Partition coefficient and molecular flexibility: the concept of lipophilicity space.

The rationale of this study was to investigate molecular flexibility and its influence on physicochemical properties with a view to uncovering additional information on the fuzzy concept of dynamic molecular structure. Indeed, it is now known that computed molecular interaction fields (MIFs) such as molecular electrostatic potentials (MEPs) and lipophilicity potentials (MLPs) are conformation-dependent, as are dipole moments. A database of 125 compounds was used whose conformational space was explored, while conformation-dependent parameters were computed for each non-redundant conformer found in the conformational space of the compounds. These parameters were the virtual log P (log P(MLP), calculated by a MLP approach), the apolar surface area (ASA), polar surface area (PSA), and solvent-accessible surface (SAS). For each compound, the range taken by each parameter (its property space) was divided by the number of rotors taken as an index of flexibility, yielding a parameter termed 'molecular sensitivity'. This parameter was poorly correlated with others (i.e., it contains novel information) and showed the compounds to fall into two broad classes. 'Sensitive' molecules are those whose computed property ranges are markedly sensitive to conformational effects, whereas 'insensitive' (in fact, less sensitive) molecules have property ranges which are comparatively less affected by conformational fluctuations. A pharmacokinetic application is presented.

Lipophilicity and its relationship with passive drug permeation.

In this review, we first summarize the structure and properties of biological membranes and the routes of passive drug transfer through physiological barriers. Lipophilicity is then introduced in terms of the intermolecular interactions it encodes. Finally, lipophilicity indices from isotropic solvent systems and from anisotropic membrane-like systems are discussed for their capacity to predict passive drug permeation across biological membranes such as the intestinal epithelium, the blood-brain barrier (BBB) or the skin. The broad evidence presented here shows that beyond the predictive power of lipophilicity parameters, the various intermolecular forces they encode allow a mechanistic interpretation of passive drug permeation.

Towards the validation of "in silico" models and physicochemical filters to identify and characterize new chemical entities

Summary: Lipophilicity plays an important role in the determination and the comprehension of the pharmacokinetic behavior of drugs. It is usually expressed by the partition coefficient (log P) in the n-octanol/water system. The use of an additional solvent system (1,2-dichlorethane/water) is necessary to obtain complementary information, as the log Poct values alone are not sufficient to explain ail biological properties. The aim of this thesis is to develop tools allowing to predict lipophilicity of new drugs and to analyze the information yielded by those log P values. Part I presents the development of theoretical models used to predict lipophilicity. Chapter 2 shows the necessity to extend the existing solvatochromic analyses in order to predict correctly the lipophilicity of new and complex neutral compounds. In Chapter 3, solvatochromic analyses are used to develop a model for the prediction of the lipophilicity of ions. A global model was obtained allowing to estimate the lipophilicity of neutral, anionic and cationic solutes. Part II presents the detailed study of two physicochemical filters. Chapter 4 shows that the Discovery RP Amide C16 stationary phase allows to estimate lipophilicity of the neutral form of basic and acidic solutes, except of lipophilic acidic solutes. Those solutes present additional interactions with this particular stationary phase. In Chapter 5, 4 different IANI stationary phases are investigated. For neutral solutes, linear data are obtained whatever the IANI column used. For the ionized solutes, their retention is due to a balance of electrostatic and hydrophobie interactions. Thus no discrimination is observed between different series of solutes bearing the same charge, from one column to an other. Part III presents two examples illustrating the information obtained thanks to Structure-Properties Relationships (SPR). Comparing graphically lipophilicity values obtained in two different solvent systems allows to reveal the presence of intramolecular effects .such as internai H-bond (Chapter 6). SPR is used to study the partitioning of ionizable groups encountered in Medicinal Chemistry (Chapter7). Résumé La lipophilie joue un .rôle important dans la détermination et la compréhension du comportement pharmacocinétique des médicaments. Elle est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) d'un composé dans le système de solvants n-octanol/eau. L'utilisation d'un deuxième système de solvants (1,2-dichloroéthane/eau) s'est avérée nécessaire afin d'obtenir des informations complémentaires, les valeurs de log Poct seules n'étant pas suffisantes pour expliquer toutes les propriétés biologiques. Le but de cette thèse est de développer des outils permettant de prédire la lipophilie de nouveaux candidats médicaments et d'analyser l'information fournie par les valeurs de log P. La Partie I présente le développement de modèles théoriques utilisés pour prédire la lipophilie. Le chapitre 2 montre la nécessité de mettre à jour les analyses solvatochromiques existantes mais inadaptées à la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés neutres. Dans le chapitre 3, la même méthodologie des analyses solvatochromiques est utilisée pour développer un modèle permettant de prédire la lipophilie des ions. Le modèle global obtenu permet la prédiction de la lipophilie de composés neutres, anioniques et cationiques. La Partie II présente l'étude approfondie de deux filtres physicochimiques. Le Chapitre 4 montre que la phase stationnaire Discovery RP Amide C16 permet la détermination de la lipophilie de la forme neutre de composés basiques et acides, à l'exception des acides très lipophiles. Ces derniers présentent des interactions supplémentaires avec cette phase stationnaire. Dans le Chapitre 5, 4 phases stationnaires IAM sont étudiées. Pour les composés neutres étudiés, des valeurs de rétention linéaires sont obtenues, quelque que soit la colonne IAM utilisée. Pour les composés ionisables, leur rétention est due à une balance entre des interactions électrostatiques et hydrophobes. Donc aucune discrimination n'est observée entre les différentes séries de composés portant la même charge d'une colonne à l'autre. La Partie III présente deux exemples illustrant les informations obtenues par l'utilisation des relations structures-propriétés. Comparer graphiquement la lipophilie mesurée dans deux différents systèmes de solvants permet de mettre en évidence la présence d'effets intramoléculaires tels que les liaisons hydrogène intramoléculaires (Chapitre 6). Cette approche des relations structures-propriétés est aussi appliquée à l'étude du partage de fonctions ionisables rencontrées en Chimie Thérapeutique (Chapitre 7) Résumé large public Pour exercer son effet thérapeutique, un médicament doit atteindre son site d'action en quantité suffisante. La quantité effective de médicament atteignant le site d'action dépend du nombre d'interactions entre le médicament et de nombreux constituants de l'organisme comme, par exemple, les enzymes du métabolisme ou les membranes biologiques. Le passage du médicament à travers ces membranes, appelé perméation, est un paramètre important à optimiser pour développer des médicaments plus puissants. La lipophilie joue un rôle clé dans la compréhension de la perméation passive des médicaments. La lipophilie est généralement exprimée par le coefficient de partage (log P) dans le système de solvants (non miscibles) n-octanol/eau. Les valeurs de log Poct seules se sont avérées insuffisantes pour expliquer la perméation à travers toutes les différentes membranes biologiques du corps humain. L'utilisation d'un système de solvants additionnel (le système 1,2-dichloroéthane/eau) a permis d'obtenir les informations complémentaires indispensables à une bonne compréhension du processus de perméation. Un grand nombre d'outils expérimentaux et théoriques sont à disposition pour étudier la lipophilie. Ce travail de thèse se focalise principalement sur le développement ou l'amélioration de certains de ces outils pour permettre leur application à un champ plus large de composés. Voici une brève description de deux de ces outils: 1)La factorisation de la lipophilie en fonction de certaines propriétés structurelles (telle que le volume) propres aux composés permet de développer des modèles théoriques utilisables pour la prédiction de la lipophilie de nouveaux composés ou médicaments. Cette approche est appliquée à l'analyse de la lipophilie de composés neutres ainsi qu'à la lipophilie de composés chargés. 2)La chromatographie liquide à haute pression sur phase inverse (RP-HPLC) est une méthode couramment utilisée pour la détermination expérimentale des valeurs de log Poct.

Dispersal (Entropy) and Recognition (Information) as Foundations of Emergence and Dissolvence

The objective of this essay is to reflect on a possible relation between entropy and emergence. A qualitative, relational approach is followed. We begin by highlighting that entropy includes the concept of dispersal, relevant to our enquiry. Emergence in complex systems arises from the coordinated behavior of their parts. Coordination in turn necessitates recognition between parts, i.e., information exchange. What will be argued here is that the scope of recognition processes between parts is increased when preceded by their dispersal, which multiplies the number of encounters and creates a richer potential for recognition. A process intrinsic to emergence is dissolvence (aka submergence or top-down constraints), which participates in the information-entropy interplay underlying the creation, evolution and breakdown of higher-level entities.

Chemodiversity and molecular plasticity: recognition processes as explored by property spaces.

In the last few years, a need to account for molecular flexibility in drug-design methodologies has emerged, even if the dynamic behavior of molecular properties is seldom made explicit. For a flexible molecule, it is indeed possible to compute different values for a given conformation-dependent property and the ensemble of such values defines a property space that can be used to describe its molecular variability; a most representative case is the lipophilicity space. In this review, a number of applications of lipophilicity space and other property spaces are presented, showing that this concept can be fruitfully exploited: to investigate the constraints exerted by media of different levels of structural organization, to examine processes of molecular recognition and binding at an atomic level, to derive informative descriptors to be included in quantitative structure--activity relationships and to analyze protein simulations extracting the relevant information. Much molecular information is neglected in the descriptors used by medicinal chemists, while the concept of property space can fill this gap by accounting for the often-disregarded dynamic behavior of both small ligands and biomacromolecules. Property space also introduces some innovative concepts such as molecular sensitivity and plasticity, which appear best suited to explore the ability of a molecule to adapt itself to the environment variously modulating its property and conformational profiles. Globally, such concepts can enhance our understanding of biological phenomena providing fruitful descriptors in drug-design and pharmaceutical sciences.

Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Influence of the diketonato ligand on the cytotoxicities of [Ru(eta(6)-p-cymene)-(R(2)acac)(PTA)](+) complexes (PTA=1,3,5-triaza-7-phosphaadamantane)

A series of compounds of general formula [Ru(eta(6)-p-cymene) (R(2)acac)(PTA)][X] (R(2)acac = Me(2)acac, tBu(2)acac, Ph(2)acac, Me(2)acac-Cl; PTA = 1,3,5-triaza-7-phosphaadamantane; X = BPh4, BF4), and the precursor to the Me2acac-Cl derivative [Ru(eta(6)-p-cymene)(Me(2)acac-Cl)Cl], have been prepared and characterised spectroscopically. Five of the compounds have also been characterised in the solid state by X-ray crystallography. The tetrafluoroborate salts are water-soluble, quite resistant to hydrolysis, and have been evaluated for cytotoxicity against A549 lung carcinoma and A2780 human ovarian cancer cells. The compounds are cytotoxic towards the latter cell line, and relative activities are discussed in terms of hydrolysis (less important) and lipophilicity, which appears to exert the dominating influence.

Predicting the physicochemical profile of diastereoisomeric histidine-containing dipeptides by property space analysis.

OBJECTIVES: This study aimed at measuring the lipophilicity and ionization constants of diastereoisomeric dipeptides, interpreting them in terms of conformational behavior, and developing statistical models to predict them. METHODS: A series of 20 dipeptides of general structure NH(2) -L-X-(L or D)-His-OMe was designed and synthetized. Their experimental ionization constants (pK(1) , pK(2) and pK(3) ) and lipophilicity parameters (log P(N) and log D(7.4) ) were measured by potentiometry. Molecular modeling in three media (vacuum, water, and chloroform) was used to explore and sample their conformational space, and for each stored conformer to calculate their radius of gyration, virtual log P (preferably written as log P(MLP) , meaning obtained by the molecular lipophilicity potential (MLP) method) and polar surface area (PSA). Means and ranges were calculated for these properties, as was their sensitivity (i.e., the ratio between property range and number of rotatable bonds). RESULTS: Marked differences between diastereoisomers were seen in their experimental ionization constants and lipophilicity parameters. These differences are explained by molecular flexibility, configuration-dependent differences in intramolecular interactions, and accessibility of functional groups. Multiple linear equations correlated experimental lipophilicity parameters and ionization constants with PSA range and other calculated parameters. CONCLUSION: This study documents the differences in lipophilicity and ionization constants between diastereoisomeric dipeptides. Such configuration-dependent differences are shown to depend markedly on differences in conformational behavior and to be amenable to multiple linear regression. Chirality 24:566-576, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Telmisartan: a different angiotensin II receptor blocker protecting a different population?

The ONgoing Telmisartan Alone and in combination with Ramipril Global Endpoint Trial (ONTARGET()) showed that the angiotensin II receptor blocker (ARB) telmisartan was as protective as the reference-standard ramipril in a broad cross-section of patients at increased cardiovascular risk, but was better tolerated. Telmisartan has a unique profile among ARBs, with a high affinity for the angiotensin II type 1 receptor, a long duration of receptor binding, a high lipophilicity and a long plasma half life. This leads to sustained and powerful blood pressure lowering when compared with the first marketed ARBs, such as losartan and valsartan. Some pharmacological properties of telmisartan clearly distinguish it from other members of the ARB class and may contribute to the clinical effects seen with telmisartan. A class effect for ARBs cannot be assumed. To date, telmisartan is the only ARB that has been shown to reduce cardiovascular risk in at-risk cardiovascular patients.