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Physico-Chemical Characterization of Drugs: Acidity and Solubility

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Universitat de Barcelona. Departament de Química Analítica

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[eng] The aim of the present work was to contribute to establish robust and high throughput methodology of interest in the "Drug Discovery" step commonly done in pharmaceutical laboratories. This purpose involves the exploration of the possibilities of the potentiometric Sirius methodology to determine both acidity constants and solubilities of drugs and other bioactive compounds and also to do a study about how to improve bioavailability of a model drug, Amphotericine 8, by increasing its dissolution rate. In the first part of this project, the acidic dissociation enthalpies and constants of anilinium, protonated tris (hydroxymethyl)- aminomethane (HTris+), benzoic and acetic acids, have been determined at several temperatures in pure water and in methanol/water mixtures by potentiometry method. The pK(a) values determined by this technique are in accordance with those values determined by ITC method in our laboratory and also with those other values from literature. Also dissociation enthalpies can be obtained from potentiometric pK(a) values by means of the Van't Hoff approach and these obtained values are in agreement with those ones determined directly by calorimetry in our laboratory. In the second part, we focused on studying about solubility. The Chasing Equilibrium method offers an alternative to the classical procedures to measure the solubility of compounds with acid-base properties. The method is fast and yields accurate results. In this work, the solubility of several compounds including acids and bases was determined through the Chasing Equilibrium approach. A study of experimental conditions in terms of sample weight was performed to measure solubilities. The study shows that only a limited range of weights, depending on the nature and solubility of the compounds, is adequate to obtain reliable results. In the third part of this work, the solubility vs. pH profiles of five ionizable drugs of different nature (a monoprotic acid, a monoprotic base, a diprotic base and two amphoteric compounds showing a zwitterionic species each one) have been determined through two different methodologies: the classical Shake-Flask (S-F) and the potentiometric Cheqsol methods using in both instances the appropriate Henderson-Hasselbalch (H-H) or derived relationships. The results obtained independently from both approaches are consistent. A critical revision about the influence of the electrolyte used as buffering agent in the S-F method on the obtained solubility values is also performed. Thus, some deviations of the experimental points with respect the H-H profiles can be attributed to specific interactions between the buffering electrolyte and the drug due to the hydrotrophic character of citric and lactic acids. In other cases, the observed deviations are independent of the buffers used since they are caused by the formation of new species such as drug aggregates (cefadroxil) or the precipitation of a salt from a cationic species of the analysed compound (quetiapine). In the forth part, the objective was to compare the dissolution behavior of tablets prepared from solid dispersions prepared in DMSO dissolvent with and without drug-carrier and also with and without surfactants in aqueous and acidic solutions. Amphotericine B was used as a model drug. Two types of carriers were used; mannitol, inulin. Solid dispersions with two different drug loads were prepared by freeze drying method. It was found that the drug dissolution rate in aqueous and acidic solutions was significantly increased in the presence of drug-carrier and surfactants. X-ray powder diffraction revealed that all solid dispersions were fully amorphous.

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[spa] El objetivo del presente trabajo ha sido contribuir a establecer metodología robusta y de high throughput de interés en la etapa conocida como "Drug Discovery" que tiene lugar en los laboratorios farmacéuticos al inicio del proceso de desarrollo de nuevos fármacos. Este objetivo ha implicado la exploración de las posibilidades de la metodología potenciométrica establecida y comercializada por Sirius Analytical Ltd. para la determinación de las constantes de acidez y de la solubilidad de compuestos bioactivos y también un estudio sobre la mejora de la biodisponibilidad de un fármaco muy insoluble tomado como modelo mediante el aumento de su velocidad de disolución.

En la primera parte de esta Tesis se han determinado potenciométricamente las constantes de disociación ácida y la variación de entalpía asociada de dos bases y dos ácidos tomados como modelo en agua pura y en mezclas de metanol/agua (0-60% w/w) a varias temperaturas (25-55°C). Esto ha implicado la puesta a punto de la estandarización del sistema potenciométrico en las condiciones de trabajo. Los valores de pK(a) determinados son concordantes con los que ofrece la literatura. Se han calculado también las entalpias de disociación en los distintos solventes binarios estudiados mediante la ecuación de Van't Hoff a partir de los valores experimentales de pK(a). La consistencia de los resultados obtenidos con los de la literatura, obtenidos directamente por calorimetría, confirma la robustez de la metodología.

En la segunda parte de este trabajo, el estudio se centró sobre la determinación potenciométrica de la solubilidad de ácidos y bases mediante el método conocido como Chasing Equilibrium, como alternativa a los procedimientos clásicos de equilibración. El método es rápido y produce resultados precisos. Se ha realizado un estudio sobre las condiciones experimentales óptimas en términos de peso de la muestra para medir eficazmente la solubilidad. El estudio muestra que, en función de la naturaleza y solubilidad de los compuestos, existe un intervalo limitado de peso de muestra adecuado para obtener resultados fiables.

En la tercera parte de la presente memoria, se estudian los perfiles de solubilidad en función del pH de cinco fármacos ionizables de naturaleza diferente, un ácido y una base monopróticos, una base diprótica y dos compuestos anfóteros que muestran una especie zwitteriónica cada uno. Se han determinado los perfiles de solubilidad mediante el método clásico de equilibración (Shake-Flak, S-F) y el potenciómétrico y, en ambos casos, se han utilizado las relaciones apropiadas de Henderson-Hasselbalch (H-H) o derivadas. Los resultados obtenidos de forma independiente por ambos métodos son consistentes. Se ha hecho un estudio crítico acerca de la influencia del electrolito utilizado como agente tampón en el método S-F en los valores de solubilidad obtenidos y se han observado algunas desviaciones de los puntos experimentales con respecto a los perfiles esperados que pueden ser debidas a interacciones específicas entre el electrolito tampón y el fármaco. En otros casos, las desviaciones observadas son independientes de los tampones utilizados y se pueden atribuir a la formación de nuevas especies tales como agregados iónicos del fármaco en estudio o la precipitación de una sal a partir de una especie catiónica del compuesto analizado.

En la cuarta parte de esta memoria el objetivo ha sido estudiar la velocidad de disolución de comprimidos preparados a partir de dispersiones sólidas de un fármaco modelo con y sin portador del fármaco y también en presencia y en ausencia de tensioactivo en soluciones acuosas neutras y ácidas. Como fármaco modelo se estudió la Anfotericina B y se utilizaron como portadores manitol e inulina y como tensioactivos se ensayaron el deoxicolato de sodio (SDC) y el laurilsulfato de sodio (SLS). La difracción de rayos X reveló que el fármaco en estudio se hallaba en estado amorfo en todas las dispersiones sólidas estudiadas. Se puede concluir que la velocidad de disolución del fármaco se incrementa significativamente en presencia de portador y tensioactivo.

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Tesis Doctorals - Departament - Química Analítica

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Physico-Chemical Characterization of Drugs: Acidity and Solubility