by Y Baena · 2004 · Cited by 9 — Se determinó el coeficiente de reparto octanol/agua y la solubilidad de acetaminofén (paracetamol) en octanol, agua y los solventes.
140 KB – 8 Pages
PAGE – 1 ============
Revista Brasileira de Ciências FarmacêuticasBrazilian Journal of Pharmaceutical Sciencesvol. 40, n. 3, jul./set., 2004Estudio termodinámico de la transferencia de acetaminofén desde el aguahasta el octanolYolima Baena 1, Jorge Pinzón2, Helber Barbosa1, Fleming Martínez1*1Departamento de Farmacia, Universidad Nacional de Colombia, 2Departamento de Química, UniversidadNacional de ColombiaSe determinó el coeficiente de reparto octanol/agua y la solubilidad de acetaminofén (paracetamol) en octanol, agua y los solventes mutuamente saturados a 25.0, 30.0, 35.0 y 40.0 °C. Mediante elanálisis termodinámico de Gibbs y van™t Hoff se observa que el proceso de transferencia del fármaco desde el agua hasta el octanol es espontáneo y de conducción principalmente entálpica. Seencuentra que la saturación mutua de las fases juega un papelimportante en el reparto y la solubilidad de este fármaco, lo cual se ha demostrado para otras sustancias semipolares tales como algunos derivados de la guanina y algunas sulfonamidas. *Correspondencia:F. Martinez Departamento de Farmacia, Universidad Nacional de Colombia,A.A. 14490, Bogotá D.C., Colombia* E-mail: fmartinezr@unal.edu.coUnitérminos:Ł Termodinámica de Ł transferenciaŁ Acetaminofén Ł Coeficiente de repartoINTRODUCCIÓNEl coeficiente de reparto octanol/agua, PC, es unparámetro fisicoquímico muy utilizado para modelar el comportamiento de membranas biológicas y para laestimación del transporte, la distribución y el destino de fármacos en el organismo y juega un papel fundamental en el planteamiento de correlaciones cuantitativas entre laestructura y la actividad biológica de sustancias, QSAR (Leoet al., 1971; Hansch, Leo, 1995; Sangster, 1997). Las ventajas del octanol como solvente orgánico modelo paraestudios de reparto son debidas principalmente a su balan-ce hidrófilo-lipófilo, su capacidad de formación de enlaces de hidrógeno y a su contenido relativamente alto de agua desaturación, que ha sido reportado hasta en el 27.5 %expresado en composición molar, Xw = 0.275 (Dallos, Liszi, 1995; Sangster, 1997). Algunas consideraciones termodinámicas y teóricas indican que el octanol saturadode agua posee una estructura micro heterogénea (DeBolt, Kollman, 1995). Por estas razones se ha encontrado que lascorrelaciones entre la actividad biológica y el coeficiente dereparto son mucho más adecuadas en este sistema que enotros tales como hidrocarburo/agua (Flynn, 1971).Algunos autores han asumido que la saturaciónmutua de los dos solventes no tiene efecto sobre el repar-to de solutos semipolares o apolares, es decir que el coe-ficiente de reparto es igual al cociente de la solubilidad en octanol y en agua como solventes puros, PC = S o / Sw(Yalkowsky, Valvani, 1980). De otra parte, Yalkowsky, Valvani y Roseman (1983) mostraron que en el caso de solutos polares el cociente de solubilidades en octanol yagua difiere bastante del correspondiente valor de PC,explicando tales desviaciones como consecuencia de la auto asociación que presentan estos solutos a altasconcentraciones en octanol. Sin embargo otros autores hanencontrado que la miscibilidad parcial mutua de los solventes sí tiene influencia sobre los valores de solubilidady de reparto, y afirman que los coeficientes de actividad delos solutos, 2, son distintos en los solventes puros que cuando éstos están saturados (Chiou et al., 1981).
PAGE – 2 ============
Y. Baena, J. Pinzón, H. Barbosa, F. Martínez 414Kristl y Vesnaver (1995) realizaron una evaluación termodinámica del efecto de la miscibilidad mutua deloctanol y el agua, sobre el reparto y la solubilidad dealgunos derivados de la guanina con posible actividad antiviral, encontrando que los coeficientes de actividad deestas sustancias son diferentes en los solventes puros y enlos saturados. Además demostraron que el coeficiente de reparto calculado como el cociente de las solubilidades delsoluto en octanol y en agua, como solventes puros, se alejabastante del valor experimental, mientras que el valor calculado es mucho más acorde cuando se usan loscorrespondientes valores en los solventes mutuamentesaturados. En un trabajo posterior, Kristl (1996) encontró el mismo comportamiento utilizando como fases orgánicasel heptanol y el nonanol. De manera similar, Martínez et al.(2001), estudiando el comportamiento de algunas sulfonamidas en sistemas octanol/agua, encontraron que lasaturación mutua de los dos solventes presenta gran influ-encia sobre las funciones termodinámicas de reparto para esos fármacos, ya que el planteamiento de Yalkowsky prácticamente no se cumple en ninguno de los compuestosevaluados.Con el objetivo básico de presentar una informaciónfisicoquímica más completa y sistemática, relacionada conlas propiedades de disolución y transferencia del acetaminofén (paracetamol) (ACF, el cual es un fármaco usado ampliamente en la actualidad como analgésico yantipirético, particularmente en el tratamiento de algunas patologías menores en pacientes pediátricos) que seacomplementaria a la existente (Bustamante et al., 1995;Romero et al., 1996; Pérez et al., 2003); y además, queesta información pueda conducir al posible entendimientoque juega la estructura molecular sobre algunos fenómenostales como la disolución y la absorción in vivo de esteimportante compuesto, en el presente trabajo se presentanlos correspondientes valores de coeficiente de repartooctanol/agua y de solubilidad, en agua, octanol y los solventes mutuamente saturados, a 25.0, 30.0, 35.0 y 40.0± 0.1 °C junto al correspondiente análisis termodinámicodel proceso de transferencia.Aspectos teóricosEl coeficiente de reparto molal de un soluto entreuna fase líquida orgánica y una fase acuosa (Pm) se calculamediante la expresión:(Ec. 1)en la cual, Ww y Wo son las masas (g) de las fases acuosa y orgánica, respectivamente, y C1 y C2 son las concentraciones acuosas del soluto (µg/mL) antes ydespués de la transferencia desde la fase acuosa hasta laorgánica, respectivamente (Betageri, Rogers, 1987; Ávila,Martínez, 2003). La conversión de los valores de reparto expresados en molalidad a la escala de molaridad ( PC) serealiza mediante:(Ec. 2)donde, o y w son las densidades de las fases orgánica y acuosa, respectivamente.El cambio estándar de energía libre de transferenciadel fármaco desde la fase acuosa hasta la orgánica (GCwo) se calcula mediante la expresión:(Ec. 3)en la cual, R es la constante universal de los gases (8.314 J molŒ1 KŒ1) y T es la temperatura absoluta en Kelvin. De otra parte, el cambio entálpico para el proceso detransferencia se puede determinar directamente median- te calorimetría de titulación termométrica, o indirectamentecomo la diferencia de los calores de disolución del solutoen cada una de las fases consideradas, obtenidos por calorimetría de solución (Martínez et al. , 2000). Un méto-do muy utilizado en el estudio de compuestos de interésfarmacéutico, en particular de fármacos, es el análisis de la variación del coeficiente de reparto en función de latemperatura, mediante el método de van™t Hoff, el cualpermite obtener el cambio entálpico estándar (HCwo) apartir de la ecuación:(Ec. 4)con lo cual, HCwo se determina a partir de la pendiente de una gráfica lineal ponderada de ln PC en función de TŒ1.El cambio entrópico estándar de transferencia (SCwo) secalcula directamente a partir de los correspondientes va- lores de energía libre y entalpía, con base en la relación:(Ec. 5)MATERIALES Y METODOLOGÍA MaterialesAcetaminofén USP (1994), Industria QuímicaAndina de Colombia; octanol extra puro Merck; agua
PAGE – 3 ============
Estudio termodinámico de la transferencia de acetaminofén415 destilada, conductividad < 2 µS, Laboratorio deFarmacotecnia, Universidad Nacional de Colombia; alcoholUSP (1994), Empresa Licorera de Cundinamarca; clorurode potasio R.A. Merck; fosfatos mono y disódico, R.A. Merck; unidades de filtración Swinnex®-13, MilliporeCorp.; material volumétrico aforado.EquiposAgitador mecánico Wrist Action Burrel model 75; espectrofotómetro ultravioleta Hewlett Packard 8452A;baño termostatado Magni Whirl Blue M. ElectricCompany; densímetro digital DMA 45 Anton Paar. MetodologíaDeterminación de la solubilidadSe adicionaron entre 500 y 1200 mg de ACF (lo cual corresponde a un exceso de fármaco, según el mediosolvente) a 20 mL de cada uno de los solventes, en fras-cos de vidrio con tapa de polipropileno. Luego las muestras se sometieron a agitación mecánica durante 1 hora y pos-teriormente se termostataron como mínimo por 48 horas a25.0, 30.0, 35.0 y 40.0 ± 0.1 °C, agitando regularmente. Transcurrido este tiempo se filtraron las muestras para asegurar la ausencia de sólido no disuelto. Para lavaloración se utilizó la técnica espectrofotométrica UV; las soluciones fueron diluidas con solución amortiguadora depH 7.4 a base de fosfatos, en el caso de solucionesacuosas y acuosas saturadas de octanol, o con alcohol USP para las soluciones octanólicas y en octanol saturadode agua, para obtener lecturas de absorbancia dentro de lazona de linearidad.Determinación del coeficiente de repartoLas fases líquidas se saturaron previamente con elotro solvente. Se prepararon soluciones de ACF de concentración conocida cercana a 20 µg/mL en solución amortiguadora saturada de octanol, con pH 7.4 (pH san-guíneo) y fuerza iónica, µ 0.15 mol-LŒ1, similar a la deltracto gastrointestinal (Cevc, 1993). En frascos de vidriode 25 mL, se colocaron 10.0 mL de solución acuosa delfármaco y se adicionaron 10.0 mL de octanol saturado de agua, registrando la masa de las dos fases. Las mezclas seagitaron mecánicamente por una hora y se termostataroncomo mínimo por 48 horas a 25.0, 30.0, 35.0 y 40.0 ± 0.1 °C agitando regularmente. Posteriormente se permitió la separación de las dos fases líquidas y se leyerondirectamente las absorbancias de las fases acuosas utili- zando la correspondiente max en UV, para determinar la concentración de ACF y calcular Pm por balance de ma- terial (Ec. 1) y PC mediante la Ec. 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La estructura molecular del ACF y algunas de sus propiedades fisicoquímicas se presentan en la Tabla I. El valor de pKa fue corregido a fuerza iónica, µ 0.15 mol L Œ1,usando la ecuación de Debye-Hückel a partir del datoreportado por Martin et al. (1993). En la Tabla II se presentan los valores de coeficiente de reparto octanol/agua del ACF en la escala de molaridad, en función de la temperatura, mientras que elcorrespondiente comportamiento gráfico según el mode- lo de van™t Hoff se presenta en la Figura 1. El ACF a pH 7.4 se encuentra disociado únicamente en un 0.42 %, porlo que se puede asumir que en el torrente sanguíneo este fármaco se encuentra preferentemente en formamolecular. Los coeficientes de reparto son ligeramente superiores a 1, lo que indica que este compuesto es semipolar y de naturaleza parcialmente lipofílica, ademásesta propiedad fisicoquímica disminuye con el aumento dela temperatura mostrando un carácter exotérmico para la transferencia hacia el medio orgánico.Las funciones termodinámicas de transferencia:energía libre, entalpía y entropía, desde el agua hasta el octanol mutuamente saturados, se presentan en la Tabla III, las cuales fueron obtenidas a partir de los datos dereparto de la Tabla II, utilizando las ecuaciones 3, 4 y 5, respectivamente.TABLA I - Propiedades fisicoquímicas del ACF (Martin et al., 1993)Estructura molecularMasa molar /g mol-1pKa (a)max / nm (b)151.169.78 242 y 250(a) Corregido a fuerza iónica m 0.15 mol L Œ1.(b) Primer valor en agua a pH 7.4 y segundo en alcohol USP.
PAGE - 4 ============
Y. Baena, J. Pinzón, H. Barbosa, F. Martínez 416Se observa que la transferencia del ACF desde el medio acuoso hasta la fase orgánica es espontánea, en términos del valor negativo del cambio estándar de energíalibre usando la escala de molaridad, por otro lado se puedeindicar que la conducción del proceso es principalmente energética por tratarse de un proceso exotérmico, lo cualse verifica al calcular las respectivas contribuciones porentalpía y entropía al cambio de energía libre del proceso de reparto, mediante las ecuaciones 6 y 7 (Perlovich et al.,2004):(Ec. 6)(Ec. 7)Según los datos termodinámicos de la Tabla III, se obtienen valores: %H = 53.8 % y % TS = 46.2 %, que si bien no son muy diferentes, si muestran un ligeropredominio del carácter energético sobre el organizacional, en la transferencia de este fármaco desde el agua hasta eloctanol. En términos de interacciones intermolecularessoluto-solvente (o solvente-solvente), estos resultados se pueden interpretar como el establecimiento de un mayornúmero de puentes de hidrógeno (soluto-solvente y/osolvente-solvente) en la fase orgánica, con respecto a los existentes en la fase acuosa (lo cual explicaría la liberaciónde energía y la reducción de entropía por un mayorordenamiento molecular), si bien, también se pueden presentar interacciones no específicas por efectos dedispersión electrónica entre los grupos hidrocarbonados delfármaco y del octanol (fuerzas de London), una vez alcanzado el equilibrio.La solubilidad milimolar (10Œ3 SC) del ACF en los solventes estudiados, junto a los cocientes de solubilidad entre los solventes puros y los mutuamente saturados sepresenta en la Tabla IV. Puede observarse que la solubilidad a 25.0 °C disminuye en el orden: ROH (W) >TABLA III – Funciones termodinámicas de transferencia del ACF a partir de valores de coeficiente de reparto a 25.0 °C (± D.E.C.).GCwo / kJ mol Œ1HCwo / kJ mol Œ1SCwo / J mol Œ1 KŒ1Œ2.49 (0.08)Œ17.7 (1.3)Œ51 (4) FIGURA 1 – Gráfica de van™t Hoff del coeficiente de reparto molar octanol/agua del ACF. TABLA II – Coeficiente de reparto molar octanol/agua del ACF en función de la temperatura (± Desviación EstándarCorregida: D.E.C.)t / °CPC25.02.73 (0.09)30.02.40 (0.07)35.02.17 (0.06)40.01.89 (0.05)
PAGE – 5 ============
Estudio termodinámico de la transferencia de acetaminofén417 ROH > W > W(ROH), donde el símbolo >, indica mayorque–, mientras que a 40.0 °C, el orden se ve modificadoa ROH(W) > W > ROH > W (ROH), lo cual como se indicamás adelante depende de la entalpía de solución del fármaco en cada solvente.Las funciones termodinámicas para el proceso desolución: energía libre (GCsol), entalpía (HCsol) y entropía(SCsol), se presentan en la Tabla V, las cuales fueron obtenidas a partir de los datos de solubilidad en cadasolvente presentados en la Tabla IV, utilizando las ecuaciones 8, 9 y 10, respectivamente (Martínez, Gómez,2001; Ávila, Martínez, 2002).(Ec. 8)(Ec. 9)(Ec. 10)Se observa que el proceso de solución de estefármaco se ve más afectado energéticamente en los dossolventes puros que en los mutuamente saturados, esto es, HCsol es mayor para W respecto a W (ROH) y es también mayor para ROH respecto a ROH(W), lo que demuestra quela saturación mutua de los dos solventes presenta un mar- cado efecto sobre la entalpía de solución, disminuyéndola enlos dos casos, acuoso y orgánico respectivamente, la cual al ser positiva implica carácter endotérmico, lo que a su vezlleva a una conducción entrópica para el proceso de solución debido a los valores positivos obtenidos en esta últimapropiedad a causa del desorden intermolecular que segenera en la mezcla (Tabla V). Los valores más altos de entalpía de solución en lossolventes puros pueden deberse a una mayor auto asociación por interacción solvente-solvente en el aguapura y en el octanol puro, debido principalmente a lospuentes de hidrógeno intermoleculares presentes en cada uno de los solventes (los cuales necesitan mayor energíapara ser separados durante la formación de la cavidadrequerida para alojar al soluto), mientras que en los solventes mutuamente saturados esta asociación se veafectada por la incorporación del otro solvente.Para evaluar la validez de la estimación del coefici-ente de reparto del ACF como el cociente de las solubili- dades en las fases líquidas orgánicas y acuosas(Yalkowsky, Valvani, 1980; Yalkowsky, Valvani, Roseman, 1983), y por otro lado, de la estimación de las funcionestermodinámicas de transferencia como la diferencia entrelos respectivos valores termodinámicos de solución obtenidos en los medios orgánicos y acuosos, en adición alos cocientes de solubilidad presentados en la Tabla IV, en la Tabla VI se presentan estas diferencias, para el par octanol + agua (WROH), y para el par octanol saturadode agua + agua saturada de octanol (W(ROH)ROH(W)),mientras que en la Tabla VII, se presentan los porcentajes de desviación encontrados entre los valores de coeficien-te de reparto reales y las funciones termodinámicas deTABLA V – Funciones termodinámicas de solución del ACF a 25.0 °C (± D.E.C.) SolventeGCsol / kJ mol Œ1HCsol / kJ mol Œ1SCsol / J mol Œ1 KŒ1ROH4.960 (0.014)21 (6)37.3 (2.5) ROH(W)3.72 (0.07)11.4 (2.1)8.0 (0.6) W(ROH)5.810 (0.004)26.4 (1.0)35.6 (1.4) W5.66 (0.04)41.2 (2.9)86 (6) TABLA IV – Solubilidad milimolar y cocientes de solubilidad del ACF en función de la temperatura (± D.E.C.) t/°Cmmol LŒ1Par de solventesROHROH (W)W(ROH)WROH/WROH (W)/ W(ROH)25.0135.1 (0.7)222 (6)95.88 (0.18)101.9 (1.5)1.332.32 30.0150 (3)234 (3)116.7 (0.7)124.1 (0.6)1.212.01 35.0172 (4)255.5 (2.2)134.6 (1.2)168.4 (2.3)1.021.90 40.0201 (3)275 (6)161.1 (1.8)223.4 (0.6)0.901.71
PAGE – 6 ============
Y. Baena, J. Pinzón, H. Barbosa, F. Martínez 418transferencia (obtenidas a partir de repartos) y los valoresobtenidos como cociente de solubilidad y las funcionestermodinámicas de solución para las transferencias WROH y W(ROH)ROH(W).Respecto a las funciones termodinámicas detransferencia, en las Tablas VI y VII se puede observar que el valor más próximo al real (obtenido a partir de re-parto), para el cambio estándar de energía libre seconsigue en el par W(ROH)ROH(W), mientras que en elcaso de los cambios entálpico y entrópico, los valores máspróximos se consiguen con el par WROH, sin embargoen términos generales se debe mencionar que el par que mejor permite estimar los coeficientes de reparto, es elcorrespondiente a los solventes mutuamente saturados, yaque la variación frente al coeficiente verdadero es sólo del 15.0 % frente al 60.3 % obtenido en el caso de los solventespuros. Esto último también puede ser consecuencia delhecho que, de manera similar a lo encontrado con deriva- dos de la guanina, algunas sulfonamidas y benzocaína, enel caso del ACF, los coeficientes de actividad del fármaco son diferentes en los solventes puros respecto a los obtenidos en los solventes mutuamente saturados (Baenaet al., 2004).CONCLUSIONESLa transferencia del ACF desde el agua hasta el octanol es conducida principalmente por la formación depuentes de hidrógeno y en menor grado por interacciones débiles, lo cual confirma el carácter semipolar de estefármaco, si bien es preferentemente lipofílico, lo que sededuce del valor superior a 1, obtenido en los coeficientes de reparto octanol/agua. Adicionalmente, los valores Ko/w,reales y calculados como cociente de solubilidades (So/Sw),junto a las correspondientes funciones termodinámicas, indican que la saturación mutua del agua y el octanol juegaun papel importante en la solubilidad y el reparto del ACF, de manera similar a lo encontrado con otras sustancias semipolares.AGRADECIMIENTOSFormalmente agradecemos a la DIB-UNC por elapoyo financiero, a Industria Química Andina por la donación del acetaminofén y a los Departamentos deFarmacia y Química -UNC, por facilitar las instalacionesy los equipos requeridos para el desarrollo de este trabajo.ABSTRACTThermodynamic study of acetaminophen™s transfer from water to octanolThe partition coefficients and solubilities in octanol,water and mutually saturated octanol-water phases were determined for acetaminophen at 25.0, 30.0, 35.0, and 40.0 °C. By means of Gibbs and van™t Hoff thermo- dynamic analyses it may observe that the transfer of this drug from water to octanol is spontaneous and mainly driven enthalpically. As in other studies made with guanine derivatives and sulfonamides, it has beenshown that the mutual saturation of the octanol and aqueous phases plays an important role in the partitioning and solubility of this drug.TABLA VII – Porcentajes de desviación de las propiedades calculadas a partir de valores de solubilidad frente a los respectivos valores en términos del reparto a 25.0 °CPropiedad% desviaciónWROHW (ROH)ROH(W)PC60.3 (a)15.0 (c)GCwo71.9 (b)16.0 (d)HCwo14.1 (b)17.5 (d)SCwo02.5 (b)45.9 (d)(a) % Desv. = |100 ( PC Œ (SCROH / SCW)) / PC|(b) % Desv. = |100 ( Cwo Œ (Csol)WROH) / Cwo|(c) % Desv. = |100 ( PC Œ (SCROH(W) / SCW(ROH))) / PC|(d) % Desv. = |100 ( Cwo Œ (Csol)W(ROH)ROH(W)) / Cwo|TABLA VI – Funciones termodinámicas de transferencia del ACF a partir de valores de solución a 25.0 °C (± D.E.C.) Transferencia (GCsol) / kJ molŒ1(HCsol) / kJ molŒ1(SCsol) / J molŒ1 KŒ1WROH (a)Œ0.70 (0.04)Œ20 (7)Œ49 (7) W(ROH)ROH(W) (b)Œ2.09 (0.07)Œ14.6 (2.3)Œ27.6 (1.5) (a) (Csol) = (Csol)ROH Œ ( Csol)W, donde es G, H o S(b) (Csol) = (Csol)ROH(W) Œ ( Csol)W(ROH)
PAGE – 8 ============
Y. Baena, J. Pinzón, H. Barbosa, F. Martínez 420PERLOVICH, G.L.; KURKOV, S.V.; KINCHIN, A.N.; BAUER-BRANDL, A. Thermodynamics of solutions III:Comparison of the solvation of (+)-naproxen with otherNSAIDs. Eur. J. Pharm. Biopharm. , Amsterdam, v. 57, n. 2, p. 411-420, 2004. SANGSTER, J. Octanol-water partition coefficients:fundamentals and physical chemistry. Chichester: John Wiley & Sons, 1997. p. 1-55. ROMERO, S.; REILLO, A.; ESCALERA, B.; BUSTAMANTE, P. The behavior of paracetamol in mixtures of amphiprotic and amphiprotic-aprotic solvents. Relationship of solubility curves to specific and nonspecificinteractions. Chem. Pharm. Bull., Tokyo, v. 44, n. 5, p. 1061-1064, 1996.UNITED States Pharmacopeia. 23. ed. Rockville: UnitedStates Pharmacopeial Convention, 1994. p. 16-17. YALKOWSKY, S. H.; VALVANI, S.C. Solubility and partitioning I: Solubility of non electrolytes in water. J.Pharm. Sci., Washington, v. 69, n. 8, p. 912-922, 1980. YALKOWSKY, S.H.; VALVANI, S.C.; ROSEMAN, T.J. Solubility and partitioning VI: Octanol solubility andoctanol-water partition coefficients. J. Pharm. Sci.,Washington, v. 72, n. 8, p. 866-870, 1983. Recebido para publicação em 15 de março de 2004.Aceito para publicação em 29 de setembro de 2004.
140 KB – 8 Pages