High throughput determination of relevant physicochemical parameters in the drug discovery and HPLC processes. Microfluidic devices

Abstract

[eng] Determining the acidity (pKa) and lipophilicity (log Po/w) of organic compounds is fundamental in analytical chemistry fields, with potential relevance in drug development, material science, analytical separation, and environmental research. In the first part of the thesis, a high-throughput internal standard capillary electrophoresis (IS- CE) method was established to determine the pKa of ISs at different concentrations of methanol and acetonitrile from 0 to 90% (v/v). The acid and base scales of methanol-water mixtures and acetonitrile-water mixtures were properly anchored to the potentiometrically obtained pKa values of reference compounds to get absolute pKa scales. As a consequence, a set of 46 acid- base compounds with changing structures were proposed as internal standards for consistent pKa measurements in methanol-water and acetonitrile-water mixtures buffers using capillary electrophoresis. The determined ISs reference set facilitates the determination of analytes pKa and measurement of buffer pH in the range 4-11.5 (in water) for any methanol-water and acetonitrile-water composition. Secondly, to prove its feasibility, the IS-CE approach was successfully used to determine the aqueous pKa in methanol-aqueous buffer compositions up to 40% of methanol in volume. The Yasuda-Shedlovsky extrapolation method was utilized to determine seven drugs of different chemical nature with intrinsic water solubilities lower than 10−6 M. The results were successfully compared to literature ones obtained by other approaches. It is concluded then that the IS-CE methodolgy permits the measurement of aqueous pKa values using lower ratios of methanol than the classical method, becoming then more accurate in the extrapolation procedure than other reference methods. Finally, since methanol-water and acetonitrile-water mixtures are solvents of interest in liquid chromatographic separations because of their use as the mobile phase, the IS-CE method was also applied to measure the pKa of eight organic bases in methanol-water and acetonitrile-water mixtures (0-90%,v/v), which are usually used as test compounds in HPLC column evaluation. In the second part of the thesis, a new approach based on microfluidics was developed to determine the octanol-water partition. As a first step, a design with a perpendicular configuration of the channels was developed using direct 3D printed microfluidics. A gravitational perfusion system was implemented to create a spontaneous flow within the octanol and water channels without need for external pump. The

movement of octanol and water phases was successfully validated using fluorescent dyes. After that, the intensity of the fluorescent dye was used to evaluate the partition dynamics in static and dynamic conditions. The results prove that the proposed design with this microfluidic methodology allows the evaluation of molecule partition, achieving high efficiency partition and reaching the equilibrium of O/W partition faster than conventional techniques. Later, the design was adapted to a parallel configuration of the channels to be compatible with up-scalable manufacturing techniques and parallelize it for up to 56 simultaneous determinations in a single platform. Finally, both the perpendicular and parallel designs were validated using several drugs with well standardize log Po/w values that cover a wide range of lipophilicity. The microfluidic device was coupled with HPLC to determine their partition coefficients from the peak areas of the compounds in octanol and in water after partition. Good agreement with the literature values was achieved, showing the capability of microfluidic chips for precise and accurate prediction of the partition coefficient. Finally, the progress of a cost-effective and consistent method for predicting partition coefficient via microfluidic chips demonstrated a great advancement in the field of analytical chemistry, with powerful applications in drug discovery and other related fields. The results gotten from this investigation offer an establishment for additional research and advance of this approach.

[cat] La determinació de l'acidesa (pKa) i de la lipofilicitat (log Po/w) dels compostos orgànics és fonamental en els camps de la química analítica, amb rellevància potencial en el desenvolupament de fàrmacs, la ciència dels materials, la separació analítica i la investigació ambiental. En la primera part de la tesi s’estableix un mètode d'electroforesi capil·lar estàndard interna’'alt rendiment (IS-CE) per determinar el pKa de’'analit àcid-base en mescles d'aigua amb solvents orgànics. En aquest treball es va establir un mètode d'electroforesi capil·lar estàndard d'alt rendiment (IS-CE) per determinar el pKaa dels IS a diferents concentracions de metanol i acetonitril del 0 al 90% (v/v). En segon lloc, per demostrar la seva viabilitat, L'enfocament IS-CE es va utilitzar amb èxit per determinar el pKa aquós en composicions tampó aquoses de metanol fins a un 40% del volum de metanol. El mètode d'extrapolació De Yasuda-Shedlov es va utilitzar per determinar set fàrmacs de diferent naturalesa química amb solubilitats d'aigua intrínseques inferiors a 10-6 M. Aplicat el mètode IS-CE per mesurar el pKa de vuit bases orgàniques en mescles de metanol- aigua (0 -90%, v/v) i d’acetonitril-aigua, que s’utilitzen habitualment en l'avaluació de columnes de HPLC. A la segona part de la tesi, es va desenvolupar un nou mètode basat en la microfluídica per determinar la partició octanol-aigua. Com a primer pas, es va desenvolupar un disseny amb una configuració perpendicular dels canals mitjançant microfluídica impresa En 3d Directa. Es va implementar un sistema de perfusió per gravetat per crear flux espontani dins dels canals d'octanol i aigua sense necessitat de bombament extern. El moviment de les fases d'octanol i aigua es va validar amb èxit mitjançant colorants fluorescents. Després d'això, es va utilitzar la intensitat del colorant fluorescent per avaluar la dinàmica de partició en condicions estàtiques i dinàmiques. Posteriorment, el disseny es va adaptar a una configuració parallela dels canals per ser compatible amb tècniques de manufacturar up-scalable i parallelitzar-lo fins a 56 determinacions simultànies en una sola plataforma. Finalment, tant els dissenys perpendiculars com els parallels es van validar utilitzant diversos fàrmacs amb valors log Po/w de registre ben estandarditzats que cobreixen una àmplia gamma de lipofilicitat. El dispositiu microfluídic es va acoblar amb HPLC per determinar els seus coeficients de partició a partir de les les arees dels pics d’HPLC del compostos en octanol i en aigua després de la partició. Es va aconseguir un bon acord amb els valors de la literatura, mostrant la capacitat dels xips microfluídics per a una predicció precisa del coeficient de partició.