3 Izomerija Fizicko Hemijska Karakter QSAR
-
Upload
nina-avdic -
Category
Documents
-
view
302 -
download
3
Transcript of 3 Izomerija Fizicko Hemijska Karakter QSAR
1
STEREOHEMIJA STEREOHEMIJA I I BIOLOBIOLOŠŠKA AKTIVNOST KA AKTIVNOST (DELOVANJE) LEKOVA(DELOVANJE) LEKOVA
Nastaje zbog ograničene rotacije oko C=C dvostruke veze (CIS and TRANS)
STRUCTURNA ISOMERIJA
STEREOIZOMERIJA
GEOMETRIJSKA IZOMERIJA
OPTIČKA IZOMERIJA
IZOMERIJA NIZA
Ista molekulska formula ali različita strukturna
Javlja se kada postoji hiralancentar (predmet i lik u ogledalu).
Ista molekulska formula ali različitpoložaj u prostoru
IZOMERIJA POLOŽAJA
IZOMERIJA FUNKCIONALNE
GRUPE
STRUKTURNA IZOMERIJA
STEREOIZOMERIJA
IZOMERIJA NIZA
IZOMERIJA POLOŽAJA
KONFORMACIONA IZOMERIJA
STRUSTRUKKTURTURNNA IA IZZOMERIOMERIJAJA
NIZA različito organizovan skelet ugljenikovih atomaslične hemijske osobinemala razlika u fizičkim osobinama (gustina, Tk)razgranatiji niz = niža temperatura ključanja
Ista molekulska formula ali različita strukturna
C4H10
BUTAN 2-METILPROPAN
- 0.5°C - 11.7°C
POLOŽAJA isti skelet ugljenikaista funkcionalna grupafunkcionalne grupe su u različitom položajuslične hemijske osobine i malo različite fizičke
2
21 21 2 3PENT-1-EN PENT-2-EN
12 2
1-HLORBUTAN 2-HLORBUTANNIJE3-HLORBUTAN
ALI !
1,2-DIHLORBENZENorto dihlorbenzen 1,3-DIHLORBENZEN
meta dihlorbenzen
1,4-DIHLORBENZENpara dihlorbenzen
2
FUNKCIONALNE GRUPE ista molekulska formula različite funkcionalne gruperazličite hemijske osobinerazličite fizičke osobine
ALKOHOLI I ETRI
ALDEHIDI I KETONI
KISELINE I ESTRI
Alkoholi- polarni, hidrofilni, reaktivni; etri- nepolarni, lipofilni, slabo reaktivniAldehidi i ketoni-slične hemijske osobine, aldehidi su reaktivnijiKiseline-polarne, kisele; neutralni, nepolarni
STEREOISTEREOIZZOMERIOMERIJAJA
MOLEKULI IMAJU ISTU MOLEKULSKU FORMULU - ALI RAZLIČITI PROSTORNI RASPORED
Postoje 3 tipa...
• KONFORMACIONA IZOMERIJA
• GEOMETRIJSKA IZOMERIJA
• OPTIČKA IZOMERIJA
Sve ove strukture su iste zbog slobodne rotacije C-C veze
KONFORMACIONA IZOMERIJAKONFORMACIONA IZOMERIJANastaje zbog slobodne rotacije atoma oko hemijskih veza.
Mala energetska barijera.
Značajno za vezivanje za receptor.
3
Rotameri butana
stolica kolevka twist
zbog ograničene rotacije oko C=C vezepostoji kod nekih ali ne svih alkenapostoji u dva oblika: cis i trans
CIS TRANS
Izomeri - imaju različite fizičke osobine (Tk, gustina)- imaju slične hemijske osobine- ne vezuju se za iste receptore
Ograničena rotacija oko C=C veze
GEOMETRIGEOMETRIJSKA IZJSKA IZOMERIOMERIJAJA
C
C
H
H COOH
COOH
C
C
H
H COOH
HOOC
Maleinska kis, cis Fumarna kis, trans
Dekalin
Ne postoji dvostruka veza, postoji geometrijska izomerija!
trans cis
cis/trans; Z/E; syn/anti
OPTIOPTIČČKKA IA IZZOMERIOMERIJAJA
oblik stereoizomerijeIZOMERI dva različita oblika koja se odnose kao predmet i lik u ogledalu zovu
se ENANTIOMERIjavlja se kod molekula koji imju hiralan centarhiralan centar sadrži asimetrični ugljenikov atomasimetrični C atom ima četriri različita atoma (grupe) koji čine tetraedar
Asimetričan C atom2-hlorbutanOptički aktivan
4
RAZLIKA U PROSTORNOJ ORIJENTACIJI DVA IZOMERA
• izomeri postoje u dva oblika koji se međusobno odnose kao predmet i lik u ogledalu i ne mogu se preklopiti
• različito okreću ravan polarizovane svetlosti• suprotno od kazaljki na satu - levorotatorni L (-),
u pravcu kazaljki na satu - desnorotatorni D (+)• L, D (prema gliceraldehidu), + i – se odnosi na ravan polarizovane
svetlosti• R, S
Neki predmeti:
-se odnose kao predmet i lik u ogledalu ali se mogu preklopiti(npr. kašike)
-se mogu preklopiti ali se ne odnose kao predmet i lik u ogledalu (npr. knjige)
-se odnose kao predmet i lik u ogledalu ali se ne mogupreklopiti (npr. šake)
NB OPTIČKI IZOMERI MORAJU ZADOVOLJITI OBA USLOVA: MORAJU BITI PREDMET I LIK U OGLEDALU KOJI SE NE PREKLAPAJU !
Konfiguracija: apsolutna i relativna
Konfiguracija je prostorni raspored atoma ili grupa na hiralnom C-atomu ili na položajima oko fiksiranog dela molekula.
Optička aktivnost, (+) ili (-), ne definiše prostorni raspored supstituenata na hiralnom C-atomu !!
Relativna konfiguracija - raspored atoma zasnovan na hemijskoj interkonverziji iz ili u jedinjenje predložene konfiguracije
Apsolutna konfiguracija – tačan raspored supstituenata na hiralnom C-atomu. Obično se određuje kristalografskom analizom, mada može i hemijskim transformacijama u odnosu na jedinjenječija je apsolutna konfiguracija poznata. Potrebno je znati i tačan raspored atoma na hiralnom C-atomu i smer skretanja ravni polarizovanog svetla. (primer:(R)-(+) )
DIASTEREOIZIMERI
Dijastereoizomeri-razlikuju se po konfiguraciji na bar jednom stereocentru, uz uslov da je u jedinjenju prisutno više od jednog stereocentra
5
• Racemat - smeša 50 % enantiomera• Enantiomer koji ima veći afinitet za receptor - EUTOMER,
manji afinitet - DISTOMER
• Distomer: neželjeni efekat, povećava farmakološku aktivnosteutomera, inaktivan, toksični metaboliti
• Razdvajanje enantiomera - ekonomska opravdanost
-smesa ekvimolarnih količina (+) i (-) enantiomera. Racemat ne skreće ravan polarizovanog svetla.Obeležava se sa dl ili ( + )
RACEMATI
CH2OH
OHH
CHO
CH2OH
OH H
CHO
(+)
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
1.Kiselo-bazne osobine lekova
2.Lipofilnost lekova
3.Rastvorljivost lekova
KONCENTRACIJA LEKA NA CILJNOM MESTU
Šta može da smanji koncentraciju leka na putu ka aktivnom mestu?
• RESORPCIJA: uglavnom rastvoreni i neutralni lekovi prolaze kroz lipidnebarijere
• 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 prisustva enzima)
6
TEORIJE ZA TUMAČENJE POJMOVA KISELINE I BAZE
Arenijusova teorija• Kiseline su neutralna jedinjenja koja pri rastvaranju u vodi jonizuju
dajući H+ jone i odgovarajuće negativne jone/danas se smatra da H+ joni mogu postojati u vodi samo kao H3O+, hidronijum joni
• Baze su neutralna jedinjenja koja disocijacijom ili jonizacijom vodi daju OH- /hidroksidne/ jone i pozitivne jone
Bronšted-Lorijeva teorijaKISELINE SU SUPSTANCE (MOLEKULI ILI JONI) KOJE DAJU PROTON, A BAZE SU SUPSTANCE KOJE PRIMAJU PROTON.
Luisova teorijaKiseline su supstance koje mogu da prime elektronski par, a baze su supstance koje daju elektronski par.
1. K1. KISELISELOO--BAZNE OSOBINEBAZNE OSOBINE LEKOVALEKOVAKiselo-bazne osobine lekova
Bronsted-Lowry (H2O amfoterna)
CH3COOH + H2O H3O+ + CH3COO-
CH3COO- + H2O CH3COOH + OH-
Keq= [H3O+] [A-] / [HA] [H2O]
Ka = Keq [H2O]= [H3O+] [A-] / [HA]= [konj.kis] [konj. baza] / [kis]
pKa = -log Ka, pH=-log [H3O+]
pH=pKa + log [A-] / [HA]= pKa + log [konj. baza] / [kis]
Henderson-Hasselbach
u dil rastvorima const. (55,5)
HA + H2O H3O+ + A-
kis. baza konj. kis konj. baza
BH+ + H2O H3O+ + Bkis. baza konj. kis konj. baza
pH = pKa + log [B]/[BH+] = pKa + log [konj.baza]/[kis]
Henderson-Hasselbach
VAŽNO !!!
pKapKa BAZE = BAZE = pKapKa KONJ. KIS (PROTONOVANE BAZE)KONJ. KIS (PROTONOVANE BAZE)
pKapKa<<<<<<<<22: jaka kis, nema baznih osobina u vodi
pKapKa=4=4--66: slaba kis, veoma slaba konjugovana baza
pKapKa=8=8--1010: veoma slaba kis, slaba konjugovana baza
pKapKa>>>>>>>>1212: nema osobine kiseline u vodi, jaka konjugovana baza
7
pKa• pKa vrednost predstavlja jačinu kiselina• 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
[ ][ ]B
BHpHpKa
+
+= log[ ][ ]−+=A
HApHpKa log
jednačina za kiseline jednačina za baze
Uticaj elektrostatičkih/induktivnih efekata na pKa
Akceptori elektrona 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,
-I
Grupe koje su donori elektrona 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+I CH3CH2CH2 COOH
COOHCH2CH
Cl
CH3
COOHCH
Cl
CH3CH2
COOHCH2CH2CH2
Cl
COOHH
COOHCH3
COOHCH3CH2
COOHCH3CH2CH2
COOHCCH3
CH3
CH3
Uticaj induktivnog efekta na pKa vrednosti
3.75
4.75
4.87
4.81
5.02
4.8
4.5
4.0
2.9
kada je Cl atom udaljeniji od karboksilnegrupe, kiselost se smanjuje
pKa pKa+I -I
veličina radikala rastojanje
8
POREĐENJE 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
Uticaj mezomernog efekta na pKa
Grupe koje ispoljavaju negativni mezomerni efekat povećavaju jačinu kiselina i smanjuju jačinu baza.
OH
Grupe sa - mezomernim efektom:Grupe sa - mezomernim efektom:
δδδδ+ δδδδ-
NO2
δδδδ+ δδδδ-
NO2
δδδδ+ δδδδ-
CN
δδδδ+ δδδδ-
CN
δδδδ+ δδδδ-
COR
δδδδ+ δδδδ-
COR
δδδδ+ δδδδ-
SO2R
δδδδ+ δδδδ-
SO2R
pKa = 9.80 na 25°C i 0.15M I
pKa = 6.97 na 25°C i 0.15M IN
+O
-
O
OH
mezomerni efekat: dvostruke veze u konjugaciji sa jonizujućim centrom
Uticaj temperature i jonske jačine na pKa
Uticaj temperature na pKa vrednosti– pKa vrednosti baza smanjuju se sa povećanjem temperature,
npr., pKa vrednost amina smanjuje se za ~0.03 za svako povećanje temperature od 1°C.
– Promena temperature ima manje uticaja na kiseline
Uticaj jonske jačine na pKa vrednosti– pKa vrednosti kiselina smanjuju se sa povećanjem jonske
jačine, npr. pKa benzoeve kiseline = 4.20 za I=0, dok je pka = 3.99 za I=0.15M
– pKa vrednosti baza povećavaju se sa povećanjem jonske jačine ali ovaj efekat nije tako jako izražen kao kod kiselina, npr., pKa piridina=5.23 za I=0, i pKa=5.31 za I=0.5M
pKa (Tº,I)
Određivanje pKa vrednosti
-potenciometrijski
-UV spektrofotometrijski
-kapilarnom elektroforezom
-predviđanje pKa vrednosti korišćenjem kompjuterskih programa
9
9,62,51 x 10-10Efedrin (kao hidrohloridna so)
4,53,16 x 10-5Indometacin
1,62,51 x 10-2Saharin
7,53,16 x 10-8Fenobarbiton
4,81,58 x 10-5Sirćetna kiselina
9,35,01 x 10-10Amonijak
7,26,31 x 10-8Dihidrogen fosfat
6,11,26 x 106Hlorovodonična kiselina
pKaKa
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
OH
O2N
NO2OH
NO2
OH
NO2
OH
NO2
OH OH
NO2O2N
NO210
7,2
7,3
0,4 pKa vrednosti nitrofenola
9,3
4,0
pKa vrednosti nekih supstituisanih fenola
cikloheksanol
alkohol fenol
Sledeća jedinjenja poređajte po rastućoj kiselosti.
PRIMER :
OH
NO2
Cl
OH OH
CH3
H3C
OH
Cl
OH
NH2
H3CA B C D E
POREDAK PO RASTUĆOJ KISELOSTI
D ‹ B ‹ A ‹ C ‹ E
10
HO
COOH
COOH F
F
COOH1
2
3
4
PRIMER : Poređajte funkcionalne grupe (označene brojevima) u datomjedinjenju po opadajućoj kiselosti.
HO
COOH
COOH F
F
COOH1
2
3
4
3 > 4 > 2 > 1
F
F
COOH
HO
COOH
COOH
jaka organska kis.
jača kiselina od alkil kis.
smanjenje kiselosti
slaba organska kis.
PRIMENA pKa VREDNOSTI
● predviđanje 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 se izlučuju u alkalnom urinu, slabebaze se izlučuju u kiselom urinu)
● maksimiziranje proizvoda reakcije ili proizvoda sinteze
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:
11
pH U GIT-U
želudac0.1 m2
Dvanaestopalačno 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
%jonizovanog leka =100
1 + 10(pKa - pH)
%jonizovanog leka =100
1 + 10(pH - pKa)
HA
BH+
pH=pKa (50 % jonizacija)
SLABE KISELINESLABE KISELINE
pH = pKa (oko 50% molekula je jonizovano)pH > pKa (oko 90% molekula je jonizovano) +1pH > pKa (oko 99% molekula je jonizovano) +2pH > pKa (oko 99.9% molekula je jonizovano) +3pH > pKa (oko 99.99% molekula je jonizovano) +4
SLABE BAZESLABE BAZEpH = pKa (oko 50% molekula je jonizovano)pH > pKa (oko 90% molekula je nejonizovano) +1pH > pKa (oko 99% molekula je nejonizovano) +2pH > pKa (oko 99.9% molekula je nejonizovan +3pH > pKa (oko 99.99% molekula je nejonizovano) +4
Monoprotonske baze
O
NH2+
HO
H3C
H3C
O
NH
HO
H3C
H3C
Propranolol hidrohlorid(konjugovana kiselina) pKa = 9.53
BH+B
OH-
H+
Raspodela jonizovanog i nejonizovanog oblikapropranolola
www.sirius-analytical.com
12
Monoprotonske kiseline
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
Cviterjoni
NH3+
O
NH
N
O
H
H
S
CH 3 CH3
CO O H
NH3+
O
NH
N
O
H
H
S
CH3 CH3
COO -
NH2O
NH
N
O
H
H
S
CH3 CH 3
CO O -
X-
Ampicilin (cviterjon)
pKa = 2,55; 7,14
X-XH±XH+
⇔ ⇔
Raspodela jonizovanih oblika ampicilina
Primer: aminokiseline
XH+ XH±
www.sirius-analytical.com
Amfoliti
Morfin (amfolit)
pKa = 8,17; 9,26
XH2+
XH0
X-
O
H O
H O
H
N H +
C H3
XH2+
⇔ ⇔
Raspodela jonizovanih i nejonizovanog oblikamorfina
O
H O
H O
H
N
C H3
XH0
O
H O
O -
H
N
C H3
X–
www.sirius-analytical.com
Kisele grupe koje jonizujuJedinjenje pKa
Karboksilne kiseline, RCOOH 3-5
Fenoli, ArOH 10
Hidroksilamini, RNHOH 8-10
Triazoli 8-10
Tetrazoli 4-6
Purini 8-10
Sulfonamidi, RSO2NH2 8-10
Tioli, RSH 7-10
Alkoholi, ROH > 14Sulfonska kis. RSO3H < 0
13
Bazne grupe koje jonizuju
Jedinjenje pKa
Amini, RNH2 7-11Amidini, RC(=NH)NH2 11-13Gvanidini, RNHC (=NH)NH2 12-14Anilini 2-6Aminopiridini 6-7Hinolini 4-5Triazoli 1-2Piridini 2-6Aminopiridini 3-4Imidazoli 5-7Purini 2-3
N
CH2COOH
O=C- Cl
CH3
N
CH2COO-
O=C- Cl
CH3+ H2O + H3O+
Indometacin, pKa=4,5
Nejonizovan Jonizovan
Povećanje pH za 1 (5,5) - 90,9 % jonizovan !
Povećanje pH za 2 (6,5) - 99,9 % jonizovan !
CH CH NH2
OH CH3 CH3
+ H2O CH CH NH
OH CH3 CH3
+ H3O
Efedrin hidrohlorid, pKa=9,6
Jonizovan Nejonizovan
Povećanje pH za 1 (10,6) - 90,9 % nejonizovan !
Povećanje pH za 2 (11,6) - 99,9 % nejonizovan !
HONH3
O HN
NO
S CH3
CH3
OO
pK a3 = 9,6
pKa2 = 7,4
pKa1 = 2,4Amoksicilin
14
NN
CO
OO
R
F
NH
H
+
-
NN
CO
OO
R
F
NH
H
H
+
-
NN
CO
OO
R
F
NH
NN
CO
OO
R
F
NH
H
JONIZACIJA HINOLONA U ZAVISNOSTI OD pH SREDINE
hinoloni- amfoterna jedinjenjacviter jon – najmanja rastvorljivost (neutralni pH)
kiseli rastvori (pH 2-5) – katjonski oblik, dobro rastvorni
bazni rastvori (pH › 9) – anjonski oblik, dobro rastvorni
neutralan molekul građenje intramolekulske H-veze /umanjuje se protonacija molekula/
PRIMER: ASPIRIN U GIT-U
nejonizovan jonizovan
Salicilna kiselina
želudačni sok
tanko crevo
debelo crevo
Aspirin
pKa 3.5
COOH
O-CO-CH3
COO-
O-CO-CH3
+ H+
HN NH
OO
O
HN N
OO
O
HN N
OO
O
PRIMER: PENTOBARBITON
konjugovana bazakiselina
Izračunati procenat jonizacije pentobarbitona (pKa 8) u plazmi, pH 7,4
)log(1
100.%
pHpKaantioblikagjonizovano
−+=
% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog 8,0 – 7,4)
% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog 0,6)
% jonizovanog oblika = 100/ (1 + 3,98)
% jonizovanog oblika = 100/ 4,98 = 20,08% (konjugovane baze)
100 – 20,08 = 79,9% nejonizovanog oblika (kiseline)
za kiseline
PRIMER: FENILPROPANOLAMIN
konjugovana kiselina
pKa 9,4baza
Izračunati procenat jonizacije fenilpropanolamina (pKa 9,4) u plazmi, pH 7,4
% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog 7,4 – 9,4)
% jonizovanog oblika = 100/ (1 + antilog -2)
% jonizovanog oblika = 100/ (1 + 0,01)
% jonizovanog oblika = 100/ 1,01 = 99,01% (konjugovane kiseline) = % jonizacije
100 – 99,01 = 0,99% nejonizovanog oblika (baze)
za baze
)log(1
100.%
pHpKaantioblikagjonizovano
−+=
pH – pKa)
CH3
NH2
OH
CH3
NH3
OH
15
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
1.Kiselo-bazne osobine lekova
2.Lipofilnost lekova
3.Rastvorljivost lekova
2. LIPOFILNOST2. LIPOFILNOST LEKOVALEKOVA
Lipofilnost lekova predstavlja značajan faktor za:
a) prolazak leka kroz ćelijske membrane b) koncentraciju leka na ciljnom mestu dejstva lekac) interakcije leka sa receptorom
ORGANSKA FAZA
VODENA FAZA
raspodela
Raspodela supstanci između dva rastvarača, koja se ne mešajuOrganski rastvarač – simuliranje hidrofobnog dela membraneVoda ili vodeni pufer – simuliranje unutrašnjosti kompartmenta punjenih vodenim sadržajem
P P ii DD
• Particioni koeficijent P (koeficijent raspodele, intrinsiclipophilicity) opisuje lipofilnost neutralnog oblika molekula, tj. skupa funkcionalnih grupa i ugljenikovog skeleta koji čine strukturu molekula ne uključujući disocijaciju ili jonizaciju.
• U zavisnosti od pH vrednosti, molekule koje jonizuju nalaze se u ravnoteži svog nejonizovanog i jonizovanog oblika. Smatra se da će se jonizovani i nejonizovani oblik naći u vodenoj, a nejonizovanioblik molekula u organskoj fazi (tradicionalni pristup).
• Koeficijent distribucije D opisuje lipofilnost svih oblika molekule pri datoj pH vrednosti.
∗U nekim slučajevima, u zavisnosti od okoline jonizujućeg centramolekula i raspodele naelektrisanja koje stabilizuje molekulu, čak i jonizovana molekula može da penetrira u organsku fazu. Na ovaj način objašnjava se prolazak nekih jonizovanih lekova u CNS
PARAMETRI LIPOFILNOSTIPARAMETRI LIPOFILNOSTI
LogLog PP i loglog DD
[ ][ ]voda
oktanol
oblik ninejonizova
oblik ninejonizovaP=
P = koeficijent raspodele, const.
D = koeficijent distribucije (f-ja pH)
[ ][ ] voda
oktanol
oblik ninejonizova jonizovani
oblik ninejonizova jonizovani D
+
+=
16
log P
logP = 0logP = 0 jednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazijednako rastvorljiv u vodi i organskoj fazi
logP = 5logP = 5100,000 (105) puta rastvorljivije u organskoj fazi
100,000 (105) puta rastvorljivije u organskoj fazi
logP = -2logP = -2 100 puta rastvorljiviji u vodi100 puta rastvorljiviji u vodi
log P > 1 (lipofilno jedinjenje)log P <<<<-1 (hidrofilno jedinjenje)log P > 5 (toksično jedinjenje)
log Do lipofilnost molekule pri datoj pH vrednosti uzimajući u
obzir lipofilnost neutralnog oblika P i stepen jonizacije pKa.
o D za monoprotonsku kiselinu:
log D = log P - log (1+ 10pKa-pH)
o za monoprotonsku bazu:
log D = log P - log (1+ 10pH-pKa)
Jednačine su komplikovanije za diprotonske molekule
Primena logD na predviđanje farmakokinetičkih osobina leka
<0 problem propustljivosti u crevima i CNS-urenalni klirens
0 do 1 ravnoteža između rastvorljivosti i propustljivostiproblem za CNS
1 do 3 optimalne vrednosti za CNS i ne CNS oralne lekove dobra CNS penetracija, spor metabolizam
3 do 5 smanjuje se rastvorljivost, brži metabolizam
>5 slaba rastvorljivost, brz metabolizam, veliki Vd
Log D (pH 7.4) Zaključak
ZNAČAJ ODREDJIVANJA LIPOFILNOSTI LEKA
Predvidjanje apsorpcije:�Optimalna penetracija u CNS (log P = 2±0,7)
�Optimalna oralna apsorpcija (∼log P=1,8)
�Optimalna intestinalna apsorpcija (log P=1,35)
�Optimalna apsorpcija u debelom crevu (log P=1,32)
�Optimalna sublingvalna apsorpcija (log P=5,5)
�Optimalna perkutana apsorpcija (log P=2,6, mala MW)
Predvidjanje farmakokinetičkih osobina i toksičnosti:�Visoka vrednost log P (toksični lekovi)-deponovanje u masnom tkivu
�Metabolizam u f-ji log D (renalni i metabolički klirens, P450)
Predvidjanje aktivnosti leka sa receptorom�Hidrofobne reakcije sa receptorom
Izbor doziranog oblika�Niska vrednost log P (<0) injekcioni rastvori
�Srednja vrednost log P (0-3) oralni preparati
�Visoka vrednost log P (3-4) transdermalni preparati
17
Određivanje lipofilnosti
Eksperimentalni model
Ograničenja: nije dovoljno precizna metoda za logP > 3.5, supstanca mora da bude čista.
Izračunavanje Log P
• Većina programa koristi aditivni pristup.• Mogu se koristiti i komplikovaniji algoritmi koji uključuju i
faktore kao što su dipolni momenat, veličina molekula itd.
Supstituenti (fragmenti), fiFaktor interakcije, Fi
logP = logPparent compound+ fii =1
n
∑ + Fiji <j
n
∑Polazno jedinjenje
P vs πP označava hidrofobnost jedinjenja u celini i mera je transporta leka.
π predstavlja hidrofobnost specifičnog regiona -mera hidrofobnihinterakcija sa receptorom.
Konstanta hidrofobnosti supstituenta, π.
Moguće je izračunati konstantu hidrofobnosti supstituenta (π).Meri se hidrofobnost u odnosu na H.
Eksperimentalno se odredi P standardnog jedinjenje sa i bezsupstituenta (X).
πx = log Px - log PH
F H
logP=2.27 logP=2.13
πF = log Px - log PH
πF = 2,27-2,13=0,15
Pozitivan π = supstituent hidrofobniji od HNegativan π = manje hidrofoban od H
18
-1.49
-1.49
CONH2
0.140.860.711.16-0.02-0.671.680.52π Aromatični supstituenti
-0.170.600.391.070.47-1.161.680.50π Alifatičnisupstituenti
FBrClCF3OCH3OHt-BuCH3grupa
Cl CONH2CONH2
Cl
Benzen Hlorbenzen Benzamid m-hlorbenzamid
logP=2,13 logP=2,84 logP=0,64
logPhlorbenzamid = logPbenzen+πCl+πamid=2,13 + 0,71 + ( -1,49)=1,35
logPexp=1,51
Većina QSAR jednačina uključuje ili P ili π ili obe vrednosti.
Primena parametara lipofilnosti
Predviđanje ponašanja leka u organizmu:
-Predvidjanje aktivnosti lekova (ukoliko je lipofilnostod značaja za dejstvo, QSAR)
-Apsorpcija, distribucija, eliminacija:% apsorbovanog leka, permeabilnost kroz membrane, vezivanje za proteine plazme, toksičnošću leka (ADMET)
Promena log P utiče na biološku aktivost.
a) Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti
aktivan aktivan
Biološka aktivnost se obično izražava kao 1/C, gde je C = [lek]koja postiže odgovarajući nivo biološke aktivnosti. Aktivniji lekovi zahtevaju nižu koncentraciju.
Grafički prikazati log 1/C vs. log PU malom opsegu log P, npr. 1-4, zavisnost je linearna:
Korelacija lipofilnosti i biološke aktivnosti
Povećanjem hidrofobnosti povećava se biološka aktivnost leka (in vivo):
a) ili zbog lakšeg prolaska kroz ćelijske membrane
b) ili zbog interakcije sa receptorom ili enzimom koji ima hidrofobno vezivno mesto
log(1/C)=k1logP + k2log P
Log(1/C)
19
Log P
Log (1/C)
log(1/C) = -k1(logP)2 + k2logP + k3
Visoka vrednost log P-parabolična kriva. Razlog:
• Slaba rastvorljivost u vodenoj sredini• Deponovanje u masnom tkivu• Intenzivniji metabolizam
Kod malog broja jedinjenja aktivnost zavisi samo od log P .
Važi samo za jedinjenja slične strukture. Npr: anestetici- samo etri(deluju na nivou membranskih struktura, ne postoji specifičan ćelijski receptor)
etar hloroform halotan0.98 1.97 2.3(anestetička aktivnost raste)
b) Predvidjanje prmeabilnosti kroz membranuLekovi sa Log P oko 2 prolaze HEB (npr barbiturati)Lekovi koji ne prolaze HEB trebalo da imaju nižu vrednost log P.
c) Apsorpcija i log P
121720232424304044
0.74.94.810.511.713.928.050.7>>>>100
BarbitonApobarbitonFenobarbitonAlilbarbiton
ButetalCiklobarbitonPentobarbitonSekobarbiton
Heksetal
% ApsorpcijePBarbiturat
Particioni koeficijenti i % apsorpcije barbiturata
Fenobarbiton - heksetal (zamena fenil radikala sa n-heksil radikalom)
Povećanje lipofilnosti
ClF
FCl
Flukonazol Hlorni derivat flukonazola
logP = 0.99 logP = 1.79
20
O
NCH3
H
HO
HO
Morfin Normorfin
Diacetilmorfin
logP = 0.90 logP = -0.17
logP = 1.59
O
N H
H
H O
H O
O
NH
H
OO
O
H3C
O
CH3
Smanjenje lipofilnosti (povećanje polarnosti molekule):-dodavanje polarnih funkcionalnih grupa
C
Cl
Cl
O
S
N
N
Cl
H
C
Cl
Cl
O
N N
N
N
NN
OH
Tikonazol Flukonazol
povecala se polarnost
Tiokonazol Flukonazol
povećala se polarnost
LIPINSKI “RULE OF 5"
4 DESKRIPTORA PO LIPINSKOM NA OSNOVU KOJIH SE MOŽE PREDVIDETI DA LI ĆE BUDUĆI LEK ISPOLJITI ODGOVARAJUĆU
APSORPCIJU I PERMEABILNOST
MW MOLEKULSKA MASA >500
logP log P > 5
Donori H veza VIŠE OD 5 DONORA H VEZA (izraženo kao zbir OH i NH)
Akceptori H veza VIŠE OD 10 AKCEPTORA VODONIČNIH VEZA
(izraženih kao suma N i O)
LOŠA APSORPCIJA I PERMEABILNOST LEKA UKOLIKO:
- veoma polarni lekovibrzo se eliminišu preko bubrega i teško prolaze lipidnebarijere ćelijske membrane, mogu jakim vezama da se vežu za receptor.
- veoma lipofilni lekovi, - brzo prolaze kroz ćelijske membrane, vezuju se slabim
vezama za receptor, pokazuju slabu rastvorljivost i slabo se apsorbuju iz GIT-a.
Najbolji lekovi predstavljaju kompromis hidrofobnih(lipofilnih) i hidrofilnih karakteristika.
HIDROFILNHIDROFILNOO--HIDROFOBNA RAVNOTEHIDROFOBNA RAVNOTEŽŽAA
21
Optimizacija polarnosti molekule:� Smanjivanje polarnosti molekule (povećanje lipofilnosti):o maskiranje polarnih funkcionalnih grupe:
alkohol ili fenol → etar ili estar karboksilna grupa → estar ili amidprimarni ili sekundarni amini → amidi ili sek. i terc.amini
o dodavanje ekstra hidrofobne alkil grupe
� Povećanje polarnosti molekule (smanjivanje lipofilnosti):o zamena većih alkil grupa sa manjim ili uklanjanje alkil grupao dodavanje polarnih funkcionalnih grupa
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
Fizičko-hemijska karakterizacija lekova
1.Kiselo-bazne osobine lekova
2.Lipofilnost lekova
3.Rastvorljivost lekova
Rastvorljivost lekova
Rastvorljivost (Solubility) predstavlja koncentraciju leka u zasićenom rastvoru gde je prisutan višak čvrste supstance.
Rastvor
Čvrsta faza
HA(s) ↔↔↔↔ HA B(s) ↔↔↔↔ B
PRAVILA RASTVORLJIVOSTI
- RASTVORLJIVOST SE MENJA SA PROMENOM TEMPERATURE I pH
- “SLIČNO SE U SLIČNOM RASTVARA“
ZBOG ČEGA?
RASTVOR I RASTVORENA SUPSTANCA INTEREAGUJU ISTIM INTERMOLEKULSKIM SILAMA PRE I POSLE MEŠANJA
POLARNE I JONSKE SUPSTANCE SE RASTVARAJU U POLARNIM RASTVARAČIMA;NEPOLARNA JEDINJENJA SE RASTVARAJU U NEPOLARNIM RASTVARAČIMA;
- UKOLIKO JE VEĆI ODNOS O////N:C VEĆA JE RASTVORLJIVOST U POLARNIM RASTVARAČIMA;
22
Rastvorljivost
o Kinetička rastvorljivost
o Ravnotežna rastvorljivost
o Intrinzička rastvorljivost (rastvorljivost neutralnog oblika)
Kinetička rastvorljivost (Kinetic solubility):
-predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) u trenutku kada se talog prvi put pojavi u rastvoru in vitro.
Ravnotežna rastvorljivost (Equilibrium solubility):
-predstavlja rastvorljivost leka (koncentraciju leka u rastvoru) gde su rastvor i čvrsta faza u ravnoteži.
-predstavlja stvarnu rastvorljivost molekula.
-merenja ravnotežne rastvorljivosti su veoma precizna ali spora (shake-flask metoda)
Intrinzička rastvorljivost (Intrinsic solubility):
-predstavlja rastvorljivost neutralne kiseline ili baze (slobodnog oblika)
-poznavanjem intrinzičke rastvorljivosti i pKa može se odrediti rastvorljivost na određenoj pH vrednosti
-intrinzička rastvorljivost se koristi kao ekperimentalnavrednost pri treniranju programa za predviđanje rastvorljivosti jonizujućih lekova
Disolucija• Nije isto što i rastvorljivost leka !
• Definiše se kao stepen povećanja količine rastvorene supstancetokom rastvaranja.
• Disolucija zavisi od: rastvorljivosti, površine čvrste supstance izložene rastvaraču, zapremine rastvarača, stepena mešanja, pHrastvora.
dm////dt = kA (S-C)
m (masa komponente), t (vreme), A (površina supstance izloženarastvaraču), S (rastvorljivost), C (koncentracija supstance)
23
Faktori koji utiču na rastvorljivost
LipofilnostVeličinamolekula
Jonizacija IntermolekulskeH-veze
(kristalna struktura)
Oblikmolekula
IntramolekulskeH-veze
Uticaj hemijske strukture na rastvorljivost leka
• Polarne grupe:-ROH, RNH2, RCHO (formiraju vodonične veze sa molekulama vode)
• Jonizujući centri(grupe koje mogu da formiraju hidrate sa molekulima vode)
• Ugljovodonični lanci ( što je veći odnos broja C atoma u odnosu na polarne grupe, rastvorljivost se smanjuje)
• Aromatične grupe (smanjuju polarnost jedinjenja)
Povećanje rastvorljivosti
• formiranje soli• uvođenje grupa koje imaju sposobnost rastvaranja• upotreba specijalnih doziranih oblika
Smanjenje rastvorljivosti
• maskiranje polarnih funkcionalnih grupa
*mora se voditi računa da li su polarne grupe koje se maskirajuuslov za dejstvo
OPTIMIZACIJA RASTVORLJIVOSTI LEKA
NH
O Cl
Cl
OH
NH
O-
O Cl
Cl
AH A–
SLABO RASTVORLJIV RASTVORLJIV
DIKLOFENAK DIKLOFENAK-NATRIJUM
SOLI KISELINA
Na+
SOLI BAZA
OH
R
N
H
R1
H
HO
+X -
derivat feniletil amina: NERASTVORLJIV
X: -tartarat
-hloridRASTVORLJIV
24
Određivanje rastvorljivosti
• Merenje koncentracije zasićenih rastvora “shake-flask" metoda (UV, LC ili LC MS detekcija)
• pH-metrijska metoda
Merenje koncentracije zasićenih rastvora
• “shake-flask“ metoda• nakon 24 časa rastvaranja uz mešanje, koncentracija rastvorene
supstance određuje se UV, HPLC/MS metodama• za dobijanje profila pH - rastvorljivosti, vrši se nekoliko merenje
korišćenjem različitih pufera• metoda je precizna ali dugotrajna• koristi se kao standardna metoda
POTENCIJAL ZA GRAĐENJE H-VEZA NAJČEŠĆE PRISUTNIH
FUNKCIONALNIH GRUPA U MOLEKULIMA LEKOVA
2ESTRI
1TERC. AMINI
2SEK. AMINI
3PRIM. AMINI
2ALDEHIDI
3ALKOHOLI
BROJ MOGUĆIH
H-VEZA
FUNKCIONALNA GRUPA
5-6 36 36 2-3
2
KARBOKSILNE KISESTRIAMIDIUREA, KARBONAT, KARBAMAT
6-7 3AMINI
4-5 25-6 2
ALDEHIDIKETONI
4-5 2ETRI6-7 3-4 FENOLI5-6 3-4ALKOHOLI
MONO- I POLI-FUNKCIONALNI
MOLEKULI
FUNKCIONALNA GRUPA
POTENCIJAL RASTVARANJA U VODINAJČEŠĆE PRISUTNIH FUNKCIONALNIH
GRUPA U MOLEKULIMA LEKOVA
POTENCIJAL RASTVARANJA POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 1
C
OH
CH2HO CH2 NCH2CH3
CH2CH3
Phenol 30 Alcohol
30 Amine
Fenol Alkohol
Amin
Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku soli hidrohlorida i Na-soli
Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja
Fenol 3–4 C 1 3–4 CAlkohol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 C
Empirijska formula: C19H31NO2
Potencijal rastvaranja 9 C atoma, ukupno 19 C atoma:
25
POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 2
Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja
Fenol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 CAlkohol 3–4 C 1 3–4 CEtar 2 C 1 2 C
Ukupno 11–13 CC17H20NO3
Nerastvorljiv u vodi, rastvorljiv u obliku Na-soli i hidrohlorida
N
H
H
O OH
CH3
HOPhenol
30 Amine
20 Alcohol
Ether
Alkohol
Amin
Fenol
Etar
POTENCIJAL RASTVARANJA: PRIMER 3
CH2-CH -CO O HHO
NH2
CH2-CH -CO O-HO
NH3
CH2-CH -CO O--O
NH2
Funkcionalne Potencijal broj grupa Ukupan potencijalgrupe rastvaranja rastvaranja
Fenol 3–4 C 1 3–4 CAmin 3 C 1 3 CKarboksilna 3 C 1 3C______________________________________________________
Ukupno 9–10 C
Veoma rastvorljivi
CH2-CH -CO O HHO
NH3
Tirozin (9 C atoma)Rastvorljivost 0,5%
Cwitter jon !
NaOH/H2OHCl/H2O
Intramolekulsko vezivanje u polifunkcionalnim molekulama smanjuje potencijal rastvaranja.
Uvod u QSAR
Quantitative Structure Activity Relationships-
QSAR
Quantitative Structure Property Relationships-
QSPR
SAR -tradicionalni pristup, slične molekule pokazuju sličnu aktivnost !
Jedna od prvih primena QSAR: predvidjanjetemperature ključanja alkana.
Postoji korelacija izmedju strukture i hemijske i biološke aktivnosti.
26
QSAR-korelacija izmedju osobina molekula (izraženih numerički) i biološke aktivnosti.
Biološka aktivnost se kvantitativno iskazuje kao koncentracija koja daje odredjeni biološki odgovor.
Fizičko hemijske osobine leka mogu se iskazati numerički.
Zavisnost dobijena metodom najmanjih kvadrata
y= a x + b
Pronaći set koeficijenata a i b koja minimizuju odstupanje x od jednačine.
aktivnost
const
osobinamolekule
y= f (x)
Prednost QSAR:
o Kvantifikovanjem odnosa SAR obezbedjuje se razumevanje
uticaja strukture na aktivnost.
o Moguće je predvideti puteve sinteze novih analoga.
o Rezltati mogu biti korišćeni za bolje razumevanje interakcija
funkcionalnih grupa.
o Kada se ustanovi QSAR moguće je predvideti biološku
aktivnost srodnih jedinjenja i uštedeti vreme potrebno za
složena biološka ispitivanja.
Nedostatak QSAR:•Pogrešne korelacije koje mogu nastati zbog bioloških podataka koji su uzrok eksperimentalne greške.
•Ako broj ispitivanih jedinjenja nije dovoljno veliki prikupljeni podaci ne
odražavaju osobine cele grupe. Posledično, QSAR se ne može koristiti za pouzdano predvidjanje jedinjenja najbolje aktivnosti.
•3D struktura liganda koja se vezuje za receptor nije uvek poznata pa se istraživanje najčešće izvodi sa najjednostavnijom strukturom koja
ne mora biti adekvatan reprezent.
•Iako postoji veliki broj uspešnih predvidjanja ne treba očekivati da su QSAR studije uvek tačne.
27
QSAR postupak
•Izdvojiti set molekula koji reaguju sa istim receptorom i izazivaju poznati efekat.
•Odrediti parametre ispitivanja.
•Podeliti izabrana jedinjenja u dve podgrupe: jednu za trening, drugu za ispitivanje.
•Napraviti model: pronaći korelaciju izmedju aktivnosti i osobina jedinjenja (regresiona analiza, statistički model).
•Testirati dobijeni model.
•Ako pretpostavljeni model “ne fituje” modifikuje se jednačina
Osobine jedinjenja koje se koriste u QSAR
QSAR studije se zasnivaju na poznavanju merljivih fizičkih osobina (deskriptora) kao što su:
– gustina– Energija jonizacije– Molekulska masa – Dipolni momenat – Temperatura ključanja– Refraktivni indeks– Redukcioni potencijal– pKa– Parametri lipofilnosti
Druge osobine molekula (deskriptori) koji su uključeni u QSAR studije (uključujući i veličine koje se izračunavaju)
– polarizabilnost– Volumen molekula– vdW površina– Molarna refraktivnost– Energija hidratacije– Taftov sterni parametarr
QSAR Metodologija
• Pronaći deskriptore koji medjusobno korelišu (npr molekulska masa i temperatura ključanja kod serije homologih jedinjenja).
• Statistička analiza kojom se odredjuju varijable koje najbolje opisuju (korelišu) sa posmatranim biološkim efektom.
• Konačni QSAR uključuje najviše 3-5 deskriptora(izuzimajući ukrštenu interakciju).
28
QSAR analiza
molekulska struktura korelacija strukture i dejstva
deskriptori matematički model
Ograničenje broja deskriptora• Broj ispitivanih jedinjenja treba da bude 5 puta veći od broja
posmatranih deskriptora
• Razlog: mali broj jedinjenja u odnosu na broj deskriptora može dati pogrešnu korelaciju– 2 ispitivanja tačno definišu liniju– 3 tačno definišu ravan – Veći broj ispitivanja daje tačniju korelaciju
Statistička analiza podataka• Sofisticirani (i skupi) softverski paketi (multipla linearna
regresiona analiza) • Jeftiniji statististički programi• Metoda najmanjih kvadrata ili odredjivanje glavne komponente-za
odredjivanje deskriptora koji pokazuju najveći stepen korelacije
QSAR kvantifikacija:
Parametri koji definišu rastvorljivost
Elektronski parametri
Sterni parametri
σσσσ-mera elektronskih efekata supstituenata
Odredjivanje se vrši u poredjenju sa benzoevom kiselinom.
Elektonski efekti: Hametova konstanta
Pozitivni i negativni induktivni i mezomerni efekti utiču na konstantu disocijacije (jonizacije) aromatičnih jedinjenja.
Louis Hammett (1894-1987)
29
Supstituenti pokazuju kvantitativni efekat na konstantu disocijacije.
NO2 u p-položaju: veći uticaj !
Vrednost σ zavisi da li je supstituent u m ili p položaju.
Orto položaj se ne odredjuje (sterne smetnje).
?
Mezomerni efekat !
Stabilizuje anjonStabilizuje anjon
Hametova jednačina uzima u obzir i rezonancioni i induktivni efekat supstituenata.
m položaj-samo induktivni efekat !
p položaj-induktivni i mezomerni efekat !
Induktivni efekat !
30
σσσσx = log (Kx/Kbenzoeva kiselina)
Ako je Kx > Kbenz. kis i σx = log Kx – log Kbenz. Kis;
σ će biti pozitivna vrednost.
COOH
Ka= 6.25x10-5
COOH
Cl
Ka= 10.0x10-5
Log10.0x10
-5
6.25x10-5
= 0.204 =σp for Cl
ben x
(σ+) -supstituenti akceptori elektrona,
(σ-) – supstituenti donori elektrona
-0.270.12OCH3
0.780.71NO2
0.660.56CN
-0.66-0.16NH2
-0.13-0.07CH3
σ paraσ metasupstituent
(σ+) supstituenti akceptori elektrona,
(σ-) supstituenti donori elektrona
O u p položaju- mezomerni ED efekat
O u m položaju- induktivni EA efekat
Craig-ov grafik
-vizuelizacija relativnih osobina (π i σ) različitih supstituenata
Craig-ov grafik za para-aromatične supstituente
EA, lipofilan
Craig-ov grafik
-supstituenti koji imaju pozitivne - negativne ili samo pozitivne vrednosti π i σ
-supstituenti koji imaju slične π vrednosti (mogu se međusobno menjati)
-supstituenti koji imaju slične σ vrednosti
-izbor supstituenata za QSAR analizu
31
Primena Craig-ovog grafika
Primer 1: Uvodjenjem CH3 supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom CH3 grupe sa terc. butilom grupom došlo do znatnog smanjenja aktivnosti od značaja za dejstvo su :
a) Elektronski efekti
b) Efekti lipofilnosti
Korišćenjem Carig-ovog grafika
predložite uvodjenje sledećeg
supstituenta koji će uticati na dalje
povećanje aktivnosti hipotetičke
molekule.
Primena Craig-ovog grafika
Primer 2: Uvodjenjem OH supstituenta u hipotetičku molekulu A dobijeno je jedinjenje sa povećanom aktivnošću. Ako je zamenom OH grupe sa COOCH3
grupom došlo do daljeg povećanja aktivnosti od značaja za dejstvo su :
a) Elektronski efekti
b) Efekti lipofilnosti
Korišćenjem Carig-ovog grafika
predložite uvodjenje sledećeg
supstituenta koji ćeuticati na dalje
povećanje aktivnosti hipotetičke
molekule.
06,2x10-5H
-0,154,4x10-5Et
0,77637,05x10-5NO2
Log(K/K0)KR
linearni odnos log(K/K0) derivata benzoeve i fenilsirćetne kiselinu
05,2x10-5H
-0,094,2x10-5Et
0,4314,1x10-5NO2
Log(K/K0)KR
K0 Benzoeva kis.
K0 Fenilsirćetna kis. feni
l-sir
ćetn
aki
selin
a
Log(
K/K 0
)
benzoeva kiselina Log(K/K0)
ρ-zavisi od osnovne strukture kiseline (benzoeva kiselina, fenilsirćetnakiselina)
Benzoeva kiselina Log (K/K0)=σσσσ
Nek
a ki
selin
aLo
g (K
/K0)
Log (Kx/K0)=ρσρσρσρσ
32
veće rastojanje između supstituenta i protona –smanjenje ρ
referenca
pKkis=pK0(kis)-ρρρρ(kis) ΣσΣσΣσΣσsupstituenata
Primena Hammetove jednačine: predviđanje pKa derivata benzoeve kiseline
COOH
O2N
O2N
H3C
-0.270.12OCH3
0.780.71NO2
0.660.56CN-0.66-0.16NH2
-0.13-0.07CH3
σ paraσ metasupstituent
pKkis=pK0(kis)-ρ(kis) Σσsupstituenata
Benzoeva kiselina:
pK0=-log (6,2x10-5)=4,2 ρ=1
kis
CH2CH2COOH
CN
H3CO
H3C
-0.270.12OCH3
0.780.71NO2
0.660.56CN-0.66-0.16NH2
-0.13-0.07CH3
σ paraσ metasupstituent
Zadatak: Predvideti pK vrednost prikazanog jedinjenja (ρ=0,21)
pKkis=pK0 (kis) -ρ(kis) Σσsupstituenata
33
Sterni parametri
Vezivanje leka za receptor zavisi od:
• voluminoznosti• veličine• oblika
U kvantifikaciji sternih parametara primenjuju se tri pristupa:
Molarna refraktivnostVerloopov sterni parametarTaftov parametar-Es
Molarna refraktivnost
Mera zapremine prostora koji okupira neki atom ili grupa atoma
MR = (n2 - 1) x MW(n2 +2) d
n = indeks refrakcijeMW= molekulska masad = gustina
MW/d definiše zapreminu(n2 - 1)/ (n2 +2) korekcioni faktor
Verloop-ov sterni parametar
Kompjuterski program izračunava sterne parametre za sve moguće konformacije iz:
Van der Waalsovog radijusa
Dužine veza
Uglova koje grade veze
1.4Bakar1.75Hlor1.80Sumpor1.80Fosfor1.47Fluor1.52Kiseonik1.55Azot1.70Ugljenik1.20Vodonik
radius (Å)Element
Van der Waalsov radijus
34
ES (Taft-ov deskriptor)
ES-eksperimentalni deskriptor
-mera sternih efekata supstituenata
(ES-) – veći supstituent, povećanje negativne vrednosti ES
Pored Taftovog sternog parametra Es, definisani su i drugi sterniparametri nezavisno od kinetičkih podataka.
Charton: V-vrednost, dobijena iz VdW radijusa.
Definiše zapreminu supstituenta koji se nalazi 0,3 nm od reakcionog centra.
QSAR model
Građenje QSAR modela:
1. Trenirani (ispitivani) set molekula-veliki broj struktura
-strukturno različite molekule
2. Deskriptori-značajni za ispitivanu osobinu ili aktivnost
3. Matematički model(jednačina) koji izražava odnos između osobine (aktivnosti) i deskriptora
4. Validacija matematičkog modela
Ispitivani set
Kongenerički set molekula-set molekula sličnih hemijskih struktura (analoga)
Nekongenerički set molekula-set molekula različitih hemijskih struktura
NCH3
CH3
H3C
OMe
OMe
NH
CH3
H3C
OMe
OMe
NMe
CH3
H3C
OH
OH
N
N
N
N
O
O
NH2
CH3O
CH3O
N
O
O
N N
F
F
F
CH3N
OH
O-CH3
OH
CH3-O
35
Selekcija deskriptora
-izračunat je veliki broj deskriptora za QSAR analizu
-dobar model sadrži mali broj dobro izabranih deskriptora
-veliki broj deskriptora može da dovede do grešaka u predviđanju
Selekcija deskriptora:
-manuelno (ukoliko poznajemo mehanizam dejstva lekova)
-automatski (pomoću statističkih metoda, upotreba programa)
Selekcija eliminacijom deskriptora(Backward selekcija)
-počinje se sa QSAR modelom koji sadrži sve deskriptore
-eliminišu se deskriptori čije odsustvo ne smanjuje preciznost modela
-uspostavljanje korelacije sa značajnim deskriptorima
Primer korelisanih deskriptora
-za seriju alkana
-dva visoko korelisana deskriptora: MW i broj C atoma
MW – bira se deskriptor koji sadrži potpuniju informaciju
C atomi
C atomiStruktura
Tabela podataka
-prvi korak je sumiranje molekula i molekulskih karakteristika
DeskriptoriOsobina koja se prati
Jedinjenje Aktivnost
36
Grafička analiza
-preliminarne interpretacije
-ispitivanja zakonitosti
osob
ina
osob
ina
osob
ina
osob
ina
Deskriptor x Deskriptor y
Deskriptor z Deskriptor k
Matematički modeli
-uspostavljanje odgovarajućih korelacija
-interpretacija modela
• Linearne metodeMultilinearna regresija (Multilinear Regression Analysis, MLR), Metoda najmanjih kvadrata (Partial Least Squares, PLS)
• Nelinearne metodeMetoda glavnih komponenata(Principal Component Analysis, PCA)
Veštačke neuronske mreže (Artifical Neural Network, ANN)
Matematički modeli
linearna regresija model parabole
multipla linearna regresija
Akt
ivno
st
Akt
ivno
st
Deskriptor Deskriptor
Aktivnost= a (deskriptor 1) + b Aktivnost= a (deskriptor 1)2 + b
Aktivnost= a(deskriptor 1) + b(deskriptor 2) + c(deskriptor 3) + d ...
Multipla linearna regresija
-korelacija sa više deskriptora
-uticaji različitih faktora
-linearnost za svaki pojedinačni deskriptor
Koeficijenti
Deskriptori
Aktivnost=
37
Multipla linearna regresija
-antikonvulzivi
-biloška aktivnost je rezultat kombinovanog dejstva lipofilnih, sternih i elektronskih efekata
loš model
dobar model
Koeficijent korelacije r2
-stepen korelacije između eksperimentalnih i izračunatih vrednosti za aktivnost
-od 0 do 1
Izračunata aktivnost
Izm
eren
a ak
tivn
ost
Dobra korelacija
Izračunata aktivnost
Izm
eren
a ak
tivn
ost
Loša korelacija
Validacija modela
-standardna devijacija
-r2 –poređenje različitih modela
-t i F (mera reproduktivnosti modela za podatke koji su korišćeniza konstruisanje modela)
1. Konformaciona izomerija se javlja:
a) zbog ograničene rotacije oko dvostruke veze
b) zbog slobodne rotacije oko dvostruke veze
c) zbog ograničene rotacije oko proste (jednostruke) veze
d) zbog slobodne rotacije oko proste (jednostruke)
2. Ako je log P=1 (jedinjenje A) i log P=-1 (jedinjenje B), koje jedinjenje je lipofilnije?
3. Definišite pojam log P i napište kako se izračunava.
4. Izomeriju polo aja karakteriše:
a) Ista molekulska formula i ista strukturna
b) Različita molekulska formula i različita strukturna
c) Ista molekulska formula i različita strukturna
d) Različita molekulska formula i ista strukturna
38
5. Koja vrsta izomerije se javlja kod butana i 2-metilpropana (zaokružiti tačan iskaz):
a) izomerija nizab) izomerija položaja c) izomerija funkcionalne gruped) konformaciona izomerijae) optička izomerijaf) geometrijska izomerija
6. Zaokru ite reakciju(e) koje dovode do povećanja polarnosti i rastvorljivosti leka u vodi?a) metilovanje fenolne funkcionalne grupe b) uvođenje dodatnih alkil grupac) uvođenje amino gruped) zamena aromatičnog prstena heterociklusom sa azotom(ima) e) zamena alkilgrupe nekom većom alkil grupomf) uvođenje atoma fluorag) uvođenje karboksilne grupe
7. Koja vrsta izomerije je prikazana na slici (zaokružiti tačan iskaz):
a) izomerija nizab) izomerija položaja c) izomerija funkcionalne gruped) konformaciona izomerijae) optička izomerijaf) geometrijska izomerija
8. Na slici je prikazana struktura adrenalina i noradrenalina. Zaokru ite jedinjenje koje je po vašem mišljenju lipofilnije.
Adrenalin Noradrenalin
9. Koje funkcionalne grupe povećavaju polarnost jedinjenja:
a) etarska d) amidska g) karboksilna
b) estarska e) alkil radikal
c) hidroksilna f) aromatičan prsten
10. Na slici je prikazan nesteroidni antiinflamatorni lek sulindac koji ima pKa = 4,22. Ako je pH eluca 2,2 u kom obliku (jonizovanom/nejonizovanom) i u kom procentu će biti prisutan sulindac (napisati bez izračunavanja).
CH3
F
COOH
SH3C
O
H