Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 8, стр. 1155-1158

Термодинамика ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина в водном растворе

А. И. Лыткин^a, В. В. Черников^a, О. Н. Крутова^a, *, П. Д. Крутов^a, Р. А. Романов^a

^a Ивановский государственный химико-технологический университет
Иваново, Россия

Поступила в редакцию 11.12.2021
После доработки 03.02.2022
Принята к публикации 04.02.2022

EDN: RTEHGW
DOI: 10.31857/S0044453722080131

Аннотация

Калориметрическим методом определены теплоты взаимодействия D,L-аланил-D,L-фенилаланина с растворами азотной кислоты и гидроксида калия при 298.15 К и значениях ионной силы раствора 0.5, 0.75 и 1.0 в присутствии KNO₃. Рассчитаны стандартные термодинамические характеристики (Δ_rH°, Δ_rG°, Δ_rS°) реакций кислотно-основного взаимодействия в водных растворах D,L-аланил-D,L-фенилаланина. Рассмотрено влияние концентрации фонового электролита на теплоты диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина. Проведен сравнительный анализ стандартных термодинамических характеристик ступенчатой диссоциации L-фенилаланина и D,L-аланил-D,L-фенилаланина с учетом современных представлений о структуре и физико-химических свойствах этих соединений и их растворов.

Ключевые слова: D,L-аланил-D,L-фенилаланин, пептиды, калориметрия, энтальпия, растворы

Кислотно-основные свойства D,L-аланил-D,L-фенилаланина (HL^±) вследствие его диполярности сильно зависят от рН среды. В водном растворе аланил-фенилаланин диссоциирует по следующей схеме:

(1)

${{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{L}}}^{ + }} = {\text{Н}}{{{\text{L}}}^{ \pm }} + {\text{H}},$

(2)

${\text{H}}{{{\text{L}}}^{ \pm }} = {{{\text{H}}}^{ + }} + {{{\text{L}}}^{ - }}.$

В литературе имеется большое количество данных по константам ионизации пептида [1–5] (табл. 1). Эти работы выполнены при различных значениях ионной силы, на фоне отличающихся по своей природе поддерживающих электролитов. Поэтому для сопоставления и анализа литературных данных необходимо для каждого значения ионной силы найти наиболее вероятные величины констант диссоциации. Полученные таким образом константы экстраполировали на нулевую ионную силу по методу наименьших квадратов с использованием уравнения с одним индивидуальным параметром [6]. Получили значения ${\text{p}}K_{1}^{0}$ = 2.98 ± 0.03, ${\text{p}}K_{2}^{0}$ = 8.13 ± 0.03, и вычислили ступенчатые константы ионизации пептида при фиксированных значениях ионной силы (I = 0.5, 0.75 и 1.0). Эти величины в дальнейшем были использованы для подбора оптимальных условий калориметрических измерений и расчета результатов.

Таблица 1.

Литературные данные о константах диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина (методы: потенциометрический (I) и калориметрический (II), I – ионная сила (КNO₃))

Метод	I, М	Т, K	рK₁	рK₂	Ссылка
I	0.1	298	3.24	7.92	[1]
I	0.1	308 318	3.67 3.60	8.18 7.85	[2]
I	0.1	273	3.15	8.77	[3]
II	0.1	298	3.14	7.93	[4]
I	0.5	293	3.33	7.94	[5]

Данные по теплотам ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина весьма немногочисленны, единственная работа [4], где авторы калориметрическим методом определяют величины $\Delta H_{1}^{0}$ = 0.21 кДж/моль и $\Delta H_{2}^{0}$ = = 42.97 кДж/моль при единственном значении температуры 298.15 К и ионной силы раствора 0.1 на фоне нитрата калия.

Цель настоящей работы – изучение влияния концентрации фонового электролита на тепловые эффекты диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланин методом прямой калориметрии, расчет стандартных термодинамических характеристик реакций кислотно-основного взаимодействия в растворах пептида.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали D,L-аланил-D,L-фенилаланин производства фирмы “РеаХим” без дальнейшей очистки. Для поддержания заданного значения ионной силы применяли нитрат калия, перекристаллизованный из реактива марки “ч”, (его растворы готовили по точной навеске). Бескарбонатный раствор KOH и раствор НNO₃ приготавливали из реактивов квалификации “х.ч.” по обычной методике. Измерения тепловых эффектов проводили на калориметре с изотермической оболочкой и автоматической записью кривой температура–время [7, 8].

Долевое распределение частиц H₂L⁺, HL^± и L^‒ при различных значениях рН среды (рис. 1) указывает на возможность независимого определения теплот диссоциации катиона и цвиттер-иона D,L-аланил-D,L-фенилаланина.

Рис. 1.

Диаграмма равновесия в водном растворе D,L-аланил-D,L-фенилаланина при Т = 298.15 К.

При определении теплового эффекта присоединения протона к карбоксильной группе D,L‑аланил-D,L-фенилаланина в качестве калориметрической жидкости использовался 0.01 М раствор пептида (рН_исх 3.50), а в ампулу соответственно помещали точную навеску раствора НNO₃ (с концентрацией 0.5903 моль/кг раствора). После смешения растворов величина рН была близка к 2.1. Экспериментальные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Тепловые эффекты взаимодействия 0.01 М раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с раствором НNО₃ (0.5903 моль/кг раствора) рН 3.5–2.1

I	m, г	Δ_mixH, Дж/моль	m, г	Δ_dilH, Дж/моль	α	Δ_disH, Дж/моль
0.5	0.5002 0.5002 0.5000	–549 –620 –529	0.5001 0.5002 0.5002	545 578 562	0.8333 0.8334 0.8332	1355 ± 120
0.5	0.5002 0.5002 0.5000	Δ_mixH_ср = –566 ± 120	0.5001 0.5002 0.5002	Δ_dilH_ср = 562 ± 120	0.8333 0.8334 0.8332	1355 ± 120
0.75	0.5007 0.5000 0.5003	–738 –799 –733	0.5006 0.5006 0.5004	632 654 627	0.8259 0.8256 0.8258	1689 ± 100
0.75	0.5007 0.5000 0.5003	Δ_mixH_ср = –756 ± 100	0.5006 0.5006 0.5004	Δ_dilH_ср = 638 ± 100	0.8259 0.8256 0.8258	1689 ± 100
1.0	0.5002 0.5001 0.5002	–964 –901 –913	0.5002 0.5003 0.5006	712 698 709	0.8262 0.8263 0.8264	1978 ± 120
1.0		Δ_mixH_ср = –927 ± 100		Δ_dilH_ср = 706 ± 120

Тепловой эффект процесса диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина по второй ступени в соответствии с диаграммой равновесий (рис. 1) изучали в интервале рН от 10.7 до 9.0. Для этого измеряли теплоты взаимодействия 0.01 М раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина, имеющего значение рН 10.7, с раствором НNO₃ (исходная концентрация 0.5903 моль/1000 г раствора). Навески растворов взвешивали на весах марки ВЛР-200 с точностью 2 × 10^–4 г. Полученные значения Δ_mixH и Δ_dilН приведены в табл. 3. Каждая серия опытов включала от 3 до 5 измерений. Для расчета доверительного интервала среднего значения критерий Стьюдента брали при доверительной вероятности 0.95.

Таблица 3.

Тепловые эффекты (Дж/моль) взаимодействия раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с 0.02 М растворами КОН при 298.15 К и рН 10.7–9.0

I	Навеска пептида	–Δ_mixH^Ι	Δ_dilH^Ι	–Δ_neutH	Δ_disH(HL^±)
0.5	0.5005 0.5001 0.5003	13 211 13 399 13 245	810 820 815	10 375 10 356 10 405	44 429 ± 340
0.5	0.5005 0.5001 0.5003	–Δ_mixH_ср = 13 286 ± 260	–Δ_dilH_ср = 815 ± 120	–Δ_neutH_ср = 12 471 ± 260	44 429 ± 340
0.75	0.5002 0.5003 0.4998	12 751 12 845 12 900	1045 1011 1025	9824 9839 9811	44 994 ± 300
0.75	0.5002 0.5003 0.4998	–Δ_mixH_ср = 12 831 ± 210	–Δ_dilH_ср = 1027 ± 100	–Δ_neutH_ср = 11 806 ± 220	44 994 ± 300
1.0	0.5003 0.5000 0.4997	13 096 13 089 13 061	2053 2112 2200	9436 9420 9359	45 759 ± 310
1.0	0.5003 0.5000 0.4997	–Δ_mixH_ср = 13 081 ± 200	–Δ_dilH_ср = 2121 ± 120	–Δ_neutH_ср = 10 961 ± 220	45 759 ± 310

Измерения теплот смешения проводили при значениях ионной силы раствора 0.50, 0.75 и 1.00 и температуре 298.15 К. В тех же концентрационных и температурных условиях измеряли теплоты разведения азотной кислоты в растворе фонового электролита.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Изменение энтальпии в процессе диссоциации карбоксильной группы D,L-аланил-D,L-фенилаланина Δ_disН(H₂L⁺) находили по уравнению:

(3)

${{\Delta }_{{{\text{dis}}}}}H({{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{{{\text{L}}}^{ + }}) = --({{\Delta }_{{{\text{mix}}}}}Н--{{\Delta }_{{{\text{dil}}}}}H){\text{/}}\alpha ,$

где Δ_mixН – тепловой эффект взаимодействия раствора НNO₃ с 0.01 М раствором пептида в интервале рН от 3.5 до 2.1; Δ_dilH – изменение энтальпии в процессе разведения раствора НNO₃ в растворе поддерживающего электролита; α – полнота реакции протонирования частицы HL^±.

Равновесный состав растворов до и после калориметрического опыта рассчитывали с использованием универсальной программы КЕV [9]. Тепловые эффекты диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина по первой ступени при различных значениях ионной силы приведены в табл. 2.

Процесс нейтрализации водного раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина можно представить уравнением:

(4)

${\text{H}}{{{\text{L}}}^{ \pm }} + {\text{O}}{{{\text{H}}}^{--}} \leftrightarrow {{{\text{L}}}^{ - }} + {{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}.$

Тепловой эффект диссоциации бетаинового протона D,L-аланил-D,L-фенилаланина (${{\Delta }_{{{\text{dis}}}}}{{H}_{{{\text{H}}{{{\text{L}}}^{ \pm }}}}}$) рассчитывали по уравнению:

(5)

${{\Delta }_{{{\text{neut}}}}}H = ({{\Delta }_{{{\text{mix}}}}}{{H}^{1}}--{{\Delta }_{{{\text{dil}}}}}{{H}^{1}}){\text{/}}{{\alpha }_{2}},$

(6)

${{\Delta }_{{{\text{dis}}}}}{{H}_{{{\text{H}}{{{\text{L}}}^{ \pm }}}}} = {{\Delta }_{{{\text{neut}}}}}H--\Delta {{H}_{{\text{w}}}},$

где Δ_mixH¹ – тепловой эффект смешения раствора пептида с раствором КОН; Δ_dilH¹ – тепловой эффект разведения раствора пептида в растворе фонового электролита; α₂ – полнота протекания процесса (4) 99.9%; ΔH_w – теплота нейтрализации сильной кислоты сильным основанием на фоне поддерживающего электролита.

Величина ΔH_w была взята из работы [10] для фонового электролита, использовавшегося в нашей работе. Найденные тепловые эффекты диссоциации пептида приведены в табл. 3. Погрешность определена как стандартное отклонение средней величины из трех–четырех параллельных опытов.

Энтальпии ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина при нулевой ионной силе находили по уравнению с одним индивидуальным параметром [6]:

(7)

$\Delta Н--\Delta {{Z}^{2}}Y(I) \equiv \Delta Н^\circ + bI,$

где ΔН и ΔН° – изменение энтальпии при конечном значении ионной силы и при I = 0, соответственно; Ψ(I) – функция ионной силы, вычисленная теоретически; ΔZ² – разность квадратов зарядов продуктов реакции и исходных компонентов; b – эмпирический коэффициент.

Точки в координатах [ΔН – ΔZ²Ψ(I)] – I удовлетворительно укладываются на прямые, которые отсекают на оси ординат тепловые эффекты диссоциации пептида по второй ступени при нулевой ионной силе раствора. Оптимальные положения прямых найдены по МНК.

Стандартные термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина представлены в табл. 4.

Таблица 4.

Стандартные термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина

Процесс	Т, K	рK°	Δ_rН°, кДж/моль	Δ_rG°, кДж/моль	–Δ_rS°, кДж/(моль K)
Н₂L⁺ = НL^± + H⁺	298.15	2.98 ± 0.03	0.75 ± 0.24	17.01 ± 0.10	54.5 ± 1.0
НL^± = L^– + H⁺	298.15	8.13 ± 0.03	42.51 ± 0.40	46.41 ± 0.10	13.1 ± 1.4

Анализ полученных и литературных данных показал, что энтальпия диссоциации частицы Н₂L⁺ хорошо согласуется с результатами работы [4], в которой использовался метод прямой калориметрии при температуре 298.15 К, а вот данные для энтальпии диссоциации частицы НL^± отличаются более, чем на 1 кДж.

Поскольку особенности строения исследуемого пептида наиболее четко проявляются в энтропийных характеристиках, интересно сопоставить изменение энтропии в процессах диссоциации карбоновой кислоты (например, пропионовой) и карбоксильной группы соответствующей алифатической аминокислоты (α-аланина) и ароматической производной α-аланина (L-фенилаланина) и дипептида (D,L-аланил-D,L-фенилаланина) [11–13]. Можно отметить, что различие в Δ_rS° диссоциации цвиттер-иона и нейтральной кислоты, по-видимому, связано с различным вкладом гидратационных равновесий. Цвиттер-ионы, обладающие широко разделенными зарядами, связывают большее количество молекул воды, чем нейтральная кислота. Когда такой цвиттер-ион диссоциирует с отщеплением протона, изменение в количестве “связанной воды” много меньше, чем при диссоциации нейтральных молекул кислоты. В связи с этим становится понятным, что величина ${{\Delta }_{{\text{r}}}}S_{1}^{^\circ }$ при ионизации цвиттер-иона ароматического производного аминокислоты составляет Δ_rS° (D,L-Рhe–D,L-Аlа) = –29.5 Дж/(моль К), а для алифатической аминокислоты Δ_rS°(α-Аlа) = = –40.4 Дж/(моль К) [11]. Неудивительна и наибольшая в этом ряду соединений величина Δ_rS°(СН₃СН₂СООН) = –96.1 Дж/(моль К) для ионизации пропионовой кислоты [12, 13], и наименьшая для дипептида Δ_rS° (АlаРheАlа) = = –13.1 Дж/(моль К).

Для аланил-фенилаланина характерно более отрицательное значение ${{\Delta }_{{\text{r}}}}S_{2}^{^\circ }$, чем для L-фенилаланина или α-аланина. Это связано с образованием в результате кислотной диссоциации дипептида цвиттер-иона, у которого карбоксильная и аминогруппы расположены на более значительном расстоянии. Ослабление действия индукционного эффекта при переходе от α-аланина к L-фенилаланину и к D,L-аланил-D,L-фенилаланину ведет к ослаблению азот-водородной связи в последнем и, как следствие, заряженная амино-группа пептида может связывать гораздо больше молекул воды, чем аминогруппа в соответствующих аминокислотах.

Работа выполнена в НИИ Термодинамики и кинетики химических процессов Ивановского государственного химико-технологического университета в рамках государственного задания (базовая часть) проект № FZZW-2020-0009. Исследование проводилось с использованием ресурсов Центра совместного использования научного оборудования ISUCT (при поддержке Министерства науки и высшего образования России, грант № 075-15-2021-671).

Список литературы

Reddy P., Nightingale K. // Indian J. Chem. 2000. V. 39A. P. 1024.
Reddy P., Nightingale K. // Indian J. Chem. 2000. V. 39A. P. 1157.
Kufelnicki A. // Pol. J. Chem. 1992. V. 66. P. 1077.
Bonomo R., Cali R., Cucinotta V. // Inog. Chem. 1986. V. 25. P. 1641.
Impellizzeri G., Bonomo R., Cali R. // Thermochim. Acta. 1984. V. 80. P. 275.
Васильев В.П. Термодинамические свойства растворов электролитов. М.: Наука, 1982. С. 262.
Lytkin A.I., Barannikov V.P., Badelin V.G., Krutova O.N. // J. Thermal Analysis and Calorimetry. 2020. V. 139. P. 3683.
Лыткин А.И., Черников В.В., Крутова О.Н., Смирнова Д.К. // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93. № 9. С. 1338.
Meshkov A.N., Gamov G.A. // Talanta. 2019. V. 198. P. 200.
Васильев В.П., Шеханова Л.Д. // Журн. неорган. химии. 1974. Т. 19. № 11. С. 2969.
Васильев В.П., Кочергина Л.А., Гаравин В.Ю. // Журн. общ. химии. 1992. Т. 62. № 1. С. 213.
Васильев В.П., Кочергина Л.А. // Там же. 1979. Т. 49. № 9. С. 2042.
Кочергина Л.А., Емельянов А.В., Крутова О.Н. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т. 54 № 2. С. 95.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал

Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 8, стр. 1155-1158

Термодинамика ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина в водном растворе

(1)

(2)

Таблица 1.

Литературные данные о константах диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина (методы: потенциометрический (I) и калориметрический (II), I – ионная сила (КNO₃))

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Рис. 1.

Таблица 2.

Тепловые эффекты взаимодействия 0.01 М раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с раствором НNО₃ (0.5903 моль/кг раствора) рН 3.5–2.1

Таблица 3.

Тепловые эффекты (Дж/моль) взаимодействия раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с 0.02 М растворами КОН при 298.15 К и рН 10.7–9.0

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Таблица 4.

Стандартные термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина

Свяжитесь с нами

Время работы

Журнал физической химии, 2022, T. 96, № 8, стр. 1155-1158

Термодинамика ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина в водном растворе

(1)

(2)

Таблица 1.

Литературные данные о константах диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина (методы: потенциометрический (I) и калориметрический (II), I – ионная сила (КNO3))

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Рис. 1.

Таблица 2.

Тепловые эффекты взаимодействия 0.01 М раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с раствором НNО3 (0.5903 моль/кг раствора) рН 3.5–2.1

Таблица 3.

Тепловые эффекты (Дж/моль) взаимодействия раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с 0.02 М растворами КОН при 298.15 К и рН 10.7–9.0

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Таблица 4.

Стандартные термодинамические характеристики процессов ступенчатой диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина

Свяжитесь с нами

Время работы

Литературные данные о константах диссоциации D,L-аланил-D,L-фенилаланина (методы: потенциометрический (I) и калориметрический (II), I – ионная сила (КNO₃))

Тепловые эффекты взаимодействия 0.01 М раствора D,L-аланил-D,L-фенилаланина с раствором НNО₃ (0.5903 моль/кг раствора) рН 3.5–2.1