Coeficiente de partición: de reparto, de distribución, aplicaciones

El coeficiente de partición o reparto es definido como la razón de la concentración de una especie química o soluto entre dos medios en equilibrio. Este medio puede ser un gas como el aire; un líquido como el agua o el aceite; o una mezcla compleja como la sangre u otros tejidos.

El coeficiente de partición sangre/aire es importante para explicar el intercambio gaseoso que ocurre en los pulmones, entre la sangre y la atmósfera.

Diagrama que explica el coeficiente de reparto para tres solutos entre dos fases. Fuente: Perdula [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

La imagen superior demuestra de manera simplificada y brillante el concepto explicado. Cada figura representa un analito, los cuales se distribuyen y/o reparten entre dos fases inmiscibles: una superior y la otra inferior.

Los cuadrados verdes se ubican predominantemente en la fase superior; mientras que los triángulos rojos se disuelven más en la fase inferior, y los círculos morados optan por situarse en la interface.

Se aprecia cómo varía KD para cada analito. Si KD es mayor que 1, el analito se repartirá más hacia la fase superior; si su valor es cercano a 1, tenderá a situarse en la interfaz; o si por el contrario KD es menor que 1, estará principalmente en la fase inferior.

Una de las formas de coeficiente de partición es la existente entre dos líquidos inmiscibles en equilibrio; como son el sistema n-octano y agua. Este sistema ha sido utilizado para establecer una propiedad importante de un compuesto: su carácter hidrofóbico o hidrofílico.

El valor del coeficiente de partición (P), o coeficiente de reparto (K), sirve para indicar el carácter hidrofóbico de un fármaco. Así puede utilizarse para predecir su proceso de absorción intestinal, distribución, metabolismo y excreción.

Coeficiente de reparto

Definición

El coeficiente de reparto (K) de una sustancia, también denominado coeficiente de partición (P), es el cociente de dividir las concentraciones de una sustancia en dos fases; constituidas por la mezcla de dos disolventes que son inmiscibles por tener diferentes densidades y naturalezas.

El valor del coeficiente de reparto (K) o de partición (P) está relacionado con la diferencia de solubilidad de la sustancia en los líquidos inmiscibles que forman parte de la mezcla.

K o P = [sustancia]1 / [sustancia]2

[sustancia]1 es la concentración de la sustancia en el líquido 1. Y [sustancia]2  es la concentración de la misma sustancia en el líquido 2.

Interpretación

Si K o P tiene un valor igual a 3, indica que la sustancia está 3 veces más concentrada en el líquido 1 que en líquido 2. Pero al mismo tiempo, también señala que la sustancia es más soluble en el líquido 1.

Ahora, si el valor de K o P es de 0,3, la sustancia tiene mayor concentración en el líquido 2; y por lo tanto es más mayor su solubilidad en el líquido 2 que en el líquido 1.

Coeficiente de partición octanol/agua

En algunas áreas de la investigación como la química orgánica y la farmacéutica, la mezcla de los líquidos está formada por agua y por un líquido apolar como es el n-octanol o 1- octanol, por lo que se suele hablar del coeficiente de partición octanol/agua representado por Pow.

El n-octanol tiene una densidad de 0,824 g/cm3; mientras que el agua, como es sabido, tiene una densidad de 1 g/cm3 aproximadamente constante. Una vez que se han equilibrado los dos líquidos, el n-octanol ocupa la parte superior de la mezcla de los líquidos inmiscibles, lo que se ha llamado el líquido 1.

Una sustancia hidrofóbica tendrá mayor concentración en el n-octanol, una vez se hayan equilibrados los líquidos inmiscibles. Por otro lado, una sustancia hidrofílica tendrá mayor concentración en el agua.

Restricciones

El coeficiente de partición o de distribución se aplica para sustancias no ionizadas. En el caso de que se esté midiendo el coeficiente de partición en una sustancia ionizable, se debe ajustar el pH o usar un tampón en la fase acuosa para garantizar que la sustancia se presente como no disociada.

En la determinación del coeficiente de partición no deben utilizarse sustancias tensioactivas o surfactantes, ya que estas sustancias, debido a su carácter anfifílico, se ubican en la interfase de los líquidos inmiscibles.

El coeficiente de partición n-octanol/agua se suele expresar en forma logarítmica; es decir, como log P o log de K, debido a la amplitud de los valores de P y K.

Si el log de P para una sustancia es mayor que 0, esto es indicativo de que la sustancia es hidrofóbica. Por el contrario, si el log de P es menor que 0 (es decir, negativo), esto indicará que la sustancia es hidrofílica.

Coeficiente de distribución (D)

El coeficiente de distribución (D) es el cociente entre la concentración de todas las sustancias, ionizadas y no ionizadas, en en el líquido 1 (n-octanol) y la concentración de las mismas sustancias en el líquido 2 (agua).

Una vez obtenido el valor del coeficiente de distribución (D), este se puede expresar como logaritmo de D debido a la amplitud de los valores de D.

Para obtener el coeficiente de distribución (D), la fase acuosa debe estar tamponada; es decir, a un pH determinado, el cual debe ser señalado cuando se hace referencia al valor del coeficiente de distribución obtenido.

Es conveniente realizar la determinación de D al pH 7,4. Este pH corresponde al de la sangre y representa las condiciones que encontrarán los fármacos o los compuestos en el medio intracelular y en el medio extracelular.

Para un compuesto no ionizable el log D = log P, independientemente del pH usado.

Determinación experimental de un coeficiente de partición

Hay varios métodos para la medición de coeficiente de partición (P). Entre ellos están el método de frasco de agitación y la cromatografía líquida de alta resolución. En ambas se requiere un conocimiento previo de la solubilidad de la sustancia problema, tanto en el n-octanol como en el agua.

Método del frasco de agitación

Se disuelve la muestra en n-octanol saturado con agua, al cual se le va realizar la partición en un embudo se separación o decantación con agua saturada con n-octanol. La saturación de los disolventes es necesaria para evitar la transferencia de disolventes durante el proceso de partición.

El embudo de decantación es sometido a agitación mecánica durante un cierto tiempo. Luego se deja en reposo durante un tiempo prolongado para asegurar una completa separación. Para concluir, se separan las fases por decantación.

Luego, se determina la concentración de la muestra en cada uno de los disolventes utilizando un método espectrofotométrico; por ejemplo, UV-Visible u otro método. Finalmente, con los datos obtenidos se calculará el coeficiente de partición y el log P.

Este método tiene la ventaja de ser económico, reproducible y de alta precisión. En resumen, es el método más confiable en la determinación del log P.

La desventaja principal del método consiste en que consume mucho tiempo: más de 24 horas para realizar el equilibrio de los líquidos, la agitación y la separación de las fases durante el proceso de partición. Además, es aplicable solo a sustancias solubles en n-octanol y agua.

Método de cromatografía líquida de alta resolución

Se puede obtener el log P usando la correlación del tiempo de retención de la muestra, con el tiempo de retención de un compuesto de referencia de estructura química similar con un valor de P conocido.

Es un método en que se obtiene el valor del log P en un tiempo de duración menor a 20 minutos. Da valores de log p comprendidos entre 0 y 6, lo que corresponde solo a las sustancias hidrofóbicas.

La desventaja es que se determina el valor de P por regresión lineal, por lo que se deben usar como referencia varios compuestos de estructura química similar a la muestra y de valores de log P conocidos.

Aplicaciones

Optimización de la acción de fármacos

Si un fármaco es ingerido debe alcanzar la luz del intestino delgado, sitio donde son absorbidas la mayor parte de las sustancias. Luego, atraviesa el interior de las células, disolviéndose en la bicapa lipídica que forma parte de la membrana. Este proceso es favorecido por el carácter hidrofóbico del fármaco.

El fármaco debe pasar a través de las células intestinales, atravesando la membrana basal para alcanzar a la sangre y llegar a los receptores diana de la acción del fármaco. Algunas etapas del proceso global son favorecidas por el carácter hidrofóbico del fármaco, pero otras no.

Debe encontrarse un valor del coeficiente de partición que permita que todos los procesos necesarios para la acción del fármaco y el bienestar corporal sean satisfactorios.

El uso de fármacos excesivamente hidrofóbicos puede ser tóxico, ya que su metabolismo puede producir metabolitos potencialmente dañinos. Por otro lado, los fármacos totalmente hidrofílicos presentan dificultad para su absorción intestinal.

Productos agroquímicos

La actividad de los insecticidas y herbicidas está influenciada por su carácter hidrofóbico. Sin embargo, la hidrofobicidad está asociada a una vida media más larga. Por lo tanto, el efecto contaminante sobre el medio ambiente se prolonga, pudiendo producir daños ecológicos.

Deben producirse productos hidrofóbicos que actúen efizcamente, con una vida media más corta.

Cuidado del medio ambiente

Los compuestos hidrofóbicos suelen ser contaminantes para el medio ambiente, ya que son drenados a través del suelo, pudiendo alcanzar las aguas subterráneas y posteriormente las aguas fluviales.

Conociendo el coeficiente de partición de un compuesto, se pueden realizar cambios en su estructura química que modifiquen la hidrofobicidad para reducir así su acción contaminante sobre el medio ambiente.

La hidrogeología usa el coeficiente de reparto octanol/agua (Kow) para controlar el flujo de los compuestos hidrofóbicos, tanto en el suelo como en las aguas subterráneas.

Referencias

  1. Bannan, C. C., Calabró, G., Kyu, D. Y., & Mobley, D. L. (2016). Calculating Partition Coefficients of Small Molecules in Octanol/Water and Cyclohexane/Water. Journal of chemical theory and computation12(8), 4015–4024. doi:10.1021/acs.jctc.6b00449
  2. Wikipedia. (2019). Coeficiente de reparto. Recuperado de: es.wikipedia.org
  3. Universidad Nacional de Colombia. (s.f.). Unidad 8: Determinación experimental del coeficiente de reparto de barbitúricos. [PDF]. Recuperado de: red.unal.edu.co
  4. El Sevier. (2019). Partition coefficient . Science Direct. Recuperado de: sciencedirect.com
  5. Seeboo Hemnath. (2019). Partition Coefficient: Definition and Calculation. Study. Recuperado de: study.com

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