一、什么是pKa？
pKa是化合物酸解离常数(Ka)的负对数，用于量化分子或离子在电离位点提供或接受质子的难易程度。
pKa提供了一种便捷的方法来比较酸性强度差异极大的分子间的电离行为。这一信息对于预测化合物在生理条件下的电离状态至关重要，进而直接影响其关键的吸收、分布、代谢、排泄和毒性(ADMET)特性。
因此，理解pKa对于预测分子在生物体系中的分布位置以及pH和logP等参数如何影响其行为至关重要。物质越容易电离，就越容易溶解在水性环境中。相反，不易电离的分子倾向于留在非极性环境中，并更容易被脂膜吸收。
二、如何获取pKa值？
常见化合物的pKa参考值
pKa数据获取方法
常见试剂和分子的pKa值表可通过网络便捷获取。由Borwell和Reich（美国化学会有机化学分会）整理的pKa表(链接如下：https://organicchemistrydata.org/hansreich/resources/pka/ )是获取简单且研究充分的化合物pKa值的理想起点。
然而，对于结构更复杂或专有的分子，几乎不可能找到实验测定的pKa数据。在某些情况下，化学家可能会通过查找pKa表中结构类似的化合物来进行估算。这种方法显然会产生较大误差，特别是当处理以下情况时：
- 较大或更复杂的分子骨架
- 具有空间位阻效应的分子环境
- 电子结构复杂的分子体系
三、pKa的测量与预测方法
并非所有pKa测定方法都适用于难溶性化合物。有时，根据需要，估算或预测pKa值可能就足够了。这里给大家介绍一些获取难溶性化合物pKa值的方法。
相平衡法
对于游离碱，可以根据以下公式，通过 pH-溶解度曲线计算出 pKa 值：
对于游离酸，可以推导出类似的方程：
其中， ST 是总浓度（总溶解度），是中性分子对和电离部分的总浓度之和。[B]s 和 [A]s 分别是碱和酸的中性分子对的溶解度。
对于一些极难溶的化合物，中性分子的溶解度太低，无法准确测量。在这种情况下，可以通过测定两个pH值下的溶解度来估算中性分子的pKa值以及溶解度。如下图所示，可以在曲线II的上升部分测得多个溶解度值，然后使用非线性回归曲线拟合来估算中性分子的pKa值和溶解度。
图1 理想化合物 BH+ Cl− 的 pH-溶解度曲线。假设 [BH+]s = 1 mg/mL，[B]s = 0.001 mg/mL，pKa = 6.5。
分光光度法
紫外或可见分光光度法是测定难溶性化合物电离常数的一种有效方法。对于许多难溶性化合物，即使是浓度低至 10−6 M 的溶液仍可能产生具有分析价值的发色团。该方法依赖于直接测定一系列非吸收性缓冲溶液中分子种类（中性分子）与电离种类的比例。选择一个波长，通常称为分析波长，在该波长下，两种物质的吸光度差异最大。通过在适当波长下测得的吸光度与pH值的关系图来确定电离常数。
对于酸，如果电离物质的吸光度 AI 大于中性物质的吸光度 AM，则使用以下公式：
反之则使用公式：
其中，A是任何pH值下的吸光度。
对于碱，如果 AI 大于 AM，则使用公式：
反之则使用公式：
已开发出其他几种分光光度法，包括多波长分光光度滴定法（该方法需要将二极管阵列检测器与具有更复杂数据处理分析的自动pH滴定仪联用）；微尺度分光光度法以及光谱梯度分析 (SGA) 法，该方法可提高测试通量，能够在 4 分钟内测定化合物的 pKa，但它需要可测量的紫外发色团，而该发色团依赖于 pH 值，并且难以处理不纯和不稳定的化合物。
电位滴定法
电位滴定法是测定pKa的常用方法，由Sirius Analytical Instruments Ltd.开发和生产的PCA101化学分析仪是第一台专门用于测定电离常数的商用仪器。在添加已知精确体积的标准强酸或碱的同时，用玻璃电极连续测量 pH 值的变化。绘制pH值与酸或碱添加量的曲线，在滴定剂距离滴定终点一半处的pH值即为表观pKa。
要使用电位滴定法，化合物的溶解度通常必须至少为 5 × 10−4 M。对于难溶性化合物，可以使用混合溶剂法。例如，添加甲醇等助溶剂。然后在具有不同甲醇-水比例的混合溶剂的溶液中进行多次 pKa 测量。通过将表观 pKa 值外推至零甲醇体系，可以推导出水性 pKa。其他助溶剂包括乙醇、乙二醇、DMSO 和 1,4-二氧六环。表观 pKa 与有机溶剂重量百分比（通常为 0%–60%）的图表呈现曲棍球棒形状或弓形，但很少呈现直线。
毛细管区带电泳 (CZE) 法
毛细管区带电泳 (CZE) 法是一种常用的 pKa 测定方法。样品和溶剂的消耗量较小，可与不同的检测系统（如质谱 (MS)）联用，非紫外吸收化合物的 pKa 值可通过间接紫外检测、安培检测或非接触式电导检测 (CCD) 进行测定。此外，CZE紫外检测器的灵敏度高，适用于大多数药物化合物的 pKa 测定。紫外检测器还能同时进行分光光度法测定 pKa 值。为提高通量，压力辅助毛细管电泳 (PACE)、PACE 与 MS 联用以及真空辅助多路复用通道毛细管电泳（带紫外检测）等方法已用于测定 pKa。
pKa预测
尽管存在各种pKa测量方法，但在某些情况下，化合物溶解性极差或极不稳定，导致其pKa难以测量。对于多酸和碱，将实验pKa值分配到特定位点可能颇具挑战性。在某些情况下，例如在药物研发的早期阶段，只需要估算pKa值。因此，快速估算pKa值的方法可能非常有用。
目前pka的预测方法已有多种，LFER方法是发展历史最长、至今仍然在使用的非常成熟的方法, 最成功的应用即ACD/pKa。ACD/pKa可计算25°C和零离子强度下水溶液中每个可电离基团的pKa，显示质子化状态与pH值的关系图。它采用结构碎片方法，并考虑了电子、空间、电荷、互变异构、乙烯基和共价水合效应。每次计算均提供其95%置信区间和详细的计算方法报告，包括Hammett型方程、取代基常数以及参考文献（如有）。
pKa计算所基于的参数来自科学文献中超过8900个结构，其中包含纯水溶液中不同温度和离子强度下的超过23,000个实验值。计算精度通常优于 0.2 pKa 单位，但对于非常复杂的结构或特征不明确的取代基，精度通常优于 0.5 pKa 单位。正如实验设计的某些方面会影响pKa测定的准确性一样，化合物的某些特征会导致pKa预测值与测量值之间出现明显的差别，如存在互变异构等。
【免责声明】发布内容来源于互联网、业内人士投稿以及微信公众号等公开资源，我们对文中观点持中立态度，文中观点不代表本平台的立场。所有文章仅供读者参考和交流使用。转载的文章版权归原作者所有，如有侵权行为，请及时与我们联系以便删除。
