1 Fysicochemische eigenschappen
1.1 Polariteit
Bindingen kunnen polair zijn doordat het ene atoom de bindende elektronen sterker aantrekt
dan het andere. Hierdoor ontstaat een partiële negatieve lading (𝛿 −) op het meest
elektronegatieve atoom en een partiële positieve lading (𝛿 +) op het andere atoom. Elke polaire
binding heeft dus een dipoolmoment. In een molecule worden alle dipoolvectoren opgeteld;
wanneer de vectorsom gelijk is aan nul, is de molecule apolair. Een voorbeeld is CO₂: de
twee polaire C=O-bindingen zijn lineair en symmetrisch opgesteld, waardoor hun
dipoolmomenten elkaar opheffen. Alkanen bevatten voornamelijk C–C- en C–H-bindingen, die
slechts zwak polair zijn omdat het verschil in elektronegativiteit tussen C en H klein is. Sterk
polaire functionele groepen bevatten meestal O, N of S, zoals O–H-, N–H- en S–H-bindingen.
Een waterstofbrug ontstaat wanneer een H-atoom covalent gebonden is aan een sterk
elektronegatief atoom zoals O en N, waardoor het H een partiële positieve lading krijgt en
wordt aangetrokken door een vrij elektronenpaar van een ander elektronegatief atoom in een
andere of binnen dezelfde molecule. Een waterstofbrugdonor is een groep die zo’n
gepolariseerd H-atoom aanbiedt, zoals O–H-, N–H- en in mindere mate S–H-groepen. Een
waterstofbrugacceptor is een atoom of groep met vrije elektronenparen, zoals O in C=O,
ethers en N in tertiaire amines. Deze acceptoren vormen waterstofbruggen doordat hun vrije
elektronenparen interageren met het positief gepolariseerde H van een andere molecule.
Waterstofbruggen zorgen voor sterkere intermoleculaire interacties en verhogen onder
andere de oplosbaarheid in water en het kookpunt.
Zowel ethanol als diethylether bevatten een zuurstofatoom en zijn dus polair, maar ethanol
is polairder omdat het een O–H-binding bezit. Daardoor kan ethanol zowel waterstofbruggen
doneren als accepteren. Diethylether bevat enkel een C–O–C-groep en heeft geen O–H-
binding, waardoor het alleen als waterstofbrugacceptor kan optreden. De intermoleculaire
interacties tussen ethanolmoleculen zijn daarom sterker dan tussen diethylethermoleculen.
Dit leidt tot een groter netto dipoolmoment, een hoger kookpunt en een betere oplosbaarheid
in water voor ethanol.
, Geen indexen
kennen, weten
dat bv. acetonitril
mengbaar is met
water.
Acetonitril is een kleine molecule met een sterk polaire nitrilgroep (C≡N). De stikstof bezit
bovendien een vrij elektronenpaar en kan dus optreden als waterstofbrugacceptor. Daardoor
is acetonitril goed mengbaar met water en heeft het een hoge polariteitsindex. Als een
organisch solvent (bevat CH keten) volledig mengbaar is met water, zoals acetonitril,
methanol of ethanol, vormt het één fase met water en is klassieke vloeistof-vloeistofextractie
niet mogelijk. Bij vloeistof-vloeistofextractie zijn namelijk twee niet-mengbare fasen nodig,
bijvoorbeeld water en hexaan of dichloormethaan. Aan de hand van de structuur kan je d it
vaak voorspellen: kleine moleculen met sterk polaire groepen zoals O–H, C=O of C≡N zijn
meestal goed watermengbaar.
1.2 Log P
Log P is het logaritme van de octanol-water verdelingscoëfficiënt (Kow) en geeft het
hydrofobe of hydrofiele karakter van een molecule weer. Bij schudden met water en
octanol verdeelt een molecule zich over beide fasen volgens haar polariteit en intermoleculaire
interacties. Moleculen die vooral in octanol zitten zijn apolair en hebben een hoge, positieve
log P; moleculen die vooral in water zitten zijn polair en hebben een lage of negatieve log
P. Log P hangt dus samen met polariteit en de mogelijkheid tot waterstofbrugvorming (donor
of acceptor), en bepaalt o.a. gedrag in technieken zoals vloeistof-vloeistofextractie, vaste-
fase-extractie en chromatografie. Het is ook belangrijk in de farmacologie: een hoge log P
wijst op lipofiliciteit (bv. propofol), een lage log P op hydrofiele stoffen (bv. paracetamol).
Zie je een vrij amine? → basisch.
Zie je een COOH? → zuur.
Alleen alcoholen, ethers, esters, ketonen, amiden? → meestal
neutraal.
Bevat de molecule zowel een zuur als een base? → amfoteer
, grote Ka → kleine pKa
kleine Ka → grote pKa
1.3 Zuur-base eigenschappen
pKa is de negatieve logaritme van de zuurconstante Ka en geeft een maat voor de sterkte
van een zuur weer. Hoe lager de pKa, hoe sterker het zuur omdat het gemakkelijker
dissocieert. Een base B kan protoneren tot BH⁺: hoe hoger de pKa van BH⁺, hoe sterker de
base B.
basen
zuren
De verhouding tussen geprotoneerde en gedeprotoneerde vormen in oplossing wordt
beschreven door de Henderson–Hasselbalch vergelijking:
1) Wanneer de pH gelijk is aan de pKa is er een 50/50-verdeling tussen beide vormen.
2) Bij een pH die ongeveer twee eenheden hoger ligt dan de pKa is een zuur (bv. THC-COOH)
vrijwel volledig gedeprotoneerd. Dit zal zorgen voor meer ionische reacties (HPLC, SPE) en
weinig affiniteit voor organische fase (ionen zijn hydrofiel) (LLE). Bij twee eenheden lager
zal het vooral geprotoneerd zijn.
3) Voor basen (bv. amfetamine) geldt het omgekeerde gedrag: bij een pH die ongeveer twee
eenheden hoger ligt dan de pKa is een base vrijwel volledig neutraal (<-> geprotoneerd).
Dit zal zorgen voor minder ionische reacties (HPLC, SPE) en hoge affiniteit voor organische
fase (LLE). Bij twee eenheden lager zal het vooral geprotoneerd zijn.
, 4) Moleculen die zowel zure als basische functionele groepen bevatten worden amfoteer
genoemd (bv. benzoylecgonine). Zij kunnen zowel protonen opnemen als afstaan en hebben
een pH waarbij de netto lading nul is, het zogenaamde iso-elektrisch punt (pI).
De pKa-waarden van functionele groepen bepalen samen hoe een molecule geladen zal zijn
in waterige oplossing afhankelijk van de pH.
1.4 Log D
logD is de pH-afhankelijke versie van logP en houdt rekening met ionisatie (protonering van
basen en dissociatie van zuren), waardoor de verdeling tussen waterige en organische fase
verandert bij fysiologische pH. Geïoniseerde vormen zijn hydrofieler en verlagen dus logD.
Zuur: logD daalt bij hoge pH door vorming van A⁻.
Base: logD stijgt bij hogere pH doordat de neutrale base domineert (minder hydrofiel); bij
lage pH daalt logD door vorming van BH⁺.
1.1 Polariteit
Bindingen kunnen polair zijn doordat het ene atoom de bindende elektronen sterker aantrekt
dan het andere. Hierdoor ontstaat een partiële negatieve lading (𝛿 −) op het meest
elektronegatieve atoom en een partiële positieve lading (𝛿 +) op het andere atoom. Elke polaire
binding heeft dus een dipoolmoment. In een molecule worden alle dipoolvectoren opgeteld;
wanneer de vectorsom gelijk is aan nul, is de molecule apolair. Een voorbeeld is CO₂: de
twee polaire C=O-bindingen zijn lineair en symmetrisch opgesteld, waardoor hun
dipoolmomenten elkaar opheffen. Alkanen bevatten voornamelijk C–C- en C–H-bindingen, die
slechts zwak polair zijn omdat het verschil in elektronegativiteit tussen C en H klein is. Sterk
polaire functionele groepen bevatten meestal O, N of S, zoals O–H-, N–H- en S–H-bindingen.
Een waterstofbrug ontstaat wanneer een H-atoom covalent gebonden is aan een sterk
elektronegatief atoom zoals O en N, waardoor het H een partiële positieve lading krijgt en
wordt aangetrokken door een vrij elektronenpaar van een ander elektronegatief atoom in een
andere of binnen dezelfde molecule. Een waterstofbrugdonor is een groep die zo’n
gepolariseerd H-atoom aanbiedt, zoals O–H-, N–H- en in mindere mate S–H-groepen. Een
waterstofbrugacceptor is een atoom of groep met vrije elektronenparen, zoals O in C=O,
ethers en N in tertiaire amines. Deze acceptoren vormen waterstofbruggen doordat hun vrije
elektronenparen interageren met het positief gepolariseerde H van een andere molecule.
Waterstofbruggen zorgen voor sterkere intermoleculaire interacties en verhogen onder
andere de oplosbaarheid in water en het kookpunt.
Zowel ethanol als diethylether bevatten een zuurstofatoom en zijn dus polair, maar ethanol
is polairder omdat het een O–H-binding bezit. Daardoor kan ethanol zowel waterstofbruggen
doneren als accepteren. Diethylether bevat enkel een C–O–C-groep en heeft geen O–H-
binding, waardoor het alleen als waterstofbrugacceptor kan optreden. De intermoleculaire
interacties tussen ethanolmoleculen zijn daarom sterker dan tussen diethylethermoleculen.
Dit leidt tot een groter netto dipoolmoment, een hoger kookpunt en een betere oplosbaarheid
in water voor ethanol.
, Geen indexen
kennen, weten
dat bv. acetonitril
mengbaar is met
water.
Acetonitril is een kleine molecule met een sterk polaire nitrilgroep (C≡N). De stikstof bezit
bovendien een vrij elektronenpaar en kan dus optreden als waterstofbrugacceptor. Daardoor
is acetonitril goed mengbaar met water en heeft het een hoge polariteitsindex. Als een
organisch solvent (bevat CH keten) volledig mengbaar is met water, zoals acetonitril,
methanol of ethanol, vormt het één fase met water en is klassieke vloeistof-vloeistofextractie
niet mogelijk. Bij vloeistof-vloeistofextractie zijn namelijk twee niet-mengbare fasen nodig,
bijvoorbeeld water en hexaan of dichloormethaan. Aan de hand van de structuur kan je d it
vaak voorspellen: kleine moleculen met sterk polaire groepen zoals O–H, C=O of C≡N zijn
meestal goed watermengbaar.
1.2 Log P
Log P is het logaritme van de octanol-water verdelingscoëfficiënt (Kow) en geeft het
hydrofobe of hydrofiele karakter van een molecule weer. Bij schudden met water en
octanol verdeelt een molecule zich over beide fasen volgens haar polariteit en intermoleculaire
interacties. Moleculen die vooral in octanol zitten zijn apolair en hebben een hoge, positieve
log P; moleculen die vooral in water zitten zijn polair en hebben een lage of negatieve log
P. Log P hangt dus samen met polariteit en de mogelijkheid tot waterstofbrugvorming (donor
of acceptor), en bepaalt o.a. gedrag in technieken zoals vloeistof-vloeistofextractie, vaste-
fase-extractie en chromatografie. Het is ook belangrijk in de farmacologie: een hoge log P
wijst op lipofiliciteit (bv. propofol), een lage log P op hydrofiele stoffen (bv. paracetamol).
Zie je een vrij amine? → basisch.
Zie je een COOH? → zuur.
Alleen alcoholen, ethers, esters, ketonen, amiden? → meestal
neutraal.
Bevat de molecule zowel een zuur als een base? → amfoteer
, grote Ka → kleine pKa
kleine Ka → grote pKa
1.3 Zuur-base eigenschappen
pKa is de negatieve logaritme van de zuurconstante Ka en geeft een maat voor de sterkte
van een zuur weer. Hoe lager de pKa, hoe sterker het zuur omdat het gemakkelijker
dissocieert. Een base B kan protoneren tot BH⁺: hoe hoger de pKa van BH⁺, hoe sterker de
base B.
basen
zuren
De verhouding tussen geprotoneerde en gedeprotoneerde vormen in oplossing wordt
beschreven door de Henderson–Hasselbalch vergelijking:
1) Wanneer de pH gelijk is aan de pKa is er een 50/50-verdeling tussen beide vormen.
2) Bij een pH die ongeveer twee eenheden hoger ligt dan de pKa is een zuur (bv. THC-COOH)
vrijwel volledig gedeprotoneerd. Dit zal zorgen voor meer ionische reacties (HPLC, SPE) en
weinig affiniteit voor organische fase (ionen zijn hydrofiel) (LLE). Bij twee eenheden lager
zal het vooral geprotoneerd zijn.
3) Voor basen (bv. amfetamine) geldt het omgekeerde gedrag: bij een pH die ongeveer twee
eenheden hoger ligt dan de pKa is een base vrijwel volledig neutraal (<-> geprotoneerd).
Dit zal zorgen voor minder ionische reacties (HPLC, SPE) en hoge affiniteit voor organische
fase (LLE). Bij twee eenheden lager zal het vooral geprotoneerd zijn.
, 4) Moleculen die zowel zure als basische functionele groepen bevatten worden amfoteer
genoemd (bv. benzoylecgonine). Zij kunnen zowel protonen opnemen als afstaan en hebben
een pH waarbij de netto lading nul is, het zogenaamde iso-elektrisch punt (pI).
De pKa-waarden van functionele groepen bepalen samen hoe een molecule geladen zal zijn
in waterige oplossing afhankelijk van de pH.
1.4 Log D
logD is de pH-afhankelijke versie van logP en houdt rekening met ionisatie (protonering van
basen en dissociatie van zuren), waardoor de verdeling tussen waterige en organische fase
verandert bij fysiologische pH. Geïoniseerde vormen zijn hydrofieler en verlagen dus logD.
Zuur: logD daalt bij hoge pH door vorming van A⁻.
Base: logD stijgt bij hogere pH doordat de neutrale base domineert (minder hydrofiel); bij
lage pH daalt logD door vorming van BH⁺.
