Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 10, стр. 1510-1515
Термохимия процессов растворения L-треонина в водных растворах ацетонитрила, 1,4-диоксана, ацетона и диметилсульфоксида при Т = 298.15 K
a Российская академия наук, Институт химии растворов им. Г.А. Крестова
153045 Иваново, Россия
* E-mail: vis@isc-ras.ru
Поступила в редакцию 05.12.2019
После доработки 28.02.2020
Принята к публикации 17.03.2020
Аннотация
Методом калориметрии измерены энтальпии растворения L-треонина в водных растворах ацетонитрила (AN), 1,4-диоксана (DO), ацетона (AC) и диметилсульфоксида (DMSO) при концентрации органического растворителя x2 = 0–0.25 мол. доли и Т = 298.15 K. Рассчитаны стандартные значения энтальпий растворения (${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $), переноса (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $) L-треонина из воды в смешанный растворитель и энтальпийные коэффициенты парных взаимодействий (hxy) L-треонина с молекулами изученных растворителей. Установлены зависимости энтальпийных характеристик растворения L-треонина от состава смеси, энергии взаимодействия между компонентами смеси, а также от электронодонорной способности органических растворителей. Проведен сравнительный анализ значений энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий L-треонина и некоторых других аминокислот (глицина, L-аланина, L-валина и L-метионина) в исследованных смешанных растворителях. Произведена количественная оценка энтальпийных вкладов боковых цепей L-аминокислот в энергетику взаимодействия с молекулами указанных органических растворителей в водном растворе.
Представленная работа – продолжение исследований энергетики взаимодействия аминокислот и пептидов с молекулами спиртов, амидов и других органических растворителей в водных растворах [1–7]. В качестве объекта исследования выбран L-треонин. Это незаменимая аминокислота, которая входит в состав многих белков, содержится в плазме крови человека, участвует в белковом и жировом обмене, а также в синтезе коллагена. L-Треонин – оптически активная форма треонина, имеющая L-конфигурацию. Именно эта форма треонина играет важную роль в процессах метаболизма человека, растений и животных. Ее недостаток или избыток в живом организме может приводить к тяжелым последствиям. Основное структурное отличие L-треонина от других аминокислот – наличие в его молекуле (I) боковой цепи, содержащей как гидрофобную СН3-группу, так и гидрофильную ОН‑группу.
В качестве сорастворителей использовались органические растворители с различными физико-химическими свойствами: ацетон (AC) и диметилсульфоксид (DMSO) – полярные апротонные органические растворители с большими дипольными моментами и высокими диэлектрическими константами (широко используются в промышленности, биохимии и фармакологии); 1,4-диоксан (DO) – неполярный (циклический эфир – составная часть многих технических жидкостей и чистящих средств); ацетонитрил (AN) – экстрагент с высокой диэлектрической проницаемостью и дипольным моментом. Основные цели работы: а) установление зависимостей энтальпий растворения и переноса L-треонина от состава водно-органических смесей в диапазоне х2 = 0–0.25 мол. доли органического растворителя; б) оценка энергии межмолекулярных взаимодействий молекул L-треонина с молекулами AN, AC, DO и DMSO в водных растворах посредством расчета энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий (hxy); в) оценка влияния энергии межмолекулярных взаимодействий между компонентами водно-органических смесей и различных физико-химических свойств органических растворителей на энтальпии растворения (переноса) L-треонина в смешанных растворителях при Т = 298.15 K; г) получение новых экспериментальных данных в области растворов аминокислот и пептидов; д) количественная оценка вкладов боковых цепей L-аминокислот (на основе значений энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий) при их взаимодействии с молекулами AN, 1,4-DO, AC и DMSO в водных растворах.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Вещества, использованные в экспериментах, их молекулярная масса, формула, марка, чистота и содержание Н2О представлены в табл. 1. В эксперименте использован герметичный калориметр с изотермической оболочкой. Устройство калориметра и процедура проведения эксперимента описаны в [8]. Калибровочные данные калориметра, расчет погрешностей измерений представлены в [3]. Достоверность полученных результатов проверена путем сравнения энтальпий растворения некоторых аминокислот и пептидов с аналогичными данными других авторов. В качестве примера, наши значения ${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $, кДж моль–1, для глицина составляют 14.25 ± 0.06 [9] и (14.23 ± 0.02 [10]), для глицилглицина 17.62 ± 0.05 [9] и (17.69 ± 0.02 [11]) и для L-метионина 11.21 ± ± 0.08 [12] и (11.30 ± 0.06 [13]). Моляльную концентрацию (m) L-треонина в смешанном растворителе изменяли в диапазоне от 5 × 10–3 до 1.5 × × 10–2 моль кг–1, а концентрацию органических растворителей – в диапазоне 0–0.25 мол. доли. Вода очищена путем двойной дистилляции (удельная электропроводность ∼1 × 10–5 Ом см–1). Навески исследуемых веществ и водно-органические смеси взвешены на весах ВЛР-200 (“Госметр”, Санкт-Петербург, Россия) с точностью 5 × 10–4 г. Эксперимент проведен при Т = = 298.15 ± 0.01 K.
Таблица 1.
Вещество | Формула | M, г моль–1 | CAS No. | Марка | Чистота | C*, мас. % |
---|---|---|---|---|---|---|
L-Треонин | C4H9NO3 | 119.12 | 72-19-5 | Aldrich | ≥0.990 | – |
Ацетонитрил | C2H3N | 41.05 | 75-05-8 | Sigma-Aldrich | ≥0.998 (anhydrous) | <0.001 |
1,4-Диоксан | C4H8O2 | 88.11 | 123-91-1 | Fluka | ≥0.998 (anhydrous) | <0.003 |
Ацетон | C3H6O | 58.08 | 67-64-1 | Fluka | ≥0.998 (GC) | <0.10 |
Диметилсульфоксид | C2H6SO | 78.13 | 67-68-5 | Sigma | ≥0.995 (GC) | <0.10 |
Вода | H2O | 18.02 | 7732-18-5 | – | H2O* | – |
За стандартные значения энтальпий растворения (${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $) L-треонина принято среднее значение ${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}{{H}^{m}}$ из пяти измерений для каждого состава смешанного растворителя, поскольку зависимости энтальпии растворения L-треонина от концентрации в изученных водно-органических смесях не наблюдалось. Стандартные значения энтальпий растворения L-треонина, а также их стандартные отклонения в исследованных смесях представлены в табл. 2. Энтальпии переноса L‑треонина (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $) из воды в водно-органические смеси графически представлены на рис. 1. Значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $ были вычислены из стандартных значений энтальпий растворения в воде (${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $(w)) и в водном растворе органического растворителя (${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $(w + y)) по уравнению:
(1)
${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ = {{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ ({\text{w}} + {\text{y}}) - {{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ ({\text{w}}).$Таблица 2.
AN | DO | AC | DMSO | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
m2 | ${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $ | u(${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $) | m2 | ${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $ | u(${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $) | m2 | ${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $ | u(${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $) | m2 | ${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $ | u(${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ $) |
0.841 | 10.77 | 0.03 | 0.606 | 10.72 | 0.03 | 0.589 | 11.06 | 0.04 | 0.657 | 10.89 | 0.04 |
1.759 | 11.26 | 0.04 | 1.279 | 11.32 | 0.03 | 1.229 | 11.68 | 0.03 | 1.338 | 11.52 | 0.03 |
2.709 | 11.64 | 0.03 | 2.031 | 11.97 | 0.04 | 1.907 | 12.55 | 0.03 | 2.101 | 12.03 | 0.03 |
3.631 | 12.03 | 0.03 | 2.878 | 12.46 | 0.04 | 2.652 | 13.09 | 0.03 | 2.923 | 12.64 | 0.03 |
4.966 | 12.31 | 0.03 | 3.837 | 12.99 | 0.03 | 3.498 | 14.06 | 0.03 | 3.871 | 13.25 | 0.03 |
6.317 | 12.67 | 0.04 | 4.933 | 13.49 | 0.04 | 4.461 | 14.92 | 0.03 | 4.812 | 13.83 | 0.03 |
7.759 | 12.98 | 0.03 | 6.198 | 13.96 | 0.03 | 5.513 | 15.64 | 0.03 | 5.982 | 14.41 | 0.03 |
9.454 | 13.09 | 0.03 | 7.674 | 14.48 | 0.03 | 6.689 | 16.49 | 0.04 | 7.157 | 14.88 | 0.04 |
11.259 | 13.11 | 0.04 | 9.418 | 15.01 | 0.03 | 9.581 | 18.11 | 0.03 | 8.639 | 15.25 | 0.03 |
13.334 | 12.81 | 0.03 | 11.511 | 15.24 | 0.04 | 13.422 | 19.28 | 0.05 | 10.178 | 15.71 | 0.05 |
18.685 | 12.32 | 0.03 | 14.069 | 15.36 | 0.04 | 18.812 | 19.25 | 0.04 | 14.225 | 16.63 | 0.04 |
26.177 | 11.34 | 0.03 | 17.266 | 14.89 | 0.03 | 20.038 | 19.09 | 0.03 | 20.014 | 17.34 | 0.03 |
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Из данных табл. 2 и рис. 1 следует, что энтальпии растворения и переноса L-треонина имеют эндотермические значения во всем изученном диапазоне концентраций сорастворителей и зависят от состава смешанного растворителя. Характер межмолекулярных взаимодействий между молекулами L-треонина и сорастворителей будет определяться их структурой. Гидрофобные (‒СН2- и –СН3-группы) и гидрофильные группы (–NH+3, –COO–, –CO, –SO, –NH, –OH), содержащиеся в их молекулах, предполагают следующие типы межмолекулярных взаимодействий: гидрофобно-гидрофобные, гидрофобно-гидрофильные и гидрофильно-гидрофильные. Увеличение концентрации сорастворителей до x2 ∼ ∼ 0.15 (AN), ∼0.20 (DO), ∼0.23 (AC) и ∼0.30 (DMSO) вызывает рост эндотермичности растворения L-треонина в ряду AN < DO < DMSO < AC. В этой области концентрации в межмолекулярных взаимодействиях L-треонин – органический растворитель доминируют эндотермические эффекты дегидратации их молекул, гидрофобно-гидрофобные и гидрофобно-гидрофильные типы взаимодействий. При достижении указанных выше концентраций сорастворителей на зависимостях ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $ = f(x2) (за исключением DMSO) наблюдаются эндотермические максимумы. Такие максимумы на зависимостях ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $ = f(x2) характерны для растворов неэлектролитов [14] и соответствуют или близки к аналогичным максимумам (с противоположным знаком) на зависимостях энтальпий смешения органических растворителей с водой [15]. В области этих максимумов прекращается рост эндотермичности ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $ L-треонина в результате компенсации энергетических затрат на дегидратацию молекул L-треонина (сорастворителя) и гидрофобно-гидрофобных взаимодействий между ними – экзотермическими эффектами прямых взаимодействий (гидрофильно-гидрофильными и образование Н-связей) L-треонин – сорастворитель. Положение и высота максимумов зависит от структуры сорастворителя. Общая эндотермичность значений ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $ увеличивается в ряду: AN < < DO < AC, что может быть связано с усилением электронодонорных свойств (DN) этих сорастворителей в том же порядке: DN = 14.1, 14.5, 17.0 [16]). Увеличение концентрации сорастворителей для AN: x2 > 0.17; DO: x2 > 0.20; AC: x2 > 0.23 приводит к снижению эндотемического вклада в ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ $ за счет увеличения экзотермического вклада от прямых взаимодействий аминокислота – сорастворитель в общем энтальпийном эффекте растворения.
В тройных системах (вода + органический растворитель + аминокислота) в области с низкой концентрацией сорастворителя (x2 < 0.1), межчастичные взаимодействия L-треонин – сорастворитель могут быть охарактеризованы (согласно теории Макмиллана–Майера [17], адаптированной для аналогичных систем Каузманом с соавторами [18]) энтальпийными коэффициентами парных взаимодействий (hxy). Для расчета значений hxy использованы данные табл. 2, соотношение hxy = a1/2 (Дж кг/моль2) [19] и уравнение:
(2)
${{\Delta }_{{{\text{sol}}}}}H^\circ = {{a}_{0}} + {{a}_{1}}{{m}_{{\text{2}}}} + {{a}_{2}}m_{{\text{2}}}^{{\text{2}}} + {{a}_{3}}m_{{\text{2}}}^{{\text{3}}},$Расчетные параметры уравнения (2) и значения энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий hxy представлены в табл. 3. Все коэффициенты hxy имеют положительный знак. Это означает, что молекулы L-треонина и сорастворителей хорошо гидратированы, а эндотермические эффекты их дегидратации, гидрофобно-гидрофобные и гидрофобно-гидрофильные типы взаимодействий преобладают над экзотермическими эффектами прямых (гидрофильно-гидрофильных) взаимодействий между ними. Коэффициенты hxy для L-треонина увеличиваются в ряду смешанных растворителей: (H2O + AN) < (H2O + + DO) < (H2O + DMSO) < (H2O + AC) и зависят от физико-химических свойств сорастворителей (электронодонорной способности). Ранее мы установили зависимость величины энтальпийных коэффициентов парных взаимодействий от значений аналогичных коэффициентов (hA + W), рассчитанных для смесей вода + органический растворитель [20]. А именно, сильные межмолекулярные взаимодействия в смесях вода + органический растворитель ослабляют энтальпийный эффект межчастичных взаимодействий между молекулами аминокислоты и сорастворителя. Сравнение значений hxy для L-треонина, рассчитанных для изученных водно-органических смесей, со значениями hA+W для этих смесей показывает, что сильные межчастичные взаимодействия между компонентами в самой водно-органической смеси также ослабляют энтальпийный эффект межчастичных взаимодействий между молекулами L-треонина и сорастворителя. При этом зависимость hxy = f(hA + W) в изученных водно-органических смесях близка к линейной.
Таблица 3.
Растворитель | a0 | a1 | R | SD | ∆hxy |
---|---|---|---|---|---|
AN | 10.33 ± 0.03 | 0.59 ± 0.02 | 0.998 | 0.110 | 285 ± 12 |
DO | 10.33 ± 0.07 | 0.83 ± 0.04 | 0.998 | 0.077 | 415 ± 20 |
AC | 10.33 ± 0.07 | 1.20 ± 0.03 | 0.999 | 0.071 | 600 ± 12 |
DMSO | 10.33 ± 0.06 | 0.93 ± 0.04 | 0.999 | 0.066 | 463 ± 15 |
Обозначения: a0, a1 – коэффициенты аппроксимации уравнения (2), R – коэффициент корреляции, SD – значения критерия Стьюдента, N = 12 – число экспериментальных точек.
Предыдущие термохимические исследования процессов растворения алифатических аминокислот {глицин (Gly) [21], DL-аланин (Ala) [22], L-валин (Val) [23], L-метионин (Met) [24]} и данные настоящей работы для L-треонина в водных растворах ацетонитрила, 1,4-диоксана и ацетона позволяют количественно оценить энтальпийный вклад боковых цепей (R = –СН3, ‒СН(СН3)2, ‒(СН2)2SCH3 и –CHCH3OH) этих аминокислот в межчастичные взаимодействия с молекулами исследованных органических растворителей. Для расчета энтальпийного вклада (∆hxy(R)) боковой цепи R в межчастичные взаимодействия между молекулами аминокислот и указанных растворителей использованы данные [21–24] и предложенное в [7] уравнение:
(3)
$\Delta {{h}_{{xy}}}_{{{\text{(R)}}}} = {{h}_{{xy}}}_{{{\text{(R)}}}}--{{h}_{{xy}}}_{{{\text{(Gly)}}}},$В заключение отметим, что термохимические характеристики растворения и переноса L-треонина в бинарных смесях воды с исследованными органическими растворителями, определяются: а) концентрацией сорастворителя в водном растворе; б) структурой сорастворителя (его электронодонорной способностью); в) гидрофобными и гидрофильными свойствами L-треонина; г) боковые цепи молекул R-аминокислот (Ala, Val и Met), содержащие гидрофобные группы, ослабляют межмолекулярные взаимодействия аминокислоты с молекулами органических растворителей в водном растворе за счет усиления гидрофобно-гидрофобных взаимодействий. Большой эндотермический вклад боковых цепей L-валина и L-метионина во всех смесях связан с наибольшей гидрофобностью этих цепей в представленной группе аминокислот. Напротив, наличие в боковой цепи L-треонина OН-группы и его меньшая гидрофобность способствуют образованию Н-связей с молекулами органических растворителей и уменьшению эндотермического вклада в энергетику межмолекулярных взаимодействий.
Работа посвящена памяти Валентина Георгиевича Баделина.
Список литературы
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2010. V. 503–504. P. 97.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Ibid. 2009. V. 495. P. 90.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // J. Mol. Liquids. 2016. V. 220. P. 21.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Ibid. 2018. V. 258. P. 253.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2019. V. 93. P. 1465.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // J. Mol. Liquids. 2019. V. 285. P. 84.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Ibid. 2019. V. 275. P. 474.
Badelin V.G., Tyunina E.Yu., Mezhevoi I.N. // Russ. J. Appl. Chem. 2007. V. 80. P. 711.
Badelin V.G., Smirnov V.I., Mezhevoi I.N. // Russ. J. Phys. Chem. 2002. V. 76. P. 1299.
Palecz B. // J. Therm. Anal. Calorim. 1998. V. 54. P. 257.
Piekarski H., Nowicka B. // J. Therm. Anal. Calorim. 2010. V. 102. P. 31.
Badelin V.G., Smirnov V.I. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2010. V. 84. P. 1163.
Palecz B., Piekarski H., Romanowski W. // J. Mol. Liquid. 2000.V. 84. № 3. P. 279.
Noban S., Donohue P., Waghorne W.E. // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107. P. 13188.
Belousov V.P., Morachevskiy A.G., Panov M.Yu. Thermal properties of non-electrolytes solutions. Leningrad: Khimiya, 1981. P. 264 (in Russian).
Gutman V. // The Donor-Acceptor Approach to Molecular Interactions. New York: Plenum Press, 1978.
McMillan W.G., Mayer J.E. // J. Chem. Phys. 1945. V. 13. P. 276.
Kozak J.J., Knight W.S., Kauzmann W. // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. P. 675.
Palecz B., Piekarski H., Romanowski W. // J. Mol. Liquid. 2000.V. 84. № 3. P. 279.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2018. V. 92. № 1. P. 93.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Ibid. 2006. V. 80. P. 357.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Ibid. 2006. V. 80. P. 672.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Ibid. 2016. V. 90. P. 2165.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2015. V. 616. P. 20.
Savage J.J., Wood R.H. // J. Solution Chem. 1976. V. 5. P. 733.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии