Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 4, стр. 495-501
Энтальпии кислотно-основных равновесий в водно-этанольных растворах аминокислот и пептидов: расчет и эксперимент
В. А. Исаева a, *, В. А. Шарнин a
a Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия
* E-mail: kvol1969@gmail.com
Поступила в редакцию 13.10.2021
После доработки 13.10.2021
Принята к публикации 14.10.2021
- EDN: HTBNSC
- DOI: 10.31857/S0044453722040112
Аннотация
Рассмотрена возможность использования значений термодинамических функций переноса реагентов и продуктов реакции из воды в водно-органический растворитель для расчета изменения термодинамических параметров реакций в этих средах. На основании термодинамического цикла рассчитаны значения изменения энтальпии реакций диссоциации глицина, β-аланина, L-α-фенилаланина и глицил-глицина в водных растворах этанола с различным содержанием спирта. Расчетные значения энтальпии реакции диссоциации глицина и β-аланина сопоставлены с полученными экспериментально-калориметрическим методом при хорошей сходимости результатов. При обобщении результатов настоящей работы и имеющихся литературных данных показан схожий характер влияния концентрации этанола в растворе на изменение величины теплового эффекта процесса диссоциации как катионных, так и незаряженных кислот. Установлено, что изменение энтальпии реакций диссоциации аминокислот и глицилглицина вносит основной вклад в изменение энергии Гиббса этих процессов в водно-этанольном растворе.
Как неводные растворители, так и смешанные на их основе, широко используются наряду с водными системами для практических целей. Выбор среды для протекания реакции позволяет в широких пределах изменять ее термодинамические параметры ($\Delta G_{{\text{r}}}^{^\circ }$, $\Delta H_{{\text{r}}}^{^\circ }$, $T\Delta S_{{\text{r}}}^{^\circ }$) [1]. Константы равновесия и тепловые эффекты реакций в растворах могут быть определены экспериментально с высокой точностью. Набор экспериментально полученных термодинамических параметров процессов может быть дополнен рассчитанными из значений термодинамических параметров переноса частиц из воды в водно-органические растворители. В настоящей работе расчетный способ использован для нахождения значений энтальпий реакций диссоциации глицина, β-аланина, L-α-фенилаланина и глицил-глицина в водных растворах этанола. Изучение кислотно-основных свойств лигандов в водно-органических растворах – необходимое условие корректной интерпретации термодинамических характеристик реакций комплексообразования в этих же средах, а также представляет самостоятельный интерес для установления закономерностей влияния растворителя на смещение протолитических равновесий.
МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТ
Значения изменения энтальпии реакций (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$) кислотной диссоциации цвиттер-ионов (HL±) глицина, β-аланина, L-α-фенилаланина и глицил-глицина в водных растворах этанола (EtOH) с переменной концентрацией спирта рассчитывали по уравнению:
(1)
${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ } = {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ ({{{\text{L}}}^{--}}) + {{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ ({{{\text{Н}}}^{ + }})--{{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H^\circ ({\text{H}}{{{\text{L}}}^{ \pm }}).$Используя полученные по уравнению (1) значения функций переноса ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$ из воды в водно-этанольные смеси и значения энтальпий реакций диссоциации глицина [12], β-аланина [13], L-α-фенилаланина [14] и глицилглицина [15] в водных растворах, рассчитали значения энтальпий изучаемых реакций в водных растворах этанола переменного состава. При этом исходили из допущения, что изменение термодинамических параметров реакций при переходе от воды к водно-органическим смесям от ионной силы растворов зависит незначительно (${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$ = ΔtrНr). Соответственно, полученные величины энтальпий реакций диссоциации глицина и глицил-глицина в водных растворах этанола отнесены к той ионной силе, при которой определены тепловые эффекты реакций диссоциации в водном растворе. Основанием правомочности такого допущения служит сопоставление полученных при разных условиях энтальпий реакций диссоциации аминокислот и глицил-глицина, показывающее отсутствие заметной зависимости ΔНr от ионности среды в области низких значений ионной силы растворов (µ = = 0.0–0.3 М) (табл. 1).
Таблица 1.
ΔНr, кДж/моль | Условия | Источник |
---|---|---|
HG± ⇄ G– + H+ | ||
44.0 | μ → 0.0 | [16] |
43.3 | μ = 0.1 М (NaClO4) | [12] |
44.2 | μ = 0.3 М (NaClO4) | [17] |
β-HAla± ⇄ β-Ala– + H+ | ||
46.8 | μ → 0.0 | [18] |
47.5 | μ → 0.0 | [19] |
46.9 | μ → 0.0 | [20] |
46.1 | μ → 0.0 | [13] |
L-α-HPhe± ⇄ L-α-Phe– + H+ | ||
44.84 | μ → 0.0 | [14] |
45.56 | μ → 0.0 | [21] |
42.0 | μ → 0.0 | [18] |
43.1 | μ → 0.0 | [22] |
44.64 | μ = 0.1 М (КCl) | [23] |
44.6 | μ = 0.2 М (NaCl) | [24] |
HGG± ⇄ GG– + H+ | ||
43.4 | μ → 0.0 | [25] |
44.29 | μ → 0.0 | [26] |
42.93 | μ → 0.0 | [27] |
44.3 | μ = 0.1 М (NaClO4) | [15] |
44.3 | μ = 0.20 М (KCl) | [28] |
Экспериментальное определение тепловых эффектов реакции диссоциации глицина в водных и водно-этанольных растворах при ионной силе растворов 0.1 М (NaClO4) и температуре 298 К выполнено нами ранее на прецизионном ампульном калориметре с изотермической оболочкой, как описано в работе [12]. Экспериментальные значения энтальпии реакции диссоциации глицина в водно-этанольных смесях, отнесенные к нулевой ионной силе растворов и температуре 298 К, получены авторами [16]. Для процесса диссоциации β-аланина значения энтальпии при температуре 298 К и μ → 0.0 определены, исходя из температурной зависимости константы равновесия реакции, полученной потенциометрическим методом, и приведены в работе [13].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В водных растворах глицин, β-аланин, L-α-фенилаланин и глицил-глицин существуют в виде биполярных цвиттер-ионов, диссоциация которых идет по аминогруппе:
Процессы диссоциации аминокислот и пептида в водном растворе характеризуются высокими эндоэффектами (табл. 1), соизмеримыми с энтальпиями реакций диссоциации иона аммония [29] и протонированных аминов [30].
Наличие данных об энтальпиях переноса из воды в водно-этанольный растворитель глицина, β-аланина, L-α-фенилаланина и глицил-глицина и их анионов позволяет рассчитать величины изменения энтальпий реакций диссоциации указанных аминокислот и пептида в водных растворах этанола по уравнению (1), исходя из термодинамического цикла (w – вода, s – водно-этанольный растворитель):
Результаты расчета представлены в табл. 2. Расчетные величины энтальпии реакции диссоциации глицина в водных растворах этанола согласуются с нашими [12] и данными [16], полученными экспериментальным методом. Для реакции диссоциации β-аланина расчетные величины ΔНr также находятся в соответствии со значениями, определенными в работе [13] (табл. 2). Ранее с использованием термодинамического цикла в работе [18] были рассчитаны ΔНr диссоциации глицина в водно-диметилсульфоксидных смесях с хорошей сходимостью с экспериментальными значениями [31] в каждой точке составов растворителя.
Таблица 2.
Метод | 0.00 | 0.05 | 0.089 | 0.10 | 0.20 | 0.207 | 0.25 | 0.30 | 0.37 | 0.40 | 0.50 | 0.6 | µ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
HG± ⇄ G– + H+ | |||||||||||||
Расчет | 43.3 | 45.1 | 45.2 | 43.0 | 37.4 | 0.1М | |||||||
Эксперимент [12] | 43.3 | 46.1 | 47.1 | 44.3 | 41.3 | 40.9 | 0.1М | ||||||
Эксперимент [16] | 44.0 | 46.5 | 45.7 | 42.8 | 41.2 | → 0.0 | |||||||
β-HAla± ⇄ β-Ala– + H+ | |||||||||||||
Расчет | 46.1 | 49.5 | 48.6 | 42.6 | 38.4 | → 0.0 | |||||||
Эксперимент [13] | 46.1 | 48.0 | 40.8 | 32.2 | → 0.0 | ||||||||
L-α-HPhe± ⇄ L-α-Phe– + H+ | |||||||||||||
Расчет | 44.8 | 56.8 | 63.9 | 55.1 | 45.8 | 40.7 | 34.0 | 22.4 | → 0.0 | ||||
HGG± ⇄ GG– + H+ | |||||||||||||
Расчет | 44.3 | 46.3 | 45.7 | 43.6 | 44.1 | 0.1М |
Как следует из табл. 2, реакции диссоциации +NH3-группы аминокислот и глицил-глицина характеризуются практически равными тепловыми эффектами в водном растворе и изменяются симбатно с увеличением концентрации этанола. Зависимости ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$ = f(XEtOH) значительно отличаются от аналогичных зависимостей для других водно-органических смесей (рис. 1). Рассмотрение влияния природы водно-органического растворителя на ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$, исходя из сольватационного подхода [1], показывает, что изменение энтальпии реакции диссоциации аминокислот и пептидов зависит от изменения сольватационных характеристик как исходных цвиттер-ионов, так и продуктов диссоциации. В водных растворах диметилсульфоксида [17, 31] и диоксана [32] возрастание концентрации органического сорастворителя приводит к повышению эндотермичности реакций диссоциации (рис. 1) при росте отрицательного значения ΔtrН° протона [2], что указывает на значительное различие в энтальпиях переноса глицина (глицил-глицина) и их диссоциированных форм. В водных растворах мочевины для реакции диссоциации глицина значения ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$ [16] (рис. 1) и ΔtrН°(H+) [2] близки в изученной области составов растворителя, что свидетельствует о том, что ΔtrН° глицина компенсируется изменением энтальпии переноса глицинат-иона. В смесях воды с 2-изопропанолом изменение энтальпии реакции диссоциации глицина [33] (рис. 1) идет симбатно изменению значений энтальпии переноса протона [2]. В водно-этанольных растворах для реакций диссоциации глицина, β-аланина, L-α-фенилаланина и глицил-глицина изменение ${{\Delta }_{{{\text{tr}}}}}H_{{\text{r}}}^{^\circ }$ также по знаку совпадает с изменением ΔtrН°(H+) [2] (рис. 2). При этом энтальпии переноса цвиттер-ионов глицина, β-аланина, глицил-глицина и их анионов из воды в водно-этанольный растворитель при низких концентрациях спирта взаимокомпенсируют друг друга (рис. 2а, 2б, 2г). Большее различие в энтальпиях переноса цвиттер-ионной и анионной форм L-α-фенилаланина при низких концентрациях этанола в растворе определяет высокое экстремальное значение изменения энтальпии реакции диссоциации ароматической аминокислоты в этой области составов растворителя (рис. 2в).
Рассмотрение термохимических параметров кислотно-основных равновесий различных соединений в водно-этанольных растворах показало, что характер зависимости ΔtrНr = f(XEtOH), установленный для глицина, β-аланина, L-α-фенилаланина и глицил-глицина, присущ реакциям кислотной диссоциации независимо от типа диссоциируемой частицы. Наличие на зависимости эндотермического экстремума в области низких концентраций этанола в растворе и отрицательные значения ΔtrНr при высоком содержании EtOH наблюдаются как для реакции диссоциации иона аммония [29], так и процессов диссоциации карбоксильных групп, например, адипиновой кислоты [34], глициний-иона [35], β-аланиний-иона [13] (рис. 3). Аналогичное изменение ΔНr в водно-этанольных растворах отмечено при изучении процессов диссоциации диглицил-глицина [36] и протонированного этилендиамина [30], протекающих по протонированной аминогруппе, процессов диссоциации протонированной никотиновой кислоты [37] и протонированных L-α-аланина, L-α-валина, L-α-серина [38], которые протекают по карбоксильной группе, а также для реакции диссоциации цвиттер-иона никотиновой кислоты [39] и иона имидазолия [40], отщепление протона у которых происходит от протонированного азота пиридинового кольца.
Если изменение энтальпии процессов диссоциации в водно-этанольных смесях происходит однотипно для катионных и незаряженных кислот, то характер изменения энергии Гиббса этих процессов существенно отличается в зависимости от типа диссоциируемого соединения. Установлено, что с ростом концентрации органического компонента в растворе наблюдается линейный рост изменения энергии Гиббса реакций диссоциации карбоновых кислот, протонированных аминокислот и пептидов, которые протекают по карбоксильной группе [41–45 и др.]. Значения изменения энергии Гиббса реакций диссоциации протонированных аминов и аминогрупп цвиттер-ионов аминокислот и пептидов [30, 44–46 и др.] уменьшаются в области низких концентраций этанола в растворе и мало изменяются в дальнейшем повышении содержания EtOH. Причины различий в характере изменений энергии Гиббса реакций диссоциации различных соединений в смешанном растворителе можно рассмотреть, исходя из вкладов в изменение энергии Гиббса энтальпийной и энтропийной составляющих. Для реакций кислотной диссоциации по карбоксильной группе энтропийная составляющая процесса превалирует над энтальпийной [35, 38], и более значимое изменение энтропии компенсирует немонотонное изменение ΔHr от состава растворителя, определяя линейный характер изменения энергии Гиббса реакции в водно-органических растворителях. Основной вклад в изменение энергии Гиббса реакций кислотно-основных взаимодействий аминов вносит энтальпийная составляющая процесса [29, 30]. Расчет ΔGr и TΔSr для процессов диссоциации глицина и глицил-глицина для водно-этанольных смесей, исходя из констант равновесия [44, 45] и ΔHr, также показал (табл. 3), что вклад энтропийной составляющей в изменение энергии Гиббса реакций в растворителе вода–этанол незначителен. Значения констант равновесия и изменения энтальпии в водно-этанольном растворителе позволили авторам [13] выполнить расчет изменения энтропии процесса диссоциации β-аланина, также продемонстрировав незначительный вклад энтропийной составляющей в изменение энергии Гиббса реакции.
Таблица 3.
Параметр | 0.00 | 0.05 | 0.10 | 0.20 | 0.25 | 0.30 | 0.40 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 0.9 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
HG± ⇄ G– + H+ | |||||||||||
ΔGr | 54.5 | 53.4 | 52.8 | 52.0 | 51.4 | 51.6 | 51.1 | 51.4 | 50.1 | 50.9 | |
ΔHr | 43.3 | 46.1 | 47.1 | 44.3 | 41.3 | 40.9 | |||||
TΔSr | –11.2 | –7.3 | –5.7 | –7.7 | –10.1 | –10.7 | |||||
HGG± ⇄ GG– + H+ | |||||||||||
ΔGr | 46.3 | 45.7 | 44.7 | 43.9 | 43.6 | 43.4 | 42.6 | 42.7 | |||
ΔHr | 44.3 | 46.3 | 45.7 | 43.6 | 44.1 | ||||||
TΔSr | –2.0 | 0.6 | 1.0 | –0.3 | 0.5 |
Таким образом, расчет значений изменения энтальпии процессов диссоциации некоторых аминокислот и глицил-глицина в водно-этанольных растворах и сравнение полученных данных с имеющимися экспериментальными значениями, а также сопоставление результатов расчета и эксперимента в работе [31] для водно-диметилсульфоксидных растворов, демонстрируют, что при наличии надежных данных о термодинамических параметрах пересольватации участников равновесного процесса в водно-органических растворителях, можно не только качественно охарактеризовать влияние растворителя на изменение параметров реакции, но и получить расчетным способом данные с удовлетворительной погрешностью.
Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ (при поддержке Минобрнауки России, соглашение № 075-15-2021-671).
Список литературы
Шарнин В.А., Усачева Т.Р., Кузьмина И.А. и др. Комплексообразование в неводных средах: сольватационный подход к описанию роли растворителя / Под ред. В.А. Шарнина. М.: ЛЕНАНД, 2019. – 304 с.
Hefter G., Marcus Y., Waghorne W.E. // Chem. Rev. 2002. V. 102. P. 2773.
Михеев С.В., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84. № 2. С. 205.
Исаева В.А., Наумов В.В., Шарнин В.А. // Там же. 2016. Т. 90. № 5. С. 721.
Вандышев В.Н., Леденков С.Ф. // Журн. неорган. химии. 2011. Т. 56. № 10. С. 1754.
Вандышев В.Н., Леденков С.Ф. // Там же. 2013. Т. 58. № 12. С. 1685.
Spink C.H., Auker M. // J. Phys. Chem. 1970. T. 74. № 8. P. 1742.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2013. V. 565. P. 202.
Imran Sk., Hossain A., Mahali K. et al. // J. Mol. Liq. 2018. V. 265. P. 693.
Баделин В.Г., Смирнов В.И., Межевой И.Н. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 7. С. 1299.
Smirnov V.I., Badelin V.G. // Thermochim. Acta. 2008. V. 471. P. 97.
Гессе Ж.Ф., Исаева В.А., Репкин Г.И., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2012. Т. 86. № 1. С. 59.
Tsurco E.N., Kuchtenko Yu.S. // J. Mol. Liq. 2014. V. 198. P. 95.
Кочергина Л.А., Емельянов А.В., Крутова О.Н., Гарболетова Г.Г. // Журн. физ. химии. 2007. Т. 81. № 10. С. 1829.
Brunetti A., Lim M., Nancollas G. // J. Am. Chem. Soc. 1968. V. 90. P. 5120.
Gao H., Hu X., Lin R. // Thermochim. Acta. 2000. V. 346. P. 1.
Gesse Zh.F., Repkin G.I., Isaeva V.A., Sharnin V.A. // J. Therm. Anal. Calorim. 2012. V. 110. № 3. P. 1457.
Hamborg E.S., Niederer J.P.M., Versteeg G.F. // J. Chem. Eng. Data 2007. 52. № 6. P. 2491.
May M., Felsing W.A. // J. Am. Chem. Soc. 1951. V. 73. P. 406.
Boyd S., Brannan J.R., Dunsmore H.S., Nancollas G.H. // J. Chem. Eng. Data. 1967. V. 12. P. 601.
Rodante F. // Thermochim. Acta. 1989. V. 149. P. 157.
Izatt R.M., Wrathall J.W., Anderson K.P. // J. Phys. Chem. 1961. V. 5. № 10. P. 1914.
Christensen J.J., Izatt R.M., Wrarhall D.P., Hansen L.D. // J. Chem. Soc. (A). 1969. № 8. P. 1212.
Anderson K., Greenhalgh W., Butler E. // Inorg. Chem. 1967. V. 6. P. 1056.
Goldberg R., Kishore N., Lennen R. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2002. V. 31. P. 231.
Кочергина Л.А., Емельянов А.В., Горболетова Г.Г., Крутова О.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54. № 1. С. 78.
Rodante F., Fantauzzi F. // Thermochim. Acta. 1991. V. 176. P. 277.
Gergely A., Nagypal I. // J. Chem. Soc. Dalton Trans. 1977. P. 1104.
Невский А.В., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1984. Т. 27. № 2. С. 155.
Невский А.В., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Журн. физ. химии. 1987. Т. 61. № 9. С. 2544.
Исаева В.А., Шарнин В.А. // Там же. 2021. Т. 95. № 10. С. 1526.
Kuritsyn L.V., Kalinina N.V. // Russ. J. Phys. Chem. A. 1996. V. 70. № 2. P. 347.
Tsurco E.N., Shihova T.M., Bondarev N.V. // J. Mol. Liq. 2002. V. 96–97. P. 425.
El-Naggar G.A., El-Batouti M., Zaghloul A.A. // Portugal. Electrochim. Acta. 2000. V. 18. P. 71.
Исаева В.А., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 11. С. 1727.
Фам Тхи Л., Усачева Т.Р., Шарнин В.А. // Там же. 2016. Т. 90. № 12. С. 1816.
Куранова Н.Н., Душина С.В., Шарнин В.А. // Там же. 2010. Т. 84. № 5. С. 892.
Gang L., Ruisen L., Hanxing Z. // Acta Phys. Chim. Sinica. 2000. V. 16. № 2. P. 188.
Niazi M.S.K., Mollin J. // J. Chem. Eng. Data. 1994. V. 39. P. 830.
Корягин Ю.С., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Известия вузов. Химия и хим. технология. 1979. Т. 22. № 4. С. 500.
Исаева В.А., Шарнин В.А., Шорманов В.А. // Журн. физ. химии. 1997. Т. 71. № 8. С. 1371.
Тукумова Н.В., Алешин С.Н., Усачева Т.Р., Шарнин В.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. № 5. С. 41.
Тукумова Н.В., Тхуан Чан Тхи Зъеу, Усачева Т.Р., Шарнин В.А. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 12. С. 1988.
Исаева В.А., Шарнин В.А., Шорманов В.А., Баранова И.А. // Там же. 1996. Т. 70. № 8. С. 1421.
Наумов В.В., Исаева В.А., Шарнин В.А. // Журн. неорган. химии. 2011. Т. 56. № 7. С. 1208.
Невский А.В., Шорманов В.А., Крестов Г.А. // Журн. физ. химии. 1984. Т. 58. № 1. С. 97.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии