Значение коэффициента распределения

Коэффициенты распределения привлекли внимание ученых •после того, как в начале столетия Overton, Н. Meyer при изу­чении наркотических свойств химических соединений разных классов обнаружили корреляцию между наркотическим дейст­вием и тенденцией веществ в системе масло — вода распреде­ляться преимущественно в липидном слое.

Затем интерес к коэффициенту распределения несколько угас, но возрос вновь в начале 60-х годов, когда работами группы Хэнша (Калифорния) было показано, что зависимость между коэффициентом распределения и биологическим действием мо­жет носить параболический характер, и, следовательно, после .достижения оптимума липофильности дальнейшее ее повыше­ние приводит к снижению биологической активности вещества [Hansch, Fujita, 1964; Hansch, 1971]. Более того, в этих работах подчеркивалось, что независимо от того, электронные или сте­хиометрические свойства вещества обусловливают его биологи­ческую активность, коэффициент распределения всегда имеет большее значение для доставки лекарственного вещества к месту действия. Даже если коэффициент распределения иг­рает второстепенную роль, им не следует пренебрегать, так как соблюдение определенного баланса между липофильными и гид­рофильными свойствами лекарственных веществ обеспечивает их доставку к рецептору.

Анализируя опубликованные данные по биодепрессантам, Хэнш совместно с сотрудниками вывели следующее регрессион­ное уравнение, адекватно описывающее экспериментальные данные (квадратичность свидетельствует о параболическом виде зависимости):

log 1/C=k(log Р) —k'flogPj’+k",

где С — это концентрация препарата, вызывающая стандартный биологический ответ, Р — коэффициент распределения, к, к' и

к" — константы, рассчитанные методом наименьших квадратов- для достижения лучшей аппроксимации с экспериментальными данными [Hansch et al., 1968; Hansch, Anderson, 1967].

"Для лекарственных веществ, не относящихся к классу биоде­прессантов, при проведении множественного регрессионного- анализа в вышеуказанное уравнение обязательно вводят один или более дескрипторов (таких как электронные или стериче- ские константы) (см. главу 16 и работы Hansch, 1968, 1971).

А. Методы и растворители. Для определения коэффициента распределения обычно используют метод интенсивного встряхи­вания двух несмешивающихся растворителей (разд. 17.1). Не­

которые авторы используют хорошо коррелирующие с log Р коэффициенты удерживания, получаемые для веществ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [Konemann et al., 1979; Mirlees et al., 1976].

В поисках идеального растворителя для определения коэф­фициента распределения Meyer, Hemmi (1935) заменили тради­ционное оливковое масло олеиловым спиртом, считая, что его- свойства близки к таковым компонентов природных мембран. С современной точки зрения, у этого спирта по сравнению с маслом лучшее соотношение гидрофильных и липофильных свойств, а наличие гидроксильной группы придает способность к образованию водородных связей. Большое число неводных фаз исследовал Collander (1933, 1937, 1947, 1954). Он устано­вил, что существует линейная зависимость между логарифмами коэффициентов распределения органических веществ в двух различных парах растворителей (один из которых всегда вода):

где Р и Р⁷— коэффициенты распределения одного вещества в двух разных парах растворителей, а и b — константы.

Если для октанола принять а = 1, то для хлороформа и эфи­ра ее величина равна 1,13, для бутанола 0,7, а для большин­ства других растворителей величины а лежат между этими зна­чениями.

Значение константы b меняется в более широких пределах: для октанола она равна 0, гептана —2,85, хлороформа —1,34, олеилового спирта —0,58, эфира —0,17 и +0,87 для циклогек- -санола. Для вещества с Р = 2 в системе октанол — вода при за­мене октанола гексаном Р становится равным —0,14.

Исключение из этого правила представляют собой те случаи, когда растворенное вещество способно образовывать водород­ные связи только с одним из двух органических растворителей. Так, например, фенол образует водородные связи с олеиловым спиртом, но не с додеканом [Burton, Clarke, Gray, 1964]. Ана­логично карбоновые кислоты образуют димеры в углеводоро­дах, но не образуют таковые в водных спиртах [Biagi et al., 1974].

Выбор октан-1-ола в качестве стандартного неводного рас- ворителя обусловлен относительной простотой обращения с ним, сравнительно редкими аномалиями результатов и близ­кой дискриминирующей способностью ооктанола и некоторых лриродных мембран. Типичные значения Роктаиола для ряда ве­ществ: бензол 2,13 (±0,01), нитробензол 1,85, анилин 0,90, фе­нол 1,46, бензиловый спирт 1,10. В работе Leo, Hansch, Elkins (1971) представлена таблица, содержащая 5806 эксперимен­тально определенных значений коэффициента распределения для различных органических растворителей. Однако октанол считается универсальным растворителем для определения ко­эффициента распределения.

Изменение температуры (например, на 5 °С) мало влияет на коэффициент распределения. При значении Р около 4 оп­ределение коэффициента распределения методом встряхивания дает недостоверные результаты и в этом случае следует исполь­зовать хроматографический метод или рассчитать коэффициент распределения по фрагментарным константам Реккера (см.

В ряду общих анестетиков и наркотических веществ для млекопитающих максимальный биологический эффект достига­ется при значении log Р 2,0 (см. табл. 15.1).

Б. log Р и регрессионные уравнения. Решение регрессионных уравнений дает значения трех коэффициентов к, к' и к". Их получают, используя для решения этих уравнений только поло­вину данных. Затем полученные решения проверяют, подстав­ляя в эти уравнения вторую половину данных и используя зна­чения трех коэффициентов к, к' и к", вычисленные по первой половине данных. При этом коэффициент корреляции г, рассчи­танный по второй части результатов, не должен заметно отли­чаться от 1,0.

Для получения статистически достоверных значений коэф­фициентов при расчетах следует использовать данные не менее чем по пяти соединениям. Уравнение

•96

в котором используется один дескриптор (log Р), содержит три коэффициента, которые и следует найти. Это значит, что выбор­ка должна содержать 15 соединений для экспериментального и 15 — для исходного рядов.

В ряде случаев могут быть получены результаты, для опи­сания которых член регрессионного уравнения (log Р)² не ну­жен. Это может означать, что в эксперименте были использова­ны только соединения с низкими значениями log Р; поэтому начальная ветвь параболы аппроксимируется к прямой линии. В модельных экспериментах, проведенных на рыбах, при оцен­ке воздействия промышленных выбросов в озера наблюдали линейную корреляцию токсичности (наркотического действия) с log Р. В одном из таких экспериментов использовали 50 ток­сических агентов алифатических и ароматических углеводоро­дов, включая соединения, содержащие хлор, гидрокси- и алкок­сигруппы и незамещенные соединения. Наркотическое действие коррелировало с log Р в интервале log Р от —1,3 до 6,4 (окта- нол — вода), при этом коэффициент корреляции был необычай­но высок: 0,988 [Konemann, 1981].

В.

Это уравнение составлено для некоего вещества В, протонирую- щегося в катион (ВН+); оно может быть легко превращено в соответствующее уравнение для веществ, ионизирующихся с образованием аниона. В этом уравнении концентрация катио­нов в октаноле [ВН+]₀ обычно столь мала, что ею можно пре­небречь, но она становится значимой для лекарственных ве­ществ, в молекулы которых вводится липофильная боковая цепь, так как катион, образующийся при этом, липофилен.

При ионизации соединения его липофильность уменьшается примерно в 10 000 раз [Hansch, Leo et al., 1973]. Если ион и молекула поглощают в разных областях УФ-спектра, то указан­ное выше уравнение легко решается. Можно использовать и следующее уравнение Fujita, Iwasa, Hansch (1964):

где а — степень ионизации, которую можно вычислить из зна­чений рКа и данных, приведенных в разд. 17.0.

Scherrer, Howard (1977) опубликовали несколько биологи­ческих корреляций, найденных путем разделения вкладов, вно­симых в коэффициент распределения ионизированными и неио- низированными образцами.

Г. Связь между растворимостью в воде и Р. Жидкость раз­деляется с водой точно так же, как она распределяется между водой и октанолом; поэтому коэффициенты распределения ней­тральных жидкостей изменяются параллельно изменению рас­творимости последних в воде. Однако к насыщенным углеводо­родам это правило не применимо [Hansch, Quinlan, Lawren­ce, 1968].

Довольно часто вместо log Р используют величину раство­римости жидкостей в воде (с целью упрощения), однако этого нельзя делать в случаях жидкостей, смешивающихся с водой в любых соотношениях (типа этанола) или плохо растворяю­щихся в воде, когда трудно точно определить их растворимость (в этом случае для разделения слоев и отделения нерастворив- шихся частичек необходимо ультрацентрифугирование).

где S — растворимость в воде в микромолях на литр, а величи­на температуры плавления (mpt)—показатель энергии разру­шения кристаллической решетки.

Д. Величина я. Hansch и сотр. предложили использовать константы я, представляющие собой величины, пропорциональ­ные свободной энергии перехода заместителя из водной фазы в другую и определяемые по формуле:

где Р_н — коэффициент распределения в системе октанол — во­да для исходной молекулы, а Р_х — для производного [Fujita, Iwasa, Hansch, 1964]. В работе Hansch, Leo и сотр. (1973). приведена таблица, содержащая аддитивные значения я для 128 ароматических соединений. Пользуясь этой таблицей, можно вычислить коэффициент распределения вещества, суммируя значения Р ядра и величин я заместителей (если нельзя опре­делить его экспериментально) [Hansch, 1971].

При изучении факторов роста растений Hansch и соавт. для определения величин я использовали аналогичный прием, что и Гаммет, для определения о-констант. К сожалению, аналогия была неполной, и это лишило значения я термодинамической значимости, что видно из следующего примера:

хотя эта разность в действительности представляет собой толь­ко Яметилена- Уже В раННИХ работах принимали Яметил ⁼ Яметиле»5

(около 0,5), аоткуда следует, что

Лн = 0.

Е. Значения фрагментарных констант Реккера. Для избежа­ния подобной ошибки Реккер ввел гидрофобную фрагментар­ную константу f, заменив ею гидрофобную константу замести­теля л. Тогда:

фрагментарные константы были рассчитаны на компьютере с использованием программы множественного регрессионного анализа, при этом статистически обрабатывались 128 значений log Р, определенные экспериментально для октанола [Nys, Rek- ker, 1973; Rekker, 1977]. Сравнение полученных величин f с со­ответствующими л-константами показало, что первые, как пра­вило, выше на 0,2—0,3. Значеншна 0,17, а вклад

атома водорода в липофильность примерно 0,2. Leo и сотр. (1975), оценив преимущества применения фрагментарных кон­стант f, опубликовали свою таблицу экспериментальных значе­ний. Так как экспериментальное значение Р для газообразного водорода 0,45, они считали, что fH равна половине этой величи­ны (0,2251. и пии вычитании значения f_H из Р_метана (1Д9) получили Позже было получено более точное зна­чениеАналогичным образом была определена кон­стантаО выборе значений величин f см. разд. 17.1.

Использование величин f позволило исправить некоторые имевшиеся неточности. Например, в случае омега-замещенных фенилпропанов из-за отмечавшихся аномалий значений f оши­бочно считали, что их молекулы существуют в сложенной кон­формации. К сожалению, другие аномалии остались (например, обсуждаемые ниже).

Значение п и f для мета- и пара-заместителей в ароматичес­ких соединениях примерно одинаковы, но для орто-заместите­лей часто резко отличаются: например, если существует воз­можность внутримолекулярной водородной связи, то липофиль­ность возрастает. Однако Fujita и Nishioka (1975), проделав чрезвычайно сложные математические расчеты, составили спе­циальную таблицу значений этих величин для орто-заместите­лей, согласующихся с таковыми для мета- и пара-заместителей. Особый случай представляет собой зависимость я и f от поляр­ного окружения. Например, для такого заместителя, как атом хлора, величина л в бензоле равна 0,71. Это значение становит­ся (во всех случаях атом хлора в мета-положении) 0,61 в нит­робензоле, 0,68 в фенилуксусной кислоте, 0,83 в бензойной кис­лоте, 0,98 в анилине и 1,04 в феноле (для веществ, способных к ионизации, сделана на нее поправка). Разность значений уве­личивается от 0,43 до 0,90 в случае, если в том же самом цикле нитрогруппа замещает хлор [Hansch, Leo et al., 1973]. Два высокополярных заместителя, особенно если они оба нуклеофи­лы, повышают липофильность вещества на 0,8 (если их разде-

ляет один углеродный атом) и примерно вполовину — если два атома [Leo, Hansch, Elkins, 1971; Rekker, 1977, с. 49, 98, 298] к

Следует отметить, что очень часто отклонения значений л и f встречаются в случае малых молекул, таких как этан [Leo et al., 1975]. Необъяснимо увеличивается гидрофильность пири- диниевых солей при алкилировании атома азота [Leo, Hansch, Elkins, 1971; Rekker, 1977]. При расчетах не учитывается также ковалентная гидратация, приводящая к появлению гидроксиль­ной группы (разд. 2.5). Дополнительные трудности возникают и в случае соединений, содержащих длинные углеводородные цепи и способных образовывать мицеллы в водной фазе.

Leo и сотр. (1975) рекомендуют при поиске новых лекарст­венных средств, прежде чем приступать к синтезу новых соеди­нений, рассчитать по таблице значений V величину Р молеку­лы, чтобы быть уверенным в том, что она будет находиться в интервале значений, соответствующем желаемой биологичес­кой активности.

Ж. Биологическая значимость коэффициента распределения.

При определении величин Р для ряда применяющихся лекарст­венных веществ оказалось, что противобактериальные сульфа­мидные препараты являются низкогидрофильными веществами, чья .биологическая активность сначала слегка усиливается при небольшом повышении липофильности, а затем при дальнейшем ее повышении снижается. Действие пенициллинов и цефалоспо- ринов, напротив, несколько усиливается при небольшом увели­чении их гидрофильности [Biagi et al., 1974], но уменьшается при дальнейшем увеличении последней. Если липофильность не является главным фактором, определяющим биологическое действие лекарственного вещества, а лишь обеспечивает для не­го дополнительные преимущества, то эта ситуация довольна ти­пична. Как указано в разд. 15.0, липофильность наиболее важ­на для таких лекарственных веществ, как наркотические, общие анестетики и слабые неизбирательные инсектициды.

На коэффициент распределения влияет и расположение за­местителей, особенно в жестких молекулах. Например, бенза­миды с объемным углеводородным заместителем в положе­нии 4 — мощные ингибиторы алкогольдегидрогеназы, однако эта же группа в положении 3 не обеспечивает молекуле ингибирую­щей способности [Hansch, Kim, Sarma, 1973]. Из этого примера видно, насколько важно, кроме величины Р заместителя, учиты­вать его расположение в молекуле.

Очень важно знать величину Р при моделировании проник­новения лекарственных веществ через мембраны, но получение информации такого рода связано с большими эксперименталь-

¹ Реккер (частное сообщение) отмечал, что разница между предполагаемы­ми и экспериментальными значениями фрагментарных констант часто состав­ляет 0,29 (или кратную величину), молекула оказывается меиее гидрофильной, чем ожидалось (как будто одна из водородных связей с водой не образуется).

ными трудностями. По крайней мере известно, что для серии спиртов коэффициент распределения между тенями эритроцитов и водой дает значение свободной энергии переноса групп СН₂ около —690 кал/моль, что примерно соответствует величине, полученной при определении коэффициента распределения в системе октанол/вода [Seeman, Roth, Schneider, 1971].

Из всех мембран живого организма лучше всех изучена мем­брана слизистой оболочки рта. Здоровых добровольцев просили держать лекарственный препарат во рту и через определенные промежутки времени измеряли его уровень в крови [Beckett, Boyes, Triggs, 1968]. Эти авторы считали, что полученные ими результаты типичны для такой высоко дискриминирующей си­стемы, как гептан — вода. Однако строгий статистический ана­лиз [Rekker, 1977] показал, что эта система менее дискримини­рующая, чем октанол — вода, и более похожа на систему бута­нол—вода. Реккер полагал, что мембраны желудочно-кишечного тракта сравнимы с системой октанол — вода, тогда как ге­матоэнцефалический барьер (ГЭБ) (наиболее дискриминирую­щая из всех мембран, существующих в организме) сходен с си­стемой гептан-—вода [Rekker, 1977].

3.4.