En ny enkel metode for lipofile (logP) måling ved hjælp af 19F NMR spektroskopi
Summary
En roman og ligetil variation af shake-kolbe metoden blev udviklet for nøjagtig lipofile måling af fluorholdige forbindelser af 19F NMR spektroskopi.
Abstract
Fluorination er blevet et effektivt redskab til at optimere fysisk-kemiske egenskaber af bioaktive stoffer. En af anvendelserne af fluor introduktion er at modulere lipofile af stoffet. I vores gruppe er vi interesserede i undersøgelsen af virkningerne af fluorination på lipofile af alifatiske fluorohydrins og fluorholdige kulhydrater. Disse er ikke UV-aktive, hvilket resulterer i en udfordrende lipofile bestemmelse. Her præsenterer vi en enkel metode til måling af lipofile af fluorholdige forbindelser af 19F NMR spektroskopi. Denne metode kræver ingen UV-aktivitet. Nøjagtig opløste masse, opløsningsmidler og alikvote rumfang er også ikke skal måles. Brug denne metode, målte vi lipophilicities af et stort antal af fluorholdige alkanols og kulhydrater.
Introduction
Lipofile er en vigtigste fysisk-kemiske parameter drug molekyler, som påvirker egenskaber af drug kandidater i mange aspekter, herunder stof opløselighed, biotilgængelighed og toksicitet1. Lipofile måles som forholdet mellem sammensatte koncentrationer logaritme (logP) efter opdeling mellem n-oktanol og vand. Optimal lipofile værdiskalaer er blevet foreslået baseret på statistiske data af oralt administreret medicin, som Lipinski’s “regel 5 ” er det mest berømte eksempel2,3. Faktisk har kontrollere lipofile vist sig for at være nødvendig for at forbedre udsigterne til lægemiddelkandidater. Øge stof bindende affinitet af forhøjede lipofile er blevet identificeret som et af de vigtigste problemer i drug discovery projekter i løbet af de sidste par årtier, fører til øget nedslidning priser3. Derfor, det er blevet foreslået, at vellykket stof udvikling er forbundet med at holde den molekylære lipofile af lægemiddelkandidater inden for optimal grænser under affinitet optimering proces3,4. I henseende har nye begreber (som lipofile effektivitet indeks) blevet indført5,6.
Det er derfor af stor betydning for præcist at måle lipofile under udviklingsprocessen stof. Desuden enkle metoder til måling af lipofile er efterspurgte som grundlæggende forskning har til formål at identificere løsninger for loggeP graduering. Mange etablerede metoder er i øjeblikket tilgængelig for lipofile bestemmelse1. ‘Ryste-målekolbe (SF)’ metode7og dens variationer er almindeligvis ansat til at måle logP værdier direkte, som i de fleste tilfælde afhænger af UV-Vis spektroskopi til kvantificering. Den største ulempe ved denne klassiske SF metode er dens arbejdskrævende karakter. Derudover kan dannelsen af emulsioner forekomme, især for stærkt lipofile forbindelser8,9. Flere metoder blev udviklet for at omgå sådanne spørgsmål, som ved hjælp af analysen af handelsstrømmen injektion, dialyse slanger mv. 9,10. Men ingen af disse metoder er ligetil og nemt finder ikke anvendelse i ikke-specialiserede laboratorier.
Der er også mange indirekte metoder til rådighed til brug, såsom potentiometrisk titrering11, elektroforese metoder12,13, RP-HPLC-baserede kromatografiske metoder, masse-massespektrometri-baseret metoder14, mv. Disse er indirekte metoder som logP -værdier er fremstillet af kalibreringskurver. Blandt disse metoder, har RP-HPLC-metoden været meget udbredt, fordi det er brugervenligt og tidsbesparende. Ikke desto mindre, dens nøjagtighed afhænger af den uddannelse, der bruges til at etablere kalibreringskurven, og den anslåede lipofile afhænger den partition system brugte13,15.
Der er en række 1H NMR-baseret metoder rapporteret i litteraturen for lipofile bestemmelse. Mo et al. udviklet en metode til logP måling ved hjælp af 1H NMR uden deutereret opløsningsmidler. Vand og oktanol, som partition opløsningsmidler, blev brugt som henvisninger til kvantificering af opløste koncentrationen i hver fase16. Herth og kollegaer også rapporteret om en fremgangsmåde, hvorved partition eksperiment fandt sted direkte i et NMR rør, hvor NMR-data af den nederste D2O vandige lag blev indsamlet før og efter ekstraktion med 1-octanol, at opnå distribution koefficient17. Derudover udnyttet Soulsby et al. 1H NMR som et analyseværktøj, bestemmelse af amplituden af signaler ved hjælp af fuldstændig reduktion til amplitude-frekvens tabel software. Forholdet mellem amplituder i begge lag førte til den målte partition koefficient18. Disse metoder er forholdsvis enkle at bruge, men kræver ofte kalibrering af selektiv pulser og magt niveauer eller brug af formet gradient impulser til at sikre passende opløsningsmiddel undertrykkelse og signalere selektivitet.
Beregnet logP (tilstoppeP) værdier for forbindelser kan også fås. Der er flere beregningsmetoder og kommercielt tilgængelige software. Sådanne tilstoppeP værdier er almindeligt anvendt i den farmaceutiske industri ved evaluering af stort antal drug molekyler. Store fejl fra tilstoppeP værdier er imidlertid ikke ualmindeligt19,20.
Kravene i UV-aktivitet for koncentration analyse og etablering af kalibreringskurverne for logP beregning hindrer forskning fremskridt på dette område. Dette er især tilfældet for ikke-UV-aktive alifatiske forbindelser. Fluorholdige alifatiske fraspaltning er blevet stadig mere attraktive for drug design i de seneste år, og deres indflydelse på samlede lipofile af stoffet er en forskningsemne i vores gruppe21. Derudover er 19F en yderst følsom NMR-aktiv kerne, gør 19F NMR et nyttigt værktøj til at analysere fluorholdige forbindelser. Det har også en større kemisk Skift vifte sammenlignet med 1H. Derfor er det umagen værd at udvikle en enkel metode til logP bestemmelse af ikke-UV-aktive fluorholdige forbindelser af 19F NMR spektroskopi. Det overordnede mål med denne metode er derfor, at opnå praktisk lipofile bestemmelse af fluorerede forbindelser.
Hovedprincippet i vores 19F NMR-baseret metode er at tilføje en fluorholdige reference sammensatte i partition eksperiment (figur 1)21. Sammensatte X og reference sammensatte (ref) er opdelt mellem vand og n– octanol. Efter equilibrating, en delprøve af hver fase tages et NMR rør og 19F NMR eksperimenter kører på både NMR prøver. Intensiteten af fluor toppene er proportional med sammensatte koncentration (C) og antallet af fluor atomer (n) af forbindelser. Mellem sammensatte X og ref, kan integreret nøgletal fås for begge faser. Forholdet i n– oktanol lag er defineret som RhoOLTog Rhoaq for vandet lag (eq. 1). Forholdet mellem Rho værdier er lig med forholdet mellem partition koefficienter (P) af sammensatte X og ref (eq. 2). Dette fører til den endelige ligning (eq. 4) til logP måling af sammensatte X. Derfor, for at bestemme logP -værdi af en ukendt sammensatte X, kun integration nøgletal (RhoOLT og Rhoaq) i begge lag er nødvendige for at blive målt på 19F NMR.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den protokol, der er beskrevet i papiret er en enkel metode til logP måling af fluorerede forbindelser. Denne metode gælder for fluorholdige forbindelser med en logP -værdi fra -3 til 3. For mere hydrofile (logP < -3) eller lipofile forbindelser (logP > 3), denne metode kan stadig bruges, men vil kræve meget længere NMR eksperiment tid som udvidet antallet af transienter er nødvendig for at opnå en god signal / støj-forhold. Dette er derfor en begrænsning af metoden. Der er in…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning er finansieret som en del af EPSRC tilskud EP/K016938/1 og EP/P019943/1 (ZW, HRF) og af en EPSRC/AstraZeneca-sagen konvertering award (BFJ). University of Southampton er takkede for yderligere support. EPSRC er yderligere takkede for en kerne kapacitet grant EP/K039466/1.
Materials
| NMR (400 MHz) with Bruker 5 mm SEF probe | Bruker | n/a | AVIIIHD400 |
| NMR (400 MHz) with Bruker 5 mm SMART probe | Bruker | n/a | |
| DrySyn Snowstorm reactor | Asynt | ADS13-S | |
| recirculating chiller | Asynt | n/a | model:Grant-LTC2 |
| magnetic stirplate | Asynt | ADS-HP-NT | |
| ACD/NMR processor software | ACD/Labs | n/a | ACD/NMR processor academic edition or ACD/Spectrus processor 2015 |
References
- Arnott, J. A., Planey, S. L. The influence of lipophilicity in drug discovery and design. Expert Opinion on Drug Discovery. 7 (10), 863-875 (2012).
- Lipinski, C. A., Lombardo, F., Dominy, B. W., Feeney, P. J. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Advanced Drug Delivery Reviews. 23 (1), 3-25 (1997).
- Leeson, P. D., Springthorpe, B. The influence of drug-like concepts on decision-making in medicinal chemistry. Nature Reviews Drug Discovery. 6, 881 (2007).
- Perola, E. An Analysis of the Binding Efficiencies of Drugs and Their Leads in Successful Drug Discovery Programs. Journal of Medicinal Chemistry. 53 (7), 2986-2997 (2010).
- Tarcsay, A., Nyiri, K., Keseru, G. M. Impact of Lipophilic Efficiency on Compound Quality. Journal of Medicinal Chemistry. 55 (3), 1252-1260 (2012).
- Tarcsay, &. #. 1. 9. 3. ;., Keserű, G. M. Contributions of Molecular Properties to Drug Promiscuity. Journal of Medicinal Chemistry. 56 (5), 1789-1795 (2013).
- . . OECD Guidelines for Testing of Chemicals. , (1992).
- Tsang, S. C., Yu, C. H., Gao, X., Tam, K. Y. Preparation of nanomagnetic absorbent for partition coefficient measurement. International Journal of Pharmaceutics. 327 (1), 139-144 (2006).
- Andersson, J. T., Schräder, W. A Method for Measuring 1-Octanol−Water Partition Coefficients. Analytical Chemistry. 71 (16), 3610-3614 (1999).
- Danielsson, L. -. G., Yu-Hui, Z. Mechanized determination of n-octanol/water partition constants using liquid-liquid segmented flow extraction. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis. 12 (12), 1475-1481 (1994).
- Scherrer, R. A., Donovan, S. F. Automated Potentiometric Titrations in KCl/Water-Saturated Octanol: Method for Quantifying Factors Influencing Ion-Pair Partitioning. Analytical Chemistry. 81 (7), 2768-2778 (2009).
- Poole, S. K., Poole, C. F. Separation methods for estimating octanol-water partition coefficients. Journal of Chromatography B. 797 (1), 3-19 (2003).
- Ishihama, Y., Oda, Y., Uchikawa, K., Asakawa, N. Evaluation of Solute Hydrophobicity by Microemulsion Electrokinetic Chromatography. Analytical Chemistry. 67 (9), 1588-1595 (1995).
- Jorabchi, K., Smith, L. M. Single Droplet Separations and Surface Partition Coefficient Measurements Using Laser Ablation Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 81 (23), 9682-9688 (2009).
- Kaliszan, R. Quantitative structure-retention relationships. Analytical Chemistry. 64 (11), 619A-631A (1992).
- Mo, H., Balko, K. M., Colby, D. A. A practical deuterium-free NMR method for the rapid determination of 1-octanol/water partition coefficients of pharmaceutical agents. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 20 (22), 6712-6715 (2010).
- Stéen, E. J. L., et al. Development of a simple proton nuclear magnetic resonance-based procedure to estimate the approximate distribution coefficient at physiological pH (logD7.4): Evaluation and comparison to existing practices. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 27 (2), 319-322 (2017).
- Soulsby, D., Chica, J. A. M. Determination of partition coefficients using 1H NMR spectroscopy and time domain complete reduction to amplitude-frequency table (CRAFT) analysis. Magnetic Resonance in Chemistry. 55 (8), 724-729 (2017).
- Tetko, I. V., Poda, G. I., Ostermann, C., Mannhold, R. Accurate In Silico log Predictions: One Can’t Embrace the Unembraceable. QSAR & Combinatorial Science. 28 (8), 845-849 (2009).
- Waring, M. J. Lipophilicity in drug discovery. Expert Opinion on Drug Discovery. 5 (3), 235-248 (2010).
- Linclau, B., et al. Investigating the Influence of (Deoxy)fluorination on the Lipophilicity of Non-UV-Active Fluorinated Alkanols and Carbohydrates by a New log P Determination Method. Angewandte Chemie International Edition. 55 (2), 674-678 (2016).
- Derome, A. E. . Modern NMR Techniques for Chemistry Research. , (1997).
- Claridge, T. . High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. , (1999).
- Zhang, F. -. F., et al. Quantitative analysis of sitagliptin using the 19F-NMR method: a universal technique for fluorinated compound detection. Analyst. 140 (1), 280-286 (2015).
- Muller, N. When is a trifluoromethyl group more lipophilic than a methyl group? partition coefficients and selected chemical shifts of aliphatic alcohols and trifluoroalcohols. Journal of Pharmaceutical Sciences. 75 (10), 987-991 (1986).
- Hansch, C., Leo, A. . Substituent constants for correlation analysis in chemistry and biology. , (1979).
- Dillingham, E. O., Mast, R. W., Bass, G. E., Autian, J. Toxicity of Methyl- and Halogen-Substituted Alcohols in Tissue Culture Relative to Structure-Activity Models and Acute Toxicity in Mice. Journal of Pharmaceutical Sciences. 62 (1), 22-30 (1973).
- Leo, A., Hansch, C., Elkins, D. Partition coefficients and their uses. Chemical Reviews. 71 (6), 525-616 (1971).
- Fujita, T., Iwasa, J., Hansch, C. A New Substituent Constant, π, Derived from Partition Coefficients. Journal of the American Chemical Society. 86 (23), 5175-5180 (1964).
- Zhong-Xing, J., Xin, L., Eun-Kee, J., Bruce, Y. Y. Symmetry-Guided Design and Fluorous Synthesis of a Stable and Rapidly Excreted Imaging Tracer for 19F MRI. Angewandte Chemie International Edition. 48 (26), 4755-4758 (2009).
