Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 3, стр. 373-380

Объемные свойства растворов

Кажущийся мольный объем Ura (V_φ, Ura) был вычислен с использованием экспериментальных данных по плотности и уравнения

где ρ₀ и ρ – плотности растворителя и раствора (г см^–3), m – моляльная концентрация Ura (моль кг^–1), М – молекулярная масса Ura. Растворителем в бинарных водных растворах (Ura–буфер) является буферный раствор, а в тройных системах (Ura–аминокислота–буфер) – буферный раствор аминокислоты (Phe) (с фиксированной концентрацией 0.0120 моль кг^–1). На рис. 2 представлены концентрационные зависимости кажущихся мольных объемов Ura в тройной системе при разных температурах. Форма полученных изотерм может свидетельствовать о связывании растворенных веществ в комплекс [14, 22, 23]. Определена стехиометрия образуемого молекулярного комплекса, фиксируемая по максимуму на концентрационной зависимости V_φ, Ura = f(m) (рис. 2). Максимальные значения ^φV_Ura при указанных температурах приходятся на концентрацию m_Ura = = 0.0247 моль кг^–1, которая соответствует молярному соотношению Phe к Ura как ∼1:2. Влияния температуры на стехиометрию образуемого комплекса не обнаружено.

Парциальные мольные объемы при бесконечном разбавлении ($V_{{\varphi ,{\text{Ura}}}}^{0}$) получены путем описания концентрационных зависимостей кажущихся мольных объемов (V_φ, Ura) полиномами второй и третьей степени, соответственно, для бинарной (Ura–буфер) и тройной (Ura–Phe–буфер) систем:

где B₁, B₂ и $B_{1}^{'}$, $B_{2}^{'}$, $B_{3}^{'}$ – постоянные коэффициенты. Значения ${}^{\varphi }V_{{{\text{Ura}}}}^{{\text{0}}}$, представленные в табл. 3, положительны и увеличиваются с ростом температуры.

Величина парциального мольного объема Ura в водном буферном растворе, содержащем 0.0120 моль кг^–1 Phe, больше, чем соответствующие значения ${}^{\varphi }V_{{{\text{Ura}}}}^{{\text{0}}}$ в буфере при каждой температуре. Изменения парциального мольного объема (Δ_tr$V_{\varphi }^{0}$) при переносе Ura из буфера в буферный раствор Phe вычислены по соотношению:

Величины Δ_tr$V_{\varphi }^{0}$ чувствительны к сольватационным эффектам и могут быть интерпретированы на основе модели перекрывания гидратных сфер Гэрни [24]. Согласно этой модели, увеличение объема (Δ_tr$V_{\varphi }^{0}$ > 0) происходит, если взаимодействия обусловлены электростатическими силами, водородными связями и др. Понижение объема (Δ_tr$V_{\varphi }^{0}$ < 0) имеет место в случае участия во взаимодействии неполярных групп (гидрофобные силы) [22–26]. Между компонентами (Ura и Phe) исследуемой тройной системы возможны следующие взаимодействия: (1) цвиттерион-гидрофильные взаимодействия между зарядными группами ${\text{NH}}_{3}^{ + }$/COO^– аминокислоты (АК) и гидрофильными группами (>C=O, >NH) нуклеиновых оснований (НО); (2) гидрофильно-гидрофильные взаимодействия между гидрофильными центрами АК и гидрофильными группами НО; (3) гидрофильно-гидрофобные взаимодействия между цвиттерионами АК и гидрофобными группами НО или между гидрофильными группами НО и неполярными фрагментами АК; (4) гидрофобно-гидрофобные взаимодействия между гидрофобными фрагментами АК и гидрофобными группами НО. Два первых типа взаимодействия дают положительные вклады в Δ_tr$V_{\varphi }^{0}$, а третий и четвертый типы приводят к отрицательным значениям Δ_tr$V_{\varphi }^{0}$ [14, 27, 28]. Полученные относительно небольшие положительные изменения объема $\Delta V_{{{\text{tr}}}}^{0}$ (от (0.87 до 2.49) см³ моль^–1 при 293.15 и 323.15 K) свидетельствуют о том, что в буферных растворах Ura в присутствии Phe взаимодействия первых двух типов несколько доминируют в условиях существующей конкуренции между различными их типами. Таким образом, можно предположить, что комплексы Phe с молекулами Ura образованы за счет цвиттерион-гидрофильных взаимодействий, гидрофобных сил и образования водородной связи, что согласуется с литературными данными [13, 21, 29].

Температурная зависимость парциальных мольных объемов ${}^{\varphi }V_{{{\text{Ura}}}}^{0}$ в буфере и буферном растворе Phe описывается уравнением:

где α, β и γ – константы, T – температура. Значения (∂^φV⁰/∂T)_p и (∂^2φV⁰/∂T²)_p были получены путем дифференцирования уравнения (5). В табл. 3 приведены рассчитанные первые производные (∂^φV⁰/∂T)_p, положительные значения которых указывают на высвобождение электрострикционно сжатой воды из гидратных сфер Ura и Phe в раствор в процессе их связывания в комплекс, что сопровождается увеличением объема системы. В случае бинарной системы Ura–буфер наблюдается тенденция к понижению (∂^φV⁰/∂T)_p с температурой, тогда как для тройной системы Ura–Phe–буфер их значения слабо увеличиваются в изученном интервале температур.

Согласно уравнению Хеплера [30]:

положительный знак второй производной (∂^2φV⁰/∂T²)_p свидетельствует о структурно-образующей способности растворенного вещества, а его отрицательная величина указывает на структурно-разрушающие свойства в водном растворе. В нашем случае значения (∂^2φV⁰/∂T²)_p составляют –0.0045 см⁶ моль^–2 K^–2 для Ura в водном буферном растворе и 0.00031 см⁶ моль^–2 K^–2 для Ura в водном буферном растворе аминокислоты. Полученные результаты показывают, что растворение Ura в буферном растворе аминокислоты приводит к стабилизации структуры растворителя.

Изоконцентрационные зависимости кажущихся мольных объемов ^φV_Ura(T) урацила в буферном растворе аминокислоты от температуры приведены на рис. 3а. Выявлена инверсия последовательности кривых ^φV_Ura(T): изоконцентрата при 0.0247m расположена выше других, соответствующих более низким и более высоким концентрациям урацила. Это связано, по-видимому, с усилением взаимодействия Ura с Phe и образованием молекулярного комплекса в этой области концентраций, что сопровождается явлениями дегидратации молекул растворенных веществ, понижением электрострикции молекул воды при вытеснении из гидратных сфер и увеличением объема системы.

Теплоемкостные свойства растворов

Кажущаяся молярная теплоемкость растворенного вещества (^ϕC_p) была определена из экспериментальных значений удельной теплоемкости по уравнению:

где C_p и $C_{p}^{0}$ – удельные теплоемкости, соответственно, раствора и растворителя (Дж K^–1 г^–1), m_Ura – моляльная концентрация растворенного вещества (моль кг^–1), M_Ura – молярная масса растворенного вещества Ura (г моль^–1). Погрешность определения ^ϕC_p не превышает 2%. Как известно [31], если в растворах отсутствуют изменения во взаимодействиях растворенное вещество–растворитель и растворенное вещество–растворенное вещество, то теплоемкостные свойства раствора будут находиться в линейной зависимости от концентрации, что и имеет место в случае растворов Ura в буфере. В системе Ura–Phe–буфер концентрационные зависимости кажущихся мольных теплоемкостей носят экстремальный характер (рис. 4) в изученной области температур и аппроксимируются полиномом второй степени: во всем изученном диапазоне параметров (m, Т). Здесь $^{\phi }C_{p}^{0}$ – предельное значение кажущейся мольной теплоемкости, равное парциальной мольной теплоемкости при бесконечном разбавлении, A₁, $A_{1}^{{\text{'}}}$ и $A_{2}^{{\text{'}}}$ – постоянные коэффициенты. Максимальные значения ^ϕC_p(m) наблюдаются вблизи m_Ura = 0.0201 моль кг^–1, что соответствует молярному отношению ∼1:1.7 Phe/Ura. Полученные значения $^{\phi }C_{p}^{0}$ положительны и увеличиваются с ростом температуры от 293.15 до 323.15 K (табл. 4).

Обычно возрастание значений кажущейся молярной теплоемкости растворенного вещества отражает увеличение степеней свободы и интенсивности молекулярных движений, что ведет к разрушению структуры раствора, а их уменьшение свидетельствует об образовании более упорядоченных структур, если отсутствует воздействие других факторов, и прежде всего дегидратации молекул растворенных веществ [32]. По-видимому, в случае растворения Ura в водном буферном растворе, содержащем аминокислоту, можно говорить о преобладающем вкладе эффекта дегидратации молекул Ura и Phe при образовании молекулярного комплекса в общую теплоемкость раствора.

При изучении межмолекулярных взаимодействий в буферных растворах, содержащих два растворенных вещества (Ura и Phe), полезно рассмотреть изменение парциальной мольной теплоемкости (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$) при переносе Ura из буфера в буферные растворы с аминокислотой:

Полученные отрицательные значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$ (от ‒2.55 до –2.30 Дж K^–1 г^–1 в интервале от 293.15 до 323.15 K) обычно указывают на то, что в присутствии Ura водные буферные системы Phe более структурированы, чем буферный растворитель [14, 23, 28, 32, 33]. Структурные изменения, происходящие в растворе в процессе связывания Ura с Phe, можно объяснить на основе использования модели Гэрни о перекрывании ко-сфер молекул растворенных веществ, как это было показано выше при интерпретации объемных свойств [24, 34, 35]. Образование молекулярного комплекса между Ura и Phe приводит к потере некоторых степеней свободы, что дает отрицательный вклад в ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$, при этом имеет место дегидратация молекул растворенных веществ, что вносит положительный вклад в ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$ [34, 35]. В величине ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$ также находит отражение положительный вклад, обусловленный гидрофильно-гидрофильными взаимодействиями цвиттерионных центров (COO^–/${\text{NH}}_{3}^{ + }$) Phe с полярными группами Ura (>C=O, >NH) через перекрывание их гидратных сфер, а также отрицательный вклад, связанный с гидрофобно-гидрофильными и гидрофобно-гидрофобными силами, действующими между аполярными фрагментами молекул растворенных веществ [31, 36]. Гидратация Ura и Phe, а также их комплекса обеспечивает дополнительный источник отрицательного изменения теплоемкости [37]. Таким образом, относительно небольшие отрицательные значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$ могут быть объяснены конкуренцией гидрофобно/гидрофильно-цвиттерионных взаимодействий при более низкой концентрации Ura и доминированием гидрофильно-цвиттерионных взаимодействий и образования водородных связей при более высокой его концентрации. Как и в случае $\Delta V_{{{\text{tr}}}}^{0}$, значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$ проявляют тенденцию к возрастанию с повышением температуры.

Установлено, что температурные зависимости предельной кажущейся мольной теплоемкости (${}^{\phi }C_{p}^{0}$) описываются полиномом второй степени как для бинарной (Ura–буфер), так и тройной (Ura–Phe–буфер) систем (коэффициент корреляции R = 0.997):

где Т – температура (K), T = 273.15 K – температура сравнения, a, b₁ и b₂ – константы. Значения полученных первых производных ($\partial {}^{\phi }C_{p}^{0}$/∂T)_p приведены в табл. 4.

На рис. 3б представлены изоконцентраты, т.е. температурные зависимости кажущихся мольных теплоемкостей ^ϕC_p(T) урацила в буферном растворе аминокислоты при разных концентрациях урацила. Порядок расположения изоконцентрат ^ϕC_p(T) по мере увеличения m нарушается: изоконцентраты для 0.0317 m и 0.0361 m лежат ниже, чем таковая для 0.0247 m. По-видимому, это объясняется образованием комплекса Ura с Phe в области 0.0247 m и, соответственно, потерей степеней свободы. Однако при этом эффекты от разрушающего действия молекул растворенных веществ на растворитель и от их дегидратации в процессе связывания столь велики, что появление новых степеней свободы превалирует над их потерей при указанном выше процессе как результат конкуренции взаимодействий растворенное вещество–растворенное вещество, растворенное вещество–растворитель и растворитель–растворитель.

Таким образом методами денсиметрии и ДСК определены плотности и удельные теплоемкости буферных растворов, содержащих Ura и Phe в интервале концентраций 0.0040–0.0365 m Ura при температурах от 293 до 323 K. Вычислены кажущиеся и парциальные молярные свойства (^φV_Ura, ^ϕC_p) урацила, а также предельные кажущиеся молярные свойства его переноса из буфера в буферный раствор с Phe. Полученные данные позволили обнаружить структурные изменения в водных буферных растворах Ura с Phe, соответствующие образованию между ними молекулярного комплекса. Показано, что функции ^φV_Ura = f(m_Ura) и ^ϕC_p = f(m_Ura) имеют максимумы в той области концентраций урацила, которая соответствует молярному соотношению Phe к Ura как ∼1:2. При этом не обнаружено явно выраженной зависимости стехиометрии комплекса от температуры.

Определены параметры (${{\partial }^{\phi }}C_{p}^{0}$/∂T)_p, (∂^φV⁰/∂T)_p и (∂^2φV⁰/∂T²)_p для Ura в буфере и водном буферном растворе аминокислоты. Полученные результаты показывают, что Ura способствует укреплению структуры водного буферного раствора, содержащего аминокислоту, вследствие образования комплекса.

Наблюдаемые небольшие положительные ($\Delta V_{{{\text{tr}}}}^{0}$) и отрицательные (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}C_{p}^{0}$) значения свойств переноса Ura из буфера в буферный раствор с Phe при всех изученных температурах являются результатом компенсации отрицательных и положительных вкладов в их величину, соответственно, от гидрофобных взаимодействий аполярных фрагментов молекул Ura с Phe и от цвиттерионных взаимодействий Phe с полярными группами Ura и образования водородных связей.

Измерения плотности и удельной теплоемкости выполнены на оборудовании центра коллективного пользования “Верхневолжский региональный центр физико-химических исследований” ИХР РАН (http://www.isc-ras.ru/ru/struktura/ckp).

Работа посвящена памяти старшего научного сотрудника ИХР РАН, кандидата химических наук Манина Николая Геннадьевича, чьи научные интересы находились в области термодинамики растворов, за его вклад в получение и обсуждение данных по теплоемкости исследуемых систем.