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 рК_а кислоты или основания. рК_а (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 К_а или просто константу ионизации данной кислоты:

Величина К_а 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:

рK_a= – lgK_a (рH= – lgH)

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

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

Для оснований характерны следующие закономерности. Величина рК_а 11 (как, например, у этиламина) типична для алифатических оснований, а рК_а 5 – для ароматических, которые слабее первых. Многие алкалоиды и другие биологически активные основания имеют значения рК_а около 8. Основания, рК_а 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 рК_а 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 рК_а исследуемого вещества.

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