Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient

Der n-Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient K_ow ist ein Verteilungskoeffizient für das Zweiphasensystem aus n-Octanol und Wasser.[1] Vor allem in der englischsprachigen Literatur wird der K_ow-Wert auch als P-Wert bezeichnet.

Das Octanol/Wasser-2-Phasensystem ohne Zusatzstoff

K_ow dient als Maß für das Verhältnis zwischen Lipophilie (Fettlöslichkeit) und Hydrophilie (Wasserlöslichkeit) einer Substanz. Der Wert ist größer als eins, wenn eine Substanz besser in fettähnlichen Lösungsmitteln wie n-Octanol löslich ist, kleiner als eins wenn sie besser in Wasser löslich ist.

Liegt eine Substanz im Octanol-Wasser-System durch Assoziation oder Dissoziation in mehreren Spezies vor, so wird jeder Spezies ein eigener K_ow-Wert zugewiesen. Verwandt mit dem K_ow-Wert ist der D-Wert, der unter Verzicht auf die Unterscheidung nach verschiedenen Spezies immer nur das Konzentrationsverhältnis des Stoffes angibt.

Anwendungen

K_ow-Werte werden unter anderem zur Beurteilung des Umweltverhaltens von langlebigen organischen Schadstoffen herangezogen. Chemikalien mit hohen Koeffizienten beispielsweise neigen eher dazu, sich im Fettgewebe von Organismen anzureichern (Bioakkumulation).

Darüber hinaus spielt der Parameter eine wichtige Rolle in der Arzneimittelforschung (Rule of Five) und in der Toxikologie. Ernst Overton und Hans Meyer entdeckten bereits um 1900, dass Narkosemittel eine umso höhere Wirksamkeit zeigten, je größer ihr K_ow-Wert war (Meyer-Overton-Regel).[2]

Des Weiteren sind K_ow-Werte sehr gut geeignet, um abzuschätzen, wie sich innerhalb einer Zelle eine Substanz zwischen den lipophilen Biomembranen und dem wässrigen Zytosol verteilt.

Abschätzung

Da nicht für alle Stoffe der K_ow gemessen werden kann, gibt es verschiedenste Modelle für die Vorhersage, z. B. durch Quantitative Struktur-Aktivitäts-Beziehungen (QSAR) oder durch Linear Free Energy Relationships (LFER).[3][4]

Auch vom UNIFAC-Modell existiert eine Variante[5] zur Abschätzung des Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten.

Gleichungen

Definition des K_ow- oder P-Werts

Der K_ow- oder P-Wert bezieht sich immer nur auf eine Spezies einer Substanz:

K_{\mathrm {ow} }=P={\frac {c_{o}^{S_{i}}}{c_{w}^{S_{i}}}}

mit:

$c_{o}^{S_{i}}$ Konzentration der Spezies i einer Substanz in der octanolreichen Phase
$c_{w}^{S_{i}}$ Konzentration der Spezies i einer Substanz in der wasserreichen Phase

Treten durch Dissoziation oder Assoziation verschiedene Spezies im Octanol-Wasser-System auf, müssen mehrere P-Werte und ein D-Wert unterschieden werden. Liegt andererseits der Stoff nur in einer einzigen Spezies vor, sind P- und D-Wert identisch.

P wird in der Regel in der Form des dekadischen Logarithmus als Log P (auch Log P_ow oder seltener Log pOW) angegeben:

\log {P}=\log {\frac {c_{o}^{S_{i}}}{c_{w}^{S_{i}}}}=\log c_{o}^{S_{i}}-\log c_{w}^{S_{i}}

Log P ist positiv für lipophile und negativ für hydrophile Substanzen, beziehungsweise Spezies.

Definition des D-Werts

Der D-Wert ist immer nur das einfache Konzentrationsverhältnis einer zwischen Octanol- und Wasserphase verteilten Substanz. Er kann auch durch Summieren über die Konzentrationen aller n Spezies in der Octanolphase und die Konzentrationen aller n Spezies in der wässrigen Phase errechnet werden:

D={\frac {c_{o}}{c_{w}}}={\frac {c_{o}^{S_{1}}+c_{o}^{S_{2}}+\dots +c_{o}^{S_{n}}}{c_{w}^{S_{1}}+c_{w}^{S_{2}}+\dots +c_{w}^{S_{n}}}}

mit:

$c_{o}$ Konzentration einer Substanz in der octanolreichen Phase
$c_{w}$ Konzentration einer Substanz in der wasserreichen Phase

Auch D-Werte werden gewöhnlich in Form des dekadischen Logarithmus als Log D angegeben:

\log {D}=\log {\frac {c_{o}}{c_{w}}}=\log c_{o}-\log c_{w}

Wie Log P ist auch Log D positiv für lipophile und negativ für hydrophile Substanzen. Während P-Werte aufgrund der Beschränkung auf nur eine Spezies weitgehend vom pH-Wert der wässrigen Phase unabhängig sind, besteht für D-Werte häufig eine starke Abhängigkeit vom pH-Wert der wässrigen Phase.

Beispieldaten

Die aufgeführten Werte[6] sind sortiert nach der Größe des Verteilungskoeffizienten. Acetamid ist hydrophil, 2,2′,4,4′,5-Pentachlorbiphenyl lipophil.

Stoff	log K_OW	T	Literatur
Acetamid	−1,155	25 °C	[7]
Methanol	−0,824	19 °C	[8]
Ameisensäure	−0,413	25 °C	[9]
Diethylether	0,833	20 °C	[8]
p-Dichlorbenzol	3,370	25 °C	[10]
Hexamethylbenzol	4,610	25 °C	[10]
2,2′,4,4′,5-Pentachlorbiphenyl	6,410	Umgebung	[11]

Siehe auch

Literatur

Kai-Uwe Goss: Der Oktanol/Wasser Verteilungskoeffizient – Das Allheilmittel der Umweltchemie? UWSF-ESPR-Beitragsserie: Persistente Organische Schadstoffe (POPs), UWSF 15(4), S. 273–279; doi:10.1065/uwsf2003.01.050.
Burkhard Heuel-Fabianek: Partition Coefficients (Kd) for the Modelling of Transport Processes of Radionuclides in Groundwater (PDF; 9,4 MB) JÜL-Berichte, Forschungszentrum Jülich, Nr. 4375, 2014, ISSN 0944-2952.

Weblinks

Virtual Computational Chemistry Laboratory interaktive Berechnung und interaktiver Vergleich mehrerer Methoden
LogP-Berechnungssoftware von ACD (kommerziell)
Verzeichnis von Nachschlagewerken und Datenbanken mit Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten
Umfassende freie Datenbank mit bewerteten Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten der Sangster Research Laboratories

Einzelnachweise

J. Sangster: Octanol-Water Partition Coefficients: Fundamentals and Physical Chemistry (Wiley Series in Solution Chemistry, Vol. 2). John Wiley & Sons, Chichester 1997.
B. W. Urban: Die Meyer-Overton-Regel: Was ist geblieben? (PDF; 305 kB).
John C. Dearden: Partitioning and Lipophilicity in Quantitative Structure-Activity Relationships. In: Environ. Health Perspect., September 1985, 61, S. 203–228; PMC 1568760 (freier Volltext).
G. E. Kellogg G, D. J. Abraham: Hydrophobicity: is LogP(o/w) more than the sum of its parts? In: Eur. J. Med. Chem., 2000, 35, S. 651–661. PMID 10960181
Gudrun Wienke: Messung und Vorausberechnung von n-Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten. Doktorarbeit, Univ. Oldenburg, 1993, S. 1-172.
Dortmunder Datenbank
R. Wolfenden. In: Biochemical Journal, 1978, 17, S. 201–204.
R. Collander. In: Acta Chemica Scandinavica, 1951, 5, S. 774–780.
K. E. Whitehead, C. J. Geankoplis. In: Industrial & Engineering Chemistry Research, 1955, 47, S. 2114–2122.
S. P. Wasik, Y. B. Tewari, M. M. Miller, D. E. Martire: NBS Techn. Rep. Rep.No. NBSIR 81-2406, 1981, S. 1–56.
J. Brodsky, K. Ballschmiter, Fresenius' Zeitschrift für Analytische Chemie, 1988, 331, S. 295–301.

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[1] J. Sangster: Octanol-Water Partition Coefficients: Fundamentals and Physical Chemistry (Wiley Series in Solution Chemistry, Vol. 2). John Wiley & Sons, Chichester 1997.

[2] B. W. Urban: Die Meyer-Overton-Regel: Was ist geblieben? (PDF; 305 kB).

[3] John C. Dearden: Partitioning and Lipophilicity in Quantitative Structure-Activity Relationships. In: Environ. Health Perspect., September 1985, 61, S. 203–228; PMC 1568760 (freier Volltext).

[4] G. E. Kellogg G, D. J. Abraham: Hydrophobicity: is LogP(o/w) more than the sum of its parts? In: Eur. J. Med. Chem., 2000, 35, S. 651–661. PMID 10960181

[5] Gudrun Wienke: Messung und Vorausberechnung von n-Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten. Doktorarbeit, Univ. Oldenburg, 1993, S. 1-172.

[6] Dortmunder Datenbank

[7] R. Wolfenden. In: Biochemical Journal, 1978, 17, S. 201–204.

[Collander-8] R. Collander. In: Acta Chemica Scandinavica, 1951, 5, S. 774–780.

[9] K. E. Whitehead, C. J. Geankoplis. In: Industrial & Engineering Chemistry Research, 1955, 47, S. 2114–2122.

[Wasik-10] S. P. Wasik, Y. B. Tewari, M. M. Miller, D. E. Martire: NBS Techn. Rep. Rep.No. NBSIR 81-2406, 1981, S. 1–56.

[11] J. Brodsky, K. Ballschmiter, Fresenius' Zeitschrift für Analytische Chemie, 1988, 331, S. 295–301.