《Journal of Molecular Liquids》：Solvent-dependent protonation of minoxidil in aqueous methanol mixtures: Experimental investigation with complementary DFT insights in water
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•通过实验测定了米诺地尔的质子化常数。•使用 Born 和 Kamlet–Taft 模型解释了溶剂效应。•密度泛函理论 (DFT) 计算重现了实验测得的质子化常数。•氢键供体酸性主导了溶剂效应。•静电作用和特异性溶剂化共同主导质子化过程。引言可电离药物化合物的酸碱行为在决定其
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通过实验测定了米诺地尔的质子化常数。
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使用 Born 和 Kamlet–Taft 模型解释了溶剂效应。
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密度泛函理论 (DFT) 计算重现了实验测得的质子化常数。
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氢键供体酸性主导了溶剂效应。
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静电作用和特异性溶剂化共同主导质子化过程。
引言
可电离药物化合物的酸碱行为在决定其物理化学性质和药物性能方面起着基本作用。药物的质子化状态直接影响其水溶性、脂溶性、膜通透性、化学稳定性、蛋白结合力，并最终影响其吸收和生物利用度。因此，准确测定质子化常数（pKa 值）对于理解药物化合物的溶液化学以及优化药物配方、分析方法和治疗功效至关重要 [1], [2], [3]。由于许多药物化合物是在含有有机助溶剂的介质中配方、分析或运输的，因此在混合溶剂体系中研究酸碱平衡已成为药物化学和溶液化学中的重要课题 [3]。
米诺地尔（2,4-二氨基 -6-哌啶基嘧啶 -3-氧化物）是一种含氮杂环化合物，最初开发为口服抗高血压药物，现在广泛用于雄激素性脱发和其他形式脱发的局部治疗（图 1）[4], [5]。由于存在几个氮原子以及 N-氧化物官能团，米诺地尔表现出相对复杂的酸碱行为。其质子化状态强烈影响水溶性、化学稳定性、分配行为以及与生物环境的相互作用，这使得可靠地测定其质子化常数对于理解其物理化学性质至关重要。尽管米诺地尔的药理活性和临床应用已被广泛研究，但对其在混合溶剂体系中的质子化平衡及其溶剂依赖性所控制的分子因素的关注相对较少 [4], [5], [6]。
水甲醇混合物为研究溶剂效应对质子转移平衡的影响提供了便利的模型系统，因为逐渐加入甲醇可以同时改变介质的介电常数、氢键能力、偶极性/极化率和优先溶剂化特性 [7], [8]。先前的研究表明，混合溶剂中的质子化平衡不能仅用介电常数的变化来解释。相反，非特异性静电相互作用和特异性溶质 - 溶剂相互作用共同导致了观察到的平衡移动 [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。在可用的方法中，Kamlet–Taft 线性溶剂化能关系 (LSER) 已成为通过三个独立的溶剂描述符描述溶剂效应的最广泛接受的模型之一：氢键供体酸性（α）、氢键受体碱性（β）和偶极性/极化率（π*）。该方法已成功应用于许多水 - 有机溶剂混合物中的质子化和络合平衡 [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]。
除了实验测量外，结合连续溶剂化模型的密度泛函理论 (DFT) 计算已成为在分子水平解释质子化平衡的有价值工具。这些计算提供了关于优化分子几何结构、电子结构、局部水合效应和热力学参数的详细信息，从而提供了互补的见解以支持实验平衡测量 [13], [16], [17], [18]。
尽管关于生物活性分子质子化平衡的文献很丰富，但关于米诺地尔在混合水溶剂中相应信息仍然有限。据我们所知，以前的研究尚未系统地将米诺地尔在水甲醇混合物中质子化常数的电位滴定和分光光度测定与 Kamlet–Taft 溶剂化变色分析以及互补的水相 DFT 计算相结合，以研究其质子化平衡的结构和电子方面。
因此，本工作旨在利用电位滴定和紫外 - 可见分光光度滴定测定米诺地尔在水甲醇混合物中的质子化常数。使用 Born 静电模型结合 Kamlet–Taft LSER 方法在实验上解释溶剂组成对质子化平衡的影响，以区分介电性质和特异性溶质 - 溶剂相互作用的相对贡献。此外，在水中进行互补的 DFT 计算，以研究水合米诺地尔物种质子化伴随的结构和电子变化，提供水相分子参考以支持质子化过程的解释。通过结合混合溶剂实验测量、Born 静电分析和 Kamlet–Taft LSER 建模以及水中的参考 DFT 计算，本研究提供了米诺地尔质子化的详细表征。这种综合方法有助于更深入地分子理解控制米诺地尔质子化平衡的因素以及溶剂效应对可电离药物化合物的影响。
章节片段
化学品
米诺地尔（2,4-二氨基 -6-哌啶基嘧啶 -3-氧化物，纯度≥99%）购自 Fluka（瑞士 Buchs），未经进一步纯化直接使用。甲醇（分析试剂级）、高氯酸钠一水合物（NaClO?·H?O）、盐酸和 Titrisol 氢氧化钠溶液购自 Merck（德国 Darmstadt）。高氯酸钠在使用前在室温下真空干燥至少 48 小时。氢氧化钠溶液由 Titrisol 溶液制备
质子化常数的测定
米诺地尔的质子化常数在 25.0 ± 0.1 °C 和恒定离子强度 0.10 mol L?1 NaClO? 下，通过对水甲醇混合物中电位滴定和紫外 - 可见分光光度滴定数据的同时分析测定。在每次滴定过程中，记录 200–400 nm 波长范围内的电子吸收光谱，同时测量相应的 pcH 值。平衡常数通过非线性最小二乘优化获得
局限性与未来工作方向
本研究提供了米诺地尔质子化和溶剂效应的一致性分析；然而，应承认几个局限性：
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由于溶解度限制，溶剂组成范围限制在甲醇含量高达 50% 的甲醇 - 水混合物，因此对更富含甲醇的介质的外推应谨慎进行。
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Kamlet–Taft 回归参数应在有限实验窗口固有的不确定性和常有的多重共线性范围内进行解释
结论
通过将电位滴定和分光光度测量与溶剂化变色分析以及互补的 DFT 计算相结合，系统地研究了米诺地尔在水甲醇混合物中的质子化平衡。实验结果表明，随着甲醇含量的增加，质子化常数逐渐降低，证实了溶剂组成显著影响质子化平衡。基于 Born 静电模型的分析显示
生成式人工智能披露
作者在准备本手稿期间使用生成式人工智能作为写作辅助工具，特别是为了提高英语表达和语言质量。所有科学内容、数据解释和结论均由作者开发、审阅和验证，作者对最终手稿承担全部责任。
CRediT 作者贡献声明
Fatemeh Mohebi: 调查、数据整理。 Farhoush Kiani: 写作 – 审阅与编辑、验证、监督。 Tahereh Navaie Diva: 写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、可视化、概念化。 Shahla Fathi: 验证、概念化。
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能出现在影响本论文报告的工作中。
Fatemeh Mohebi|Farhoush Kiani|Tahereh Navaie Diva|Shahla Fathi
