1

FIZIČKO-HEMIJSKA

KARAKTERIZACIJA LEKOVA

FIZIFIZIČČKOKO--HEMIJSKA HEMIJSKA

KARAKTERIZACIJA LEKOVAKARAKTERIZACIJA LEKOVA

LEK → CILJNO MESTO DEJSTVA

Lipoproteinskamembrana

Plazma

Nejonizovani lek

↑↓

Jonizovani lek

→→→→ →→→→ →→→→ →→→→ →→→→ →→→→ →→→→ →→→→ →→→→←←←←← ←←←← ←←←← ←←←← ←←←← ←←←← ←←←← ←←←←

Nejonizovani lek

↑↓

Jonizovani lek

krvotok

Rastvorljivost

LipofilnostStepen jonizacije

CILJNO MESTO

LEK

2

KONCENTRACIJA LEKA NA CILJNOM MESTU

Šta može da utiče na koncentraciju leka (aktivnost) na ciljnom mestu?

• RESORPCIJA: uglavnom rastvoreni i neutralni lekovi prolaze kroz lipidne barijere

• KONCENTRACIJA SLOBODNOG LEKA U PLAZMI: lekovi u anjonskom obliku mogu da se vezuju za proteine plazmelekovi u katjonskom obliku mogu da se vežu za nukleinske kiseline

• DEPONOVANJE LEKA: veoma lipofilni lekovi mogu biti deponovani u masnom tkivu

• ELIMINACIJA LEKApolarni lekovi se lako izlučuju preko bubrega

FIZIČKO-HEMIJSKA KARAKTERIZACIJA LEKOVA

Šta je, pored aktivnosti, od značaja za lek?

RASTVORLJIVOST u vodi (lek treba da bude rastvoren u gastrointestinalnom traktu (GIT-u) i krvnoj plazmi)

LIPOFILNOST(lek treba da prolazi kroz lipidne barijere)

STEPEN JONIZACIJE(nejonizovani oblik leka prolazi kroz ćelijsku membranu)

HEMIJSKA I METABOLIČKA STABILNOST(otpornost na degradaciju leka usled niske pH u stomaku i prisustvaenzima)

3

JONIZACIJA LEKOVA

-većina lekova su slabe kiseline ili slabe baze

-ravnoteža jonizovanog i nejonizovanog oblika slabih kiselina i baza u vodenim rastvorima

HA H+ + A- B + H+ BH+

HA - nejonizovani oblik leka (kiseline)

A- - jonizovani oblik leka (kiseline)

B - nejonizovani oblik leka (baze)

BH+ - jonizovani oblik leka (baze)

STEPEN JONIZACIJE LEKA U F-JI pH RASTVORA

lekovi - slabe kiseline: lekovi - slabe baze:

ZNAČAJ ODREðIVANJA STEPENA JONIZACIJE LEKOVA

• nejonizovani oblik leka prolazi lipidne membrane• jonizovani oblik leka je rastvorljiviji• lekovi u anjonskom obliku mogu da se vezuju za proteine plazme• lekovi u katjonskom obliku mogu da se vežu za nukleinske kiseline

4

KISELE FUNKCIONALNE GRUPE KOJE JONIZUJU

fenol (9-11)

sulfonamid (9-10 )

imid (9-10)

alkiltiol (10-11 )

tiofenol (9-10)

N-arilsulfonamid (6-7)

sulfonomid (5-6)

alkilkarboksilna kiselina (5-6)

arilkarboksilna kiselina (4-5)

sulfonska kiselina (0-1)

fenolat

sulfonamidat

imidat

tiolat

tiofenolat

N-arilsulfonamidat

sulfonimidat

arilkarboksilat

alkilkarboksilat

sulfonat

BAZNE FUNKCIONALNE GRUPE KOJE JONIZUJU

arilamin (9-11)

aromati čni amin (5-6)

imin (3-4)

alkilamin 2°(10-11)

3°(9-10)

amidin (10-11)

gvanidin (12-13)

aril amonijum

aromati čni amonijum

iminijum

alkilamonijum

amidinijum

gvanidinijum

5

FUNKCIONALNE GRUPE KOJE SU NEUTRALNE

(POD FIZIOLOŠKIM USLOVIMA)

alkil alkohol etar estar estar sulfonskekiseline

amid diarilamin nitril kvaternarniamonijum

amino oksid keton & aldehid tioetar sulfoksid sulfon

HENDERSON-HASSELBALCH-ova JEDNAČINA

][BH][B][H

Ka +

+

=

Baze (konjugovane kiseline)

[ ]HA]A[]H[

K-

a

+

=

Kiseline

HA ⇔ H+ + A– BH+ ⇔ B + H+

pKa = -log10Ka

[ ][ ]B

BHpHpKa

+

+= log[ ][ ]−+=A

HApHpKa log

pKa + pKb = 14

H-H jednačina za kiseline H-H jednačina za baze

jačina kiseline↑ Ka↑jačina baze↑ Ka↓

Ka konjugovane kiseline

6

pKa

[ ][ ]−+=A

HApHpKa log

pKa vrednost - pH na kojoj je 50% molekula jonizovano

[HA] = [A-], ili [BH+] = [B],

pKa = pH

[ ][ ]B

BHpHpKa

+

+= log

JONIZACIJA MONOPROTONSKIH BAZA

O

NH2+

HO

H3C

H3C

O

NH

HO

H3C

H3C

Propranolol (konjugovana kiselina) pKa = 9.53

BH+B

OH-

H+

Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikapropranolola

www.sirius-analytical.com

BBH+

7

JONIZACIJA MONOPROTONSKIH KISELINA

N

O OH

O

CH3

F

N

O O-

O

CH3

F

Flumehin (kiselina) pKa = 6.27

HA A-

OH-

H+

Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikaflumehina

www.sirius-analytical.com

HA A -

JONIZACIJA CVITERJONA

NH3+

O

NH

N

O

H

H

S

CH3 CH3

COOH

NH3+

O

NH

N

O

H

H

S

CH3 CH3

COO-

NH2O

NH

N

O

H

H

S

CH3 CH3

COO-

X-

Ampicilin (cviterjon)

pKas = 7.14, 2.55

X-XH±XH2+

⇔ ⇔

Raspodela jonizovanih oblika ampicilinaPrimer: amino kiseline

XH2+ XH±

www.sirius-analytical.com

8

JONIZACIJA AMFOLITA

O

HO

HO

H

NH+

CH3

XH2+

O

HO

HO

H

N

CH3

XH0

O

HO

O-

H

N

CH3

X–

Morfin (amfolit)

pKas = 9.26, 8.17 XH2+

XH0

X-

⇔ ⇔

Raspodela jonizovanih i nejonizovanog oblikamorfina

www.sirius-analytical.com

pKa

• pKa vrednost predstavlja jačinu kiselina ili baza

• na osnovu pKa vrednosti ne može se zaključiti da li je jedinjenje kiselina ili baza

• na osnovu poznate pKa vrednosti može se izračunati pH vodenog rastvora kiseline ili baze

[ ][ ]++=BH

BpKapH log[ ]

[ ]AH

ApKapH

−

+= log

za kiseline za baze

9

KiselineAspirin 3.5 Paracetamol 9.5Fenobarbiton 7.4

BazeKokain 8.6Diazepam 3.3 Difenilhidramin 9.0

AmfolitiMorfin 8.0 (amin) i 9.9 (fenol) Adrenalin 8.7 (amin) i 10.2 i 12.0 (fenol)

Jedinjenje pKa vrednost

POREðENJE JAČINA KISELINA

1. pKa (CH3COOH) = 4.7

2. pKa (ClCH2COOH) = 2.7Koja kiselina je jača?

Koliko puta?

pKa(2) – pKa (1) = 2.7 - 4.7 = -2

pKa = -logKa, antilog 2 = 100Kiselina 2 je 100 puta jača od kiseline 1

10

JONIZACIJA LEKA U FIZIOLOŠKIM USLOVIMA

želudac0.1 m2

Dvanaestopala čno crevo0.1 m2

jejunum60 m2

ileum60 m2

Debelo crevo0.3 m2

pH (prazan)

4.6 (2.4 - 6.8)

6.1 (5.8 - 6.2)

1.7 (1.4 -2.1h)

6.5 (6.0 - 7.0)

6.5

8.05.0 - 8.0

pH (pun)

5.0 (0.1 h)

4.5 - 5.5 (1 h)

4.7 (2 h)

3-4 sata prolaska kroz tanko crevo

•••• želudac (pH 1-2) apsorbuju se slabe kiseline•••• tanko crevo (6-7) apsorbuju se slabe baze

•••• plazma (pH 7.4 (jonizovani oblik leka u vezanom obliku)

PREDVIðANJE STEPENA JONIZACIJE U F-JI pH ZA SLABE KISELINE

pH = pKa (oko 50% molekula je jonizovano)

pH = pKa + 1 (oko 90% molekula je jonizovano)

pH = pKa + 2 (oko 99% molekula je jonizovano)

pH = pKa + 3 (oko 99.9% molekula je jonizovano)

pH = pKa + 4 (oko 99.99% molekula je jonizovano)

11

PREDVIðANJE STEPENA JONIZACIJE U F-JI pH ZA SLABE BAZE

pH = pKa (oko 50% molekula je jonizovano)

pH = pKa - 1 (oko 90% molekula je jonizovano)

pH = pKa - 2 (oko 99% molekula je jonizovano)

pH = pKa - 3 (oko 99.9% molekula je jonizovano)

pH = pKa - 4 (oko 99.99% molekula je jonizovano)

ODREðIVANJE STEPENA JONIZACIJE LEKA

[ ][ ]−+=A

HApHpKa log [ ]

[ ]B

BHpHpKa

+

+= log

pH – pKa= log[A-]/[HA]

10pH-pka = 10log[A-]/[HA] = [A-]/[HA]

[HA]/[A-] = 10pKa-pH → [HA]

%jonizacije = [A-]/ [A-]+[HA] x 100

pH – pKa= log[B]/[BH+]

10pH-pka = 10log[B]/[BH+] = [B]/[BH+]

[B]/[BH+] = 10pH-pKa → [B]

%jonizacije = [BH+]/ [B]+[BH+] x 100

% jonizacije = 100 / 1 + 10pKa – pH

za kiseline

% jonizacije = 100 / 1 + 10pH-pKa

za baze

12

Primer: pentobarbiton u plazmi

NH

NH

O

O

O

C2H5

C5H11

←←←←

←←←←

Izračunati procenat doze pentobarbitona koji će biti jonizovan u plazmi, pH 7.4.

%jonizovanog oblika na pH 7.4 = 20.1%

% nejonizovanog oblika na pH 7.4 = 79.9%

pKa = 8.0 % jonizacije = 100 / 1 + 10pKa – pH

za kiseline

% jonizacije = 100 / 1 + 108.0 – 7.4

= 100 / 1 + 100.6

= 100 / 1 + 3.98 = 100 /4.98 = 20.1%

Primer: aspirin u GIT-u

COO-

OCOCH3

COOH

OCOCH3

⇔

nejonizovan jonizovan

želudačni sok (pH=2) 96.9% 3.1%

tanko crevo (pH=6) 0.3% 99.7%

debelo crevo (pH=8) 0.0% 100%

pKa = 3.5

% jonizacije = 100 / 1 + 10pKa – pH

za kiseline

13

UTICAJ ELEKTRONSKIH EFEKATA NA pKa

-grupe koje su akceptori elektrona smanjuju pKa vrednosti kiselina i baza tj. povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza

pKa = 4.54 na 25°C i 0.15M I (jonske jačine)

pKa = 0.32 na 25° C i 0.15M I

O

OHCH3

F

F

F

O

OH

Grupe koje su AKCEPTORI elektrona:+NR3, NO2, SO2R, CN, F, Cl, Br, I, CF3, COX (X=OH, NH2, OR), COR, OR, SR, NH2, C6H5, R=alkil

-grupe koje su donori elektrona povećavaju pKa vrednosti kiselina i baza, tj. smanjuju jačinu kiselina i povećavaju jačinu baza

O

OHCH3 pKa = 4.54 na 25°C i 0.15M I

pKa = 4.83 na 25°C i 0.15M I

O

OH

CH3

CH3CH3

Grupe koje su DONORI elektrona:COO-, O-, NH-, alkil

UTICAJ ELEKTRONSKIH EFEKATA NA pKa

14

CH3CH2CH2 COOH

COOHCH2CH

Cl

CH3

COOHCH

Cl

CH3CH2

COOHCH2CH2CH2

Cl

COOHH

COOHCH3

COOHCH3CH2

COOHCH3CH2CH2

COOHCCH3

CH3

CH3

pKa

3.75

4.75

4.87

4.81

5.02

4.8

4.5

4.0

2.9

rastojanje

UTICAJ INDUKTIVNOG EFEKTA NA pKa

pKa+I -I

veličina radikala

UTICAJ MEZOMERNOG EFEKTA NA pKa

-grupe koje ispoljavaju negativni mezomerni efekat smanjuju pKavrednosti kiselina i baza, tj. povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza

OH

pKa = 9.80 na 25°C i 0.15M I

pKa = 6.97 na 25°C i 0.15M I

N+

O-

O

OH

mezomerni efekat : dvostruke veze u konjugaciji sa jonizujućim centrom

Grupe koje ispoljavaju (–) mezomernim efekat:NO2, CN, COR, SO2R

15

PRIMENA pKa VREDNOSTI

● predviñanje APSORPCIJE, DISTRIBUCIJE i ELIMINACIJElekova

● REGULISANJE reapsorpcije ili izlučivanja leka iz organizmapodešavanje pH urina (5.7 –5.8), npr. oralnim dozama NH4Cl ili NaHCO3) da bi se:-postigla reapsorpcija nejonizovane molekule za terapeutske

svrhe-olakšalo izlučivanje jonizovanog oblika molekula u slučajevima

intoksikacije (slabe kiseline mogu da se izluče u alkalnom urinu, slabe baze mogu da se eliminišu u kiselom urinu)

● maksimiziranje proizvoda reakcije ili proizvoda sinteze

Literatura

• Graham L. PatrickAn Introduction to Medicinal ChemistryOxford University Press, second edition, 2001.

• Donald CairnsEssentials of Pharmaceutical ChemistryPharmaceutical Press, 2002.

● Thomas L. LemkeReview of Organic Functional Groups, Introduction to Medicinal Organic Chemistry, Lippincott Williams & Wilkins, 2003.

• Sirius Analytical Instruments Ltd.www.sirius-analytical.com

● Gareth Thomas Medicinal Chemistry, An Introduction, John Wiley & Sons, Ltd, 2002.