Posibilități de determinare a valorii pKa

8.4A pKposibilități de determinare a valorii

A pKMai multe metode sunt potrivite pentru determinarea valorii, pe baza faptului că modificarea dependentă de pH a semnalului analitic măsurat este în mod clar legată de eliberarea protonului și absorbția de protoni a moleculei testate.
Tabelul VIII: pKmetodele folosite pentru a o determina.

8.4.1 Titrare potentiometrică

În titrare directă, o soluție apoasă a compusului testat este titrată, cu agitare constantă, direct cu soluția de măsurare factorizată, care este fie o soluție de acid puternic (de obicei acid clorhidric), fie o bază puternică (de obicei hidroxid de sodiu sau potasiu) .

Semnalul electric (mV) este testat și înregistrat continuu cu un electrod de sticlă combinat în funcție de consumul soluției de măsurare. Electrodul este precalibrat folosind mai multe soluții tampon, astfel încât valorile pH-ului să poată fi atribuite și valorilor de tensiune corespunzătoare forței electromotoare citite a celulei. Curba potențială de titrare este obținută prin reprezentarea grafică a semnalului electromotor măsurat sau a valorilor pH-ului atribuite în funcție de consumul soluției de măsurare (Figura VIII-1).

VIII-. figura: Curba potențială de titrare

Valoarea de titrare de 100% este indicată de pierderea în greutate la punctul de inflexiune al curbei. În apropierea punctului de echivalență, soluția de măsurare este adăugată în cantități relativ mici, egale, rezultatele sunt tabelate, iar datele curbelor coeficientului diferenței de ordinul I și II sunt calculate pe această bază. Comparând cele trei curbe, se poate observa că acolo unde curba inițială de titrare a avut un punct de inflexiune, curba coeficientului diferenței va fi maximă, iar curba coeficientului de diferență pătratică va fi zero (Figura VIII-2).

VIII-. figura: Curba de titrare potențiometrică și prima și a doua curbă de coeficient de diferență

Punctul echivalent se obține din al doilea coeficient de diferență a punctelor curbei de titrare printr-o metodă matematică - de ex. prin metoda coeficientului de diferență - poate fi calculată. Valoarea ml astfel obținută este astfel valoarea pierderii în greutate pentru titrarea 100% (aici compusul testat este complet deprotonat sau protonat). Pentru valorile de greutate date, se poate calcula valoarea titrării procentuale, pe baza acesteia, cantitatea și raportul moleculelor deprotonate și protonate. Datorită relației liniare dintre mV și pH, cunoscând valorile mV, pH-ul poate fi calculat pentru valorile date de pierdere în greutate. Știind toate acestea, pKvaloarea este mai mare Ecuația Henderson-Hasselbach poate fi calculat folosind:

Valoarea pH-ului pentru starea de titrare de 50% dă pKvaloarea, de atunci formele ionizate și neionizate ale moleculei sunt prezente în concentrații egale. În general, p. Calculat din puncte de titrare între 30-70%Kmedia valorilor dă valoarea exactă.

Avantajul acestei metode este viteza și simplitatea sa, deoarece necesită o singură titrare. Dacă compusul are mai multe constante de disociere, dar acestea sunt bine separate unele de altele (cel puțin 4 pKunitatea este diferența dintre ele) se poate folosi metoda. A pKcu toate acestea, valorile nu pot fi determinate prin această metodă dacă o moleculă are mai multe constante de disociere și sunt apropiate una de cealaltă.

Procedura de titrare diferențială

Atunci când se utilizează această metodă, trebuie efectuate două titrări succesive. În timpul primei titrări, o cantitate și o concentrație cunoscute de acid puternic se titrează cu o concentrație cunoscută de alcali puternici. Pentru a doua titrare, substanța care urmează să fie determinată este adăugată la aceeași cantitate de acid puternic utilizată în prima titrare și această soluție este titrată cu aceeași soluție de măsurare a bazei puternice. Cele două curbe de titrare sunt reprezentate într-o singură figură (Figura VIII-3).

VIII-. figura: Curbele potențiale de titrare - determinarea constantei de disociere a paracetamolului prin metoda potențiometrică diferențială

Diferența dintre cele două curbe de titrare este proporțională cu numărul de protoni disociați de compusul care urmează să fie determinat, prin urmare valoarea constantei de disociere poate fi calculată din diferența dintre cele două curbe. Prin definiția „H mediu” (). înseamnă numărul mediu de protoni disociați de moleculă la un pH dat. Spre sfârșitul titrării, peste o anumită valoare a pH-ului, cursul celor două curbe de titrare este paralel, adică diferența va fi constantă, deoarece molecula studiată și-a eliberat deja toți protonii. În consecință, a = 1 pentru acizii monovalenți, = 2 pentru acizii divalenți și așa mai departe. Împărțind valoarea diferenței constante la numărul de protoni care pot fi eliberați de compusul nostru, obținem consumul de alcali pe proton al compusului în condiții de măsurare date (măsurare, concentrație a soluției de măsurare).

Din diferența dintre cele două curbe de titrare, numărul de moli ai soluției de măsurare în exces poate fi determinat la un pH dat, care este împărțit la numărul de moli al compusului testat.

Cu toate acestea, valoarea sa poate fi scrisă și folosind constanta de protonație:
Un grup protonatabilîn cazul unei molecule care conține

Întrucât:
inlocuit de:
rearanjat:
Din valorile pentru fiecare concentrație de ion hidrogen a K se calculează constanta de protonație. Calculat la valori pH multiple K valorile sunt mediate.
Două grupuri protonabileîn cazul unei molecule care conține:

întrucât: și
inlocuit de:

Cunoscând două - [H +] perechi de valori, obținem un sistem ambiguu de ecuații, pe care le rezolvăm K1 și K2 valoare. Calculat K1 și K2 valori depind de care - perechile de valori [H +] au fost utilizate pentru calcul. Experiența arată că cele mai exacte valori constante se obțin atunci când = 0,3 la 0,7 și = 1,3 la 1,7. Este recomandabil să analizați mai multe - perechi de valori [H +], deci mai multe K1 și KDe asemenea, putem calcula 2 valori, care pot fi calculate pentru a rafina rezultatul.

Un avantaj major al metodei față de metoda directă este acela că se suprapune p. Cu mai multe grupuri de disociereKpoate fi folosit și pentru determinarea compușilor cu valori.

Marele avantaj al măsurătorilor potențiometrice este că pot fi extrem de automatizate prin utilizarea titratorilor automați și a pKvalorile. Pentru a îmbunătăți precizia, pot fi utilizate săruri inerte foarte solubile în apă (de exemplu, 0,15 M NaCI) pentru a regla puterea ionică constantă. Deoarece constanta de disociere este dependentă de temperatură, se recomandă efectuarea măsurătorilor în condiții termostatate.

Dezavantajul metodelor potențiometrice este că impuritățile posibile (produși de descompunere, alte impurități ionizante) și conținutul de dioxid de carbon al soluției pot provoca erori de măsurare, deoarece acestea nu pot fi separate de substanța testată atunci când se evaluează curbele de titrare. Acesta din urmă poate fi eliminat prin utilizarea apei distilate proaspăt fierte sau prin utilizarea unui gaz inert deasupra celulei de măsurare.

Un dezavantaj este că titrările necesită o concentrație relativ mare de ligand, astfel încât solubilitatea substanței care trebuie măsurată poate împiedica și utilizarea potențiometriei. Condiția pentru măsurare este ca compusul de testat să fie solubil în apă la o concentrație de cel puțin 0,5 mM pe întregul domeniu de titrare.

Cu toate acestea, titrarea potențiometrică poate fi utilizată pentru a determina constanta exactă de disociere în intervalul pH 2 până la pH12, deoarece electrodul de sticlă este cel mai precis din acest domeniu, deci este puternic acid (pKcând se măsoară 12) grupuri funcționale, eroarea de măsurare crește semnificativ.

8.4.2 Titrare spectrofotometrică UV-Vis

De exemplu, benzocaina, un reprezentant al anestezicelor locale pe bază de acid 4-aminobenzoic, are o absorbție intensă maximă la 290 nm care permite determinarea analitică. Cu toate acestea, datorită protonației grupării amino aromatice într-un mediu puternic acid (pH 0,6), spectrul compusului amintește doar de compușii de tip benzoic (Figura VIII-4).

VIII-. figura: Dependența PH de spectrul UV-Vis al benzocainei

În timpul titrării UV-pH, se examinează absorbanța unei soluții a unui compus de testat la o lungime de undă dată în funcție de pH. Aceasta înseamnă că trebuie pregătite o serie de soluții cu aceeași concentrație și aceeași putere ionică, dar pH diferit în timpul măsurării și trebuie înregistrat spectrul fiecărei soluții. Evaluarea se realizează cel mai bine la lungimea de undă unde deplasarea axei y (hiper- și hipocromatică) datorită modificării pH-ului în spectru este cea mai mare, adică în cazul în care soluțiile care conțin componente complet protonate și complet deprotonate au cea mai mare distanță între curbe.

Absorbanța fiecărei soluții este măsurată la valoarea lungimii de undă selectată. În cazul unei molecule care conține o grupă ionizabilă, molecula se află într-o stare complet protonată în soluția cu cel mai mic pH și într-o stare complet deprotonată în soluția cu cel mai mare pH. THEXH particula complet protonată, este THEX absorbanta particulei complet deprotonate este THEpH și absorbanță la acel pH.

La valori intermediare ale pH-ului, cantitatea de particule protonate prezente în soluție este THEX-THEpH diferență, cantitatea de particule deprotonate este THEpH-THEXH exprimă o diferență. THE Ecuația Henderson-Hasselbach folosind pKvaloarea poate fi calculată:

Titrarea UV-pH este utilizată în primul rând pentru a determina constantele de disociere ale compușilor a căror solubilitate redusă nu permite determinarea potențiometrică. Pentru titrarea UV-pH, în funcție de coeficientul de absorbție specific al compusului, o soluție cu o concentrație de 50 µM este de obicei suficientă pentru măsurare.

Metoda poate fi automatizată, caz în care un spectrofotometru cu diode este conectat direct la dispozitivul de titrare, permițând înregistrarea spectrului probei simultan cu măsurarea pH-ului după fiecare adăugare a soluției de măsurare. Astfel, un compus p este semnificativ scurtatKdeterminarea valorii acestuia.

8.4.3 Alte metode

THE analiza gradientului spectral (Metoda SGA)

Asa numitul. analiza gradientului spectral („Analiza gradientului spectral”, SGA) de mare viteză pKpoate fi considerat drept procedura determinantă. În test, un gradient de pH liniar este generat în timp prin amestecarea soluțiilor tampon acide și bazice. Eșantionul este injectat în tamponul care curge și modificarea spectrală a modificării pH-ului este înregistrată cu un detector UV cu matrice de diode. P. Poate fi obținut dintr-un singur punct cu fiabilitate satisfăcătoare în 4 minuteKdatele.

Electroforeza capilară
Electroforeza capilară este o opțiune relativ nouă în pKpentru a determina valoarea. Testul determină mobilitatea electroforetică aparentă a unui compus de test în raport cu lungimea capilară, timpul de migrare și tensiunea aplicată. Cu toate acestea, mobilitatea electroforetică a unui compus ionizabil depinde de starea sa de ionizare caracteristică la un pH dat. Trasarea valorilor aparente ale mobilității în funcție de pH dă o curbă sigmoidală cu un punct de inflexiune corespunzător pKvaloarea a.

Avantajul foarte mare al metodei este cerința sa redusă de material și selectivitatea sa. Nu necesită un eșantion de puritate ridicată, deoarece este utilizat în principal ca tehnică de separare.

Alte optiuni
Titrarea RMN-pH, precum și titrarea CD-pH oferă o oportunitate suplimentară pentru a determina constanta de disociere. Aceste metode nu sunt încă tehnici de rutină, sunt folosite pentru a rezolva probleme speciale, în special pentru compușii care nu pot fi măsurați prin alte metode.

În timpul titrării RMN-pH, se examinează schimbarea chimică a nucleelor active RMN în vecinătatea grupului (grupurilor) implicat (e) în protonație în funcție de pH. Avantajul acestei metode este că nu necesită cunoașterea exactă a concentrației substanței care urmează să fie măsurată și că potențialii contaminanți nu interferează cu determinarea.

Compuși insolubili în apă pK determinarea valorii sale
Compuși slab solubili în apă pKdeterminarea sa este greoaie cu metodele enumerate până acum. Metoda potențiometrică necesită ca compusul să fie prezent în soluție pe întreaga gamă de pH a titrării. Dacă acest lucru nu este cazul, dar proprietățile spectrale ale compusului o permit, metoda spectrofotometrică poate fi utilizată, deoarece este suficientă o solubilitate mai mică în apă.

Dacă compusul este insolubil în apă, pK Cea mai comună soluție este metoda co-solvent, atât potențiometrică, cât și spectrofotometrică. În amestecurile organice solvent-apă, dintre care sistemul metanol/apă este cel mai frecvent utilizat, așa-numitul. constanta de ionizare aparentat (psK) și apoi extrapolat la zero conținut de solvent organic, adică mediu apos.