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. Например, амми­ак – слабое основание, которое может присоединить ионы во­дорода с образованием ионов аммония. В таком случае ион NH₄⁺ можно рассматривать как слабую кислоту, ионизированную в воде на ионы водорода (Н⁺) и молекулы аммиака (NH₃): NH₄⁺ ↔ Н⁺ + NH₃.

Тогда кон­станта ионизации может быть записана в таком виде:

Значение константы ионизации в этом случае равно 5, 5∙ 10^-10 (при температуре 25°С). Уравнения показывают, что кислота отщеп­ляет ионы водорода, а основание можно характеризовать ко­личественно сродством к иону водорода. Это позволяет применить константы кислотности для описания процесса ионизации как для кислот, так и для оснований.

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 %.

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. Оценить степень развития мускулатуры, жира и костяка методом соматоскопии.
2. III. Раскройте скобки, употребляя сравнительную степень. Переведите предложения на русский язык.
3. V. Молекулярная физика, термодинамика.
4. Атомно-молекулярное взаимодействие поверхностей. Оценка химического, молекулярного и электростатического взаимодействия и сопротивления движению.
5. Беспокойство никоим образом не отражает степень компетентности человека или характер предстоящих событий.
6. Биохимический механизм избирательного действия ксенобиотиков.
7. В задачах 694–709 определить кажущуюся степень диссоциации электролитов по температуре замерзания раствора
8. Валентные моды в больших молекулах: карбонилы металлов
9. Влияние факторов окружающей среды (стресс, температура, химические соединения и др.) на биотрансформацию ксенобиотиков.
10. Возвести число А в натуральную степень n за как можно меньшее количество умножений.
11. Вторичный (обструктивный) острый??? пиелонефрит на фоне гипоплазии и тазовой дистопии левой почки, активная фаза, степень активности II, без нарушения функции почек – ПН0. Пиелоэктазия слева ???
12. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ