Lipofiliteit en polariseerbaarheid C-X-binding

[PhilipVoets]

Dag,

Ik lees hier en daar dat binding van een elektronegatief halogeen aan een koolstofverbinding ertoe leidt dat de polariseerbaarheid van de koolstof-halogeenbinding afneemt en dat hierdoor de interactie met water en dus hydrofiliteit afneemt, waardoor lipofiliteit toeneemt. Hoe moet ik dat zien? Hoe beïnvloedt de polariseerbaarheid van zo'n binding de interactie met water?

Gr. en dank!

[Marko]

Laten we een extreem voorbeeld pakken, de C-F binding. Die binding is erg polair, omdat F erg elektronegatief is. De lading van het bindingselektronenpaar bevindt zich grotendeels bij het F-atoom, en de C-F binding is daardoor een (sterke) dipool.

Die dipool kan op zich een sterke binding aangaan met een andere dipool, mits die dipolen goed staan uitgelijnd. Is dat niet zo, dan is de binding een stuk zwakker.

Echter, wanneer je naar bijvoorbeeld oplosbaarheid gaat kijken is zo'n dipoolbinding maar 1 van het totaal aan interacties. Alle elektronen(paren) van alle atomen doen mee. En daar komt polariseerbaarheid om de hoek kijken. Polariseerbaarheid is, min of meer, de beweegbaarheid van de elektrone. Ik vermijd hier het woord beweeglijkheid; het gaat er niet om hoe beweeglijk de elektronen zijn, maar om hoe gemakkelijk de elektronenverdeling (wolk) zich kan aanpassen aan veranderingen in de omgeving. Concreet: de aanwezigheid van een bepaalde ladingsverdeling die het gevolg is van een molecuul van het oplosmiddel dat in de buurt zit.

De C-F binding zelf is niet polariseerbaar, omdat F zo hard aan de elektronen trekt dat er geen verdere aanpassing mogelijk is. Maar F trekt ook hard aan alle andere elektronenparen om zich heen, en die zijn daardoor dus ook minder "flexibel" en minder polariseerbaar.

Het interessant is, dat dat wat voor de grote elektronegativiteit van F zorgt, ook automatisch zorgt voor een kleinere polariseerbaarheid. Elektronegativiteit neemt toe gaande van links naar rechts in een periode, omdat de kern meer protonen bevat en de effectieve kernlading toeneemt. Het neemt af, gaande van boven naar beneden in een groep, omdat de valentie-elektronen (buitenste schil) verder weg komt te liggen.

Maar, dit hardere trekken betekent automatisch een kleinere polariseerbaarheid; en sowieso hebben atomen in hogere periodes meer elektronen en zijn daardoor meer polariseerbaar. F is het meest elektronegatieve, maar ook het minst polariseerbare element.

Specifiek voor de interactie met water zorgt de introductie van een F in plaats van een H dus voor een (1) dipoolbinding die de oplosbaarheid kan vergroten als een H₂O molecuul zich precies goed kan oriënteren - zonder de binding aan bijvoorbeeld andere watermoleculen op te geven. Tegelijkertijd zorgt het voor een verminderde polariseerbaarheid (ook van bindingen in de buurt) waardoor alle andere interacties worden verzwakt.

Specifiek voor water geldt ook dat het qua elektronegativiteit en polariseerbaarheid vergelijkbaar is. De O-H binding is erg polair, maar zowel O als H hebben maar weinig elektronen om zich heen, en zijn moeilijk polariseerbaar. Een vet-molecuul met lange staarten met veel C-C binding en veel, maar zeer matig polaire C-H bindingen, is makkelijker polariseerbaar.

Al deze dingen samen kunnen er dus voor zorgen dat een molecuul met een C-F binding minder goed in water, maar beter in vet oplost dan hetzelfde molecuul met een C-H binding.

[PhilipVoets]

Beste Marko,

Enorm bedankt, dat was ook in grote lijnen hoe ik het had gereconstrueerd. Volgens mij heb ik zelfs de term “minder flexibel” in mijn presentatie gebruikt. Enige wat ik me afvroeg is hoe dit zit voor minder elektronegatieve halogenen, zoals jodium? Volgens mij las ik dat de elektronegativiteit van jodium niet veel verschilt van die van koolstof en dan zou de bovenstaande redenering niet opgaan, toch? En dat terwijl de aanwezigheid van jodium in schildklierhormoon wel bijdraait aan de lipofiliteit ervan. Is de elektronegativiteit van jodium dan toch groter dan die van koolstof dan er in de boeken beschreven staat?