Ионизация, ее природа. Константа и степень ионизации молекул ксенобиотиков.

Процессы ионизации веществ в значительной степени определяют биологическую активность чужеродных соединений. Ионы и незаряженные молекулы различаются по своим физико-химическим свойствам: вступают в разные химические реакции, по-разному проникают через мембраны и по-разному адсорбируются на различных поверхностях и т. д.

Большинство биологически активных веществ представляют собой кислоты, основания и соли и, следовательно, являются электролитами. Все электролиты понижают температуру замерзания воды в значительно большей степени, чем можно было бы ожидать исходя из их молярной концентрации. Это послужило основанием для создания Аррениусом теории ионизации электролитов. В водном растворе сульфата натрия понижение температуры замерзания воды оказалось в три раза больше ожидаемого. Это объясняется тем, что при растворении Na2SО4 одна молекула дает три иона: два катиона натрия и один анион сульфата.

Как правило, соли в разбавленных растворах полностью ионизированы. Наиболее известные исключения: галогениды ртути, кадмия, свинца. Вследствие полной ионизации солей их биологические свойства целиком определяются свойствами составляющих их ионов. Так, физиологическое действие хлорида кальция определяется действием, свойственным ионам кальция и ионам хлора. Вообще физио­логическое действие полностью ионизирующейся соли не может быть меньше или больше суммы действия ее ионов. Однако, если соль образована слабой кислотой или слабым основанием, то в результате гидролиза происходит высвобождение некоторого количества незаряженных частиц (образование молекул слабых электролитов), био­логическое действие которых суммируется с эффектами, вы­званными ионами. Сильные кислоты (например, соляная) и сильные основания (например, гидроксид натрия) полностью ионизированы при значениях рН от 0 до 14. Слабые кислоты и основания в этих пределах рН имеют разную степень ионизации.

Реально степень ионизации в растворе определяется только двумя факторами: рН раствора и рКа кислоты или основания. рКа (константа кислотности, или константа ионизации) является постоянной величиной для каждой кислоты или основания. Поэтому при определенной величине рН степень иони­зации зависит только от природы кислоты (или основания), при этом не важно, были они нейтрализованы или нет.

Для описания состояния ионного равновесия Аррениус применил закон действующих масс. Так, уксусная кислота (СН3СООН) – это слабая кислота, ионизирующаяся в воде с образованием некоторого количества ионов водорода (Н+) и ацетат-ионов (СН3СОО−):

СН3СООН ↔ Н+ + СН3СОО−

Соотношение произведения этих ионов [Н+][СН3СОО–] к концентрации неионизированных молекул [СН3СООН] всегда является постоянной величиной и определяет константу кислотнос­ти Ка или просто константу ионизации данной кислоты:

Величина Ка уксусной кислоты при температуре 25 °С составляет 1,7 ∙ 10-5.

Состояние ионизации слабых оснований также может быть охарактеризовано константами кислотности. Тогда кон­станта ионизации может быть записана в таком виде:

Так как, величины констант ионизации слишком малы, при расчетах используют их отрицательные логарифмы:

рKa= – lgKa (рH= – lgH)

Тогда при температуре 25°С величина рКа уксусной кислоты будет равна 4,76, а аммиака – 9,26. Чем сильнее кислота, тем ниже ее рКа (чем сильнее основание, тем выше его рКа).

В настоящее время значения рКа установлены для многих соединений. Например, величина рКа, близкая к 5, типична для большинства монокарбоновых кислот как алифатических, так и ароматических. Кислоты, рКа которых выше 7, практически не изменяют цвета нейтральной индика­торной бумаги, а выше 10 – не имеют даже кислого вкуса.

Для оснований характерны следующие закономерности. Величина рКа 11 (как, например, у этиламина) типична для алифатических оснований, а рКа 5 – для ароматических, которые слабее первых. Многие алкалоиды и другие биологически активные основания имеют значения рКа около 8. Основания, рКа которых ниже 7, практически не изменяют цвета нейтральной индикаторной бумаги.

Введение в молекулу электрондонорных групп (например, –СН3) увеличивает ее основность и уменьшает кислотность, а появление в ее составе электронакцепторных групп (напри­мер, –NH2) ослабляет основность и усиливает кислотность.

Степень ионизации любого вещества можно рассчитать при известных величинах рН раствора и рКа с помощью выраже­ний:

 

Из данных уравнений следует, что зависимость степени ионизации от рН не является линейной, а выражается сигмоидной кри­вой (рисунок 3).

 

 

Рисунок 3 – Зависимость степени ионизации молекулы ксенобиотика от рН среды

Анализ этой кривой показывает, что небольшое изменение рН в определенной области может вызывать сильные изменения ионизации, особенно если значение рН раствора близко к величине рКа исследуемого вещества.

Значение рН, при котором кислота или основание ионизи­рованы наполовину, эквивалентно их рКа. Если рН на одну единицу ниже, чем рКа, то кислота ионизирована на 9 %, а осно­вание – на 91 %.