Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient

Das Octanol/Wasser- 2-Phasensystem ohne Zusatzstoff

Der n-Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient K_ow (auch Schreibweisen wie Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizient gebräuchlich und korrekt) ist ein dimensionsloser Verteilungskoeffizient, der das Verhältnis der Konzentrationen einer Chemikalie in einem Zweiphasensystem aus 1-Octanol und Wasser angibt.^[1] Liegt allerdings eine Chemikalie im Oktanol-Wasser-System in mehreren Spezies vor, so wird jeder Spezies ein eigener K_ow-Wert zugewiesen.

Vor allem in der englischsprachigen Literatur wird der K_ow-Wert auch als P-Wert bezeichnet.

Eng verwandt mit dem K_ow-Wert ist der D-Wert, der unter Verzicht auf die Unterscheidung nach verschiedenen Spezies stets nur das Konzentrationsverhältnis der Chemikalie angibt.

Anwendungen

Der K_ow-Wert ist ein Modellmaß für das Verhältnis zwischen Lipophilie (Fettlöslichkeit) und Hydrophilie (Wasserlöslichkeit) einer Substanz. Die Erwartung ist, mit Hilfe des Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten auch die Verteilungskoeffizienten dieses Stoffes in anderen Systemen mit einer wässrigen und einer lipophilen Phase abschätzen zu können. K_ow ist größer als eins, wenn eine Substanz besser in fettähnlichen Lösungsmitteln wie n-Oktanol löslich ist, kleiner als eins wenn sie besser in Wasser löslich ist. Entsprechend ist Log P positiv für lipophile und negativ für hydrophile Substanzen.

So werden K_ow-Werte 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 (Depot-Effekt). Eng damit verknüpft ist der sogenannte Biokonzentrationsfaktor BCF. Er ist das Verhältnis der Konzentrationen eines Stoffes in Biota (Biomasse) und in Wasser. BCF und K_ow können in erster Näherung gleichgesetzt werden.

Darüber hinaus spielt der Parameter eine wichtige Rolle in der Pharmakologie (Rule of Five) und in der Toxikologie. Ernst Overton und Hans Meyer entdeckten unabhängig voneinander bereits um 1900, dass Narkosemittel eine umso höhere Wirksamkeit zeigten, je größer ihr Log P-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 Chemikalien 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 Chemikalie:

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

mit:

$c_{o}^{S_{i}}$ Konzentration der Spezies i einer Chemikalie in der Oktanol-reichen Phase
$c_{w}^{S_{i}}$ Konzentration der Spezies i einer Chemikalie in der wasserreichen Phase

Treten durch Dissoziation oder Assoziation verschiedene Spezies im Oktanol-Wasser-System auf, müssen mehrere P-Werte und ein D-Wert unterschieden werden. Liegt andererseits die Chemikalie 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}}

Definition des D-Werts

Zur Berechnung des D-Werts wird über die Konzentrationen aller n Spezies in der Oktanolphase und über die Konzentrationen aller n Spezies in der wässrigen Phase summiert:

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

mit:

$c_{o}$ Konzentration einer Chemikalie in der oktanolreichen Phase
$c_{w}$ Konzentration einer Chemikalie 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}

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-Pentachlorobiphenyl 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

Hydrophober Effekt
Dortmunder Datenbank

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.

Einzelnachweise

↑ J. Sangster, Octanol-Water Partition Coefficients: Fundamentals and Physical Chemistry, Vol. 2 of Wiley Series in Solution Chemistry, John Wiley & Sons, Chichester, 1997.
↑ B. W. Urban: Die Meyer-Overton-Regel: Was ist geblieben?
↑ John C. Dearden: Partitioning and Lipophilicity in Quantitative Structure-Activity Relationships. Environ. Health Perspect. 1985 September; 61: 203–228; PMC 1568760 (freier Volltext, PDF).
↑ 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, 651–661. PMID 10960181
↑ Gudrun Wienke, „Messung und Vorausberechnung von n-Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten", Doktorarbeit, Univ. Oldenburg, 1-172, 1993.
↑ Dortmunder Datenbank
↑ R. Wolfenden, in: Biochem. J., 1978, 17, 201–204.
↑ ^8,0 ^8,1 R. Collander, in: Acta Chem. Scand., 1951, 5, 774–780.
↑ K. E. Whitehead, C. J. Geankoplis, in: Ind. Eng. Chem., 1955, 47, 2114–2122.
↑ ^10,0 ^10,1 S. P. Wasik, Y. B. Tewari, M. M. Miller, D. E. Martire, NBS Techn. Rep., Rep.No. NBSIR 81-2406, S. 1–56, 1981
↑ J. Brodsky, K. Ballschmiter, Fresenius Z. Anal. Chem., 1988, 331, 295–301.

Weblinks

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

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

[2] B. W. Urban: Die Meyer-Overton-Regel: Was ist geblieben?

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

[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, 651–661. PMID 10960181

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

[6] Dortmunder Datenbank

[7] R. Wolfenden, in: Biochem. J., 1978, 17, 201–204.

[Collander-8] 8,0 ^8,1 R. Collander, in: Acta Chem. Scand., 1951, 5, 774–780.

[9] K. E. Whitehead, C. J. Geankoplis, in: Ind. Eng. Chem., 1955, 47, 2114–2122.

[Wasik-10] 10,0 ^10,1 S. P. Wasik, Y. B. Tewari, M. M. Miller, D. E. Martire, NBS Techn. Rep., Rep.No. NBSIR 81-2406, S. 1–56, 1981

[11] J. Brodsky, K. Ballschmiter, Fresenius Z. Anal. Chem., 1988, 331, 295–301.

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