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유기용매의 사용에 따른 물성변화

많은 신약 또는 제네릭 약물들의 특성 중의 하나는 아주 낮은 용해도입니다. 이러한 약물을 수용액 상의 물성분석 특히 pKa (해리상수)를 측정하게 되면 특정 pH 영역에서 석출 또는 침전 현상이 발생하게 되어 정확한 적정분석이 불가능하게 됩니다. 아래 그래프는 pH 2-12 범위에서의 적정분석 그래프인데 pH 9-11사이 침전이 발생하여 두 번째의 pKa값을 정확하게 도출해 낼 수가 없습니다. 이렇게 낮은 용해성을 가진 화합물의 적정과정 중 pKa 값이 존재하는 pH 구간에서 일반적으로 침전 현상이 일어납니다.

적정분석 중에 일어나는 이러한 침전현상을 피하기 위하여 유기용매를 사용하여 pKa 분석을 진행할 수밖에 없습니다. 하지만 해리상수 pKa의 정의에 의하면 100% 수용액 상에서의 이온화 상수 값으로 설명하고 있습니다. 따라서 물과 잘 섞이는 유기용매 (MeOH, DMSO, MeCN 등)를 이용하여 pKa 분석을 진행하여 나타나는 값은 pKa가 아니라 psKa으로 명명해야 합니다. 여기서 s는 Solvent를 의미합니다 (단 1%의 유기용매를 사용하였더라도 그 결과값은 pKa값이 아니고 psKa값으로 판단해야 한다). 100%의 유기용매를 직접 사용하는 것이 아니라 수용액과 혼합한 60%, 50% 및 40%의 메탄올을 사용하여 3반복 이상의 적정분석을 진행합니다. 이때 수용액과 메탄올의 다른 비율%에 따라서 샘플을 포함한 Matrix의 Dielectric Constant (유전계수) 값들이 각각 다르게 존재하기 때문에 서로 다른 psKa₁, psKa₂그리고 psKa₃값들이 변별력을 가지고 측정됩니다. 결과적으로 다른 %를 형성함으로써 생기는 유전계수 값과 psKa 값들을 이용하여 수용액 상의 이온화 상수 값 즉 pKa 값을 도출해낼 수가 있습니다. 이러한 방법을 Yasuda-Shedlovsky Extrapolation Method라고 합니다. 즉 수용액에 잘 녹지 않는 화합물의 pKa 적정분석을 위하여 메탄올 또는 DMSO와 같은 유기용매를 사용하여 분석할 수 밖에 없는데, 이 결과로 나타나는 여러 개의 psKa값을 이용하여 Yasuda-Shedlovsky Extrapolation법으로 정확한 pKa 값을 측정할 수가 있습니다.

다음은 예시로 Imipramine의 pKa 측정을 위하여 메탄올을 사용하여 나타난 결과를 설명합니다. 0.5mg의 Imipramine을 사용하여 pH 2~12 범위로 3반복 적정을 진행하였으며 각각의 적정에 메탄올 사용량을 49.7%, 39.3% 그리고 29.6%으로 진행하였습니다. 그 결과 전 pH 측정범위에서 석출 또는 침전 현상이 일어나지 않았으며 아래와 같은 완벽한 변곡점을 나타내는 전위차 그래프가 형성되었습니다. 여기서는 pKa 값이 아니라 psKa 값을 확보할 수 있으며 Yasuda-Shedlovsky Extrapolation 그래프에 의하여 정확하게 Imipramine의 pKa 값을 도출할 수 있습니다. 화학구조식에 표시되어 있는 pKa 수와 예측 값들은 ACD/Lab 프로그램을 통하여 시뮬레이션 한 결과이나 실제 측정치와는 상이한 결과를 나타내고 있습니다.

과거 정부 출연연구소에서 잘못된 pKa 측정법으로 분석하여 고객에게 시험성적서를 제출한 경우가 있었습니다. 물론 당시 고객의 샘플은 Unknown sample이었지만 Imipramine을 예시로 들어보겠습니다. 아래의 그래프와 같이 한가지의 용매% (메탄올 60.21%) 에 대한 pKa 분석하여 나타난 psKa 값인 8.47을 최종 결과인 pKa = 8.47으로 고객들에게 잘못된 결과를 통보하였습니다. 앞서 설명드린바와 같이 유기용매를 사용한다면 반드시 Yasuda-Shedlovsky Extrapolation Method를 적용해야 하는데 그렇지 않았으며, pKa의 종류 즉 Acid 또는 Base 인지를 알려주지 않았습니다.

따라서 이러한 잘못된 pKa 측정값으로 인하여 LogP와 용해도 결과에 어떠한 영향을 미치는지 다음과 같이 설명 드립니다. 우선 Imipramine을 물/옥탄올 조건에서 pH 2~12 범위의 적정분석을 진행하면 다음과 같은 전위차 그래프가 나타납니다. 적정분석 자체는 pKa 분석과 유사하게 진행되며 그 결과를 나타내는 전위차 그래프 또한 유사하게 나타났습니다. 하지만 전위차 그래프에 적용해야 하는 pKa 수치가 정확해야 하는데 위의 경우를 가지고 LogP/D의 결과를 비교하였습니다. 혈중 pH 7.4에서 LogD 수치는 유사하게 나타났으나 LogP _Neutral의 수치는 아주 큰 차이를 보여주고 있으며 일반적으로 LogP _Neutral > ±0.3 이면 동일한 샘플의 결과로 인식할 수 없는 수준의 차이라고 설명할 수가 있습니다.