
En las ciencias físicas , un coeficiente de partición ( P ) o coeficiente de distribución ( D ) es la relación entre las concentraciones de un compuesto en una mezcla de dos disolventes inmiscibles en equilibrio . Esta relación, por lo tanto, compara las solubilidades del soluto en estos dos líquidos. El coeficiente de partición generalmente se refiere a la relación de concentración de las especies no ionizadas del compuesto, mientras que el coeficiente de distribución se refiere a la relación de concentración de todas las especies del compuesto (ionizadas más no ionizadas). [ 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 es hidrofóbico , como el 1-octanol . [ 3 ] Por lo tanto, el coeficiente de partición mide cuán hidrofílica ("afín al agua") o hidrofóbica ("que repele el agua") es una sustancia química. Los coeficientes de partición son útiles para estimar la distribución de fármacos en el organismo. Los fármacos hidrofóbicos con altos coeficientes de partición octanol-agua se distribuyen principalmente en áreas hidrofóbicas, como las bicapas lipídicas de las células. Por el contrario, los fármacos hidrofílicos (con bajos coeficientes de partición octanol/agua) 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 del gas a la 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 diversas maneras (mediante agitación en matraz, HPLC , etc.) o estimarse mediante cálculo basado en una variedad de métodos (basados en fragmentos, basados en átomos, etc.).
Si una sustancia se presenta como varias especies químicas en el sistema de partición debido a asociación o disociación , a cada especie se le asigna su propio valor de K ow . Un valor relacionado, D, no distingue entre las diferentes especies, sino que solo indica la relación de concentración de la sustancia entre las dos fases.
Nomenclatura
A pesar de las recomendaciones formales en sentido contrario, el término coeficiente de partición sigue siendo el término predominantemente utilizado en la literatura científica. [ 8 ]
Por el contrario, la IUPAC recomienda que el término del título ya no se utilice, 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 analizando, y "org" y "aq" se refieren a las fases orgánica y acuosa, respectivamente. La IUPAC recomienda además "cociente de partición" para los casos en que se pueden determinar los coeficientes de actividad de transferencia , y "cociente de distribución" para el cociente de las concentraciones analíticas totales de un soluto entre fases, independientemente de su forma química. [ 9 ]
Coeficiente de partición y log P
El coeficiente de partición , abreviado P , se define como una relación particular de las concentraciones de un soluto entre dos disolventes (una bifase de fases líquidas), específicamente para solutos no ionizados , y el logaritmo de la relación es, por lo 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 lipofílica e hidrofílica siempre estén en el numerador y el 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 este tipo de experimentos suele estar dominada por la forma no ionizada del soluto, que es eléctricamente neutra, aunque esto puede no ser cierto para la fase acuosa. Para medir el coeficiente de reparto de solutos ionizables , se ajusta el pH de la fase acuosa de manera que la forma predominante del compuesto en solución sea la no ionizada, o bien, su medición a otro pH de interés requiere considerar todas las especies, tanto no ionizadas como ionizadas (véase a continuación).
Se deriva un coeficiente de partición correspondiente para compuestos ionizables, abreviado log P I , para casos en los que existen 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 ( 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 se le suele asignar el símbolo log P 0 , de modo que el índiceLa expresión para solutos ionizados se convierte simplemente en una extensión de esto, en el rango de valores I > 0 .
Coeficiente de distribución y log D
El coeficiente de distribución , log D , es la razón entre la suma de las concentraciones de todas las formas del compuesto (ionizadas más no ionizadas) en cada una de las dos fases, una de las cuales es esencialmente siempre acuosa; por lo tanto, 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 tampona a un valor específico de manera que el pH no se vea significativamente alterado por la introducción del compuesto. El valor de cada log D se determina entonces como el logaritmo de una razón: entre la suma de las concentraciones medidas experimentalmente de las diversas formas del soluto en un disolvente y la suma de dichas concentraciones de sus formas en el otro disolvente; se puede expresar como [ 10 ] : 275–8
En la fórmula anterior, los superíndices "ionizados" indican la suma de las concentraciones de todas las especies ionizadas en sus respectivas fases. Además, dado que el log D depende del pH, es necesario especificar el pH al que se midió. En áreas como el descubrimiento de fármacos —que involucran fenómenos de partición en sistemas biológicos como el cuerpo humano—, el log D al pH fisiológico de 7,4 resulta de particular interés.
A menudo resulta conveniente expresar el log D en términos de P I , definido anteriormente (que incluye P 0 como estado I = 0 ), abarcando así tanto las especies no ionizadas como las ionizadas. [ 12 ] Por ejemplo, en octanol-agua:
que suma los coeficientes de partición individuales (no sus logaritmos), y dondeindica la fracción molar dependiente del pH de la forma I (del soluto) en la fase acuosa, y las demás variables se definen como se indicó anteriormente. [ 12 ]
Ejemplo de datos de coeficiente de partición
The values for the octanol-water system in the following table are from the Dortmund Data Bank.[15] They are sorted by the partition coefficient, smallest to largest (acetamide being hydrophilic, and 2,2',4,4',5-pentachlorobiphenyl lipophilic), and are presented with the temperature at which they were measured (which impacts the values).
Values for other compounds may be found in a variety of available reviews and monographs.[2]:551ff[21][22]:1121ff[23][24] Critical discussions of the challenges of measurement of log P and related computation of its estimated values (see below) appear in several reviews.[11][24]
Applications
Pharmacology
A drug's distribution coefficient strongly affects how easily the drug can reach its intended target in the body, how strong an effect it will have once it reaches its target, and how long it will remain in the body in an active form.[25] Hence, the log P of a molecule is one criterion used in decision-making by medicinal chemists in pre-clinical drug discovery, for example, in the assessment of druglikeness of drug candidates.[26] Likewise, it is used to calculate lipophilic efficiency in evaluating the quality of research compounds, where the efficiency for a compound is defined as its potency, via measured values of pIC50 or pEC50, minus its value of log P.[27]

Pharmacokinetics
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 su similitud con un fármaco . Más específicamente, para que un fármaco se absorba oralmente, normalmente debe pasar primero a través de las bicapas lipídicas del epitelio intestinal (un proceso conocido como transporte transcelular ). Para un transporte eficiente, el fármaco debe ser lo suficientemente hidrofóbico como para distribuirse en la bicapa lipídica, pero no tan hidrofóbico como para que, una vez dentro de la bicapa, no pueda distribuirse de nuevo. [ 29 ] [ 30 ] Asimismo, 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 que se metabolizan y excretan.
Farmacodinámica
En el contexto de la farmacodinámica (cómo afecta el fármaco al cuerpo), el efecto hidrofóbico es la principal fuerza impulsora para 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 proteínas y, finalmente, a menudo se metabolizan extensamente. En algunos casos, los metabolitos pueden ser químicamente reactivos. Por lo tanto, es aconsejable hacer que el fármaco sea lo más hidrofílico posible sin que pierda la afinidad de unión adecuada a la proteína diana terapéutica. [ 33 ] Para los casos en que un fármaco llega a sus lugares diana a través de mecanismos pasivos (es decir, difusión a través de membranas), el coeficiente de distribución ideal para el fármaco suele ser de valor intermedio (ni demasiado lipofílico ni demasiado hidrofílico); en los casos en que las moléculas llegan a sus dianas de otra manera, no se aplica tal generalización.
Ciencias ambientales
La hidrofobicidad de un compuesto puede dar a los científicos una indicación de la facilidad con que un compuesto podría ser absorbido en el agua subterránea para contaminar los cursos de agua, y su toxicidad para los animales y la vida acuática. [ 34 ] El coeficiente de partición también puede usarse para predecir la movilidad de los radionúclidos en el agua subterránea. [ 35 ] En el campo de la hidrogeología , el coeficiente de partición octanol-agua K ow se usa para predecir y modelar la migración de compuestos orgánicos hidrofóbicos disueltos en el suelo y el agua subterránea.
Investigación agroquímica
Los insecticidas y herbicidas hidrofóbicos tienden a ser más activos. Los agroquímicos hidrofóbicos 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 el solidificado. Es un parámetro crítico para la purificación mediante fusión zonal 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, colores para el cabello y muchos otros productos de consumo. [ 37 ]
Medición
Se han desarrollado varios métodos para medir los coeficientes de distribución, entre ellos el método del matraz agitador, el método del embudo de separación, la cromatografía líquida de alta resolución en fase inversa y las técnicas pH-métricas. [ 10 ] : 280
Método del embudo de separación
En este método, las partículas sólidas presentes en los dos líquidos inmiscibles pueden separarse fácilmente suspendiendo dichas partículas sólidas directamente en estos líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles.
tipo matraz agitador
El método clásico y más fiable para la determinación del 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 disolvente. [ 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 la determinación del log P utiliza cromatografía líquida de alta resolución . 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 su rapidez (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 —aplicar una ecuación de regresión derivada de una clase química a una segunda— puede no ser fiable, ya que cada clase química tendrá sus propios parámetros de regresión característicos .
pH-métrico
El conjunto de técnicas pH-métricas determina los perfiles de lipofilicidad pH directamente a partir de una única titulación ácido-base en un sistema bifásico agua-disolvente orgánico. [ 10 ] : 280–4 Por lo tanto, se puede utilizar un único experimento para medir los logaritmos del coeficiente de partición (log P ) que dan la distribución de moléculas que son principalmente neutras 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 o valores de pK a de la sustancia.
Electroquímica
Se han utilizado interfaces líquidas polarizadas 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 redox activa y una solución electrolítica para determinar la energía necesaria para transferir una especie cargada a través de la interfaz. [ 43 ]
Enfoque de célula única
Se están realizando intentos para obtener coeficientes de partición para fármacos a nivel de célula individual. [ 44 ] [ 45 ] Esta estrategia requiere métodos para la determinación de concentraciones en células individuales, es decir, con espectroscopia de correlación de fluorescencia o análisis cuantitativo de imágenes . El coeficiente de partición a nivel de célula individual proporciona información sobre el mecanismo de captación celular. [ 45 ]
Predicción
Existen muchas situaciones en las que la predicción de coeficientes de partición antes de la medición experimental resulta útil. Por ejemplo, decenas de miles de sustancias químicas fabricadas industrialmente se utilizan comúnmente, pero solo una pequeña fracción ha sido sometida a una evaluación toxicológica rigurosa . Por lo tanto, es necesario priorizar el resto para su análisis. Las ecuaciones QSAR , que a su vez se basan en coeficientes de partición calculados, pueden utilizarse 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 cribado [ 48 ] [ 49 ] y para predecir la similitud con fármacos de los candidatos a fármacos diseñados antes de su síntesis. [ 50 ] Como se analiza con más detalle a continuación, las estimaciones de los coeficientes de partición pueden realizarse utilizando diversos métodos, incluidos los basados en fragmentos, átomos y el conocimiento, que se basan únicamente en el conocimiento de la estructura de la sustancia química. Otros métodos de predicción se basan en otras mediciones experimentales, como la solubilidad. Los métodos también difieren en precisión y en si pueden aplicarse a todas las moléculas o solo a aquellas similares a las ya estudiadas.
Basado en átomos
Los enfoques estándar de este tipo, que utilizan contribuciones atómicas, han sido denominados por quienes los formulan con una letra de prefijo: AlogP, [ 51 ] XlogP, [ 52 ] MlogP, [ 53 ] etc. Un método convencional para predecir log P mediante este tipo de método consiste en parametrizar las contribuciones del coeficiente de distribución de varios átomos al coeficiente de partición molecular global, lo que produce un modelo paramétrico . Este modelo paramétrico puede estimarse utilizando la estimación de mínimos cuadrados restringidos , empleando un conjunto de entrenamiento de compuestos con coeficientes de partición medidos experimentalmente. [ 51 ] [ 53 ] [ 54 ]
Para obtener correlaciones razonables, los elementos más comunes presentes en los fármacos (hidrógeno, carbono, oxígeno, azufre, nitrógeno y halógenos) se dividen en diferentes tipos de átomos según su entorno dentro de la molécula. Si bien este método suele ser el menos preciso, su ventaja radica en que es el más general, ya que permite obtener al menos una estimación aproximada para una amplia variedad de moléculas. [ 53 ]
Basado en fragmentos
El método más común utiliza un método de contribución de grupos y se denomina cLogP. Se ha demostrado que el log P de un compuesto puede determinarse mediante 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 mediante un método estadístico análogo a los métodos atómicos (ajuste por 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, ofrece mejores resultados que los métodos basados en átomos, pero no puede utilizarse para predecir coeficientes de partición para moléculas que contienen grupos funcionales inusuales para los que el método aún no se ha parametrizado (probablemente debido a la falta de datos experimentales para moléculas que contienen dichos grupos funcionales). [ 21 ] : 125 y ss. [ 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 matriz de similitud o un esquema de fragmentación automática en subestructuras moleculares. Además, también existen enfoques que utilizan búsquedas de subgrafos comunes máximos o núcleos moleculares .
Log D a partir de log P y p K a
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 pueda despreciar la partición de formas ionizadas en fase no polar, se puede formular como [ 13 ] [ 14 ]
Las siguientes expresiones aproximadas son válidas solo para ácidos y bases monopróticos : [ 13 ] [ 14 ]
Otras aproximaciones para cuando el compuesto está mayoritariamente ionizado: [ 13 ] [ 14 ]
- para ácidos con,,
- para bases con,.
Para la predicción de p K a , que a su vez puede usarse para estimar log D , se han aplicado con frecuencia ecuaciones de tipo Hammett . [ 57 ] [ 58 ]
Log P a partir de log S
Si se conoce o se predice la solubilidad, S , de un compuesto orgánico tanto en agua como en 1-octanol, entonces se puede estimar log P como [ 46 ] [ 59 ].
Hay una variedad de enfoques para predecir solubilidades y, por lo tanto, log S. [ 60 ] [ 61 ]
coeficiente de reparto octanol-agua
El coeficiente de partición entre n -octanol y agua se conoce como coeficiente de partición n -octanol-agua , o Kow . [ 62 ] También se le suele denominar con el símbolo P, especialmente en la literatura inglesa. También se conoce como índice de partición n -octanol-agua . [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]
El coeficiente de reparto (Kow ) mide la relación entre la lipofilicidad (solubilidad en grasas) y la hidrofilicidad (solubilidad en agua) de una sustancia. Su valor es mayor que uno si la sustancia es más soluble en disolventes grasos como el n-octanol, y menor que uno si es más soluble en agua.
Valores de ejemplo
Los valores de log K ow suelen oscilar entre -3 (muy hidrofílico) y +10 (extremadamente lipofílico/hidrofóbico). [ 66 ]
Los valores que se muestran aquí [ 67 ] están ordenados por el coeficiente de partición. La acetamida es hidrófila y el 2,2′,4,4′,5-pentaclorobifenilo es lipofílico.
Véase también
- Coeficiente de partición sangre-gas : medida de la solubilidad de los anestésicos generales en la sangre.
- Quimioinformática – Química computacional
- La regla de los cinco de Lipinski : regla práctica para predecir si un compuesto químico tiene probabilidades de ser un fármaco activo por vía oral.
- Eficiencia lipofílica : parámetro utilizado en el diseño de fármacos.
- Ley de distribución – Distribución de un soluto entre dos disolventes inmiscibles
- ITIES – Interfaz electroquímica que es polarizable o polarizada
- Diagrama de partición iónica
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Enlaces externos
- vcclab.org . Descripción general de las numerosas calculadoras de logP y otras propiedades físicas disponibles comercialmente y en línea.
- XLOGP3 , un estimador LogP simple utilizado por PubChem (versión 2021.05.07)
- Química física
- Química del equilibrio
- Química medicinal
- disolventes
