Термодинамика протолитических и координационных равновесий l-аланина, d,l –триптофана, l-фенилаланина c иономи меди(II) и глицилглицина с ионами никеля(II), кадмия(II) и меди(II) в водном растворе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Термодинамика протолитических и координационных равновесий l-аланина, d,l -триптофана, l-фенилаланина c иономи меди(II) и глицилглицина с ионами никеля(II), кадмия(II) и меди(II) в водном растворе

02.00.04 - физическая химия

Емельянов Андрей Валерьевич

Иваново 2009

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Научный руководитель: кандидат химических наук, профессор Кочергина Людмила Александровна.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, с.н.с. Леденков Сергей Федорович;

доктор химических наук, профессор Федоров Владислав Андриянович.

Ведущая организация: Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

Защита состоится «30» марта 2009 г. в 10 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212. 063. 06 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г 205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ИГХТУ» по адресу: 153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «28» февраля 2009г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Егорова Е.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Исключительная роль биолигандов, в частности, аминокислот и пептидов, в практике требует всестороннего изучения термодинамических характеристик растворов этих соединений. Несомненный интерес представляет исследование комплексообразующей способности биолигандов по отношению к ионам «металлов жизни», которая напрямую связана с решением ряда проблем биологии, неорганической биохимии, медицины и некоторых важных вопросов современной координационной химии. Работ, посвященных изучению термохимии реакций комплексообразования ионов никеля, кадмия и меди с ароматическими аминокислотами и пептидами немного и все они, как правило, выполнены лишь при одном значении температуры и ионной силы раствора. В связи с этим несомненный интерес представляет определение энтальпийных и энтропийных характеристик реакций комплексообразования иона меди(II) с L-фенилаланином и D,L-триптофана и сравнение их с термодинамическими параметрами процессов комплексообразования с L-аланином Результаты термохимического исследования протолитических и координационных равновесий в растворах биолигандов делают возможным проведение математического моделирования сложных равновесий в системах, содержащих эти соединения.

Цель работы. Целью настоящей работы является установление основных закономерностей влияния температуры, концентрации фонового электролита, а также структурных особенностей лиганда и иона-комплексообразователя на термодинамические характеристики протолитических и координационных равновесий в водных растворах L-аланина L-фенилаланина, D,L-триптофана и глицилглицина с ионами меди(II), никеля(II) и кадмия(II).

Научная новизна. Впервые определены тепловые эффекты ступенчатой ионизации фенилаланина и глицилглицина прямым калориметрическим методом при нескольких значениях ионной силы и температуры. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики взаимодействия протона с исследованными лигандами. Изучены особенности влияния различных по своей природе аминокислот на термодинамику координационных равновесий с ионом меди(II). Определены стандартные энтальпии образования изомеров фенилаланина, глицилглицина и прдуктов их диссоциации в водном растворе.

Выявлены особенности реакций отщепления протона от азота пептидной группы лиганда при комплексообразовании глицилглицина с различными ионами-комплекообразователями. Впервые рассчитаны стандартные термодинамические характеристики образования моно- и бискоординированных комплексов меди(II) c глицилглицином, содержащих депротонированую пептидную группу.

Практическое значение работы. Экспериментальный материал о протолитических и координационных равновесиях в растворах исследованных биолигандов (аминокислот: L-аланина, L-фенилаланина, D,L-триптофана и пептида -глицилглицина), полученный в настоящей работе, может служить основой для исследования термодинамических свойств сложных биомолекул. Высокая надежность полученных термодинамических характеристик позволяет рекомендовать их в качестве справочного материала; для составления баз термохимических данных по термодинамике биолигандов и координационных соединений на их основе. Результаты, представленные в настоящей работе, могут быть использованы для разработки, обоснования и оптимизации технологических процессов с участием аминокислот, пептидов и их комплексов с “металлами жизни”.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались на VIII Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах»(г.Суздаль 2007); на III Региональной конференции молодых ученных «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем»(Крестовские чтения), а также на ежегодных научных конференциях Ивановского государственного химико-технологического университета 2006-2008г.г.

Публикации По результатам работы опубликовано 5 статей в ведущих журналах (из них 4 в журналах перечня ВАК) и тезисы 7 сообщений на международных и российских конференциях.

Объем работы Диссертационная работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 37 рисунков, 41 таблицу; состоит из следующих разделов: введения, главы, посвященной обзору литературы, 3 глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, итоговых выводов; списка цитируемой литературы, содержащего 170 наименований работ, и приложения.

Личный вклад автора. Вклад автора заключался в постановке исследований, разработке оптимальных методик их проведения, выполнении экспериментальных работ, оценке погрешностей и обсуждении результатов.

Основное содержание

Первая глава включает обзор литературных данных о структуре и физико-химических свойствах аминокислот и пептида, а также о комплексообразующей способности изучаемых биолигандов с 3d-переходными металлами. Отмечено отсутствие результатов надежных калориметрических измерений тепловых эффектов комплексообразования никеля и кадмия с глицилглицином; практически не исследовано влияние температуры на термодинамические характеристики протолитических и координационных равновесий в растворах биолигандов.

Последующие главы - посвящены описанию калориметрической установки; экспериментальному материалу и его обсуждению.

Калориметрическая установка

Тепловые эффекты измеряли в калориметре с изотермической оболочкой и автоматической записью кривой калориметрического опыта. Калибровку калориметра проводили электрическим током. Датчиком температуры служил термистор КМТ-14. Температура изотермической оболочки поддерживалась с точностью ±0.005К. Согласование теплот растворения KCl_(к) в воде и теплот нейтрализации сильной кислоты сильным основанием, полученных экспериментально, с наиболее надежными литературными данными свидетельствует об отсутствии заметной систематической погрешности в работе калориметрической установки.

1. Термодинамика ступенчатой диссоциацииL-фенилaланина в водном растворе

Анализ литературных данных показал, что наиболее вероятными значениями термодинамических констант диссоциации аминокислоты являются pK₁⁰=2.25±0.02, pK₂⁰=9.40±0.02.

Диаграмма равновесий в водном растворе L-фенилаланина указывает на возможность независимого определения теплот диссоциации катиона и цвиттер-иона L-фенилаланина.

При определении теплового эффекта присоединения протона к карбоксильной группе L-фенилаланина в качестве калориметрической жидкости использовался 0.01М раствор аминокислоты (рНисх=3.50), а в ампулу соответственно помещали точную навеску раствора НNO₃ (с концентрацией 0.5801 моль/кг раствора). После смешения растворов величина рН была близка к 2.2.

Изменение энтальпии в процессе диссоциации карбоксильной группы L-фенилаланина _disН(H₂Phe⁺) находили по уравнению:

_disH( H₂Phe ⁺) = -( _mixН- _dilH ) / , (1)

где _mixН - тепловой эффект взаимодействия раствора НNO₃ с 0.01 М раствором аминокислоты в интервале рН от 3.5 до 2.2; _dilH - изменение энтальпии в процессе разведения раствора НNO₃ в растворе фонового электролита (LiNO₃); - полнота реакции протонирования частицы HPhe .

Тепловой эффект процесса диссоциации L-фенилаланина по второй ступени в соответствии с диаграммой равновесий изучали в интервале рН от 10.5 до 9.0. Для этого были измерены теплоты взаимодействия 0.01М раствора L-фенилаланина, имеющего значение рН 10.5, с раствором НNO₃ (исходная концентрация 0.5801 моль/1000г раствора).

При изменении рН от 10.5 до 9.0 в растворе происходит взаимодействие протона не только с анионом L ^- , но и гидроксид-ионами:

Н⁺ +ОН^- -Н₂О (2)

Тепловой эффект диссоциации L-фенилаланина по второй ступени рассчитывали по уравнению: ионизация фенилаланин термодинамический

_disH( HL ) = [-(_mixН- _dilH ) + б_wH_w ]/Д[HL^±] ·C⁰_HNO3 (3),

где _mixH - тепловой эффект взаимодействия 0.01М раствора L-фенилаланина с раствором азотной кислоты (кДж/моль) в интервале рН от 10.5 до 9.0; _dilH - теплота разведения раствора азотной кислоты в растворе фонового электролита; _wН_w - вклад процесса (2) в экспериментально измеренный тепловой эффект процесса присоединения протона к частице L^- (кДж/моль); _w-доля процесса (2), Н_w - теплота диссоциации воды в растворе соответствующего фонового электролита. Стандартные термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации L-фенилаланина представлены в табл.1. Равновесный состав растворов до и после проведения каждого опыта рассчитывали с помощью программы RRSU.

Таблица 1 Термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации L-фенилаланина при различных температурах.

Процесс	Т,К	rG, кДж/моль	rН, кДж/моль	rS,
Н2Phe+ = НPhe + H+	288.15	12.900.10	3.360.24	33.100.87
	298.15	12.840.10	1.68±0.24	37.600.87
	308.15	12.790.10	0.38±0.24	40.300.87
НPhe = Phe-+H+	288.15	55.200.10	45.840.38	32.50±1.3
	298.15	53.660.10	44.840.40	29.501.3
	308.15	52.230.10	43.940.40	26.901.4

Сочетание данных по термохимии растворов с результатами бомбовой калориметрии по определению теплот сгорания изомеров фенилаланина позволило определить стандартные энтальпии образования L-, и D,L- изомеров фенилаланина и продуктов их диссоциации в водном растворе.

2. Термохимическое исследование координационных равновесий в системе L-фенилаланин - медь(II) - вода

Для увеличения надежности определяемых величин Д_compН_CuPhe+ и Д_compН_CuPhe2 была использована следующая калориметрическая методика. Измерялись тепловые эффекты взаимодействия раствора KPhe (исходная концентрация 0.01706 моль/кг раствора), находящегося в ампуле, с раствором Cu(NO₃)₂ (0.01531 моль/л) при значении ионной силы 0.5 (KNO₃), температурах 288.15К, 298.15К и 308.15К и разных соотношениях металл:лиганд. Также были измерены теплоты разведения раствора KPhe в растворе фонового электролита. При определении теплот разведения величину рН раствора KNO₃ устанавливали равной исходному значению рН раствора KPhe. Таким образом, разведение происходило без изменения равновесного состава системы.

На основании экспериментально измеренных суммарных тепловых эффектов взаимодействия раствора KPhe с раствором Cu(NO₃)₂ и соответствующих теплот разведения рассчитывали энтальпии реакций комплексообразования, путем минимизации критериальной функции F по искомым параметрам:

min, (4)

где Н_i^выч - рассчитанный тепловой эффект при заданных значениях общих концентраций С⁰_M, C⁰_L и текущих lgв и _rН; n - число опытов; щ_i - весовые множители.

В данном случае расчет энтальпий процессов образования комплексов в системе ионы меди(II) - фенилаланин осуществляли по программе “HEAT”, с учетом следующих реакций:

Cu²⁺ + Phe^- - CuPhe^- (5) 2Н⁺ + Phe^- - Н₂Phe⁺ (5)

Cu²⁺ + 2Phe^- - CuPhe₂ (6) Cu²⁺ + Н₂О - CuОН⁺ + Н⁺ (6)

Н⁺ + Phe^- - НPhe^± (7) Н₂О - ОН^- + Н⁺ (7)

В нашей лаборатории были выполнены также измерения тепловых эффектов процессов образования фенилаланинатов меди(II) по другой методике, аналогичной той, что применена при изучении системы медь(II) - L-аланин - вода. Результаты двух независимых методик согласуются между собой в пределах погрешности опыта, что позволяет увеличить надежность полученных величин тепловых эффектов реакций образования комплексов состава CuL ⁺ и CuL₂ (табл.2).

Таблица 2 Стандартные термодинамические характеристики реакций комплексообразования иона меди (II) с L-фенилаланином при 298.15К.

Процесс	- ?rG0, кДж/моль	- ?rH0, кДж/моль	?rS0, Дж/(мольК)
Cu2++ L- = CuL +	48.34±0.29	18.24±0.65	100.93±2.38
Cu2++ 2L- = CuL2	82.73±0.29	44.22±0.56	129.04±2.12

3. Термодинамика реакций комплексообразования иона меди(II) с L-аланином и D,L-триптофаном в водном растворе

При изучении реакций комплексообразования иона Cu²⁺ c L-аланином и D,L-триптофаном необходимо было учитывать все процессы, протекающие в системе. Вклад этих процессов определялся на основании расчетов ионных равновесий по программе RRSU (до и после проведения эксперимента).

Величина соотношения металл: лиганд в различных сериях опытов варьировалась от 1:1 до 1:5 для L-аланина и 1:2 до 1:7 для D,L-триптофана. Точная навеска раствора нитрата меди (II) (концентрация 0.8574 моль/кг) помещалась в стеклянную ампулу, а приготовленный раствор аминокислоты - в калориметрический стаканчик.

При определении тепловых эффектов разведения раствора нитрата меди (II) ?_dilH калориметрической жидкостью был раствор нитрата калия с соответствующим значением ионной силы.

Опыты проводились при 288.15, 298.15 и 308.15К и значениях ионной силы 0.25, 0.50 и 0.75 на фоне нитрата калия. Величину рН в начале и в конце калориметрического опыта контролировали рН - метром 340; близкое совпадение экспериментальной и рассчитанной величины рН (±0.10-0.15 ед. рН) свидетельствовало о корректности интерпретации результатов калориметрических измерений.

Тепловые эффекты реакций образования комплексов состава CuL⁺ и CuL₂ рассчитывались решением системы двух уравнений с двумя неизвестными:

?mixH-?diIH=б [CuL⁺]?_compH(CuL⁺) + б [CuL₂]?_compH(СuL₂) +б [НL]?_assН+ б [ОН^-] ?Н_w + б [CuОН⁺] ?Н_CuOH+ (8)

?mixH - ?diIH = б [CuL⁺]?_compH(CuL⁺) + б [CuL₂]?_compH(СuL₂) + б [НL]?_assН+ б [ОН^-] ?Н_w + б [CuОН⁺] ?Н_CuOH+ (9)

соответствующих двум различным соотношениям металл:лиганд (Экспериментально найденные тепловые эффекты смешения и разведения обозначены разными верхними индексами для соответствующего соотношения металл:лиганд).

Здесь ?_mixH - тепловой эффект (кДж/моль) смешения раствора аминокислоты с раствором нитрата меди (II) при соотношении металл:лиганд 1:1, 1:2 и 1:5; ?_dilH - тепловой эффект (кДж/моль) разведения раствора нитрата меди (II) в растворе фонового электролита; ?_compH(CuAla⁺) и ?_compH(CuAla₂) - тепловые эффекты реакций образования комплексов CuAla⁺ и CuAla₂ соответственно. ?_assН - тепловой эффект присоединения протона к аниону аминокислоты L^- ; Д_rH_w - тепловой эффект образования воды из ионов Н⁺ и ОН^- , ?Н_CuOH+ - тепловой эффект образования частицы CuOH⁺.

В табл 3. приведены стандартные тепловые эффекты реакций образования комплексов меди(II) с L-аланнином и D,L-триптофаном, найденные графической экстраполяцией величин ?H, полученных при фиксированных значениях ионной силы, к нулевой ионной силе раствора по уравнению Васильева с одним индивидуальным параметром.

H - Z² (I) = H⁰ + bI (10)

где H⁰ и H - тепловой эффект процесса комплексообразования (кДж/моль) при нулевом и фиксированном значении ионной силы; Z² - разность квадратов зарядов продуктов реакции и исходных веществ; (I) - функция ионной силы, рассчитываемая теоретически; b - эмпирический коэффициент; I - значение ионной силы раствора.

Показано что, экзотермичность процессов комплексообразования с ростом температуры уменьшается. Данная закономерность характерна для большинства биолигандов (аминокислот и пептидов).

Таблица 3 Стандартные термодинамические характеристики реакций комплексо-образования иона меди (II) с L-аланином и D,L-триптофаном при 298.15К.

Процесс	- ?rG0, кДж/моль	- ?rH0, кДж/моль	?rS0, Дж/(мольК)
Cu2++ Ala- =CuAla +	49.30±0.46	20.70±0.82	103.73±2.59
Cu2++ 2Ala- =СuAla2	89.60±0.51	50.30±0.68	144.9±2.85
Cu2++ Trp- =CuTrp +	48.63±0.46	24.73±0.84	80.17±2.64
Cu2++ 2Trp- =CuTrp2	92.02±0.51	55.93±0.69	121.04±2.88

4. Влияние температуры на термодинамические характеристики реакций ступенчатой диссоциации глицилглицина в водном растворе

Тепловые эффекты реакций ступенчатой диссоциации глицилглицина изучали по двум методикам.

1) Первая методика была аналогична используемой при изучении ионизации L-фенилаланина. Тепловой эффект присоединения протона к цвиттер-иону измеряли в интервале рН от 4 до 3.1; диссоциацию бетаинового протона исследовали в области 9.0-8.0.

2) По второй методике при определении теплового эффекта присоединения протона к L^- аниону глицилглицина в качестве калориметрической жидкости использовался 0.1М раствор гидрооксида калия, а в ампулу соответственно помещали точную навеску раствора пептида (с концентрацией 0.8075 моль/кг раствора рНисх =5.47). После смешения растворов величина рН была близка к 12.78.

С целью увеличения полноты протекания реакции диссоциации -COOH группы была выполнена также серия опытов, в которой в качестве калориметрической жидкости использовался 0.1М раствор азотной кислоты, а в ампулу соответственно помещали точную навеску раствора пептида (с концентрацией 0.8075 моль/кг раствора рНисх =5.47). После смешения растворов величина рН была близка к 1.12.

Таблица 4 Стандартные термодинамические характеристики процессов кислотно-основного взаимодействия в растворе глицилглицина при 298.15К.

Процесс	рК0	rG0 кДж/моль	rН0 кДж/моль	rS0 Дж/мольК
H2L+H++L-	3.16±0.03	18.01±0.17	0.65±0.22	-58.30±0.93
HLH++L-	8.31±0.03	47.38±0.17	44.29±0.56	-10.36±1.96

Стандартные термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации глицилглицина были рассчитаны по результатам калориметрических измерений и данных по равновесиям и представлены в табл.4.

Сочетание данных по термохимии растворов с результатами бомбовой калориметрии по определению теплот сгорания глицилглицина позволило определить стандартные энтальпии образования пептида и продуктов его диссоциации в водном растворе.

5. Термодинамика координационных равновесий в системах ионы никеля(II) - и иона кадмия (II) с глицилглицином в водном растворе

В системе ион никеля(II)-глицилглицин происходит депротонирование амидной группы лишь при высоких значениях pH, поэтому возможно термохимическое исследование процессов образования нормальных моно-, бис-, и трис-координированных комплексов Ni(II) с глицилглицином.

Выбор оптимальных условий калориметрических измерений, а также расчет равновесных составов до и после проведения опытов проводились с помощью программы RRSU. В ходе расчетов были выбраны области pH, где наблюдается максимальный выход изучаемых комплексных частиц, а доли протекающих побочных процессов минимальны. Для системы никель - глицилглицин выбрали соотношения 1:2 (45% NiL⁺; 41% NiL₂; 2% NiL₃^-) и 1:5(25% NiL⁺; 67% NiL₂; 10% NiL₃^-); исходное значение рН создавали равным 7.5, а в растворе с соотношением металл : лиганд 1:7 величина рН_исх составляла 8(5% NiL⁺; 59% NiL₂; 37% NiL₃^-). Для системы, содержащей ионы кадмия(II), величина соотношения металл:лиганд в различных сериях опытов варьировалась от 1:5 до 1:10.

Независимые тепловые эффекты ДН_в1, ДН_в2 и ДН_в3 находились решением системы трех уравнений с тремя неизвестными.

Стандартные термодинамические характеристики реакций комплексообразования ионов никеля(II) и кадмия(II) с глицилглицином приведены в таблице 5.

Таблица 5 Стандартные термодинамические характеристики реакций комплексо-образования иона кадмия (II ) и никеля (II ) с глицилглицином при 298.15К.

Процесс	-?rG0,	-?rH0,	?rS0, Дж/(мольК)
	кДж/моль
Cd2++ Pep- = СdPep +	18.99±0.46	8.13±0.65	36.41±2.15
Cd2++ 2Pep- = CdPep 2	33.64±0.58	16.70±0.67	56.81±2.17
Cd2++3Pep- =CdPep3-	41.11±0.58	23.54±0.68	58.92±2.17
Ni2++ Pep- = NiPep +	25.71±0.46	16.45±0.68	31.07±2.38
Ni2++ 2Pep- = NiPep 2	46.24±0.46	27.34±0.68	63.38±2.38
Ni2++3 Pep- = NiPep3-	57.64±0.46	36.22±0.70	71.84±2.38

6. Особенности термохимического исследования протолитических и координационных равновесий в системе Cu (II) - глицилглицин - вода

Особенностью реакций комплексообразования иона меди(II) c глицилглицином является то, что уже в физиологической области (5ч7) pH они сопровождаются диссоциацией амидной группы лиганда, и в этих условиях появляется возможность определить термодинамические характеристики комплексов с депротонированной пептидной группой. Диаграммы равновесий в системе ион меди (II)- и никеля(II)- c глицилглицином представлены на рис.1. Как можно видеть, в кислой области происходит образование не только нормального, но и депротонированного монокоординированных комплексов меди(II) состава CuPep⁺ и CuPep_-Н.

При изучении данной системы учитывались следующие процессы комплексообразования, протекающие в системе:

Cu²⁺ + Pep^- - CuPep ⁺ (11)

Cu²⁺ + Pep^- -H⁺- CuPep_-Н (12)

Cu²⁺ + 2Pep^- -H⁺- CuPep_-HPep^- (13)

Для уменьшения доли побочных процессов (протолитического взаимодействия ионов меди(II) и лиганда с молекулами воды) эксперимент проводился при соотношении металл:лиганд 1:7 и значениях рН = 4.5, 6.5 и 7.5.

При определении теплот смешения ?_mixH исходный раствор глицилглицина, приготовленный по точной навеске пептида, содержал рассчитанное количество раствора КOH для создания выбранной величины рН и необходимое количество «фонового» электролита для поддержания соответствующего значения ионной силы.

Точная навеска раствора нитрата меди (II) помещалась в стеклянную ампулу, а приготовленный раствор глицилглицина - в калориметрический стаканчик.

При определении тепловых эффектов разведения ?_dilH раствора нитрата меди (II) калориметрической жидкостью был раствор нитрата калия с соответствующим значением ионной силы.

Опыты проводились при 298.15К и значениях ионной силы 0.25, 0.50 и 0.75 на фоне нитрата калия. Величину рН в начале и в конце калориметрического опыта контролировали рН - метром 340; близкое совпадение экспериментальной и рассчитанной величины рН (±0.10-0.15 ед. рН) свидетельствовало о корректности интерпретации результатов калориметрических измерений.

Рис.1 Диаграммы равновесий в системе ион меди (II) и никеля(II) c глицилглицином при Т=298К I=0.0 (при соотношение металл: лиганд 1:7)

Таблица 6 Cтандартные термодинамические характеристики реакций комплексообразования иона меди (II) с глицилглицином при 298.15К.

Процесс	?rG,0	?rH0,	?rS0, Дж/(мольК)
	кДж/моль
Cu2++ Pep- =CuPep +	-34.04±0.46	-1.31±0.33	109.8±1.8
Cu2++ Pep- -Н+=CuPep-H	-10.66±0.46	1.81±0.35	41.83±1.9
Cu2++2Pep- -Н+ CuPep-HPep-	-29.30±0.57	-26.63±0.68	8.97±2.9

7. Корреляция между термодинамическими характеристиками комплексообразования и структурными особенностями биолигандов

В нашей лаборатории изучены протолитические равновесия в растворах ряда биолигандрв, содержащих в своем составе карбоксильные и аминогруппы. Большой накопленный экспериментальный материал позволяет предвидеть влияние температуры на тепловые эффекты ионизации соединений различной химической природы. Как правило, температура несущественно влияет на диссоциацию бетаинового протона, в тоже время на ионизацию карбоксильного водорода влияние температуры весьма существенно. Аналогичные закономерности можно было ожидать и для L-фенилаланина. Действительно, поскольку тепловой эффект диссоциации Н₂L⁺ невелик; величина изменения теплоемкости в процессе ионизации карбоксильной группы L-фенилаланина составляет - 149 Дж/мольК, с ростом температуры происходит изменение знака теплоты диссоциации карбоксильной группы аминокислоты.

Температуру , при которой тепловой эффект меняет знак, можно оценить по уравнению (25):

= 298.15-_rН_298.15 / (_rС_р) (14)

Расчеты по уравнению (25) показали, что составляет величину 310К при I=0.5. С увеличением концентрации фонового электролита (нитрата лития) сдвигается в область более высоких температур. При диссоциации протона аминогруппы L-фенилаланина величина _rС_р2 меньше, чем _rС_р1

При анализе данных по термодинамике протолитических равновесий глицилглицина было отмечено более значительное уменьшение энтропии при диссоциации протона карбоксильной группы пептида по сравнению с изменением ДS в том же процессе для аминокислоты. Такое различие связано, вероятно, с тем, что амино- и карбоксильная группы в пептиде более разделены в пространстве. В связи с этим влияние положительно заряженной аминогруппы на диссоциацию карбоксильной группы пептида меньше, чем в случае аминокислоты; в результате можно полагать, что цвиттер-ион глицилглицина сольватирован больше, чем у глицина.

Для более полного рассмотрения особенностей процессов комплексо-образования иона меди (II) с различными аминокислотами, наряду со стандартными термодинамическими характеристиками реакций комплексообразования в табл. 7 представлены также термодинамические параметры ступенчатой диссоциации соответствующих аминокислот. Фенилаланин и триптофан являются производными аланина, содержащими различные радикалы ароматического ряда (-фенил и -индолил, соответственно). Судя по константам диссоциации аминокислот (табл. 7), бензольная и индольная группы вызывают ослабление кислород-водородной и азот-водородной связей, что, по-видимому, должно приводить к уменьшению устойчивости комплексов ароматических аминокислот с металлами, а так же к снижению экзотермичности реакций комплексообразования. Такая закономерность действительно существует для системы фенилаланин - медь. Для системы медь -триптофан такая закономерность прослеживается только для монокоорди-нированного комплекса. При образовании частицы CuTrp₂ наблюдается завышенное значения константы устойчивости lgв₂⁰; к иону меди(II) координированы два атома азота, т.е. лиганд связан глицин-подобным образом и комплекс дополнительно стабилизирован за счет стэкинг - взаимодействия индольных колец.

Интересно сопоставить стандартные термодинамические характеристики реакций образования глицинатных и диглицинатных комплексов никеля(II) (табл. 8).

Таблица 7 Стандартные термодинамические характеристики протолитических равновесий аланина, фенилаланина и триптофана и реакций комплексо-образования иона меди с соответствующими аминокислотами при 298.15К.

Название кислоты	pK0	-ДdisH0	ДdisS0	lgвn0	-ДcomH0	ДcomS0
аланин	2.43	3.39	35.2	8.65	20.70	95.98
	10.09	45.54	40.4	15.72	50.30	131.89
фенилаланин	2.25	1.68	37.6	8.48	18.24	100.93
	9.40	44.84	29.5	14.51	44.22	129.04
триптофан	2.26	3.73	30.8	8.53	24.73	80.17
	9.55	47.33	24.1	16.14	55.93	121.04

Из данных табл. 8 можно видеть, что ион никеля(II) образует с аминокислотой комплексные соединения более прочные, чем с пептидом. Это приводит к уменьшению экзотермичности реакций комплексообразования при переходе от аминокислоты к пептиду. Величина изменения энтропии в процессах образования комплексов с участием пептида меньше, чем для аминокислоты. Это, по-видимому, связано с разным количество молекул воды, высвобождающихся из сольватных оболочек заряженных ионов в результате реакции комплексообразования.

Таблица 8 Стандартные термодинамические характеристики реакций комплексообразования в системах ион никеля(II)-глицин и ион никеля(II)-глицилглицин в водном растворе при 298.15К.

Процесс	lgв0	-ДrH0, кДж/моль	?rS0, Дж/(мольК)
Ni2++ Pep- = NiPep +	4.51	16.45	31.06
Ni2++ 2Pep- = NiPep 2	8.11	26.34	63.39
Ni2+ +3Pep- = NiPep3-	10.11	36.22	71.84
Ni2++ Gly- = NiGly +	6.15	17.74	58.20
Ni2++2Gly- = NiGly 2	11.12	39.98	78.80

Сравнение стандартных термодинамических характеристик реакций образования комплексов глицилглицина с ионами меди(II) и никеля(II), показало, что процесс диссоциации протона амидной группы пептида существенно зависит от прочности связи металл - пептид: чем прочнее связь металл - лиганд, тем легче отщепляется пептидный водород. Если за критерий прочности связи металл - лиганд брать константы устойчивости комплексов lgв⁰_CuL+, = 5.97 и lgв⁰_NiL+= 4.51 (разница на два порядка), то очевидно, что медь образует более устойчивое соединение с лигандом и соответственно должна легче отдавать пептидный протон. Это заключение наглядно демонстрируют константы образования комплексов с де-протонированной пептидной группой обоих металлов:lgв⁰_CuL-H=1.84, lgв⁰_NiL-H= -3.02.

Основные итоги и выводы

1. На основании анализа литературных данных рекомендованы наиболее вероятные значения констант реакций кислотно-основного взаимодействия с участием L-фенилаланина и констант устойчивости комплексов иона меди (II) c L-аланином, L-фенилаланином и D,L-триптофаном, необходимые для выбора оптимальных условий калориметрических измерений. Показано, что в системах ион меди (II)-аминокислота-вода существуют комплексы состава МL⁺ и ML₂, где L-анион аланина, фенилаланина и триптофана, соответственно.

2. Критический анализ протолитических и координационных равновесий в растворах глицилглицина с ионами никеля(II) и кадмия(II) показал, что преобладающими комплексными частицами в этих растворах являются МеРер⁺ и МеРер₂. Особенностью равновесий иона меди(II) с глицилгли-цином является то, что в растворе наряду с комплексом состава СuРер⁺ присутствуют частицы СuРер_-H и СuPep_-HРер^-.

3. Предложена оригинальная калориметрическая методика исследования процессов комплексообразования иона меди(II) с пептидом, сопровождающихся диссоциацией протона пептидной группы лиганда.

4. Измерены тепловые эффекты ступенчатой ионизации L-фенилаланина в водном растворе. Показано, что температура несущественно влияет на теплоты диссоциации бетаинового протона, в то время как тепловой эффект ионизации карбоксильной группы аминокислоты с ростом температуры даже изменяет знак. Таким образом, характер влияния температуры на теплоты диссоциации различных по своей природе функциональных групп одинаков как для алифатических, так и для ароматических аминокислот.

5. Прямым калориметрическим методом измерены тепловые эффекты реакций комплексообразования иона меди (II) c L-аланином, L-фенилаланином и D,L-триптофаном при различных температурах, в широкой области концентраций фонового электролита. Определены энтальпии реакций образования координационных соединений глицилглицина с катионами металлов: меди (II), никеля(II) и кадмия(II). Впервые оценены теплоты реакций образования моно- и бис-координированных комплексов меди(II) с глицилглицином, содержащих депротонированную пептидную группу при температурах 288.15, 298.15 и 308.15К.

6. Показано, что экзотермичность всех исследованных процессов комплексообразования возрастает с ростом ионной силы раствора; увеличение температуры приводит к уменьшению тепловых эффектов комплексообразования по абсолютной величине. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики 13 процессов комплексообразования.

7. Сочетание данных по термохимии растворов биолигандов с литературными данными по теплотам сгорания позволило определить стандартные энтальпии образования глицилглицина, изомеров L-фенилаланина и продуктов их диссоциации. Впервые оценены стандартные энтальпии образования комплексов меди(II) c глицилглицином с депротонированным пептидным лигандом. Рассчитаны стандартные энтальпии образования 11 комплексов в водном растворе в исследованных системах с участием биолигандов.

8. Проведена строгая математическая обработка экспериментальных данных по исследованию протолитических и координационных равновесий в системах, содержащих ионы меди(II), никеля(II) и кадмия(II) и соответствующие биолиганды, по универсальным программам `'RRSU'' и `'HEAT'' с учетом одновременного протекания нескольких побочных процессов (протолитического взаимодействия ионов металла и лиганда с молекулами воды) и реакций комплексообразования в водном растворе.

9. Рассмотрено влияние природы металла на процесс диссоциации амидной группы пептида при комплексообразовании глицилглицина с ионами меди(II), никеля(II) и кадмия(II). Показано, что пептидные протоны лабилизируются ионами никеля(II) менее эффективно, чем ионами меди(II).

10. Отмечены закономерности в изменении энтальпий реакций комплексообразования в зависимости от числа присоединенных лигандов.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих работах

1. Кочергина, Л.А. Термохимия реакций комплексообразования иона меди(II) с L-фенилаланином в водном растворе / Л.А. Кочергина, А.В. Емельянов, О.Н. Крутова // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2007. - Т. 50. - №. 12.- С. 28-32.

2. Kochergina, L.A. Standard enthalpies of formation of the phenylalanine isomers and products of their dissociation in aqueous solutions / L.A. Kochergina, E.L. Ratkova, AV. Emeljanov // J. Тherm. Anal. Cal. - 2008. - V.91. - №. 3. - Р. 775-778.

3. Кочергина, Л.А. Термодинамические параметры ступенчатой диссоциации L- фенилаланина в водном растворе / Л.А. Кочергина, А.В. Емельянов, О.Н. Крутова, Г.Г. Горболетова // Журн. физич. химии. - 2007. - Т. 81. - №.10. - С. 1829-1835.

4. Кочергина, Л.А. Влияние температуры на тепловые эффекты реакций комплексообразования иона меди(II) с L-фенилаланином в водном растворе / Л.А. Кочергина, А.В. Емельянов, О.Н. Крутова // Журн. неорган. химии. - 2007. - Т. 53. - №. 9. - С. 1526-1530.

5. Кочергина, Л.А. Термохимическое исследование координационных равновесий в системе ион меди(II) - DL-триптофан - вода / Л.А. Кочергина, А.В. Емельянов, Г.Г. Горболетова // Изв. вузов. Химия и хим. технология. - 2008. - Т .51. - №. 10. - С. 52-55.

6. Емельянов, А.В. Термодинамика реакций кислотно - основного взаимо-действия с участием L-фенилаланина в водном растворе / А.В. Емельянов, Л.А Кочергина // VIII Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах”. Тез. докл., Суздаль, 2007, 5/S-562.

7. Емельянов, А.В. Стандартные энтальпии образования изомеров фенилаланина и продуктов их диссоциации в водном растворе. / А.В. Емельянов, Л.А. Кочергина, Е.Л. Раткова // VIII Международная конференция “Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах”. Тез. докл., Суздаль, 2007, 5/S-568.

8. Емельянов, А.В. Термохимическое исследование комплексообразования иона никеля (II) с D,L-б-аланил - D,L-б-аланином в водном растворе / А.В. Емельянов, О.М. Мышкина, Л.А. Кочергина. // VI Региональная студенческая научная конференция ”Фундаментальные науки - специалисту нового века”. Тез. докл., Иваново, 2006, С. 52.

9. Емельянов, А.В. Термодинамические характеристики процессов комплексообразования иона меди(II) с D,L-триптофаном в водном растворе / А.В. Емельянов, Л.А. Кочергина, Е.А. Хохлова // Тезисы докладов VII Региональная студенческая научная конференция “Фундаментальные науки-специалисту нового века “. Тез. докл., Иваново, 2008, С. 31.

10. Емельянов, А.В. Термодинамика реакций комплексообразования иона меди(II) с L-аланином в водном растворе / А.В. Емельянов, Л.А. Кочергина, Е.А. Хохлова // Тезисы докладов VII Региональная студенческая научная конференция “Фундаментальные науки специалисту нового века “. Тез. докл., Иваново, 2008, С. 24.

11. Емельянов, А.В. Особенности термохимического исследования про-толитических равновесий с участием глицилглицина в водном растворе / А.В. Емельянов, Л.А. Кочергина // Тезисы докладов III Региональная конференция молодых ученых “Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем“ (Крестовские чтения). Тез. докл., Иваново, 2008, С. 93.

12. Емельянов, А.В. Термодинамика реакций комплексобразования иона кадмия(II) с глицилглицином в водном растворе / А.В. Емельянов, Е.А. Хохлова, Л.А. Кочергина // Тезисы докладов III Региональная конференция молодых ученых “Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем“ (Крестовские чтения). Тез. докл., Иваново, 2008, С. 94.

Размещено на Allbest.ru

...