Další příklad platnosti LFER (s omezmi) rozhodující vlastnosti organické fáze pro solvataci: polarita (schopnost tvorby H-vazeb) množství vody při nasyc (mol.l -1 ) (míra lipofility A. Leo) n-butanol 9.44 n-oktanol 2.30 ether 0.69 chloroform benzen n-heptan Rozhodující podmínka pro platnost lineárního vztahu: Je zřejmá z celkové změny chem.potenciálu (Gibbsovy energie) při přechodu m lipofilních a n hydrofilních částí molekuly z jedné do druhé fáze: Dm 0 = m. Dm 0 L + n. Dm0 H (2) a) změny v solvataci lipofilních a hydrofilních částí jsou úměrné možné, když solvatační síly v obou organických fázích podobné b) hydrofilní strukturní změny v celé serii látek jsou konstantní

19 Ad a) lineární vztahy mezi log P v podobných soustavách s méně lipofilní org.fází prokázány: log P a = log P log P b = log P log P c = log P log P d = log P a n-butanol, b ethylacetát, c 4-methyl-2-pentanon, d 9-oktadecen-1-ol Ad b) lineární vztahy mezi log P a log P x v soustavách s lipofilní org.fází: nezbytné minimálně rozděl na donory a akceptory H ether donory: log P eth = log P (1) -akceptory: log P eth = log P (2) benzen donory: log P ben = log P (3) -akceptory: log P ben = log P (4) xylen -donory: log P xyl = log P (5) -akceptory: log P xyl = log P (6) lépe: pouze jeden typ hydrofilní funkční skupiny

20 Aditivně-konstitutivní charakter log P Termodynamický základ: Dm 0 = Sn i. Dm 0 (X i ) + Dm 0 (Z) (1) Hansch & Fujita (1964): p = log P(X) log P(H) n uvažována lipofilita H-atomu log P nelze vypočítat jako součet p: log P Sp i ale pouze jako: log P R-X,Y,Z = log P RH + Sp X,Y,Z (2) Příklad: kyselina 4-chlorbenzoová (log P = 2.65) log P = log P (kys.benzoová) + p 4-Cl = = 2.58 (3) = log P (benzen) + p CH + p 4-Cl = = 2.52 (4) a nikoliv: log P = p fenyl + p Cl + p CH = = 2.30 (5) Zanedbány vzájemné interakce substituent zbytek molekuly; důsledky: a) různé soubory parametrů p b) použití nevhodných parametrů falešná závislost na elektronových parametrech

21 Ad a) podle charakteru stabilní funkční skupiny (benzoové kyseliny, fenylalkanové kyseliny, fenoly, aniliny Nyní redukováno na dva pro aniliny a fenoly (p - ), pro ostatní funkční deriváty s min. vlivem na p-elektrony aromatického jádra (p); rozliš dle polohy. Jednotný soubor nejrozsáhlejší (statist.zpracování dostupných log P) Hansch, Leo, Hoeckman: Exploring QSAR, ACS Publ., Washington, DC, 1995 Ad b) rozdíl v parametrech p pro stejný substituent závisí převážně na polárních interakcích s funkční skupinou: Praktické využití parametrů p: Dp = p fenol - p benzen = 0.82 s (1) - především pro aromatické substituenty - v heterocyklických sloučeninách speciální soubory, exp. log P, chromatografické veličiny - alifatické sloučeniny inkrementy pro CH 3, CH 2, CH, násobné vazby, rozvětv - pro funkční skupiny se nepodařilo aplikovat

22 Univerzální metodika výpočtu log P fragmentové metody: - - uvažována lipofilita vodíku - - obecné použití pro všechny typy struktur rozhoduje statistická relevance výchozí databáze - - dva přístupy: reduktivní a konstruktivní Rekker Nyss (1972): log P = S a n. f n f fragmentová konstanta, příspěvek fragmentu k lipofilitě molekuly a kolikrát je fragment přítomen Výpočet ze složitých molekul reduktivní přístup Fragmentové konstanty: - - části alifatických řetězců (CH 3, CH 2, CH) - - aromatické cykly (C 6 H 5, C 6 H 4..) - - substituenty aromatické, alifatické - - heterocyklické fragmenty - - korekční členy (např. proximity effect hydrofilních skupin, hodnoty pro C mezi fenyly, v kondenzovaných kruzích)

23 Leo Hansch (1975): Log P = S a n. f n + S b m. F m F.. fragmentový faktor b.. kolikrát je fragmentový faktor uplatněn Výpočet od jednoduchých molekul ke složitým konstruktivní přístup Fragmentové konstanty: pro: aromatické substituenty. f alifatické substituenty. f mezi fenyly f na benzylu f 1R připoj z opačné strany.. f 1/ (např. -CNH-) pro heterocyklické fragmenty Rovněž uvažován vliv konjugace: - konjugace s aromatickým jádrem (styrenová struktura). f 2 /3 - konjugace na dvojné vazbě (vinylová struktura).. f /3 Příklad: -CH ( = : 3 = f f /3 f 2 /3 f Vztahy mezi f a p: f(x) = p(x) + f(h) (1) p = f LH (2) Pozor při použití f konstant u fenolů a anilinů: p - = f LH s (3)

24 Fragmentové faktory: a) změny v uhlíkatém řetězci b) intramolekulové interakce mezi fragmenty H-fragmenty schopné účasti na H-vazbách (donory, akceptory) S-fragmenty silně přitahující elektrony, neúčastní se H-vazeb 1. S-S interakce při vícenásobné halogenaci -geminální F mhg ; vicinální F mhv polarizace vazby C-X snižuje lipofilitu, při polysubstituci vzájemné stínění zvýš lipofility 2. S-H interakce mezi halogeny a H-fragmenty (F S/H ) rozhoduje počet atomů X a povaha H-fragmentu polarita vazby C-X snižuje hydrofilní charakter H-fragmentu (snížená interakce s molekulami vody) zvýš lipofility

25 3. H-H interakce mezi H-fragmenty v alifatickém řetězci, v cyklu, v heterocyklu (F P, F c P, F P ) závisí na vzájemné poloze fragmentů (1,1; 1,2; 1,3) a charakteru H-fragmentu F P = -x. (f 1 + f 2 ) a) vzájemný překryv hydratačních obalů obou fragmentů b) zvýš zisku entropie ve srovnání s oddělenými H-fragmenty (H-fragmenty snižují uspořádání molekul vody v sousední hydrofobní oblasti sníž zisku entropie; při dvou H-fragmentech v sousedství je sníž zisku entropie menší zvýš lipofility) celkově: zvýš lipofility Nelze je použít pro orto-substituenty v aromat.sloučeninách

26 Přítomnost dvojné vazby: Výpočty log P fragmentovou metodou (fragmentové konstanty a faktory skripta str ) Hansch: 2.f(CH 3 ) + 2.f(CH 2 ) + F= + 2 F b = = 2.31 Rekker: 2.f(CH 3 ) + 2.f(CH) = = 2.08 Kowwin: 2.09 Rozvětv k polární skupině: H log P exp = 0.89 Hansch: 3.f(CH 3 ) + f(ch 2 ) + f(c) + f(h) + (5-1) F b + F gbr + F cbr = = 3x x = 1.06 (opravit ve skriptech) Rekker: 3x = 1.33 Přítomnost cyklu: N H log P exp = 2.33 log P exp = 2.29 Hansch: f(c 6 H 4 ) + f(nh arom) + 3.f(CH 2 ) + (5-1) F br = = 2.26 Rekker: f(c 6 H 4 ) + f F (NH) + 3.f(CH 2 ) = = 2.36

27 H/H interakce skupin v geminální poloze: (opravit ve skriptech) H log P exp = 0.56 Hansch: f(c 6 H 5 ) + f(ch) + f 1R (CH) + f 1R (H) + 2 F b + F gbr [f 1R (CH) + f 1R (H)] = = x2.37 = 0.50 Rekker: f(c 6 H 5 ) + f(ch) + f(ch) + f(h) +p.e.1 = 0.66 H H log P exp = 1.26 Hansch: f(c 6 H 5 ) + f (--) + f(ch 2 ) + f(ch) + 2 F b [f (--) + f(ch)] = = = 1.32 Rekker: f(c 6 H 5 ) + f (--) + f(ch 2 ) + f(ch) + p.e.1 = = = 1.83

28 H/H interakce skupin ve vicinální poloze: (opravit ve skriptech) H H N log P exp = 0.93 efedrin Hansch: f(c 6 H 5 ) + 2 f(ch) + 2 f(ch 3 ) + f 1R (H) + f(nh) [f 1R (H) + f(nh)] + (6-1) F b + 2 F gbr = = = 0.92 Rekker: f(c 6 H 5 ) + f F (CH) + f(ch) + 2.f(CH 3 ) + f(h) + f(nh) + p.e.2 = = = 1.03 S/S interakce vicinálních a geminálních halogenů: F F F Br Cl log P exp = 2.30 Hansch: f(cl) + f(br) + f(ch) + f(c) + 3.f(F) + 5 F b + F mhg2 + F mhg3 + F mhv5 = = x(-0.38) x x (5-1)x0.28 = 2.46

29 p el / H interakce: H log P exp = 2.50 Hansch: f(c 6 H 5 ) + f(ch 2 ) + f(ch) + f(ch 3 ) + F = + (4-1) F b + f 2/3( )( CH) + F gbr = = = 2.49 oprava ve skriptech Hansch: f(ch 3 ) + 2f(CH 2 ) + f(ch) F/3 + 2F b + F =F = = 0.67 Kowwin: 0.85 N 2 log P exp = 2.24 Hansch: f(c 6 H 5 ) + 2f(CH 2 ) + f(n 2 ) 2 /3 2F b + F = = = 2.16 H log P exp = 0.72

30 Heterocyklické fragmentové konstanty: (sulfamethoxazol, fluorouracil) H 2 N Hansch: f(c 6 H 5 ) + f(nh 2 ) + f(s 2 NH) + 2 f(c) + f(ch) + f(ch 3 ) + f() + f(-n=) (f(s 2 NH) + f(-n=)) = = = 0.81 log P kowwin = 0.48 H N H N F log P exp = Hansch: f(-n=c-n=) + 2 f(h) 2 f (C) + f(ch) + f(f) (f(-n=c-n=) + f(h) ) = = = log P kowwin = 0.68 S N H N log P exp = 0.88

31 Použití log P fragmentu ve výpočtu: (v publikacích bohužel zavrhována) log P (exp) = 3.82 log P (Kowwin) = 4.65 F F F fluoxetin log P (modif) = log P (trifluormethylbenzen) f (H) + f (Ph) + f (Me) + 2x f (CH 2 ) + f (CH) + f (--) + f (-NH-) + 6x F b + F gbr (f (--) + f (-NH-)) = = = 3.90 log P (H+L) = 3.90 f(ph) + f (CF 3 ) = 3.01 H N

32 FLUXETIN H N F F F Log Kow(version 1.63 estimate): 4.65 Experimental Database Structure Match: Exp Log P: 3.82 Exp Ref : BioByte; 1995 Exp Log P: 4.05 Exp Ref : Adlard,M et al; 1995 SMILES : CNCCC(c2ccccc2)c1ccc(cc1)C(F)(F)F CHEM : C:\EST\KUCHAR\FLUXE~1.CHM ML FR: C17 H18 F3 N1 1 ML WT : TYPE NUM LGKW FRAGMENT DESCRIPTIN CEFF VALUE Frag 1 -CH3 [aliphatic carbon] Frag 2 -CH2- [aliphatic carbon] Frag 1 -CH [aliphatic carbon] Frag 1 C [aliphatic carbon - No H, not tert] Frag 1 -NH- [aliphatic attach] Frag 3 -F [fluorine, aliphatic attach] Frag 12 Aromatic Carbon Frag 1 -- [oxygen, one aromatic attach] Const Equation Constant Log Kow =

33 Použití log P fragmentu ve výpočtu: Úloha: N S omeprazol log P(exp) = 2.23 log P(kowwin) = 3.40 log P = log P (benzimidazol) + log P (4-methoxypyridin) + 3x f(ch 3 ) 5x f(h)+ f(ch 2 ) + f(s=) + f(--) + 4x F b 0.42x (f(s=) + f(-n=ch-nh-) = = = 2.52 vypočítat log P (H+L) H N N

34 Příklad výpočtu log P (Program KWWIN) N-(4-BRMFENYL)SUKCINIMID Br Log Kow(version 1.63 estimate): 1.05 Experimental Database Structure Match: CAS Num : Exp Log P: 1.18 Exp Ref : Hansch & Leo, 1985 SMILES : Brc2ccc(cc2)N1C(=)CCC1(=) ML FR: C10 H8 Br1 N1 2 ML WT : TYPE NUM LGKW FRAGMENT DESCRIPTIN CEFF VALUE Frag 2 -CH2- [aliphatic carbon] Frag 6 Aromatic Carbon Frag 1 -Br [bromine, aromatic attach] Frag 1 -N [aliphatic N, one aromatic attach] Frag 2 -C(=)N [aliphatic attach] Factor 1 N-aromatic -C-N-C- structure correction Factor 1 -C-N-C- 5-member ring [not pyrroledione] Const Equation Constant Log Kow = log P = log P (sukciimid) + f(f) + f(c 6 H 4 ) = = = 1.06 log P H+L = 0.59 N