Калькулятор коэффициента распределения
Введите равновесные концентрации вещества в органической и водной фазах, чтобы рассчитать коэффициент распределения P, log P и процент вещества в каждом слое.
Узнайте, как растворённое вещество распределяется между двумя несмешивающимися жидкостями
Формула коэффициента распределения
Где:
- \(P\) — коэффициент распределения (безразмерная величина)
- \(C_{org}\) — равновесная концентрация вещества в органической фазе (mol/L)
- \(C_{aq}\) — равновесная концентрация вещества в водной фазе (mol/L)
- \(\log P\) — десятичный логарифм \(P\), которым обычно выражают липофильность
Формула описывает равновесное распределение вещества между двумя несмешивающимися жидкостями: чем выше отношение концентраций, тем больше вещества переходит в органический (неполярный) слой, а не в воду. Перед делением обе концентрации приводятся к одной единице измерения, поэтому у самого \(P\) единиц измерения нет.
Если объёмы двух фаз равны, долю вещества в каждом слое можно найти непосредственно по \(P\):
\[ f_{org} = \frac{P}{1+P} \qquad f_{aq} = \frac{1}{1+P} \]
Пример расчёта коэффициента распределения
{formula}
Пример: пробу воды встряхнули с равным объёмом органического растворителя. Анализ показал, что концентрация вещества в органическом слое составляет 12 mmol/L, а в водном — 3 mmol/L.
\[ C_{org} = 12\ \text{mM} = 0.012\ \text{mol/L}, \quad C_{aq} = 3\ \text{mM} = 0.003\ \text{mol/L} \]
\[ P = \frac{0.012}{0.003} = 4 \]
\[ \log P = \log_{10} 4 \approx 0.602 \]
\[ f_{org} = \frac{4}{1+4} = 0.80 = 80\%, \quad f_{aq} = 20\% \]
Результат: \(P = 4\), \(\log P \approx 0.60\). При равных объёмах фаз 80 % вещества переходит в органический слой, а 20 % остаётся в воде. Это вещество обладает умеренной липофильностью.
{/formula}
Как пользоваться калькулятором
- Введите равновесную концентрацию в органической фазе и выберите единицу измерения (mol/L, mmol/L или µmol/L) в выпадающем списке.
- Введите равновесную концентрацию в водной фазе и её единицу измерения. Оба значения должны относиться к одному и тому же веществу при одной температуре после установления равновесия между слоями.
- Посмотрите результаты: коэффициент распределения, log P, процент вещества в каждой фазе (при равных объёмах), а также автоматическое пояснение и пошаговый расчёт.
Что такое коэффициент распределения?
Если встряхнуть растворённое вещество с двумя несмешивающимися жидкостями — обычно с водой и органическим растворителем, например октанолом, эфиром или дихлорметаном, — вещество распределится между слоями до установления равновесия. Коэффициент распределения \(P\) (его также обозначают \(K_D\)) — это отношение равновесной концентрации вещества в органической фазе к его концентрации в водной фазе. При заданной температуре это термодинамическое свойство системы «вещество — растворители»: оно зависит от химической природы компонентов, а не от взятых количеств вещества или растворителей.
Если \(P\) больше 1, вещество преимущественно находится в органическом слое; если меньше 1 — в воде. Коэффициенты распределения разных соединений различаются на многие порядки, поэтому химики почти всегда указывают \(\log P\). Например, при \(\log P\approx 2\) равновесная концентрация потенциального лекарственного вещества в октаноле в тысячу раз выше, чем в воде. Этот показатель помогает оценить, насколько легко вещество проходит через липидные мембраны. Стандартной системой служит смесь 1-октанола и воды; если не указано иное, табличные значения \(\log P\) относятся именно к ней.
Проценты, которые показывает калькулятор, относятся к однократному установлению равновесия при равных объёмах фаз: в примере выше 80 % вещества находится в органической фазе, а 20 % — в водной. Если объёмы фаз различаются, соотношение меняется: при объёме органической фазы \(V_{org}\) и водной фазы \(V_{aq}\) доля вещества, оставшегося в воде, равна \(1/(1 + P V_{org}/V_{aq})\). На этом же принципе основана жидкостная экстракция: при высоком \(P\) вещество можно почти полностью извлечь небольшим объёмом органического растворителя.
Как интерпретировать значения log P
| Диапазон log P | Типичное поведение |
|---|---|
| < −3 | Очень гидрофильное вещество; практически всё остаётся в воде |
| От −3 до 0 | Гидрофильное вещество; преимущественно находится в водной фазе |
| От 0 до 1 | Умеренно липофильное вещество; распределяется между фазами примерно поровну |
| От 1 до 3 | Липофильное вещество; сюда попадают многие препараты для приёма внутрь |
| От 3 до 5 | Сильно липофильное вещество; накапливается в жировой ткани и мембранах |
| ≥ 5 | Очень липофильное вещество; плохо всасывается, есть риск биоаккумуляции |
Допущения, ограничения и практические советы
- Разбавленные идеальные растворы. Простое отношение концентраций остаётся постоянным только при низких концентрациях. При высоких концентрациях влияние активностей приводит к изменению кажущегося значения \(P\).
- Только одна химическая форма вещества. При расчёте \(P\) предполагается, что вещество не ионизируется, не образует ассоциатов и не вступает в реакции ни в одной из фаз. Для ионизирующихся соединений отношение, измеренное при фиксированном pH, называют коэффициентом распределения \(D\) (log D). Его зависимость от pH описывает уравнение Хендерсона — Хассельбаха.
- Равновесие. Концентрации нужно измерять после тщательного перемешивания и разделения фаз при постоянной температуре. Как и любая другая константа равновесия, \(P\) зависит от температуры.
- Несколько экстракций небольшими порциями эффективнее одной большой. Если \(n\) раз встряхнуть водный слой с одинаковыми порциями свежего органического растворителя, в воде останется доля вещества, равная \((1/(1+P))^n\). Это известный приём жидкостной экстракции.
- Для расчёта процентов предполагаются равные объёмы. Показанные проценты вещества в органической и водной фазах рассчитаны при \(V_{org} = V_{aq}\). Для другого соотношения объёмов используйте приведённую выше формулу.
Похожие калькуляторы
Вам также могут пригодиться калькулятор разрешения в хроматографии и калькулятор Rf для тонкослойной хроматографии. Оба метода разделяют вещества в том числе благодаря различиям в распределении, которое характеризует \(P\).
Часто задаваемые вопросы
Как рассчитать коэффициент распределения вручную?
Встряхивайте вещество с двумя несмешивающимися растворителями до установления равновесия, затем разделите слои и измерьте концентрацию вещества в каждом из них. После этого разделите одну концентрацию на другую: \( P = C_{org}/C_{aq} \). Перед делением убедитесь, что обе концентрации выражены в одинаковых единицах, например в mol/L. Отношение 12 mmol/L к 3 mmol/L даёт \( P = 4 \), как и отношение 0,012 mol/L к 0,003 mol/L. Чтобы получить log P, вычислите \( \log_{10} P \).
Какое значение log P считается подходящим или типичным?
Универсального «хорошего» значения нет: всё зависит от задачи. Для препаратов, принимаемых внутрь, эмпирическое правило Липински рекомендует log P ниже 5; значения от 1 до 3 часто обеспечивают сочетание проницаемости через мембраны и растворимости. Специалистов по химии окружающей среды настораживают значения выше примерно 4–5: такие соединения накапливаются в жировой ткани. При экстракции более высокий log P означает, что вещество легче извлечь органическим растворителем.
Чем log P отличается от log D?
log P характеризует распределение между фазами одной, неионизированной формы вещества. log D измеряют при фиксированном pH с учётом всех форм ионизирующегося соединения — как заряженных, так и нейтральных. Поскольку заряженные частицы остаются в воде, при значениях pH, при которых вещество ионизируется, log D обычно ниже log P и меняется при изменении pH. Если ваше вещество — кислота или основание, перед сравнением значений определите, какой именно показатель вам нужен.
Нужно ли выражать обе концентрации в одинаковых единицах?
Необязательно, если вы пользуетесь калькулятором: он автоматически переводит mol/L, mmol/L и µmol/L, поэтому концентрации можно вводить в разных единицах. Но при расчёте \(P\) вручную сначала приведите их к одной единице. Распространённая ошибка — разделить числа 12 и 3, когда концентрации заданы как 12 mM и 3 µmol/L. В таком случае результат будет отличаться от правильного в 1000 раз.
Почему калькулятор не принимает нулевую концентрацию в водной фазе?
Если в воде не удаётся обнаружить вещество, при расчёте \( P = C_{org}/C_{aq} \) пришлось бы делить на ноль, а результат стремился бы к бесконечности. На практике это означает, что вещество настолько липофильно (или его настолько мало в водном слое), что измерить отношение таким способом нельзя. Понадобится более чувствительный метод анализа или другая схема эксперимента. Для получения любого результата хотя бы одна концентрация должна быть ненулевой.
Что делать, если объёмы фаз не равны?
Проценты в калькуляторе рассчитаны для случая \( V_{org} = V_{aq} \). При разных объёмах доля вещества, оставшегося в воде, равна \( 1/(1 + P \cdot V_{org}/V_{aq}) \). При однократной экстракции удвоение объёма органической фазы даёт тот же эффект, что и возведение \(P\) в квадрат. Поэтому больший объём растворителя — или несколько порций меньшего объёма — позволяет извлечь из воды больше вещества.
Какие распространённые ошибки искажают измеренный коэффициент распределения?
Частые причины ошибок — измерение до установления равновесия (нужно тщательно встряхнуть смесь и дать ей постоять), изменение температуры между измерениями, слишком высокие концентрации, при которых влияние активностей меняет отношение, неучтённая ионизация вещества и отсутствие поправки на его растворимость при взаимном насыщении двух растворителей. Проверьте также, не перепутаны ли слои: плотные растворители, например дихлорметан, образуют нижний слой, а эфир и октанол находятся над водой.