Opgaver til A3.6

Opgaverne hører til afsnit A3.6 Polaritet og log D. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave A3.6.1: Polaritetsanalyse af thymol

Thymol giver timian dens duft og bruges i mundskyl, fordi det dræber bakterier. Figuren viser strukturen af thymol.

Figur 1: Strukturen af thymol.
  1. Angiv de polære bindinger i thymol.
  2. Angiv de upolære dele af thymol, og tæl carbonatomerne i dem.
  3. Vurdér, om thymol samlet er mest polært eller mest upolært. Brug tommelfingerreglen om, at én polær gruppe kan trække omkring fire carbonatomer med ned i vand.
  4. For thymol er log P = 3,3. Forklar, hvad tallet fortæller, og om det passer med din polaritetsanalyse.

Brug tabellen med polære og upolære dele i afsnit A3.6. Bindingerne O−H og C−O er polære. Bindingerne C−C og C−H er upolære, så benzenringen og carbonkæderne er upolære. I en zigzagformel er hvert knæk og hver ende et carbonatom.

Thymol har én polær gruppe: hydroxygruppen på benzenringen. Tæl carbonatomerne i benzenringen og i de to sidegrupper, og sammenlign med de omkring fire carbonatomer, én polær gruppe kan bære.

Log P er logaritmen til fordelingskonstanten, så P = 10log P. Fordelingskonstanten fortæller, hvor mange gange større koncentrationen af thymol er i octan-1-ol end i vand.

  1. De polære bindinger i thymol er bindingen O−H og bindingen C−O i hydroxygruppen på benzenringen. Hydroxygruppen kan danne hydrogenbindinger til vand.

  2. De upolære dele af thymol er benzenringen med 6 carbonatomer, methylgruppen med 1 carbonatom og sidegruppen med 3 carbonatomer. I alt er der 10 carbonatomer, og bindingerne C−C og C−H mellem dem er upolære.

  3. Thymol har én polær gruppe, som kan trække omkring fire carbonatomer med ned i vand, men molekylet har 10 carbonatomer. De upolære dele vejer tungest, så thymol er overvejende upolært. Thymol opløses dårligt i vand og godt i fedt og olie.

  4. Fordelingskonstanten for thymol er

\[ P = 10^{3{,}3} = 2{,}0 \cdot 10^{3} \]

Når thymol fordeler sig mellem octan-1-ol og vand, er koncentrationen af thymol altså omkring 2000 gange så stor i octan-1-ol som i vandet. Det passer med polaritetsanalysen: thymol er overvejende upolært og foretrækker det upolære lag.

Opgave A3.6.2: Fordelingsligevægten for koffein

Koffein fra kaffe rystes med vand og octan-1-ol i en skilletragt. Når fordelingsligevægten har indstillet sig, er koncentrationen af koffein 0,0100 M i vandlaget og 0,0079 M i laget af octan-1-ol.

  1. Opskriv reaktionsskemaet for fordelingsligevægten for koffein.
  2. Opskriv udtrykket for fordelingskonstanten, og beregn fordelingskonstanten for koffein.
  3. Beregn log P for koffein.
  4. Udfyld tabellen.
Stof log P P Hvor er koncentrationen størst?
ethanol −0,3
morfin 0,9
lidocain 2,4
ibuprofen 4,0

Fordelingsligevægten for koffein har koffein i vand til venstre og koffein i octan-1-ol til højre. Fordelingskonstanten er koncentrationen af koffein i octan-1-ol divideret med koncentrationen af koffein i vand. Se, hvordan ligevægten og konstanten er skrevet op for stoffet HA i afsnit A3.6.

Log P er logaritmen til fordelingskonstanten. Den omvendte vej er P = 10log P, på samme måde som [H3O+] findes ud fra pH. For morfin er P = 100,9.

Er P større end 1, er koncentrationen størst i octan-1-ol. Er P mindre end 1, er koncentrationen størst i vandet.

  1. Fordelingsligevægten for koffein er

koffein(aq) ⇌ koffein(octan-1-ol)

  1. Fordelingskonstanten er koncentrationen af koffein i octan-1-ol divideret med koncentrationen af koffein i vand:

\[ K_\mathrm{F} = P = \frac{[\mathrm{koffein(octan\text{-}1\text{-}ol)}]}{[\mathrm{koffein(aq)}]} = \frac{0{,}0079\ \mathrm{M}}{0{,}0100\ \mathrm{M}} = 0{,}79 \]

  1. Log P for koffein er

\[ \log P = \log(0{,}79) = -0{,}10 \]

Fordelingskonstanten er lidt mindre end 1, og log P er lidt mindre end 0. Der er næsten lige meget koffein i de to lag, men lidt mere i vandet.

  1. Fordelingskonstanten findes som P = 10log P.
Stof log P P Hvor er koncentrationen størst?
ethanol −0,3 0,50 i vandet, dobbelt så stor som i octan-1-ol
morfin 0,9 7,9 i octan-1-ol, 8 gange så stor som i vandet
lidocain 2,4 2,5 · 102 i octan-1-ol, 250 gange så stor som i vandet
ibuprofen 4,0 1,0 · 104 i octan-1-ol, 10 000 gange så stor som i vandet

Tallene gælder for den uladede form af hvert stof.

Opgave A3.6.3: Fordelingskonstant eller fordelingsforhold?

Fordelingskonstanten, KF eller P, og fordelingsforholdet, D, ligner hinanden, men de er ikke det samme.

  1. Udfyld tabellen med ja eller nej.
Fordelingskonstanten, KF eller P Fordelingsforholdet, D
Tæller kun den uladede form af stoffet med
Tæller alle former af stoffet med
Afhænger af vandlagets pH
Er en ligevægtskonstant
  1. Koffein har ingen grupper, der afgiver eller optager en hydron mellem pH 1 og pH 13. For koffein er log P = −0,1. Hvad er log D for koffein ved pH 2,0 og ved pH 9,0? Begrund svaret.
  2. For syren acetylsalicylsyre er pKs = 3,5 og log P = 1,2. Ved pH 6,5, som i tyndtarmen, er log D = −1,8. Forklar, hvorfor log D er mindre end log P ved pH 6,5.
  3. Kan log D for et stof blive større end stoffets log P? Begrund svaret.

Læs afsnittet “Fordelingsforholdet” i afsnit A3.6. Fordelingskonstanten gælder for én bestemt form af stoffet, den uladede. Fordelingsforholdet er forholdet mellem stoffets formelle koncentration i de to lag, og i den formelle koncentration tæller både syreformen og baseformen med.

For en syre er D = KF · xs, hvor syrebrøken, xs, er den del af stoffet i vandlaget, der er på den uladede syreform. En brøk kan højst være 1.

Du kan begynde forklaringen om acetylsalicylsyre sådan: “Ved pH 6,5 er pH meget højere end pKs for acetylsalicylsyre, så næsten al acetylsalicylsyre i vandlaget er på …”

  1. Tabellen viser forskellene på fordelingskonstanten og fordelingsforholdet.
Fordelingskonstanten, KF eller P Fordelingsforholdet, D
Tæller kun den uladede form af stoffet med ja nej
Tæller alle former af stoffet med nej ja
Afhænger af vandlagets pH nej ja
Er en ligevægtskonstant ja nej

  1. Log D for koffein er −0,1 ved både pH 2,0 og pH 9,0. Koffein hverken afgiver eller optager en hydron ved de to pH-værdier, så koffein findes kun på én form, som er uladet. Når der kun er én form, er D = P ved alle pH-værdier, og log D = log P = −0,1.

  2. Acetylsalicylsyre er en syre med pKs = 3,5. Ved pH 6,5 er pH meget højere end pKs, så næsten al acetylsalicylsyre i vandlaget er på baseformen, som er en negativ ion. Ionen bliver i vandet, og kun den lille del, der er på den uladede syreform, kan gå over i octan-1-ol. Fordelingsforholdet tæller begge former i vandlaget med, så D bliver meget mindre end P. Forskellen mellem log P = 1,2 og log D = −1,8 er 3,0, så D er 1000 gange mindre end P. Det svarer til, at syrebrøken for acetylsalicylsyre er 0,001 ved pH 6,5.

  3. Nej. For en syre er D = KF · xs, og for en base er D = KF · xb. En syrebrøk eller basebrøk kan højst være 1, så D kan højst blive lig med KF. Log D kan derfor højst blive lig med log P, og det sker, når hele stoffet er på den uladede form.

Opgave A3.6.4: Log D for en syre

Propansyre, CH3CH2COOH, bruges som konserveringsmiddel i brød og står på varedeklarationen som E 280. Kun den uladede syreform af propansyre kan gå gennem cellemembranen i en skimmelsvamp og standse svampens vækst. For propansyre er pKs = 4,87 og log P = 0,33.

  1. Beregn syrebrøken for propansyre ved pH 4,5, som i rugbrød, og ved pH 6,0, som i franskbrød.
  2. Beregn log D for propansyre ved pH 4,5 og ved pH 6,0.
  3. I hvilken af de to slags brød virker propansyre bedst som konserveringsmiddel? Begrund svaret.

Syrebrøken for propansyre beregnes med formlen fra afsnit A1.7: xs = 1 / (1 + 10pH − pKs). For en syre er log D = log P + log xs.

Regn først eksponenten ud for propansyre. Ved pH 4,5 er pH − pKs = 4,5 − 4,87 = −0,37. Ved pH 6,0 er pH − pKs = 6,0 − 4,87 = 1,13.

Logaritmen til en brøk mellem 0 og 1 er negativ, så log D bliver mindre end log P.

  1. Syrebrøken for propansyre ved pH 4,5:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,4{,}5 - 4{,}87}} = 0{,}701 \]

Syrebrøken for propansyre ved pH 6,0:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,6{,}0 - 4{,}87}} = 0{,}0690 \]

  1. Ved pH 4,5:

\[ \log D = \log P + \log x_\mathrm{s} = 0{,}33 + \log(0{,}701) = 0{,}33 - 0{,}15 = 0{,}18 \]

Ved pH 6,0:

\[ \log D = 0{,}33 + \log(0{,}0690) = 0{,}33 - 1{,}16 = -0{,}83 \]

  1. Propansyre virker bedst i rugbrød. Ved pH 4,5 er 70 % af propansyren på den uladede syreform, og log D er 0,18. Ved pH 6,0 i franskbrød er kun 7 % af propansyren på syreformen. Resten er på baseformen, som er en ion og ikke kan gå gennem svampens cellemembran, og log D er faldet til −0,83. Der skal derfor mere propansyre til i franskbrød end i rugbrød for at få samme virkning.

Opgave A3.6.5: Log D for en base

Lidocain er det lokalbedøvende middel, tandlægen sprøjter ind ved en tand. Lidocain er en base med en aminogruppe. Den korresponderende syre har pKs = 7,9, og for lidocain er log P = 2,4. Lidocain skal gennem nervecellens membran for at virke.

  1. Hvilken form af lidocain er uladet: syreformen eller baseformen?
  2. Beregn basebrøken og log D for lidocain ved pH 7,4, som er pH i rask væv.
  3. I betændt væv kan pH falde til omkring 6,0. Beregn basebrøken og log D for lidocain ved pH 6,0.
  4. Tandlæger oplever, at bedøvelsen virker dårligere i betændt væv. Forklar hvorfor.

En aminogruppe optager en hydron og bliver positivt ladet. For en base som lidocain er det derfor baseformen, der kan gå over i octan-1-ol. Basebrøken beregnes med xb = 1 / (1 + 10pKs − pH), og for en base er log D = log P + log xb.

Regn først eksponenten ud for lidocain. Ved pH 7,4 er pKs − pH = 7,9 − 7,4 = 0,5. Ved pH 6,0 er pKs − pH = 7,9 − 6,0 = 1,9.

Du kan begynde forklaringen sådan: “I betændt væv er pH lavere, så en større del af lidocain er på …”

  1. Baseformen af lidocain er uladet. Syreformen har optaget en hydron på aminogruppen og er en positiv ion.

  2. Ved pH 7,4:

\[ x_\mathrm{b} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}9 - 7{,}4}} = 0{,}240 \]

\[ \log D = \log P + \log x_\mathrm{b} = 2{,}4 + \log(0{,}240) = 2{,}4 - 0{,}62 = 1{,}8 \]

  1. Ved pH 6,0:

\[ x_\mathrm{b} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}9 - 6{,}0}} = 0{,}0124 \]

\[ \log D = 2{,}4 + \log(0{,}0124) = 2{,}4 - 1{,}91 = 0{,}5 \]

  1. I rask væv med pH 7,4 er 24 % af lidocain på den uladede baseform, og log D er 1,8. I betændt væv med pH 6,0 er kun omkring 1 % af lidocain på baseformen. Resten er på syreformen, som er en positiv ion og ikke kan gå gennem nervecellens membran. Log D er faldet fra 1,8 til 0,5, så lidocain har meget sværere ved at komme ind i nervecellen. Derfor virker bedøvelsen dårligere i betændt væv.

Opgave A3.6.6: Aflæs og skitsér kurver for log D

Figuren viser log D som funktion af pH for to lægemidler, stof A og stof B. De to stoffer er blandt de fire i tabellen. For baserne er pKs den korresponderende syres pKs.

Figur 2: Log D som funktion af pH for stof A og stof B.
Stof Syre eller base pKs log P
salicylsyre syre 3,0 2,3
ibuprofen syre 4,4 4,0
lidocain base 7,9 2,4
amfetamin base 9,9 1,8
  1. Afgør for stof A og for stof B, om stoffet er en syre eller en base. Begrund svaret ud fra kurvens form.
  2. Aflæs log P for stof A og for stof B.
  3. Aflæs pKs for stof A og for den korresponderende syre til stof B.
  4. Hvilke to stoffer i tabellen er stof A og stof B?
  5. Paracetamol er en svag syre med pKs = 9,5 og log P = 0,5. Skitsér kurven for log D for paracetamol fra pH 0 til pH 14.

Brug tabellen over kurven for en syre og kurven for en base i afsnit A3.6. Kurven er vandret, hvor stoffet er uladet: ved lav pH for en syre og ved høj pH for en base. På det vandrette stykke er log D = log P.

Kurven knækker omkring pKs. Læg en lineal langs det vandrette stykke og en langs det skrå stykke. De to linjer skærer hinanden ved pH = pKs.

Til skitsen af kurven for paracetamol: tegn en vandret linje i højden log P = 0,5 fra pH 0 til pKs = 9,5. Derfra falder kurven med 1 for hver pH-enhed opad. Rund hjørnet ved knækket.

  1. Stof A er en syre. Kurven for stof A er vandret ved lav pH, hvor en syre er uladet, og falder ved høj pH, hvor syren er blevet til en negativ ion. Stof B er en base. Kurven for stof B er vandret ved høj pH, hvor en base er uladet, og falder ved lav pH, hvor basen har optaget en hydron og er en positiv ion.

  2. På det vandrette stykke er log D = log P. For stof A er log P omkring 2,3, og for stof B er log P omkring 1,8.

  3. Kurven for stof A knækker omkring pH 3, så pKs for stof A er omkring 3. Kurven for stof B knækker omkring pH 10, så pKs for den korresponderende syre til stof B er omkring 10.

  4. Stof A er salicylsyre, som er en syre med pKs = 3,0 og log P = 2,3. Stof B er amfetamin, som er en base med pKs = 9,9 og log P = 1,8.

  5. Kurven for paracetamol er vandret i højden 0,5 fra pH 0 til omkring pH 9, knækker omkring pH 9,5 og falder derefter med 1 for hver pH-enhed. Ved pH 14 er log D omkring −4.

Figur 3: Log D som funktion af pH for paracetamol.

Paracetamol er uladet ved alle de pH-værdier, der findes i kroppen, fordi pKs er så høj som 9,5.

Opgave A3.6.7: Vanillin i skilletragten

Vanillin giver vanilje dens smag. Vanillin har en hydroxygruppe på en benzenring og er derfor en svag syre. Aldehydgruppen på ringen gør vanillin til en stærkere syre end de fleste phenoler: pKs = 7,4. For vanillin er log P = 1,2.

Figuren viser vanillin og to skilletragte med et organisk opløsningsmiddel øverst og vand nederst. I tragt 1 har vandlaget pH 4,0, og i tragt 2 har vandlaget pH 10,4. Regn med, at vanillin fordeler sig mellem det organiske opløsningsmiddel og vand på samme måde som mellem octan-1-ol og vand.

Figur 4: Vanillin og to skilletragte, hvor vandlaget har pH 4,0 og pH 10,4.
  1. Hvilken form er vanillin mest på ved pH 4,0, og hvilken form er vanillin mest på ved pH 10,4?
  2. Beregn log D for vanillin ved pH 4,0 og ved pH 10,4.
  3. I hvilket af lagene A og B er der mest vanillin i tragt 1? I hvilket af lagene C og D er der mest vanillin i tragt 2?
  4. Et vaniljeudtræk indeholder vanillin og et fedtstof, som er neutralt og upolært. Beskriv, hvordan vanillin kan skilles fra fedtstoffet med en skilletragt.

Sammenlign pH med pKs for vanillin, som er 7,4. Er pH lavere end pKs, sidder hydronen på hydroxygruppen, og vanillin er på den uladede syreform. Er pH højere end pKs, er hydronen afgivet, og vanillin er en negativ ion. Vanillin er en syre, så log D = log P + log xs.

Ved pH 4,0 er pH − pKs = 4,0 − 7,4 = −3,4, og ved pH 10,4 er pH − pKs = 10,4 − 7,4 = 3,0. Er log D over 0, er der mest vanillin i det organiske lag. Er log D under 0, er der mest vanillin i vandlaget.

Til spørgsmål d: fedtstoffet har ingen syre- eller basegruppe, så fedtstoffet bliver i det organiske lag ved alle pH-værdier. Du kan begynde sådan: “Vaniljeudtrækket rystes med et organisk opløsningsmiddel og vand med pH …”

  1. Ved pH 4,0 er pH lavere end pKs = 7,4, så vanillin er mest på syreformen med −OH på benzenringen. Syreformen er uladet. Ved pH 10,4 er pH højere end pKs, så vanillin er mest på baseformen med −O− på benzenringen. Baseformen er en negativ ion.

  2. Ved pH 4,0:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,4{,}0 - 7{,}4}} = 1{,}00 \]

\[ \log D = \log P + \log x_\mathrm{s} = 1{,}2 + \log(1{,}00) = 1{,}2 \]

Ved pH 10,4:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,10{,}4 - 7{,}4}} = 1{,}0 \cdot 10^{-3} \]

\[ \log D = 1{,}2 + \log\left(1{,}0 \cdot 10^{-3}\right) = 1{,}2 - 3{,}0 = -1{,}8 \]

  1. I tragt 1 er log D = 1,2, som er over 0, så der er mest vanillin i det organiske lag, lag A. I tragt 2 er log D = −1,8, som er under 0, så der er mest vanillin i vandlaget, lag D.

  2. Vaniljeudtrækket rystes i en skilletragt med et organisk opløsningsmiddel og vand, der er gjort basisk til omkring pH 10,4. Ved pH 10,4 er vanillin en negativ ion med log D = −1,8 og går over i vandlaget. Fedtstoffet er neutralt og upolært og bliver i det organiske lag. Vandlaget med vanillin tappes af. Derefter gøres vandlaget surt, fx til pH 4,0. Så er vanillin igen på den uladede syreform med log D = 1,2. Vandlaget rystes med en ny portion organisk opløsningsmiddel, og vanillin går over i det organiske lag. Til sidst kan opløsningsmidlet dampes af, så der er ren vanillin tilbage.

Opgave A3.6.8: Rækkefølgen i chromatografi

Et laboratorium kontrollerer smertestillende tabletter. En prøve indeholder de tre lægemidler acetylsalicylsyre, paracetamol og ibuprofen. De tre stoffer skal skilles ad ved chromatografi med en upolær stationær fase og en vandig mobil fase.

Stof Syre eller base pKs log P
acetylsalicylsyre syre med en carboxylgruppe 3,5 1,2
paracetamol svag syre med en hydroxygruppe på en benzenring 9,5 0,5
ibuprofen syre med en carboxylgruppe 4,4 4,0
  1. Bestem den rækkefølge, de tre stoffer kommer ud af kolonnen i, når den mobile fase har pH 3,0.
  2. Bestem den rækkefølge, de tre stoffer kommer ud af kolonnen i, når den mobile fase har pH 7,0.

Med en upolær stationær fase hænger upolære stoffer længst fast. Det stof, der har den laveste log D ved den mobile fases pH, kommer derfor først ud, og stoffet med den højeste log D kommer sidst ud. Du skal altså finde log D for acetylsalicylsyre, paracetamol og ibuprofen ved pH 3,0 og ved pH 7,0.

For paracetamol er både pH 3,0 og pH 7,0 langt under pKs = 9,5, så paracetamol er uladet, og log D = log P = 0,5. For acetylsalicylsyre og ibuprofen skal du beregne syrebrøken, xs = 1 / (1 + 10pH − pKs), og log D = log P + log xs ved begge pH-værdier.

Paracetamol har pKs = 9,5. Både pH 3,0 og pH 7,0 ligger langt under pKs, så paracetamol er på den uladede syreform, og log D = log P = 0,5 ved begge pH-værdier.

Acetylsalicylsyre ved pH 3,0:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,3{,}0 - 3{,}5}} = 0{,}760 \qquad\qquad \log D = 1{,}2 + \log(0{,}760) = 1{,}2 - 0{,}12 = 1{,}1 \]

Acetylsalicylsyre ved pH 7,0:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}0 - 3{,}5}} = 3{,}2 \cdot 10^{-4} \qquad\qquad \log D = 1{,}2 + \log\left(3{,}2 \cdot 10^{-4}\right) = 1{,}2 - 3{,}5 = -2{,}3 \]

Ibuprofen ved pH 3,0:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,3{,}0 - 4{,}4}} = 0{,}962 \qquad\qquad \log D = 4{,}0 + \log(0{,}962) = 4{,}0 - 0{,}02 = 4{,}0 \]

Ibuprofen ved pH 7,0:

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,7{,}0 - 4{,}4}} = 2{,}5 \cdot 10^{-3} \qquad\qquad \log D = 4{,}0 + \log\left(2{,}5 \cdot 10^{-3}\right) = 4{,}0 - 2{,}6 = 1{,}4 \]

Stof log D ved pH 3,0 log D ved pH 7,0
acetylsalicylsyre 1,1 −2,3
paracetamol 0,5 0,5
ibuprofen 4,0 1,4

  1. Ved pH 3,0 kommer paracetamol først ud, derefter acetylsalicylsyre og til sidst ibuprofen. Alle tre stoffer er mest på den uladede form, så rækkefølgen er den samme som for log P. Ibuprofen er mest upolært og hænger længst fast på den upolære stationære fase.

  2. Ved pH 7,0 kommer acetylsalicylsyre først ud, derefter paracetamol og til sidst ibuprofen. Acetylsalicylsyre er nu næsten helt på baseformen, som er en negativ ion. Ionen foretrækker den vandige mobile fase og bliver ikke hængende. Ibuprofen er også mest på baseformen, men den uladede form af ibuprofen er så upolær, at log D stadig er den højeste af de tre. Ibuprofen kommer derfor stadig sidst ud, men hurtigere end ved pH 3,0.

Opgaver i eksamensstil

Opgaverne ligner delopgaverne i den skriftlige prøve i kemi A. Skriv svarene, som du ville gøre til prøven: med de konkrete atomer, bindinger og grupper, med beregninger med enheder og med en konklusion.

Opgave A3.6.eks.1: Ibuprofen

Ibuprofen er et smertestillende lægemiddel, som også dæmper betændelse. Tabletten går i opløsning i mavesækken, men det meste ibuprofen optages først i tyndtarmen. For at blive optaget skal ibuprofen gennem cellemembranerne i tarmvæggen. Ibuprofen er en syre med pKs = 4,4, og log P = 4,0.

Den første figur viser strukturen af ibuprofen og log D som funktion af pH. Den anden figur viser et fordelingsdiagram (bjerrumdiagram) for ibuprofen.

Figur 5: Strukturen af ibuprofen og log D for ibuprofen som funktion af pH.
Figur 6: Fordelingsdiagram (bjerrumdiagram) for ibuprofen.
  1. Lav en polaritetsanalyse af ibuprofen.
  2. Beregn log D for ibuprofen ved pH 6,5, som er pH i tyndtarmen.
  3. Forklar forløbet af kurven for log D ud fra strukturen af ibuprofen og ibuprofens fordelingsdiagram (bjerrumdiagram).
  4. Vurdér, om ibuprofen kan optages fra tyndtarmen.

En polaritetsanalyse af ibuprofen nævner de polære bindinger, de upolære dele og hvad der vejer tungest. Ibuprofen har én funktionel gruppe med oxygen, carboxylgruppen. Resten af molekylet er carbon og hydrogen.

Ibuprofen er en syre, så log D = log P + log xs med xs = 1 / (1 + 10pH − pKs).

Ved pH 6,5 er pH − pKs = 6,5 − 4,4 = 2,1 for ibuprofen.

Forklar kurven i tre dele, som i afsnit A3.6 under “Sådan forklarer du en kurve”: det vandrette stykke, knækket og det skrå stykke. Du kan begynde sådan: “Ved pH under 3 viser fordelingsdiagrammet, at ibuprofen er på …”, “Kurven knækker omkring pH 4,4, hvor …” og “Ved pH over 6 er ibuprofen på …”

Til vurderingen: se på fortegnet på log D ved pH 6,5.

  1. De polære bindinger i ibuprofen sidder alle i carboxylgruppen, −COOH: bindingen C=O, bindingen C−O og bindingen O−H. Carboxylgruppen kan danne hydrogenbindinger til vand. Resten af ibuprofen er upolært: benzenringen med 6 carbonatomer, sidegruppen med 4 carbonatomer til venstre for ringen og carbonatomet mellem ringen og carboxylgruppen med dets methylgruppe, i alt 2 carbonatomer. Bindingerne C−C og C−H i de 12 carbonatomer er upolære. Én polær gruppe kan trække omkring fire carbonatomer med ned i vand, og carboxylgruppen i ibuprofen skal bære 12. Den uladede form af ibuprofen er derfor overvejende upolær. Det passer med, at log P = 4,0: koncentrationen af uladet ibuprofen er 10 000 gange så stor i octan-1-ol som i vand.

  2. Syrebrøken for ibuprofen ved pH 6,5 er

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,6{,}5 - 4{,}4}} = 7{,}9 \cdot 10^{-3} \]

\[ \log D = \log P + \log x_\mathrm{s} = 4{,}0 + \log\left(7{,}9 \cdot 10^{-3}\right) = 4{,}0 - 2{,}1 = 1{,}9 \]

Ved pH 6,5 er log D = 1,9 for ibuprofen. Det passer med kurven.

  1. Den gruppe i ibuprofen, der er en syre, er carboxylgruppen.

Det vandrette stykke: Ved pH under 3 viser fordelingsdiagrammet, at syrebrøken er tæt på 1. Ibuprofen er på syreformen med −COOH, som er uladet. Hele stoffet kan gå over i octan-1-ol, så log D = log P = 4,0. Værdien er høj, fordi den uladede form er overvejende upolær.

Knækket: Kurven knækker omkring pH 4,4, som er pKs for ibuprofen. I fordelingsdiagrammet skærer de to kurver hinanden ved pH 4,4, hvor halvdelen af ibuprofen er på syreformen, og halvdelen er på baseformen.

Det skrå stykke: Ved pH over 6 viser fordelingsdiagrammet, at syrebrøken er tæt på 0. Ibuprofen er næsten helt på baseformen med −COO−. Baseformen er en negativ ion, som er meget mere polær end syreformen og bliver i vandet. Hver gang pH stiger med 1, bliver syrebrøken 10 gange mindre, og log D falder med 1. Ved pH 8,4 er log D = 0, og over pH 8,4 er der mest ibuprofen i vandet.

  1. Ved pH 6,5 er under 1 % af ibuprofen på den uladede syreform. Alligevel er log D = 1,9, altså over 0, så ibuprofen foretrækker stadig det upolære lag. Det skyldes, at den uladede form er så upolær, at selv en lille syrebrøk giver et fordelingsforhold på 101,9, som er omkring 80. Ibuprofen kan altså godt optages fra tyndtarmen. Hver gang et uladet molekyle ibuprofen går gennem cellemembranen, indstiller syre-baseligevægten i tarmen sig igen, og der dannes nye uladede molekyler.

Opgave A3.6.eks.2: Efedrin

Efedrin findes i planten ledris (Ephedra), som i flere tusind år har været brugt mod astma og forkølelse. Efedrin er en base. Den korresponderende syre har pKs = 9,6, og for efedrin er log P = 1,1. Figuren viser strukturen af efedrin og log D som funktion af pH.

Figur 7: Strukturen af efedrin og log D for efedrin som funktion af pH.
  1. Angiv de to funktionelle grupper i efedrin, og angiv, hvilken af dem der gør efedrin til en base.
  2. Beregn log D for efedrin ved pH 7,4, som er pH i blodet.
  3. Forklar forløbet af kurven for log D ud fra strukturen af efedrin.
  4. Efedrin skal trækkes ud af tørrede, knuste plantedele, som også indeholder neutrale, upolære stoffer som voks. Foreslå, hvordan efedrin kan skilles fra de neutrale stoffer ved ekstraktion. Begrund svaret.

Find de atomer i efedrin, der ikke er carbon eller hydrogen. Tabellen over syrer og baser i molekylet i afsnit A3.2 viser, hvilke grupper der kan optage en hydron.

Efedrin er en base, så log D = log P + log xb med xb = 1 / (1 + 10pKs − pH).

Ved pH 7,4 er pKs − pH = 9,6 − 7,4 = 2,2 for efedrin.

Forklar kurven i tre dele: det vandrette stykke ved høj pH, knækket og det skrå stykke ved lav pH. Du kan begynde sådan: “Ved pH over 11 er efedrin på baseformen, som er …”, “Kurven knækker omkring pH 9,6, hvor …” og “Ved pH under 8 har aminogruppen i efedrin …”

Til ekstraktionen: de neutrale stoffer bliver i det organiske lag ved alle pH-værdier. Find en pH, hvor efedrin går over i vandlaget, og en pH, hvor efedrin går over i det organiske lag.

  1. Efedrin har en hydroxygruppe, −OH, på carbonkæden og en aminogruppe, −NH−, mellem to carbonatomer. Det er aminogruppen, der gør efedrin til en base. Nitrogenatomet kan optage en hydron, så aminogruppen bliver til −NH2+−. Hydroxygruppen sidder på en carbonkæde og ikke på benzenringen, så efedrin er en alkohol og ikke en phenol, og hydroxygruppen er hverken syre eller base i vand.

  2. Basebrøken for efedrin ved pH 7,4 er

\[ x_\mathrm{b} = \frac{1}{1 + 10^{\,9{,}6 - 7{,}4}} = 6{,}3 \cdot 10^{-3} \]

\[ \log D = \log P + \log x_\mathrm{b} = 1{,}1 + \log\left(6{,}3 \cdot 10^{-3}\right) = 1{,}1 - 2{,}2 = -1{,}1 \]

Ved pH 7,4 er log D = −1,1 for efedrin. Det passer med kurven.

  1. Det vandrette stykke: Ved pH over 11 er efedrin på baseformen, som er uladet. Her er log D = log P = 1,1. Den uladede form har to polære grupper, hydroxygruppen med bindingerne O−H og C−O og aminogruppen med bindingerne N−H og C−N. De skal bære 10 carbonatomer: benzenringen og fire carbonatomer uden for ringen. De upolære dele vejer lidt tungere end de polære, og derfor er log P positiv, men ikke særlig høj.

Knækket: Kurven knækker omkring pH 9,6, som er pKs for den korresponderende syre til efedrin. Ved pH 9,6 har halvdelen af molekylerne optaget en hydron på aminogruppen.

Det skrå stykke: Ved pH under 8 har aminogruppen i næsten alle molekyler optaget en hydron. Efedrin er på syreformen med −NH2+−, som er en positiv ion. Ionen er meget mere polær end baseformen og bliver i vandet. Hver gang pH falder med 1, bliver basebrøken 10 gange mindre, og log D falder med 1. Under pH 8,5 er log D negativ, og der er mest efedrin i vandet.

  1. Plantedelene rystes i en skilletragt med et organisk opløsningsmiddel og surt vand med pH omkring 2. Ved pH 2 er efedrin på syreformen, som er en positiv ion, og log D = log P + log xb ≈ 1,1 + (−7,6) = −6,5. Efedrin går derfor over i vandlaget. De neutrale, upolære stoffer har ingen gruppe, der kan optage en hydron, så de bliver i det organiske lag ved alle pH-værdier. Vandlaget med efedrin tappes af.

Derefter gøres vandlaget basisk til pH omkring 12. Ved pH 12 er efedrin på den uladede baseform, og log D = log P = 1,1. Vandlaget rystes med en ny portion organisk opløsningsmiddel, og efedrin går over i det organiske lag. Når opløsningsmidlet dampes af, er efedrin tilbage uden de neutrale stoffer.

Opgave A3.6.eks.3: Kanelsyre og kanelaldehyd

Kanelaldehyd giver kanel dens smag. Når kanelolie står længe i luft, bliver noget af kanelaldehyden oxideret til kanelsyre. Figuren viser de to stoffer og log D som funktion af pH for dem begge. For kanelsyre er pKs = 4,4 og log P = 2,1. For kanelaldehyd er log P = 1,9.

Figur 8: Kanelsyre og kanelaldehyd og log D som funktion af pH for de to stoffer.
  1. Angiv, hvilket af de to stoffer der er en syre i vand. Begrund svaret ud fra strukturerne.
  2. Beregn log D for kanelsyre ved pH 8,0.
  3. Forklar forløbet af de to kurver for log D ud fra strukturerne af kanelsyre og kanelaldehyd.
  4. Foreslå, hvordan kanelsyre kan fjernes fra en gammel kanelolie ved ekstraktion. Begrund svaret med værdier for log D.

Sammenlign de funktionelle grupper for enden af kæden i kanelsyre og i kanelaldehyd. Tabellen over syrer og baser i molekylet i afsnit A3.2 viser, hvilke grupper der kan afgive en hydron.

Kanelsyre er en syre, så log D = log P + log xs med xs = 1 / (1 + 10pH − pKs).

Ved pH 8,0 er pH − pKs = 8,0 − 4,4 = 3,6 for kanelsyre.

Et stof uden syre-baseegenskaber har kun én form, og så er D = P ved alle pH-værdier. Du kan begynde forklaringen sådan: “Kanelaldehyd har ingen gruppe, der kan afgive eller optage en hydron, så …” og “Kanelsyre har en carboxylgruppe. Ved pH under 3 …”

Til ekstraktionen: find på figuren en pH, hvor de to kurver ligger langt fra hinanden, og hvor log D er negativ for kanelsyre og positiv for kanelaldehyd.

  1. Kanelsyre er en syre i vand. Kanelsyre har en carboxylgruppe, −COOH, for enden af kæden, og carboxylgruppen kan afgive en hydron og blive til −COO−. Kanelaldehyd har en aldehydgruppe, −CHO, for enden af kæden. Hydrogenatomet i aldehydgruppen sidder på et carbonatom og kan ikke afgives som en hydron, så kanelaldehyd er hverken syre eller base i vand.

  2. Syrebrøken for kanelsyre ved pH 8,0 er

\[ x_\mathrm{s} = \frac{1}{1 + 10^{\,8{,}0 - 4{,}4}} = 2{,}5 \cdot 10^{-4} \]

\[ \log D = \log P + \log x_\mathrm{s} = 2{,}1 + \log\left(2{,}5 \cdot 10^{-4}\right) = 2{,}1 - 3{,}6 = -1{,}5 \]

Ved pH 8,0 er log D = −1,5 for kanelsyre.

  1. Kanelaldehyd har ingen gruppe, der kan afgive eller optage en hydron, så kanelaldehyd findes kun på én form, som er uladet. Derfor er D = P ved alle pH-værdier, og kurven for kanelaldehyd er en vandret linje i højden log P = 1,9. Værdien er positiv, fordi kanelaldehyd har 9 carbonatomer i benzenringen og kæden og kun én polær gruppe, carbonylgruppen i aldehydgruppen.

Kanelsyre har en carboxylgruppe. Ved pH under 3 er kanelsyre på syreformen med −COOH, som er uladet, og log D = log P = 2,1. Kurven er vandret og ligger tæt på kurven for kanelaldehyd, fordi de to uladede molekyler har samme upolære benzenring og kæde. Kurven for kanelsyre knækker omkring pH 4,4, som er pKs, hvor halvdelen af kanelsyren har afgivet en hydron. Ved pH over 6 er kanelsyre næsten helt på baseformen med −COO−. Baseformen er en negativ ion, som er meget mere polær og bliver i vandet, og log D falder med 1 for hver pH-enhed. Over pH 6,5 er log D for kanelsyre negativ.

  1. Kanelolien opløses i et organisk opløsningsmiddel, der ikke kan blandes med vand, og rystes i en skilletragt med vand med pH omkring 8, fx en opløsning af natron. Ved pH 8,0 er log D = −1,5 for kanelsyre, så kanelsyre går over i vandlaget som den negative ion. For kanelaldehyd er log D = 1,9 ved alle pH-værdier, så kanelaldehyd bliver i det organiske lag. Vandlaget med kanelsyren tappes af, og kanelaldehyden er tilbage i det organiske lag. Ekstraktionen kan gentages med en ny portion basisk vand, så den sidste kanelsyre også fjernes. Surt vand kan ikke bruges, for ved pH under 3 har kanelsyre og kanelaldehyd næsten samme log D, og begge stoffer bliver i det organiske lag.