Гидрофобные эффекты в термодинамических свойствах многокомпонентных жидкофазных систем тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

□□3494163

Кустов Андрей Владимирович

ГИДРОФОБНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКОФАЗНЫХ СИСТЕМ

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

ИВАНОВО-2010

2 5 МЛ? ?91Г!

003494163

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте химии растворов РАН

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

доктор химических наук, старший научный сотрудник

Родникова Маргарита Николаевна Сергиевский Валерий Владимирович

Киселев Михаил Григорьевич

Нелу тая орган и мни и

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образованш' Саратовский государственный университет

'Зашита сосюится « 25 » марта 2010 г. в 14 часов на заседании совета по зашите докто,->-скл\ и кандидатских днссеркщий Л 002.106.01 при Учреждении Российской академии наук Институте химии растворов РАН по адресу 15.104.5, г. Иваново, ул. Академическая д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института химии растворов РАН.

Авюреферат разослан « /У» _2010 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

Актина Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Явления гидрофобной гидратации и гидрофобного взаимодействия играют определяющую роль в протекании множества жизненно- и технологически важных процессов. Их спектр настолько широк, что рассматривая наиболее важные для химии растворов, мы неизбежно рискуем оставить без внимания ключевые процессы молекулярной биологии или, скажем, технологии подготовки сырья. Считается, что образование газовых гидратов, конформации макромолекул в водных растворах, агрегация амфифилов, образование мицелл и двухслойных мембран в значительной степени определяются гидрофобными эффектами (ГЭ). Перечисленные выше явления в научном сообществе рассматриваются как важнейшие факторы, оказавшие решающее влияние на зарождение жизни на Земле (Origins Life Evol. Biosphere. 1995. Vol. 25. P. 21). Поскольку процессы с участием биологически активных веществ протекают преимущественно в многокомпонентных растворах, а взаимодействующие частицы в большинстве своем гетерофункциональны или несут заряд, то понятно, что исследование молекулярной природы гидрофобных эффектов оказывается неотделимым от понимания особенностей гидрофильной гидратации и взаимодействия между полярными молекулами и ионами. Несмотря на существенный прогресс вычислительной техники, позволяющий проводить достаточно корректные квантово-химические и молекулярно-статистические расчеты воды и водных растворов, адекватное описание всей совокупности экспериментальных свойств подобных систем представляет пока неразрешимую задачу.

В этой связи систематические термодинамические исследования многокомпонентных водосодержащих систем в широком интервале параметров состояния имеют существенное значение для понимания и количественного описания гидрофобных эффектов. Однако, несмотря на интенсивное изучение подобных объектов, многие вопросы остаются без ответа, что в значительной степени связано с отсутствием необходимых экспериментальных данных. Действительно, подавляющее число исследований проводилось и проводится при стандартной температуре 298 К и, таким образом, температурные зависимости термодинамических свойств и параметров межчастичных взаимодействий остаются неизученными. Очевидно, что значительная часть информации при этом исключается из рассмотрения, поскольку хорошо известно, что гидрофобная гидратация сильно зависит от температуры, а гидрофильная нет. Кроме того, исследования, проводимые лишь при стандартной температуре, оставляют открытым вопрос о том, корректно ли использовать при анализе биохимических процессов, протекающих около 310 К, результаты, полученные при 298 К. Особую актуальность в этом плане представляет изучение поведения биологически активных объектов в водных растворах неэлектролитов, оказывающих денатурирующее действие на глобулярные белки и выяснение роли гидрофобных эффектов в молекулярном механизме денатурации.

Теоретические и экспериментальные исследования (см., например, Nature (London). 2005. Vol. 437. P. 640; Ibid. 2007. Vol. 445. P. 831) указывают, что поведение неполярных объектов малого и большого размера в воде принципиально различается. Если неболь-

3

шие гидрофобные частицы могут быть размещены в пустотах сетки Н-связей воды без существенного нарушения структуры последней, то при гидратации больших неполярных молекул вследствие драматического разрушения сетки происходит коллективное уменьшение численной плотности молекул воды в непосредственной близости от протяженной гидрофобной поверхности. Это и приводит к тому, что при взаимодействии двух гидрофобных объектов большого размера происходит скачкообразное уменьшение расстояния между ними, приводящее к коллапсу. Таким образом, теория указывает на существенные отличия термодинамических и структурных свойств растворов неполярных частиц малого и большого размера. Однако экспериментальная проверка этих явлений на реальных объектах сопряжена со значительными экспериментальными сложностями вследствие крайне малой растворимости неполярных веществ, поэтому в литературе имеется всего несколько экспериментальных свидетельств дестабилизации структуры воды вблизи протяженной гидрофобной поверхности (Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 2006. Vol. 103. P. 18401; Phys. Rev. Lett 2006. Vol. 97. P. 266101). В этой связи исследование термодинамических свойств водных растворов гомологического ряда достаточно хорошо растворимых, но вместе с тем обнаруживающих типично гидрофобное поведение симметричных тетраалкиламмониевых солей, позволяет получить хотя и косвенную, но весьма ценную информацию о зависимости гидрофобной гидратации и гидрофобного взаимодействия от размера неполярных объектов и температуры.

Настоящая работа затрагивает различные аспекты перечисленных выше явлений, уделяя основное внимание сравнительному анализу термодинамических характеристик растворов и параметров парных взаимодействий как в случае типично гидрофильных, так и преимущественно гидрофобных объектов, и, устанавливая, где это возможно, взаимосвязь экспериментально измеряемых величин с микросвойствами исследуемых систем. Практически важным аспектом работы является демонстрация возможности клинического использования как гидрофобных, так и гидрофильных взаимодействий применительно к задаче улучшения качества малоинвазивной терапии мочекаменной болезни.

Диссертационная работа выполнена в Объединенном физико-химическом центре растворов ИХР РАН в соответствии с Основными направлениями фундаментальных исследований РАН в рамках планов НИР ИХР РАН (N гос. регистрации 01960 004084, 01200 103067, 01200 103071, 01200 602029). Проведенные исследования поддержаны грантами РФФИ (Проекты 02-03-32520-а, 03-03-32582 (MAC), 05-03-96401-р-центр-а, 06-03-96320-р-центр-а и, частично, 06-03-32169-а и 08-03-12053-офи), Минобразования (Проект А 03-2.11-184), Программой Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» 2005 П-11 и Фондом содействия отечественной науке 2006-2007.

Цель работы состояла в установлении закономерностей влияния гидрофобных эффектов на поведение многокомпонентных электролитных и неэлектролитных систем в широком интервале концентраций и температур, включая биологически активные соединения, а также экспериментальному исследованию зависимости гидрофобного взаи-

4

модействия и гидрофобной гидратации от размера взаимодействующих объектов. В связи с этим определились основные задачи исследования:

- экспериментально исследовать термодинамические свойства растворов модельных гидрофобных веществ - тетраалкиламмониевых солей, биологически активных объектов

- ароматических и алифатических аминокислот, бензола и его монофункциональных производных, спиртов и эфиров в воде и водно-неэлектролитных системах в широком интервале концентраций и температур. Установить взаимосвязь термодинамических свойств растворов со строением молекул растворенных веществ и свойствами смешанных растворителей, исследовать возможность количественного предсказания поведения гидрофобных объектов в многокомпонентных электролитных и неэлектролитных системах;

- в рамках формально строгой теории растворов МакМиллана-Майера определить параметры парных взаимодействий неэлектролит-неэлектролит и неэлектролит-электролит в исследуемых системах, установить их зависимость от гидрофобности и гидрофильности взаимодействующих объектов, размера частиц и температуры;

- исследовать влияние гидрофобных эффектов на особенности формирования и разрушения органо-неорганических конкрементов в модельных многокомпонентных биологически активных средах.

Достоверность полученных в работе результатов базируется на:

- полученных с высокой точностью экспериментальных данных, их критическом анализе с учетом методов математической статистики и соответствии наиболее надежным из известных литературных результатов;

- согласованности выводов с результатами, полученными в рамках других экспериментальных и теоретических подходов, включая методы компьютерного моделирования растворов.

Научная новизна. В работе впервые проведены обширные экспериментальные исследования термодинамических свойств многокомпонентных электролитных и неэлектролитных водосодержащих систем в широком температурном интервале, включая растворы биологически активных соединений, и получены принципиально новые сведения об особенностях влияния гидрофобной гидратации и гидрофобного взаимодействия на поведение исследуемых объектов. Обнаружено, что парное взаимодействие между двумя гидрофобными веществами проявляется уже в очень разбавленных растворах, а число затрагиваемых при этом молекул воды существенно больше их суммы в первой и второй сферах гидратации. Установлены зависимости термодинамических характеристик растворов и параметров взаимодействий от размера гидрофобных объектов и температуры. Получено подтверждение предсказаний теории Люма-Чандлера-Уикса (Nature (London). 2005. Vol. 437. P. 640) о различных механизмах гидратации и взаимодействия в растворах неполярных частиц малого и большого размера. Впервые обнаружено определяющее влияние гидрофильных эффектов на температурные изменения энергетики парного взаимодействия неэлектролит-неэлектролит и неэлектролит-электролит. Показано, что

5

денатурирующее действие мочевины на глобулярные белки связано не только с тем, что она ослабляет гидрофобное взаимодействие между неполярными фрагментами полипептидных цепей, но также с ее способностью эффективно взаимодействовать с полярными и заряженным группами макромолекул. Предложен и апробирован метод расчета эн-тальпийных характеристик растворов электролитов и неэлектролитов в смешанных растворителях. Продемонстрированы хорошие предсказательные возможности модели и дано объяснение появлению максимумов на зависимостях энтальпий сольватации гидрофобных объектов от состава водно-органических смесей.

Установлена важная роль гидрофобных эффектов в протекании процессов формирования и разрушения органо-неорганических композитов биологического происхождения. Показано, что калориметрия оказывается чрезвычайно чувствительным индикатором образования в растворе СаС204 Т1. Предложены новые пути повышения эффективности консервативной терапии мочекаменной болезни.

Практическая значимость. Полученные результаты развивают существующие представления о молекулярной природе гидрофобных эффектов и позволяют глубже понять механизм протекающих процессов. Высокая точность экспериментальных данных позволяет использовать их как справочный материал. Температурные зависимости величин растворимости исследуемых объектов, термодинамических свойств растворов и параметров взаимодействий дают возможность предсказывать поведение большого числа веществ в не изученном температурном интервале. Данные по ингибированию образования СаС204 ,„ и величинам растворимости органо-неорганических конкрементов в многокомпонентных водных растворах комплексообразующих агентов и поверхностно-активных веществ использованы для создания литолитических композиций с целью улучшения качества консервативного лечения уролитиаза.

Личный вклад автора состоит в постановке задач и выборе методов исследования, реализации способов их решения, анализе и обобщении экспериментальных данных, полученных как непосредственно автором, так и в соавторстве при выполнении под его руководством работ в рамках проектов РФФИ, Минобразования, Программы Президиума РАН, магистерских и кандидатских диссертаций. Во всех выполненных в соавторстве публикациях, отражающих содержание работы, основные идеи, постановка задач и их выполнение являются вкладом соискателя.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: VI -X Международных конференциях «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах»: Иваново, Плес, Суздаль, 1995-2007; XIX-XXIII Международных Чугаевских конференциях по координационной химии: Иваново, Киев, Кишинев, Одесса, 1999-2007; XIV- XVI Международных конференциях по химической термодинамике в России: Санкт-Петербург, Москва, Суздаль, Казань, 2003-2009; 20"1 International conference on chemical thermodynamics, 2008, Warsaw; XIII, XIV Симпозиумах по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул: Санкт-Петербург, Челябинск, 2006-2008; Международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации»: Иваново, 2000;

6

I, И-Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы химии и химической технологии»: Иваново, 1997, 1999; Всероссийском симпозиуме «Эффекты среды и процессы комплексообразования в растворах»: Красноярск, 2006; Всероссийском научном симпозиуме по термохимии и калориметрии: Нижний Новгород, 2004; Международной конференции «Физико-химический анализ жидкофазных систем»: Саратов, 2003; Международных конференциях аспирантов и студентов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2000», «Ломоносов 2005»: Москва, 2000,2005; III Конференции молодых ученых ИХР РАН «Крестовские чтения»: Иваново, 2004.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 41 статье в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, а также тезисах 50 докладов на конференциях различного уровня.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из предисловия, 6 глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 345 наименований и приложения. Диссертация изложена на 319 страницах, содержит 18 таблиц, 78 рисунков и 91 уравнение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ГЛАВЕ I рассмотрены различные аспекты теории межмолекулярных взаимодействий, приведена их классификация, изложены некоторые проблемы их адекватного описания. Указано на важную роль сил отталкивания в формировании структурных и динамических характеристик жидкостей и растворов. Сделаны вводные замечания о структуре жидкофазных систем, приведены статистические соотношения, связывающие их термодинамические и структурные их характеристики. Кратко рассмотрены особенности описания структуры на языке функций радиального распределения (ФРР). Отмечено, что структурой целесообразно считать, прежде всего, такую характеристику взаимного расположения частиц, зная которую, можно рассчитать макроскопические свойства системы. Рассмотрены некоторые особенности строения жидкой воды и отмечена возможность выделения в ней двух типов пространственной координации молекул, отличающихся по структурно-энергетическим характеристикам.

В ГЛАВЕ 2, состоящей из двух разделов, рассмотрены фундаментальные термодинамические соотношения, нашедшие широкое применение в химии растворов. Отмечено, что измеряемые на опыте величины являются определенными интегралами от функции (или ее температурной производной), осциллирующей на большом интервале расстояний. Следовательно, зная лишь величину определенного интеграла, сложно что-то определенное сказать о поведении подынтегральной функции (ФРР), а, следовательно, и о структуре раствора. Вместе с тем, путем сторонних рассуждений, сравнивая поведение различных объектов, можно связать изменение термодинамических свойств растворов с нашими представлениями о влиянии на них конкретных структурных особенностей жидкофазных систем.

Далее приведены формулы для расчета термодинамических функций растворения, сольватации и переноса. Изложен «термохимический» метод расчета термодинамических функций растворов в широком температурном интервале (Крестов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах. Л.: Химия. 1984. С. 207). В последнем разделе подробно рассмотрена теория растворов МакМиллана-Майера и получаемые на ее основе результаты. Установлена количественная взаимосвязь коэффициентов вириальных разложений с микросвойствами исследуемых систем и показано, что теория МакМилла-на-Майера дает строгую молекулярно-статистическую интерпретацию параметров разложения термодинамических функций предельно разбавленного раствора. Приведены формулы для расчета параметров взаимодействия между частицами одного (А-А) и разных (А-В) сортов, определяемых на основе различных термодинамических свойств, и отмечено, что рассчитываемые из опытных данных параметры >'АА, отражают не просто факт взаимодействия двух сольватированных частиц в среде растворителя S, а представляет собой разницу между парным взаимодействием А-А и взаимодействием каждой из них с одной молекулой растворителя A-S в среде чистого S. Это и является причиной того, что рассчитываемые в системе Льюиса-Рендалла параметры для свободной энергии £аа и определяемые в системе МакМиллана-Майера вторые вириальные коэффициенты ВАА зачастую имеют разные знаки, что не позволяет на основании величин gAA однозначно судить о том, силы притяжения или отталкивания доминируют между взаимодействующими частицами. Отмечено, что, в свою очередь, энтальпийные (ЛАa. hAB) и те-плоемкостные (с-р да. ср ав) параметры взаимодействия дают адекватное представление о характере взаимодействия исследуемых объектов.

В ГЛАВЕ 3 проведен анализ фундаментальных работ, посвященных теоретическому и экспериментальному исследованию гидрофобных эффектов. В разделе 3.1 критически рассмотрены существующие модельные представления о механизме гидрофобной гидратации (IT) и отмечено, что обилие используемых моделей и разноголосица мнений относительно молекулярной природы ГГ оставляют большую свободу для различных спекуляций при интерпретации экспериментальных свойств растворов как гидрофобных, так и, особенно, гетерофункциональных молекул и ионов. Отмечено, что ни нейтроно-графические исследования, ни последние результаты компьютерного моделирования не показывают существенного упрочнения структуры воды в гидратных сферах гидрофобных веществ, если под ней понимать то, что показывают ФРР. Сделан вывод, что внедрение неполярных частиц умеренного размера в воду не приводит ни к увеличению числа Н-связей между молекулами воды в гидратной сфере, ни к их значительному усилению. Однако ориентационная упорядоченность воды вокруг гидрофобных молекул и ионов действительно имеет место вследствие увеличения в гидратной сфере числа молекул растворителя, связанных линейными и короткими Н-связями с <гоо> <3.1 Â и 0ц <38 0 (где <гоо> среднее расстояние кислород-кислород между парой Н-связанных молекул, 6>н - наименьший угол между атомами НОО) и, одновременно, уменьшения числа нелинейных и вытянутых водородных связей с <гоо> >3.1 А и 0н >38 0 (J. Amer. Chem.

8

Soc. 2003. Vol. 125. N. 32. P. 9853). Данное явление слабо отражается на ФРР воды, но количественно определяет рост теплоемкости вследствие увеличения флуктуации энергии для большого числа молекул в гидратной сфере. Это и является причиной положительных значений теплоемкости гидратации неполярных А (ДГидрС°р » 0), величины которых обнаруживают линейную корреляцию с относительным избытком (AN) линейных и коротких Н-связей вода-вода в гидратной сфере. Отмечено, что полярные группы, образующие сильные Н-связи с водой, также вызывают локальное увеличение упорядоченности во взаимном расположении молекул растворителя. Однако возникающая при этом геометрия отличается от преобладающей в жидкой воде (растет доля молекул с <гоо> >3.1 À и &н >38 °), результатом чего являются отрицательные значения теплоем-костей гидратации (ДГИДрС°р<0).

В разделе 3.2 подробно рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию гидрофобного взаимодействия (ГВ) в растворах неполярных и гетерофункциональных объектов. Отмечено, что, во-первых, парное ГВ сопровождается положительными изменениями энтальпии и энтропии, и отрицательным изменением свободной энергии, причем с ростом температуры и размера неполярного А ГВ усиливается. Во-вторых, несмотря на более глубокий минимум потенциала средней силы (ПСС) взаимодействия в случае контактных молекулярных пар, вероятность появления сольваторазделенных конфигураций значительно выше, то есть две неполярные частицы умеренного размера в разбавленном водном растворе предпочтительно разделены, по крайней мере, одной молекулой воды.

Раздел 3.3 посвящен анализу критериев сравнительной гидрофобности. Ю.М. Кесс-лером (Кесслер Ю.М., Зайцев A.JI. Сольвофобные эффекты. Теория, эксперимент, практика. Л.: Химия. 1989. 312 с.) была обоснована и предложена количественная мера гидрофобности неэлектролитов, основанная на сравнении величин производной второго ви-риального коэффициента по давлению dB^jJdP. Однако экспериментальное определение как самих параметров ВАа. так и, особенно, их производных по Т и Р сопряжено со значительными экспериментальными трудностями, что требует поиска более простых критериев гидрофобности. Очевидно, что суммарная гидрофобность определяется числом неполярных групп - чем больше последних в составе молекулы, тем, при прочих равных условиях, выше и гидрофобность. На рис. 1а приведены зависимости энтальпийных параметров парного взаимодействия NH4Br и R4NBr с гексаметилфосфортриамидом (ГМФТ), mpem-бутанолом (r-BuOH), диметилформамидом (ДМФ) и формамидом (ФА). Как видно, увеличение размера катиона приводит к заметному росту значений параметров взаимодействия. Следовательно, величины /1дд четко коррелируют с ростом гидрофобности органического катиона: чем больше размер углеводородного радикала, тем эн-дотермичнее взаимодействие и, наоборот. При этом оказывается не существенным - с гидрофобным ГМФТ или гидрофильным ФА взаимодействует катион. Этого нельзя сказать про параметры ср дв, приведенные на рис. 1 б. Как видно, изменение теплоемкости в процессе парного взаимодействия как NH4Br, так и R4NBr с ГМФТ оказывается отрица-

9

тельным и довольно слабо зависящим от природы катиона. Это удивительно, поскольку МН4Вг является типично гидрофильным объектом, в то время как и Ви^Вг пре-

имущественно гидрофобны, причем последнее соединение содержит на восемь метиле-новых групп больше. Отсюда понятно, что величины ср дв слабо отражают ГВ.

12000-1

10000

5

| 8000-

* 6000' *

' 4000

2000

ГМФТ

ВиОН

Е^ЫВг Ме^Вг NH.Br о

Рг.ЫВг

ДМФ

100 200 М , г/моль

300

15-,

10-

Г—Ч 5-

«

0-

ц

о -5-

•— -10-

и

К -15-

*

ь* -20-

О] -25-

<

-30-

-35-

-40-

ФА

NH.Br

ЕШВг

Ви.МВг

50 100 150 200 М , г/моль

250

Рис. I. Зависимости онтачьпийных (а) и теплоемкостных (б) параметров парного взаимодействия бромидов аммония и тетраатпатюния с неолектролитами в воде при 298 К от молярной массы катиона. Погрешности здесь и далее выражены в виде стандартных отклонений.

Теперь логично установить взаимосвязь между параметрами /¡дв (неэлектролит-электролит), Лдд (неэлектролит-неэлектролит) и степенью гидрофобности А, для количественной характеристики которой будем использовать значения сШ^ШР. Приведенные на рис. 2 а, б результаты позволяют сделать два важных вывода. Во-первых, линейная корреляция действительно существует, и, если отбросить г-ВиОН и ДМСО, то для амидов она улучшится. Во-вторых, корреляция для величин Лав заметно лучше, чем для параметров ЛАд. Вместе с тем понятно, что вклады в величины параметров взаимодействия /¡ав дают как катион, так и анион, причем влияние последнего может ухудшать корреляцию. Использование разности величин ЛАВ (¡Зи4ЫВг) - /¡АВ (Е14МВг) позволяет элиминировать влияние катиона. Очевидно, что в первом приближении она может рассматриваться как вклад восьми метиленовых групп в величину параметра взаимодействия. Представленная на рис. 26 зависимость, показывает, что корреляция действительно улучшается. Это свидетельствует в пользу того, что взаимодействие А-Вг" в исследуемом ряду действительно несколько различается, однако не меньшее влияние на величины ЛАВ могут оказывать и вклады полярных групп молекул А. Тем не менее, для исследуемых объектов правомерность использования энтальпийных параметров в качестве меры сравнительной гидрофобности сомнений не вызывает. Поскольку возникновение

ГТ и ГВ связано с особенностями состояния сетки Н-связей воды, то мы вправе ожидать наличия взаимосвязи между термодинамическими характеристиками, отражающими эти явления, а именно между Дга;фСр° и ¿1ВАА/11Р. Как видно из рис. 26, в этом случае также наблюдается достаточно хорошая корреляция, однако в отличие от рис. 2а, ГМФТ существенно отклоняется от корреляционной прямой. Очевидно, что это прямо связано с влиянием полярного ЫзРО-фрагмента молекулы амида, который с одной стороны уменьшает ДщдрСр0, а с другой увеличивает по абсолютной величине йВ^ЛР, что и приводит к наблюдаемой на рис. 26 картине.

8000

7000

6000

>0

ч о 5000

4000

* ЕС 3000

Я 2000

-С

1000

Лдв= 1940 - 182 Ш^МР) 10% = 482 Дж кг/мальг

■35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 (.еШ ШР) 102, см'/(моль бар)

750

г-. 600

.д ц

о 2

Ьй 450

К

ЕС

д

<300

150

,(-0^0 = 218 16 ((1В/<1Р) 10!,

500

4001

300

N

200 2 о й

100

я

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 (сШ ШР) 10?, см1 /(моль бар)

Рис. 2. (а) Корреляционные зависимости эитальпийиых параметров взаимодействия неэлектролит- Ви4ЫВг (Щи неэлектролит-неэлектролит (О) с величинами производной второго вириалыюго коэффициента по давлению при 298 К. 1 - ГМФТ, 2 - иВиОН, 3 -Ы,Ы-диметилацетамид, 4 - ДМФ, 5 - Ы-метилформамид, 6 - диметилсульфоксид (ДМСО), 7 - ФА; (б) Корреляционные зависимости теплоемкостей гидратации неэлектролитов, а также эитальпийиых параметров парного взаимодействия пеэлектро-лит-СНг-группа в воде с величинами производной второго вириалыюго коэффициента по давлению при 298 К. Обозначения аначогичны рис. 2а.

Раздел 3.4 посвящен исследованию зависимости ГЭ от размера частиц и температуры. Показано, что для неполярных А умеренного размера (г< 1 нм) ГТ усиливается с ростом размера частицы и ослабляется при увеличении температуры. ГВ, в свою очередь, усиливается как при увеличении размера А, так и росте температуры. Обращено особое внимание на то, что механизм гидратации неполярных частиц малого и большого размера существенно различается. Если лабильность сетки Н-связей воды позволяет ей без особых усилий «обтекать» небольшие неполярные частицы, то в случае протяженной гидрофобной поверхности картина резко меняется. В этом случае вода становится не в состоянии поддерживать сетку Н-связей неизменной вблизи протяженной гидрофобной поверхности, и ее численная плотность вблизи нее уменьшается. Очевидно, что для та-

ких веществ упругость сетки Н-связей однозначно доминирует над ее лабильностью. Отмечено, что для небольших гидрофобных молекул изменение свободной энергии гидратации пропорционально объему растворенной частицы, а для очень больших неполярных объектов оно пропорционально площади гидрофобной поверхности. Критический размер, при котором меняется механизм гидратации, составляет по данным теории гидрофобное™ Люма-Чандлера-Уикса порядка 1 нм (Nature (London). 2005. Vol. 437. P. 640). Сделан вывод, что, начиная с определенного размера неполярной частицы, ориен-тационная упорядоченность воды в гидратной сфере будет ослабляться, что должно сопровождаться уменьшением как величин теплоемкостей гидратации, так и значений эн-тальпийных и энтропийных параметров взаимодействия А-А и А-В.

В ГЛАВЕ 4 рассмотрены особенности проявления гидрофобной гидратации в термодинамических свойствах растворов тетраалкиламмониевых солей и ряда биологически активных веществ в широком температурном интервале. В разделе 4.1 исследованы температурные зависимости энтальпий растворения бромидов аммония и тетраалкилам-мония в воде и обнаружено, что в интервале температур 275-345 К они передаются следующими соотношениями:

Ap//°(NH4Br)= 16.83(0.06)-0.149(0.003)-298.15 (1 -298.15/7) (1)

.V/-0.14 кДж/моль

Др//° (Et4NBr) = 6.17(0.06)+ 0.131(0.003)-298.15(77298.15 - 1) (2)

лу =0.13 кДж/моль

ApW°(Bu4NBr) =-8.87(0.14)+0.743(0.007) -298.15 (T/298.15 - 1) (3)

,sy=0.53 кДж/моль

Др/í0 (Pen4NBr)= 6.28(0.92)+ Ll26(0.03)-298.151n(T /298.15) (4)

лу =2.20 кДж/моль,

где в скобках здесь и далее приведены величины стандартных отклонений; первое слагаемое представляет собой энтальпию растворения при текущей температуре, первый множитель во втором слагаемом - теплоемкость растворения. Как видно из уравнений (1-4), теплоемкость растворения ДСр° гидрофильного бромида аммония отрицательна и уменьшается по абсолютной величине пропорционально Г"2; теплоемкости гидрофобных Et4NBr и Bu4NBr положительны и их значения постоянны во всем исследованном температурном интервале. В случае Pen4NBr теплоемкость растворения положительна и уменьшается пропорционально Т "'. Из величин ДСР° были рассчитаны парциальные мольные теплоемкости электролитов при бесконечном разбавлении и теплоемкости гидратации по соотношению:

А С0 =ДГ° +Г -Г° Í51

"гидр р ^^ р ' ^р кр prai

Отмечено, что корректный расчет Д|идрС °р для тетраалкиламмониевых солей представляет сложную задачу вследствие неоднозначности определения теплоемкостей катионов в газовой фазе. Рассчитанные значения Д1НлрС°р при 298 К составили: -117, 162, 806 и 1164 ДжДмоль К) для NH4Br, Et4NBr, Bu4NBr и Pen4NBr, соответственно. Как видно смена механизма гидратации с гидрофильной для иона аммония на гидрофобную для ка-

12

тионов тетраалкиламмония, приводит к изменению знака теплоемкости и значительному увеличению абсолютных значений Д,„ фС °р. Отмечено, что наблюдаемые явления не могут непротиворечивым образом быть объяснены в рамках клатратной гипотезы. Выдвинуто альтернативное объяснение, основанное на ориентационном упорядочении воды в гидратных сферах неполярных А. Используя полученную в работе Шарпа (J. Amer. Chem. Soc. 2003. Vol. 125. N. 32. P. 9853) зависимость между относительным избытком линейных Н-связей в первой гидратной сфере (AN) и теплоемкостью гидратации, было исследовано влияние ионов на структуру воды. Расчет привел к значениям ДАТ равным -1, 7, 28 и 38 для NH4Br, Et4NBr, Bu4NBr и Pen4NBr, соответственно. Очевидно, что поскольку анализируются стандартные термодинамические функции, то для всех веществ вклад бромид-иона остается одним и тем же. Следовательно, изменение значений ДN в гомологическом ряду определяется увеличением числа неполярных групп в органическом катионе. Приведенные данные показывают, что ориентационная структура воды в непосредственной близости бромид-иона и иона аммония несколько разупорядочена, поскольку в их гидратных сферах наблюдается дефицит молекул воды с <>oo> <3-1 А и 0Н <38 Гидратация тетраалкиламмониевых солей, наоборот, сопровождается появлением большого числа молекул воды, связанных линейными и короткими Н-связями. Это и приводит к ориентационному упорядочению воды вокруг органических катионов, которое усиливается вплоть до Pen4NBr.

Следующий раздел посвящен анализу зависимостей термодинамических свойств растворов тетраалкиламмониевых солей от размера катиона. Выше уже отмечалось, что при 298 К увеличение Д|и фС °р бромидов тетраалкиламмония наблюдается вплоть до Pen4NBr, свидетельствуя о том, что эффект ГГ катиона в гомологическом ряду усиливается. Соли с большим размером катиона не изучались вследствие их малой растворимости и весьма длительной кинетики растворения в воде при комнатной температуре. Используя специальные методики, нами впервые были измерены энтальпии растворения бромидов тетрагексил- и тетрагептиламмония в воде при 318 и 328 К. Это позволило рассчитать по уравнению Гиббса-Гельмгольца температурные изменения свободных энергий, энтальпий и энтропии растворения в интервале температур 318-328 К, а также определить ДѰРпри 323 К. Эти величины, отнесенные к площади поверхности катиона, приведены на рис. 3. Температурные изменения энтальпийных и энтропийных характеристик положительны в ряду Et4NBr+Hcp4NBr, но отрицательны для NH4Br и Me4NBr. Температурные изменения свободной энергии растворения, в свою очередь, отрицательны для всех веществ, малы вследствие энтальпийно-энтропийной компенсации и слабо зависят от размера катиона. На рис. 36 приведены отнесенные к единице поверхности катиона теплоемкостные характеристики растворения бромидов аммония и тетраалкиламмония в воде. Отмечено, что поскольку для тетраалкиламмониевых солей разность Ср кр - С °р m в гомологическом ряду невелика и почти постоянна (см. данные J. Chem. Soc., Faraday Trans. I. 1986. V. 82. P. 3255), то, очевидно, что Д,илрС °р = ДС °р. Таким образом, вклад кристаллической решетки не отражается на анализируемых энтропийных и

13

теплоемкостных характеристиках. Рис. 3 а показывает, что параметры ДДр5° / 4пгк2 и ДДр/10 / 4лгк2 практически линейно увеличиваются с ростом размера катиона вплоть до Реп^Вг, а далее начинают уменьшаться. Аналогичным образом ведут себя и теплоемко-стные характеристики. Как видно, для Нер^Вг и Е1^Вг значения всех трех функций оказываются весьма близкими, несмотря на то, что катион Нер4№ содержит на 20 мети-леновых групп больше. Поскольку увеличение теплоемкостей гидратации в ряду Ме4КВг-*-Реп4ЫВг, происходит вследствие увеличения в гидратных сферах катионов молекул воды с <Гоо> <3.1 А и 0н <38 то, очевидно, что эффект ГГ в указанном ряду должен усиливаться.

а б

Рис. 3. (а) Зависимость температурных изменений эитаяьтшных (ДДРЛ°/ 471 гкЯ), энтропийных (ДДР5° /4лг„2, Л) и гиббсовых (AApg° /4лг,2, Ф) характеристик растворения бромидов аммония и тетрааткилашюния в воде в интервале температур 318-328 К от ван-дер-ваачьсова радиуса катиона, (б) Тетоемкостные характеристики растворения бромидов аммония и тетраапкилахшония в воде при 323 К (Ш), а также в ФА (О), эти-ленгликоле (Л) и метаноле ( V) при 306 К. Линии - сплайн-функции.

Следовательно, пока ориентационное упорядочение воды в гидратной сфере будет возрастать, то и соответствующие вклады в теплоемкость в гомологическом ряду также будут расти, вызывая увеличение положительных значений ДN и, соответственно, ДС°р и ÄÄPS° Рис. 3 ясно показывает, что в растворах тетраалкиламмониевых солей возрастание энтропийных и теплоемкостных характеристик гидратации происходит вплоть до Pen4NBr, далее же они начинают уменьшаться. Поскольку опять-таки сравниваются стандартные термодинамические функции, то, понятно, что вклад бромид-иона во всех случаях будет одинаковым. Таким образом, за появление максимума на кривых определенно ответственно увеличение размера катиона. Из рис. 36 видно, что линейная экстраполяция должна привести к значению ДѰР/4я гк 2 для Hex4NBr никак не меньше 550

Дж/(моль К им2), в то время как эксперимент дает чуть более 250 Дж/(моль К нм2). Значение для Нер41ЧВг еще меньше - всего около 175 Дж/(моль К нм2). Возникает закономерный вопрос: что же происходит с большими тетраалкиламмониевыми катионами в воде? Разумно полагать, что основная причина кроется в различном поведении воды в гидратных сферах тетраалкиламмониевых катионов умеренного и большого размера. Дело здесь, по-видимому, не в том, что внедрение ионов Нех4Ы+ и Нср4Ы+ в структуру воды вызывает драматическое разрушение сетки Н-связей и частичное осушение поверхности гидрофобных объектов, о чем говорилось выше. Радиусы исследуемых частиц все-таки меньше критического размера в 1 нм и, кроме того, большие тетраалкиламмо-ниевые катионы, хотя и относительно слабо, но связывают молекулы воды. Однако значения теплоемкостей растворения для них существенно уменьшаются, и это должно быть связано с изменением состояния воды в гидратной сфере. По-видимому, катионы Нех4Ы+ и Нер4М+ уже не могут размещаться в структурной матрице воды без ее искажения, что не позволяет молекулам воды в гидратной сфере выбирать оптимальные ориентации для взаимодействия. Это ведет, во-первых, к тому, что самих Н-связей вода-вода вблизи протяженной гидрофобной поверхности становится меньше, а, во-вторых, и это главное, к уменьшению доли молекул воды в гидратной сфере с <гоо> <3.1 А и 0И <38 Это и приводит к ослаблению эффекта ГГ и, соответственно, к уменьшению ДС°р.

Для более глубокого понимания наблюдаемых явлений мы исследовали поведение тетраалкиламмониевых солей в ряде неводных растворителей с системами Н-связей, где по литературным данным можно было ожидать появления сольвофобной сольватации. Рассчитанные из экспериментальных данных величины ДС °р также приведены на рис. 36. Как видно, во всех неводных системах теплоемкости растворения сначала немного увеличиваются с размером катиона, но для больших тетраалкиламмониевых ионов начинают уменьшаться. Ближе всего к водным растворам по величинам ДѰРоказываются формамидные, а затем этиленгликольные растворы. Менее всего в этом смысле похож на воду метанол, где теплоемкостные характеристики близки к нулю или вообще отрицательны. Очевидно, что поведение тетраалкиламмониевых катионов во всех представленных на рис. 36 системах имеет некоторые общие черты, однако водные растворы: а) характеризуются значительно большими значениями теплоемкостей; б) обнаруживают наиболее резкую зависимость теплоемкостных характеристик от размера катиона. Действительно, величина максимума на зависимости АС °р/4ягк 2 - / (л) в воде составляет около 500 Дж/(моль К нм2), в то время как в формамидных растворах чуть более 50 Дж/(моль К нм2). Наибольшее различие между водными и неводными системами наблюдается для Реп^Вг, и разумно полагать, что в этом случае эффект ГТ максимален. Рис. 36 со всей очевидностью также показывает, что наблюдаемые различия в поведении в водном растворе больших тетраалкиламмониевых катионов и такого типично гидрофобного объекта как Ви4И+ возникают, прежде всего, вследствие особенностей механизма гидратации больших гидрофобных А, а не по причине возможных конформационных изменений в положении алкильных цепей у катионов Нех4Ы+ и Нер4Ы+.

15

Раздел 4.2 посвящен исследованию особенностей гидрофобной гидратации биологически активных объектов - бензола и ароматических аминокислот Ь-фенилаланина и Ь-гистидина в широком температурном интервале. Показано, что, как и в случае тетра-алкиламмониевых катионов, в гидратиых сферах бензола и аминокислот в целом происходит увеличение пар из молекул воды, связанных линейными и короткими Н-связями (<г00> <3.1 А, 0Н <38 Используя температурные зависимости энтальпий растворения исследуемых объектов и величины растворимости при 298 К, по уравнению Гиббса-Гельмгольца рассчитаны все важнейшие термодинамические функции растворов, а также величины растворимости при 273-373 К. Обнаружено хорошее согласие с имеющимися литературными данными и показано, что для растворов преимущественно гидрофобных веществ вполне допустимо, измерив энтальпии растворения в воде при двух температурах, например, при 298 и 308 К, и, считая теплоемкость растворения постоянной, рассчитывать термодинамические характеристики исследуемых систем в более широком температурном интервале.

ГЛАВА 5 посвящена анализу влияния ГЭ на термодинамические свойства и параметры взаимодействия в тройных системах вода - неэлектролит (А) - модельное растворенное вещество (В). В разделе 5.1 рассмотрены энтальпийные характеристики взаимодействия бромидов аммония и тетраапкиламмония с молекулами гидрофобных и гидрофильных неэлектролитов. Рис. 1а показывает, что парное взаимодействие неэлектролит-бромид аммония в большинстве случаев сопровождается отрицательным изменением энтальпии. Введение алкильных заместителей приводит к изменению механизма взаимодействия, которое по мере увеличения размера катиона становится все более энталь-пийно неблагоприятным. Выше указывалось, что парное ГВ сопровождается положительным и значительным по величине изменением энтальпии вследствие вытеснения значительной части молекул воды из сфер гидратации (меньшие значения <гоо> и 0н) в объем жидкой фазы. Очевидно, что этот эффект доминирует для тетраалкиламмониевых катионов, сферы гидратации которых содержат большое число молекул воды, связанных линейными и короткими Н-связями. В этой связи было важно понять, насколько велико число молекул растворителя, находящихся под влиянием двух гидрофобных объектов или, другими словами, насколько значительна общая сфера гидратации, возникающая при взаимодействии двух частиц? Анализ показал, что это число можно оценить непосредственно из экспериментальных данных по соотношению:

Ха = Д„срЯ° (В, Н20-> Н20 +А)- Мн,о / 2 /гАВ (6)

где Д„срН° (В, Н20—> Н20 +А) бралась во всех случаях равной 0.5 кДж/моль, поскольку, во-первых, эта величина больше суммарной погрешности в определении энтальпий растворения В в воде и растворе А, что дает возможность надежно определять соответствующие значения Хд- Во-вторых, во всех системах при ДМСр//°(В, Б—) 5+А)= 0.5 кДж/моль искомые Хд лежат в области малых добавок неводного компонента, где вклады от тройных взаимодействий мало искажают вид зависимости Дрй° - ДХд). Поскольку растворенное вещество находится в стандартном состоянии, и рассматривается взаимо-

16

Таблица 1. Мольные доли (Ха) и величины мольных отношений вода:неэлектролит в растворах

Et,NBr и Bu4NBr для = 0.5 кДж/моль при 298 К

Растворенное вещество вода: ГМФТ вода:ДМФ вода: ФА вода: MeCN вода-.i-BuOH

EuNBr Х\= 0.00267 374:1 ХА = 0.0319 30:1 ХА = 0.0834 11:1 ХА = 0.0107 93:1 ХА = 0.00278 359:1

Bu4NBr Хд= 6.21 Ю-4 1609:1 ХА= 1.81 10"3 552:1 ХА= 2.92 10"3 324:1 Ха= 9.79 Ю-4 1021:1 Хд = 9.62 10" 1039:1

-СН2- 155:1 65:1 41:1 116:1 85:1

модействие 1:1, то из приведенных в табл. 1 величин ХА, не составляет большого труда определить число молекул воды, приходящее на 1 моль неводного компонента. Приведенные в табл. 1 мольные отношения вода:неэлектролит показывают, что взаимное действие А и В распространяется на значительное число молекул воды, которое намного больше их количества в первой гидратной сфере изолированных частиц. Рост гидрофоб-ности как в ряду тетраалкиламмониевых солей, так и неэлектролитов приводит к столь существенному увеличению мольных отношений вода:неэлектролит, что его невозможно объяснить простым увеличением числа молекул воды в гидратных сферах взаимодействующих объектов. Еще большую убежденность в этом вызывает поведение ацетонит-рила (MeCN). Представляется удивительным, что при взаимодействии Bu4NBr с такой небольшой органической молекулой затрагивается столь же значительное число молекул растворителя, что и в случае много большей по размеру молекулы f-BuOH. Это наводит на мысль, что дело здесь не столько в том, что гидратные оболочки взаимодействующих частиц сильно развиты в радиальном направлении, сколько в их эффективном перекрывании вследствие ГВ и вытеснении большого числа молекул растворителя в объем жидкой фазы. Возникновение ГВ в исследуемых системах прямо связано с упругостью сетки Н-связей воды и ее явным стремлением вытолкнуть гидрофобные частицы к местам дефектов, что и приводит к не нулевым значениям Д^/ДВ, S—» S+A) при очень малых ХА. При этом оказывается важной природа полярной группы неэлектролита. Если функциональные группы амидов и г-BuOH образуют прочные Н-связи с водой и достаточно легко встраиваются в сетку Н-связей, то MeCN, имеющий низкое значение DNsbcis= 14 ккал/моль, образует слабую Н-связь. Это и приводит к наблюдаемой выше картине.

Далее рассмотрено применение метода групповой аддитивности Сэведжа и Вуда (J. Solution Chem. 1976. Vol. 5. N. 10. P. 733; J. Chem. Soc. Faraday Trans. I. 1981. Vol. 77. P. 1191) для определения групповых вкладов в величины параметров взаимодействий и расчета ионных составляющих парных коэффициентов. Как и в оригинальных работах, взаимодействие нсзлекгролкт-^КВг было представлено суммой двух вкладов СН2-неэлектролит и Вг" - неэлектролит. Полученные на основании собственных и литературных данных групповые вклады, приведены в табл. 2. Как видно, параметры Ьа-снг во всех случаях положительны. Наибольшее значение наблюдается для гидрофобного

ГМФТ, наименьшее - для гидрофильного ФА, что хорошо согласуется с имеющимися в

17

Таблица 2. Групповые вклады в величины эиталь-пийных параметров парных взаимодействий Лав при 298 К

А Ла-сн), Дж кг/моль2 ^а-вг- > Дж кг/моль2

ГМФТ 698(64) -5487(917)

ДМФ 250(14) -2218(182)

ФА 154(28) -1287 (350)

г-ВиОН 414(28) -2739(465)

МеСЫ 523 (3) -4802(20)

литературе представлениями о гидрофобности / гидрофильности. Особняком в этом ряду стоит МеСМ, что опять-таки связано с влиянием полярной СИ-группы. Параметры парного взаимодействия неэлектролит - катион, определяемые в рамках используемой схемы, оказываются положительными и очень большими. Так для взаимодействия ФА-Е14И+имеем: ЛА.Е14„. =10-154 = 1540 Дж кг/моль2, что дает мольное отношение 341:1. Очевидно, что эта величина выглядит физически более обоснованной, чем значение 11:1, приведенное в табл. 1. Для взаимодействия ГМФТ-Ви4М+, в свою очередь, имеем ЛА.ВЦ(М. = 18-698 = 12564 Дж кг /моль2, что дает отношение 2789:1. Следовательно, нивелирование вклада бромид-иона приводит к значительному увеличению отношения вода.неэлектролит и указывает на экстремально высокую чувствительность тетраалкиламмониевых катионов к присутствию даже самых малых количеств неэлектролитов в воде. При этом ясно, что чем выше гидрофобность добавки, тем при меньших ХА возникают корреляции между А и В, и появляются соответствующие вклады в термодинамические функции растворов.

Из данных табл. 2 были рассчитаны Л111ТЯ° ионов из воды в разбавленные растворы А и сопоставлены с результатами традиционных методов деления на ионные составляющие. Как показывает рис. 4, полученные с помощью метода групповой аддитивности энтальпии переноса Вг" согласуются с данными тетрафенилборат-тетрафенил-фосфониевой шкалы (ТФБ-шкала, СЬет. Ке\\ 2002. Уо1. 102. Р. 2773), но не с результатами подхода, основанного на моделировании тетраалкиламмониевых катионов алканами соответствующего размера (Королев В.П. Автореф. дисс. докт. хим. наук. Иваново. ИХНР РАН. 1992). Высказано мнение, что последняя модель использует значительно больше условностей и трудно проверяемых допущений, чем ТФБ приближение.

Следующий раздел посвящен анализу влияния температуры на взаимодействие амид-электролит в воде. Установлено, что в растворах ГМФТ в интервале температур 278-328 К зависимости НАВ -ДТ) задаются следующими выражениями:

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020

ХА,МД

Рис. 4. Энтальпии переноса бромид-иона из воды в ее смеси с ГМФТ (1) и ДМФ (2) при 298 К, определенные в рамках различных моделей.

йАВ (ГМФТ-ИН4Вг) = 269(68) -18(1)-298.15(1 - 298.15 / Т) (7)

лу=29 Дж кг/моль2

йАВ(ГМФТ-Е14КВг) = 1671(15)-33(1)-298.15-(77298.15-1) (8)

Л)=34 Дж кг/моль2

йАВ(ГМФТ-Ви4НВг) = 7264(32)-34(2)-298.15-(Г/298Л5-1) (9)

лу=70 Дж кг/моль2

Из уравнений (7-9) видно, что в отличие от теплоемкостей растворения (уравнения (13)) параметры ср АВ отрицательны и очень близки как для гидрофобных, так и гидрофильных объектов, хотя для ГВ характерно положительное изменение ср ав> Поскольку в величину ср ав дают вклад оба иона, то для выяснения причины появления отрицательных значений теплоемкостей взаимодействия необходимо снова прибегнуть к методу групповой аддитивности. На рис. 5а приведена разность величин ЛАВ для Ви4КВг и Е^ИВг в исследуемом температурном интервале, отражающая вклад восьми метилеко-вых групп в энтальпийный параметр взаимодействия. Как видно, параметр парного взаимодействия метиленовой группы с ГМФТ положителен и велик, однако его значения в интервале температур 275-330 К постоянны, свидетельствуя о том, что ср Ав (ГМФТ- СНг) = 0. Следовательно, первопричиной отрицательных значений теплоемко-стных параметров взаимодействия тетраалкиламмониевых солей с ГМФТ является вклад аниона. Метод группой аддитивности позволяет пойти дальше и выделить вклад гидрофильного ИзРО-фрагмента молекулы ГМФТ в величину ср дв. Несложные расчеты приводят к значению ср АВ (Г^РО-СН?) = -8.4 Дж кг/(моль2 К), указывая на то, что полярный фрагмент амида вносит отрицательный вклад в величину ср АВ (ГМФТ- полностью

компенсируя вклады от взаимодействия между неполярными группами.

а б

Рис. 5. Температурные зависимости онтальпийных параметров парного взаимодействия ЫН4Вг( Г), ЕиЫВг (Ж), Ви^Вг (•) и ВиЖ- (А, А) с ГМФТ (а) и ФА (б) в воде. Линии -уравнения (7-12).

Таким образом, становится очевидным, что изменение теплоемкости в процессе парного взаимодействия ГМФТ- R4NBr контролируется не гидрофобными, а гидрофильными эффектами. В этой связи представляло значительный интерес исследовать взаимодействие указанных объектов с ФА и выявить общие черты и различия в поведении тет-раалкиламмониевых солей в растворах гидрофобного и гидрофильного амидов. Анализ температурных зависимостей параметров взаимодействия ФА-электролит, показанных на рис. 56, привел к следующим соотношениям:

ЛАВ (ФА-Ш4Вг) = -381(11) +7.0(0.6)-298.15(1 -298.15/7) (10)

.\)=25 Дж кг/моль2

/¡ав (ФА-ЕцЫВг)= 40(5) -4.4(0.3)-298.15-(77298.15 - 1) (11)

Лу=10 Дж кг/моль2

/¡дв(ФА-Ви4МВг) = 1575(14) -26(1)-298.151т1 (Т/298 15) (12)

лу=32 Дж кг/моль2

Как видно из уравнений (11, 12), теплоемкостные параметры для тетраалкиламмониевых солей отрицательны, как и в случае гидрофобного ГМФТ. Тем не менее, в этом случае метод групповой аддитивности показывает, что изменение теплоемкости при взаимодействии метиленовой группы с ФА оказывается отрицательным (см. рис. 5 б). Следовательно, если в растворе ГМФТ с'рАВ<0 возникает вследствие влияния бромид-иона и полярной NjPO-группы амида, то в случае гидрофильного ФА исключительно по причине отрицательного значения с-рАВ (ФА-катион).

Использование собственных и литературных данных позволило рассчитать величины энтропийных и гиббсовых параметров взаимодействия неэлектролит-Ви4МВг в широком температурном интервале. Оказалось, что энтропийные параметры взаимодействия обнаруживают те же тенденции, что и величины /¡АВ. Параметры для свободной энергии, в свою очередь, отрицательны для гидрофобных неэлектролитов и положительны для гидрофильного ФА при всех исследованных Т. Оценка величин вторых вириальных коэффициентов взаимодействия неэлектролит- Bu4NBr показала, что при стандартной температуре доминируют вклады по положительным областям ПСС, но при 328 К ситуация становится полностью противоположной: для гидрофобных ГМФТ и Г-BuOH величины ВАв становятся отрицательными. Следовательно, при высоких Т преобладают силы притяжения, что связано с усилением ГВ катиона с неполярными группами неэлектролитов.

Следующий раздел посвящен исследованию зависимости энтальпийных и теплоем-костных параметров взаимодействия амид-электролит от размера катиона. Установлено, что, как и при 298 К (рис. 1 б), величины ср дв при высоких Т не обнаруживают четкой взаимосвязи с гидрофобностью/гидрофильностью исследуемых объектов. Зависимости величин лав/4ягц2 от размера катиона, приведенные на рис. 6, показывают, что основные тенденции в поведении растворенных веществ сохраняются. Как и при стандартной температуре (рис. 1а), параметры взаимодействия ФА-электролит первоначально увеличиваются с ростом размера тетраалкиламмониевого иона, но величины /¡АВ/4пгк2 для Hex4NBr и Hep4NBr при обеих температурах оказываются меньше, чем соответствующие

20

6000ч

'-n

гч

5 5000 4000

о

3000-

к

* 2000 П

N * 1000 1ч

к

^ о

ю

^-1000

ГМФТ

Hex.NBri

Прерывистые линии -31SK

Сплошные линии - 328 К

Hep4NBr

NH.Br

0,1

0,2 0,3 0,4 г , нм

0,5

Рис. 6. Зависимости эптальпийных характеристик парного взаимодействия электролитов с ФА (0, О) и ГМФТ (Ш, П) в воде от радиуса катиона.

значения для Bu4NBr. В случае гидрофобного ГМФТ ожидалось, что различие в поведении указанных объектов проявится еще резче. Однако рис. 6 показывает более сложную и менее понятную картину - в этом случае увеличение значений Лдв/4пгк2 происходит вплоть до Hex4NBr. Тем не менее, очевидно, что изменение теплоем-костей гидратации и параметров парных взаимодействий в целом оказывается симбатным (см. рис. 3 и 6), и поведение больших тетраалкилам-мониевых катионов как в бинарных, так и тройных системах отличается от такового для ионов умеренного размера. Таким образом, полученные результаты служат дополнительным весомым подтверждением теоретических разработок группы Чандлера (Nature (London). 2005. Vol. 437. P. 640), о которых говорилось выше.

Раздел 5.2 посвящен исследованию влияния ГВ на поведение ряда биологически активных веществ в растворах стабилизаторов и денатураторов нативной структуры глобулярных белков. Анализ экспериментальных данных показал, что взаимодействие бензола, анилина и нитробензола с неэлектролитами в воде сопровождается положительным изменением энтальпии, величина которой, однако, существенно зависит от природы функциональной группы. Обнаружено, что N02-rpynna дает положительный вклад в величину параметра йАВ и в этом отношении ведет себя как неполярная. Вклады NH2-группы во всех случаях отрицательны, однако их величины не коррелируют с донорной способностью органического компонента, что, по-видимому, исключает образование контактных пар неэлектролит-аминогруппа в разбавленном водном растворе.

Далее рассмотрены особенности взаимодействия бензола и ряда аминокислот с мочевиной (Мч), ДМФ и этиленгликолем (С2Н4(0Н)2) в воде. Рассчитанные из собственных и литературных данных энтальпийные, энтропийные и гиббсовы параметры приведены в табл. 3. Как видно, взаимодействие всех растворенных веществ с ДМФ и С2Н4(0Н)2 в воде сопровождается положительным изменением энтальпии, которое тем значительнее, чем больше в составе молекул неполярных и меньше полярных групп. Взаимодействие аминокислот с денатуратором нативной структуры белков - Мч, наоборот, энтальпийно благоприятно, причем наиболее интенсивно мочевина взаимодействует с L-гистидином, боковой фрагмент которого имеет несколько гидрофильных центров. Парное взаимодействие бензола и с типично гидрофильной Мч, и с гетерофункциональными неэлектролитами - этиленгликолем и ДМФ, сопровождается положительным изменением энтальпии. Табл. 36 показывает, что для бензола /¡дв»0, a hAD (Мч- L-гистидин) < йАВ (Мч - L-фенилаланин)< hAa (Мч - Ь-алаиин)«0. Это наводит на мысль, что гидрофильные груп-

21

пы дают отрицательные вклады в величины /¡АВ. Чем их больше в составе молекулы -тем энергетически выгоднее взаимодействие и, наоборот. В растворах ДМФ и СгН4(ОН)2 (см. табл. 3 а, в) для бензола сохраняется та же картина (Аав»0), но поведение аминокислот принципиально меняется: /гАв (неэлектролит - Ь-фенилаланин)>ЛАВ (неэлектро-лит-Ь-аланин) > /гАВ (неэлектролит -Ь-гистидин) »0. Очевидно, что, как и в рассмотренных выше электролитных системах, взаимодействие неполярных групп В с молекулами неэлектролитов является энтальпийно неблагоприятным, а взаимодействие полярных,

наоборот, сопровождается

Таблица 3. Энталъпийные и энтропийные вклады в гиббсовы параметры парных взаимодействий аминокислот и бензола с ДМФ (а), Мч (б) и этиленгликолем (в) в воде при 298 К

а)

отрицательным изменением энтальпии.

Обратимся теперь к параметрам £АВ. Из табл. 3 а, б видно, что увеличение гидрофобности бокового фрагмента аминокислот приводит к уменьшению свободной энергии взаимодействия, причем оказывается несущественным, гидрофобна или гидрофильна молекула амида. Подобная нечувствительность параметра £дв к природе неэлектролита, однако, представляет всего лишь результат компенсации энтальпийного и энтропийного вкладов. В растворе ДМФ отрицательное значение gAв для Ь-фенилаланина определяется положительным изменением энтропии вследствие ГВ между неполярными фрагментами взаимодействующих объектов. В растворах Мч энтропийная составляющая препятствует взаимодействию, но оказывается меньше по абсолютной величине, чем изменение энтальпии. В растворах стабилизатора нативной структуры белков - С2Н4(ОН)з параметры gAa для всех аминокислот положительны вследствие неблагоприятного изменения энтальпии. Как видно, и здесь, чем выше гидрофобность амино-

22

В Лав, Дж кг/моль2 ■Тх АВ, Дж кг/моль2 Хлв. Дж кг/моль2

Бензол 579(40) <0 <0

[^-аланин 435(11) - -

Ь-гистидин 304(12) -175(21) 129(18)

Ь-фенилапанин 760(21) -902(23) -142(9)

б)

В ЛАв, Дж кг/моль2 -Тл'ав. Дж кг/моль" Кав, Дж кг/моль"

Бензол 380(120) -523(120) -143(5)

Ь-аланин -312(20) 319(21) 7(4)

Ьгистидин -579(9) 474(10) -105(5)

Ь-фенилаланин -351(24) 187(27) -164(10)

[^-лейцин -95(22) -8(31) -103(22)

в)

В Лав, Дж кг/моль2 -Тл'ав, Дж кг/моль" А'ав. Дж кг/моль"

Бензол 770(24) <0 <0

Ь-аланин 248(14) -157(16) 91(8)

Ь-гистидин 356(20) -312(20) 44(3)

Ь-фенилаланин 604(15) -566(17) 38(4)

кислоты, тем больше величины /;АВ и Лдц, но меньше значения £ав. что ясно указывает на заметное влияние ГВ на поведение исследуемых систем.

Данные табл. 3 позволяют сделать еще два важных вывода. Очевидно, что в молекуле Ь-фенилаланина можно выделить два структурных фрагмента - бензольный остаток и полярную аланильную группу. Тогда в рамках метода групповой аддитивности величину >'дв можно оценить, суммируя величины параметров взаимодействия для бензола и аланина. Как видно, для параметра йАВ (ДМФ- Ь-фенилаланин) наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных. Аналогичная ситуация имеет место и для параметра ¿»ав (Мч- Ь-фенилаланин), однако в этом случае это всего лишь результат компенсации энтальпийного и энтропийного вкладов. Табл. 3 показывает, что, сумма величин соответствующих параметров взаимодействия дает значения Лав и (-Г4'ае), которые не просто значительно отличаются от экспериментальных, но и имеют другой знак. В целом аналогичная картина обнаруживается при взаимодействии Мч с Ь-лейцином. Очевидно, что в величину параметра взаимодействия дают вклады все расстояния и все возможные ориентации между взаимодействующими объектами. В этой связи, полученные результаты наводят на мысль, что между молекулами биологически активных веществ в водном растворе появляются предпочтительные ориентации, следствием чего и является нарушение аддитивности групповых вкладов. Более того, поскольку молекулы Мч и ДМФ имеют одинаковые по строению Н-акцепторные фрагменты и, как показано выше, в растворе ДМФ принцип групповой аддитивности соблюдается значительно лучше, то можно осторожно предположить, что наблюдаемые явления связаны с появлением предпочтительных ориентаций между ИНг-фрагментами Мч и цвиттерионной группой аминокислот.

Другой важный вывод состоит в том, что данные табл. 3 б ясно указывают на тенденцию к связыванию Мч с полярными группами аминокислот. Следовательно, в полном согласии с мнением Шеллмана (Вшро1утегз. 1987. Уо1. 26. Р. 549), мы можем утверждать, что денатурирующее действие Мч связано не только с тем, что ее добавки к воде увеличивают растворимость неполярных фрагментов полипептидных цепей и, по-видимому, ослабляют ГВ, но и с наличием энергетически выгодного взаимодействия Мч с полярными и заряженными группами белков, приводящего к разрыву внутримолекулярных Н-связей, разворачиванию цепей и дальнейшей денатурации.

Следующий раздел посвящен исследованию влияния гидрофобного взаимодействия на температурные зависимости энтальпийных параметров амид-аминокислота в воде. Зависимости ЛАВ -}(Г) в растворах Ь-фенилаланина и Ь-аланина в интервале температур 288-318 К передаются следующими соотношениями:

Лав (ДМФ-Ь-аланин) = 434(4) - 4.9(0.4)-298.15-(77298.15-1), (13)

л'г = 8 Дж кг/моль2

ЛАВ (Мч- Ь-аланин) = -311(8), лг = 16 Дж кг/моль2 (14)

ЛАВ (ДМФ-Ь-фенилаланин) = 748(5) - 12.3(0.5) 298.15 (Г/298.15-1), (15) = 12 Дж кг/моль2

ftAB (Мч-Ь-фенилаланин) = -349(6) - 5.9(0.6)-(Г- 298.15) + (16)

+ 0.50.95(0.09)[(Г - 298.15)2], .v, = 9 Дж кг/моль2 Далее, используя величины gAB и -Т.чрл при 298 К (табл. 3) и уравнение Гиббса-Гельмгольца, были рассчитаны энтропийные и гиббсовы параметры взаимодействия в исследуемом температурном интервале. Из рис. 7а видно, что при взаимодействии L-аланина и L-фенилаланина с ДМФ обнаруживается та же картина, что и в растворах тет-раалкиламмониевых солей - величины ср дв оказываются отрицательными и не зависят от Т■ Замена ДМФ на Мч изменяет не только характер взаимодействия амид-аминокислота (см. также табл. 3), но и его температурную зависимость. Особенно ярко это проявляется в случае L-фенилаланина. Если в растворе ДМФ ср Ав = const, то в растворе Мч параметр ср ав меняет знак в исследуемом температурном интервале (см. рис. 76): он отрицателен при Т < 304 К, но в горячей воде становится положительным. Для большей убежденности в наличии минимума мы расширили температурный интервал измерений и оценили значение энтальпийного параметра взаимодействия при 328 К из данных по энтальпиям растворения аминокислоты в воде и водном растворе Мч при Хк= 0.02004 м.д. Как видно из рис. 76, полученное значение Аав ~ -130 Дж кг/моль2 достаточно хорошо согласуется с тем, что дает уравнение (16).

а б

Г, К Г, К

Рис. 7. Температурные зависимости энтальпийных и энтропийных вкладов в гиббсовы параметры парного взаимодействия Ъ-фенилапанина (Я, сплошные линии) и Ь-апа\шпа (О, пунктирные линии) с ДМФ (а) и Мч (б) в воде. Линии - расчет по уравнениям (1316). {Щ - оцененное значение энтальпийного параметра взаимодействия при 328 К.

В растворах Ь-гистидина, боковой фрагмент которого содержит несколько гидрофильных центров, зависимости }1Ай-ДТ) передаются следующими соотношениями: ЛАВ (ДМФ-Ь-гистидин) = 295(4) + 0.3(0.4)-(Г- 298.15 ) - (17)

- 0.5-0.74(0.06)-[(Г-298.15)2], .V,- = 7 Дж кг/моль2

Лдв (Мч^-гнствдин )= -564(8) +17.6(0.8)(7-298.15) - (18)

- 0.5-1.7 (0.1) [(Г-298.15)2], 13 Дж кг/моль2

Рис. 8 показывает, что замена ДМФ на Мч также приводит к смене знака параметра /[АВ, однако не влияет на вид зависимости Лдв -ДТ). В обоих случаях кривые ЛАа -/[7) проходят через выраженные максимумы, положение которых, однако, зависит от природы амида. Тем не менее, поведение теплоемкостей взаимодействия в обеих системах идентично - они положительны при низких температурах, но отрицательны при высоких Т.

о б

300.

200

100

К о

и

¡4 £

^ -100

-200.

1200

л с; о

"С

к *

ч:

800.

400.

-7д\

-400.

■800.

-1200.

280 290 300 310 320 330

Г, К

-г*

АВ ,'

* "

280 290 300 310 320 330 Г, К

Рис. 8. Температурные зависимости эптальпийных и энтропийных вкладов в гиббсовы параметры парного взаимодействия Ь-гистидина с ДМФ (а) и Мч (б) в воде. Точки — эксперимент, линии - расчет по уравнениям (17,18). (0) - оцененные величины ЛАв при 328 К (см. комментарии к рис. 76).

Анализ температурных зависимостей различных физико-химических характеристик водных растворов Мч и теплоемкости чистой воды показывает, что они проходят через выраженные экстремумы в интервале температур 300-320 К. Из рис. 7, 8 видно, что аналогичная картина наблюдается и для параметров взаимодействия, за исключением наиболее гидрофобных пар ДМФ-Ь-фенилаланин и ДМФ-Ь-аланин. Следовательно, мы можем заключить, что для возникновения экстремума на зависимости Лдй - ДТ) необходимо наличие во взаимодействующих частицах определенного числа гидрофильных фрагментов. Возникает вопрос: какие это фрагменты? Разумно полагать, что дело здесь не столько в СО- и СОО-груплах, сколько в азотсодержащих фрагментах взаимодействующих частиц, и вот почему. Анализ собственных и литературных данных показывает, что температурные зависимости энтальпий растворения ФА, ДМФ и ряда аминокислот в интервале температур 278-318 К очень близки к линейным. В целом аналогичное поведение обнаруживает и Ь-фенилаланин. В случае Ь-гистидина отклонения от линейности существенно выше, а для гидрофильной Мч зависимость энтальпии растворения от температуры в воде проходит через минимум при - 308 К:

25

Др/7° (Т)= 15.38(0.02) - 0.0074(0.001) (Г- 298.15) + (19)

+ 0.5-7.7 ÍO^I 10"4) [(Т- 298.15)2], s/= 0.05 кДж/моль. Следовательно, минимум на зависимости Ср- f(T) для чистой воды отражается не только на взаимодействии Мч-аминокислота, но и проявляется в тепловых свойствах растворов самой Мч. Поскольку при взаимодействии ДМФ с L-фенилаланином и L-аланином этого нет, то, очевидно, что наблюдаемые явления связаны с поведением близко расположенных друг к другу азотсодержащих центров гидрофильной гидратации Мч и особенностями их взаимодействия с ароматическими аминокислотами. Все это позволяет предположить, что появление экстремумов в растворах мочевины связано не столько с влиянием воды как среды, в которой протекает парное взаимодействие, сколько с поведением гидратного комплекса вода-Мч. Следовательно, изменение знака теплоемкостей взаимодействия амид-аминокислота в интервале температур 300-308 К вызывают не гидрофобные, а гидрофильные эффекты.

Рис. 7, 8 позволяют сделать еще одно важное заключение. Выше мы уже отмечали, что при исследовании биосистем может быть рискованно переносить полученные при 298 К результаты на более высокие температуры. Полученные данные ясно показывают, что соответствующие параметры в системах вода-Мч-аминокислота при 298 и 310 К оказываются практически идентичными. Однако это не так в остальных случаях. Особенно

наглядно это видно в системе вода-ДМФ-L-фенилаланин, где теплоемкость взаимодействия отрицательна и постоянна в исследуемом интервале температур. Это и приводит к тому, что параметры /tAB и (-7sab) при 298 и 310 К отличаются практически на 20 %. Таким образом, мы можем уверенно констатировать следующее: если исследуется взаимодействие между гетерофунк-циональными молекулами, для которых характерно преимущественно гидрофобное поведение (/tAn »0, Д|„дрС° »0), то в этом случае однозначно нельзя использовать параметры, полученные при 298 К. Это допустимо лишь в случае, если параметры уАВ практически не зависят от температуры (Мч-Ь-аланин), либо зависимости уАВ -f{T) проходят через экстремумы, как это имеет место при взаимодействии Мч с L-фенилаланином и L-гистидином.

В разделе 5.3 рассмотрено поведение неполярных и гетерофункциональных объектов во всем интервале составов водно-органических смесей. Показано, что избыточные энтальпии 26

Рис. 9. Корреляционные зависимости энтачьпий сольватации ЫН2-группы в смесях воды с ДМФ (Ш), ДМСО (Л) и MeCN (О) с параметром основности Вкт растворителей при 29S К. АН" (ДМФ) = -17.20 - 20.35 Вк1, R2 = 0.977, sj= 0.78 кДж/моль; АН" ЩМСО) = -J9.76 - i8.55 ВХТ, Я2 = 0.9S6, .у = 0.65 кДж/моль; АН" (MeCN) = -21.25- 9.05 Вкъ R2 =0.347, .«,= 0.90 кДж/моль.

сольватации преимущественно гидрофобных веществ в смесях воды с сильными донорами (йЫ бю , > 20 ккал/моль) хорошо коррелируют с величинами энтальпий смешения вода-неэлектролит. Установлена линейная корреляция энтальпий сольватации ароматической аминогруппы в смесях воды с ДМФ и ДМСО с основностью бинарных смесей (рис. 9), и практическое отсутствие таковой для слабых доноров - МеС1Ч, 1,4-диоксана (ДО) и ацетона (Ме2СО). Сделан вывод, что в смесях воды с сильными донорами - ДМФ и ДМСО энтальпии сольватации ароматической КН2-группы определяются преимущественно специфическим взаимодействием с растворителем, в котором она выступает в качестве Н-донора, а растворитель в качестве Н-акцептора.

Исследование систем вода-спирт-эфир позволило проверить теоретические предсказания, основанные на формализме МакМиллана-Майера. Из теории строго следует, что '¡ав=Лва (Кесслер Ю.М., Зайцев А.Л. Сольвофобные эффекты. Теория, эксперимент, практика. Л.: Химия. 1989. 312 с.) и, таким образом, в области малых Хл ДпсрЯ° (В, Б—>8+А) зДпсрН° (А, Б-^+В). Приведенные на рис. 10 данные показывают, что при ХА<0.04 м.д. в пределах экспериментальной погрешности Д„Ср//° ДО и 1,2-диметоксиэтана (ДМЭ) из воды в ее смеси с глицерином (С3Н5(ОН)3) идентичны величинам Д„СрЯ° С3Н5(ОН)3 из воды в ее смеси с ДО и ДМЭ. В пределах погрешности расчета идентичны и соответствующие параметры взаимодействий: ИАВ (ДО-С3Н5(ОН)3) =793+120 Дж кг/моль2 и йВА (С3Н5(ОН)3-ДО) = 918±67 Дж кг/ моль2. Аналогичная картина наблюдается и в системах вода-1-РгОН-ДО (ДМЭ). Таким образом, полученные результаты показывают справедливость теоретических предпосылок, что дает возможность их использования на практике. Одновременно они свидетельствуют о том, что область концентраций, где справедливо тождество Д^рй0 (В, Э-^З+А) =Д„СрН° (А, З-^+В) достаточно узкая, поскольку уже при ХА > 0.04 м.д. заметный вклад в величины энтальпий переноса вносят

„ ,л „ тройные взаимодействия.

Рис. 11). Энтальпии переноса ДМЭ (я)

и ДО (Ф) из воды в ее смеси с С,И5(ОН)з, а также СзН5(ОН)з из воды в ее смеси с ДМЭ (О) и ДО (О) при 298 К.

вода-С3Н5(ОН)3-ДО

fвода-ДО-С3Н5(ОН)3

0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 А"л, м.д.

В разделе 5.4 рассмотрены имеющиеся в литературе модельные подходы к описанию и предсказанию свойств тройных систем смешанный растворитель - растворенное вещество, и отмечено, что предложенные модели не позволяют с достаточной точностью предсказывать поведение гидрофобных молекул и ионов в водно-органических растворителях. Определенный успех в вопросе предсказания энтальпийных характеристик тройных систем и выяснении причин отклонения функций переноса от аддитивности был достигнут путем синтеза расширенной координационной модели Вагхорна (Chem. Soc. Rev. 1993. Vol. 22.

27

Р. 285) и теории МакМиллана-Майера. Было получено соотношение, связывающее эн-тальпийные параметры парных взаимодействий растворенного вещества с компонентами смешанного растворителя /;АВ и /¡5Е и величины энтальпий переноса В во всем интервале составов смесей Э+А:

Д„срН° = ХдДтр//°(В,8—> А) - (20)

'(2йдв/Мъ - Д„,РЯ°(В,5 -> А)') [ (2Ьш/Ма -ДперЯ°(В,А-»8)

Я

V -ДРЯ"(А—»Б) ) ' ^ -ДРЯ"(5—>А)

Как видно из уравнения (20), если известны ДРЯ° растворенного вещества В в компонентах бинарной смеси для расчета энтальпии переноса Д11срН° (В, Б-»А), энтальпии растворения ДрЯ° Э и А друг в друге, энтальпии смешения ЯЕ (Э + А) и энтальпийные параметры парных взаимодействий А-В в чистом Б (ЛАв) и Б-В в чистом А №3в). то становится возможным расчет Д11ерЯ° во всем интервале составов. Возможно решение и обратной задачи: если известны перечисленные выше характеристики бинарной системы и энтальпии растворения В хотя бы при двух составах смеси Б + А, то уравнение (20) позволяет оценить величины /¡АВ и

м.д.

Рис. Л. Энтальпии переноса бромидов симония и тетрааякиламмония, а также ГМФТ из воды в ее смеси с ДМФ (а) и ФА (б) при 298 К. Точки - экспериментальные данные, линии - расчет по уравнению (20).

На рис. II и 12 сравниваются экспериментальные и рассчитанные по уравнению (20) величины энтальпий переноса гидрофильных и преимущественно гидрофобных объектов в водно-органических растворителях различной природы. В системах, где ЯЕ (Б + А) отрицательно (вода-ДМФ) или положительно (вода-ФА) во всем интервале составов, в большинстве случаев наблюдается количественное согласие экспериментальных и расчетных данных. Особенно впечатляет очень хорошее предсказание энтальпий пере-

28

носа в системе вода-ДМФ-Ме^Вг, где зависимость Д„срН° -/(ХА) имеет сложный характер.

Бинарные смеси, для которых НЕ (Б+А) знакопеременно представляют особый интерес. Обычно для таких растворителей нет определенного соответствия избыточных энтальпий сольватации гидрофобных В и НЕ (Э + А), как это имеет место в смесях воды с ДМФ и ФА. Очевидно, что в этом случае уравнение (20) не будет столь удачно предсказывать эксперимент. Действительно, в системе ьода-Ме2СО-Ви4ЫВг (рис. 12) наблюдается лишь качественное согласие экспериментальных и расчетных данных. Ситуация, однако, значительно улучшается в растворах Ви4КВг и, особенно, СэНз(ОН)з в системе вода-ДО, где избыточные энтальпии сольватации изменяются антибатно с величинами НЕ (Э+А).

Итак, можно уверенно заключить, что уравнение (20) позволяет адекватно предсказывать поведение, как электролитов, так и неэлектролитов в смешанных растворителях, где смешение либо эк-зотермично, либо эндотермично во всем интервале составов. В случае, когда НЕ знакопеременна, следует ожидать, что использование модели будет менее удачным. Тем не менее, только на основании вида зависимости НЕ -](ХА) нельзя однозначно судить о возможностях подхода - наглядным примером этому служит рис. 12.

Отметим еще два обстоятельства. Во-первых, уравнение (20) предполагает, что состав сольват-ной оболочки В соответствует составу растворителя в объеме, то есть предпочтительная сольватация отсутствует. Возможно, что в тех случаях, когда экспериментальная и предсказанная зависимости не слишком хорошо согласуются, предпочтительная сольватация тем или иным из компонентов смеси может иметь место. Во-вторых, полученные данные ясно показывают, что возникновение максимумов на зависимостях энтальпий переноса гидрофобных веществ от состава смесей воды с сильными донорами обусловлено реорганизацией растворителя в сольватной оболочке В, избыточная энтальпия которой (ЯЕ)', имеет другой знак, чем избыточная энтальпия смешения IIе. Другими словами, гидрофобные В вызывают дестабилизацию Н-связей Б-А в сольватной сфере, что и является причиной подобного поведения исследуемых систем. Следовательно, возникновение максимумов на зависимостях Д11срН° - ДХА) в области средних ХА вызывается не гидрофобными, а гидрофильными эффектами.

ГЛАВА б посвящена изучению влияния гидрофобных и гидрофильных эффектов на функционирование биосистем, при этом основное внимание сосредоточено на возможности их практического использования. В частности показано, какую важную роль иг-

29

60-1 4540-

вода-Ме,саВи№г

вода-ДО-Ви41МВ

и .1 • •/ Г\ I • оТ

СД(ОН),

о.о 0.2 о.4 о.б о.а ХА, м.д.

1.0

Рис. 12. Энтальпии переноса С}Н5(ОН), и Ви^Вг из воды в ее смеси с ДО и Ме2СО при 298 К. Точки - эксперимент. Линии - расчет по уравнению (20).

рают эти явления в процессах формирования и разрушения мочевых камней, и каким образом их можно практически использовать для малоинвазивной терапии мочекаменной болезни. Исследование взаимодействия ионов Са2+ и С2042" в растворах ряда гидрофобных и типично гидрофильных веществ показало, что разбавленные водные растворы ка-тионного мицеллообразующего ПАВ - бромида цетилтриметиламмония и комплексона -этилендиаминтетраацетата натрия (трилон Б) ингибируют образование мочевых камней. Гидрофобное поведение первого способствует дезагрегации частиц СаС204 и хотя выпадение осадка из раствора имеет место, но даже через два года нагрев до 313 К и легкое встряхивание переводит его во взвешенное состояние. В основе действия трилона Б лежит полностью противоположное явление, а именно, связывание кальция в прочный комплекс [СаЕсНа]2". В этом случае эффективность ингибирования зависит от условий проведения эксперимента. Рис. 13 показывает, что в растворе, содержащем 3 мае. % №?Н2Ес11а (мольное отношение Са2+/С20427Н2ЕЛа2' составляет - 1/3/30), образования осадка не наблюдается, а протекает характерная для Са2+ эндотермическая реакция взаимодействия с Н2ЕсКа2"„ч. В этом случае Ка2С204 ведет себя как «фоновый» электролит, и рис. 13 однозначно указывает на ингибирование образования оксалатных камней. Увеличение мольного отношения Са2+/Н2ЕсИа2" приводит к тому, что в 1 % растворе трилона Б (рис. 13), первоначально также протекает реакция комплексообразования, однако

очень быстро начинается рост температуры, вызванный образованием СаСг04тв. Следовательно,

1 % водный раствор Ка2Н2ЕсИа не полностью ин-гибирует осаждение, а калориметрия оказывается чувствительным инструментом для идентификации СаС;04 тв, появление которого в начальный момент времени не может быть замечено даже с помощью микроскопа.

На специальной проточной установке мы исследовали растворимость мочевых камней в водных растворах, содержащих 5 мае. % трилона Б и цитрата натрия. Оказалось, что действие растворов комплексонов на оксалатно-фосфатные камни достаточно эффективно. Потеря массы за

2 часа травления составляет в зависимости от соотношения оксалат/фосфат в образце от 2 до 10 %. При этом даже в случае низкой растворимости, в камне возникают глубокие трещины (см. рис. 14 а), что делает его намного более восприимчивым к действию дистанционной литотрипсии.

Наиболее эффективно гидрофильные и гидрофобные эффекты влияют на литолиз фосфатно - оксалатных конкрементов: в этом случае комплексообразование трилона Б с

24.990

24.988

24.985 Л-

24.984 24.982 Р 24.980 юм икксообразо 3 масс. Чс трилона Б ' ч

•-"24.978 \

24.976 24.974 24.972 осаждение, 1 масс. Я тритона Б

24.970

24.968-

500

1000 1500 Т, сек

2000

Рис. 13. Термокииетические кривые взаимодействия Са2* и С20/~ в I и 3 % растворах трилона Б при 298 К.

Рис. 14. (а) Микрофотография оксалатно-фосфатного камня (т~500 мг) после 4-х часового травления раствором трилона Б. (б) Растворимость фосфатно-оксалатных мочевых камней в растворах трилона Б (1) и цитрата натрия (2) без (светлые колонки) и с использованием (темные колонки) предварительной обработки растворами ТВИН 80 при 310 К. Время воздействия растворами комплексонов - 2 часа.

кальцием позволяет добиться существенной убыли массы образца - более 55 % (см. рис. 14 б). Использование гидрофобных веществ позволяет еще больше повысить степень разрушения конкрементов. Оказалось, что предварительная обработка камней водными растворами мицеллярного неионогенного ПАВ - ТВИН 80, при содержании последнего выше критической концентрации мицеллообразования, способствует переходу малорастворимой в воде органической составляющей в раствор ПАВ и снижению механической прочности конкрементов, что, как видно из рис. 14 б, повышает эффективность литоли-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы закономерности гидрофобной и гидрофильной гидратации в бинарных электролитных и неэлектролитных системах. Установлено, что теплоемкости гидратации гидрофобных тетраалкиламмониевых солей положительны, практически постоянны в широком температурном интервале и монотонно увеличиваются с ростом размера катиона вплоть до бромида тетрапентиламмония, однако далее начинают уменьшаться. Обоснован тезис о том, что причиной подобного поведения исследуемых объектов является ослабление эффекта гидрофобной гидратации у катионов большого размера.

2. В рамках теории Макмиллана-Майера определены параметры парных взаимодействий в растворах гидрофобных и гидрофильных объектов.

• Впервые установлено наличие линейной корреляции между энтальпийными параметрами парного взаимодействия неэлектролит-бромид тетрабутиламмония и неэлектро-

лит-СНг-группа катиона с критерием гидрофобности - производной второго вириально-го коэффициента по давлению. Предложено использовать энтальпийные параметры неэлектролит - СН2-группа в качестве характеристики сравнительной гидрофобности молекул органических неэлектролитов.

• Впервые обнаружено нарушение аддитивности групповых вкладов в энтальпийные и энтропийные параметры взаимодействия мочевины с гидрофобными аминокислотами -Ь-фенилаланином и Ь-лейцином. Сделан вывод, что наблюдаемые явления вызваны возникновением предпочтительных ориентации между МН2-фрагментами амида и цвитте-рионной группой аминокислоты.

• Установлено, что в широком температурном интервале мочевина отчетливо проявляет тенденцию к связыванию с полярными фрагментами аминокислот, и ее денатурирующее действие на глобулярные белки в значительной степени связано не только с ослаблением гидрофобного взаимодействия между неполярными фрагментами полипептидных цепей, но и с энергетически выгодным взаимодействием с полярными и заряженными группами белков, приводящим к дестабилизации внутримолекулярных Н-связей.

3. Впервые исследована зависимость параметров парного взаимодействия неэлектролит-неэлектролит и неэлектролит-электролит от размера частиц и температуры.

• Показано, что при взаимодействии двух преимущественно гидрофобных объектов положительный знак энтальпии определяется вкладами неполярных групп, в то время как отрицательная величина теплоемкости взаимодействия возникает исключительно вследствие доминирования вкладов полярных и заряженных фрагментов.

• Установлено наличие экстремумов на температурных зависимостях энтальпийных и энтропийных параметров взаимодействия амид-аминокислота в области температурного минимума теплоемкости воды при постоянном давлении. Обоснован тезис о том, что температурные зависимости параметров взаимодействия как в электролитных, так и в неэлектролитных системах определяются не гидрофобными, а гидрофильными эффектами.

• Обнаружено, что, как и в случае теплоемкостей гидратации, зависимости энтальпийных параметров парного взаимодействия тетраапкиламмониевых солей с амидами от размера катиона проходят через максимумы, указывающие на изменение механизма гидратации гидрофобных объектов большого размера, что служит подтверждением теоретических предсказаний Люма, Чандлера и Уикса.

4. Впервые получено соотношение, связывающее энтальпийные параметры парного взаимодействия и энтальпии переноса растворенных веществ во всем интервале составов бинарных смесей. Обнаружено, что для множества как электролитных, так и неэлектролитных систем, оно обладает хорошими предсказательными возможностями. Сделан вывод о том, что возникновение максимумов на зависимостях энтальпий переноса неполярных объектов в смесях воды с сильными электронодонорами не связано с гидрофобными эффектами, а определяется дестабилизацией Н-связей вода-неэлектролит в соль-ватной сфере растворенного вещества.

5. Исследовано влияние гидрофобных и гидрофильных эффектов на особенности формирования и разрушения уролитов. Впервые убедительно показано, что растворы ком-плексообразующих агентов и мицеллообразующих ПАВ способствуют адресному и эффективному разрушению органо-неорганических композитов биологического происхождения, что открывает новые возможности в малоинвазивной терапии мочекаменной болезни.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Кустов A.B., Королев В.П. Энтальпии растворения и гидрофобные эффекты в системе вода - гексаметилфосфортриамид - бромид тетрабутиламмония. И Журн. физ. химии. 1998. Т. 72. N. 12. С. 2192-2195.

2. Мании Н.Г., Антонова O.A., Кустов A.B., Королев В.П. Термохимическое исследование сольватации анилина в смесях воды с метиловым и трет-бутиловым спиртами. II Изв. АН, Сер. хим. 1998. N. 12. С. 2471-2478.

3. Савельев В.И., Кустов A.B., Манин Н.Г., Королев В.П. Сольватация бромида тетра-метиламмония в системе вода-гексаметилфосфортриамид при 283.15, 298.15 и 318.15 К. // Журн. физ. химии. 1999. Т. 73. N. 4. С. 593-597.

4. Кустов A.B. Сольватация и состояние бромида аммония и фторобората аммония в системе вода-гексаметилфосфортриамид. II Журн. физ. химии. 2001. Т. 75. N. 2. С. 277282.

5. Кустов A.B., Волкова Е.Ю., Королев В.П. Энтальпии растворения и особенности межчастичных взаимодействий в системах вода-спирт-эфир. II Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2001. Т. 44. Вып. 2. С. 25-28.

6. Kustov А.V., Bekeneva A.V., Saveliev V.l., Korolev V.P. Solvation of tetraethyl- and tetrabutylammonium bromides in aqueous acetone and aqueous hexamethyl phosphoric tria-mide mixtures in the water-rich region. // J. Solution Chem. 2002. Vol. 31. N. 1. P. 71-80.

7. Кустов A.B., Савельев В.И., Королев В.П. Энтальпии растворения бромидов тетра-этип- и тетрабутиламмония в смесях воды с апротонными растворителями. II Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. N. 2. С. 265-270.

8. Кустов A.B. Энтальпийные характеристики индивидуальных ионов в водно-органических системах. // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. N. 3. С. 451-454.

9. Кустов A.B., Бекенева A.B., Антонова O.A., Королев В.П. Сольватация анилина в смесях воды с N.N-диметилформамидом и ацетонитрилом. II Журн. общ. химии. 2002. Т. 72. Вып. 6. С. 981-987.

10. Kustov А.V., Antonova O.A., Korolev V.P. Enthalpies of 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane and ethylacetate solvation in the water-1 -propanol and water-glycerol binary mixtures. //J. Solution Chem. 2002. Vol. 31. N. 8. P. 667-680.

11. Кустов A.B., Королев В.П. Расчет энтальпий переноса растворенных веществ в бинарных смешанных растворителях. //Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. N. 4. С. 682-685.

12. Kustov A.V., Bekeneva A.V., Antonova O.A., Korolev V.P. Enthalpie pair-interaction co-

33

efficients of benzene, aniline and nitrobenzene with N,N-dimethylformamide and acetonitrile in water at 298.15 K. II Thermochim. Acta. 2003. Vol. 398. P. 9-14.

13. Кустов A.B., Манин Н.Г., Королев В.П. Энтальпии растворения бромидов тетра-этил- и тетрабутиламмония в системе вода-формамид. II Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. N. 12. С. 2170-2174.

14. Манин Н.Г., Кустов A.B., Королев В.П. Термохимия растворения NH4Br, Et4NBr и Bu4NBr в воде при 25 and 40 "С. II Журн. неорган, химии. 2004. Т. 49. N. 1. С. 120-126.

15. Кустов A.B., Антонова O.A., Королев В.П. Энтальпии взаимодействия бромида аммония с ФА и ГМФТ в воде при 25 и 40 "С. II Журн. неорган, химии. 2004. Т. 49. N. 6. С. 1033-1038.

16. Бекенева A.B., Кустов A.B., Королев В.П. Энтальпия растворения фенилаланина в воде. // Журн. физ. химии. 2004. Т. 78. N. 11. С. 1927-1930.

17. Манин Н.Г., Кустов A.B., Королев В.П. Термодинамика водного раствора Bu4NBr в широком ряду концентраций и температур. // Журн. неорган, химии. 2005. Т. 50. N. 1. С. 141-145.

18. Кустов A.B., Смирнова H.JT., Королев В.П. Энтальпийные и теплоемкостные параметры взаимодействия бромида аммония с гексаметилфосфортриамидом в воде. II Журн. структур, химии. 2005. Т. 46. N. 5. С. 894-901.

19. Korolev V.P., Smirnova N.L., Kustov A.V. Temperature dependence of the interaction between two hydrophobic solutes: a calorimetric study. II Thermochim. Acta. 2005. Vol. 427. P. 43-50.

20. Korolev V.P., Kustov A.V. Temperature dependence of the pair interaction between hydrophobic and hydrophilic solutes: a calorimetric study. II Thermochim. Acta. 2005. Vol. 437. P. 190-195.

21. Кустов A.B., Бекенева A.B., Смирнова Н.Л., Батов Д.В., Манин Н.Г., Королев В.П. Термодинамические свойства и параметры межчастичных взаимодействий в системах вода-амид-биологически активное вещество. Н XV Межд. Конф. по Хим. Термодинамике в России. Москва. 2005. С. 19.

22. Бекенева A.B., Кустов A.B. Термохимические характеристики растворения гисти-дина. II Журн. физ. химии. 2005. Т. 79. N. 11. С. 2094-2095.

23. Кустов A.B., Королев В.П. Энтальпийные и теплоемкостные характеристики гидратации бромидов алшония и тетраалкияаммония. II Жури. физ. химии. 2006. Т. 80. N. 1.С. 64-71.

24. Кустов A.B., Емельянов A.A., Сыщенко А.Ф., Крестьянинов М.А., Железняк Н.И., Королев В.П. Калориметрическая установка для измерения тепловых эффектов процессов в растворах. И Журн. физ. химии. 2006. Т. 80. N. 9. С. 1724-1728.

25. Kustov A.V., Korolev V.P. Thermodynamics of solution ofhistidine. II Thermochim. Acta. 2006. Vol.447. P. 212-214.

26. Кустов A.B., Березин Б.Д., Стрельников A.M., Шевырин A.A., Березин М.Б., Королев В.П. Энергетика взаимодействия ионов Ca1* и С204" в многокомпонентных жидкофаз-

34

ных системах: к вопросу ингибирования образования мочевых камней. II Доклады АН. 2006. Т. 410. N. 1.С. 62-65.

27. Кустов А.В., Березин М.Б., Березин Б.Д. Энтальпии и теплоемкости растворения хлорида кальция и оксапата натрия в воде. // Журн. неорган, химии. 2007. Т. 52. N. 1. С. 136-137.

28. Кустов А.В., Березин Б.Д. Энтальпии и теплоемкости взаимодействия хлорида кальция и оксалата натрия в воде. П Журн. неорган, химии. 2007. Т. 52. N. 1. С. 138-140.

29. Кустов А.В., Королев В.П. Термодинамические характеристики растворения L-фенилаланина. U Журн. физ. химии. 2007. Т. 82. N. 2. С. 245-248.

30. Королев В.П., Батов Д.В., Смирнова Н.Л., Кустов А.В. Алшнокислоты в водном растворе. Влияние строения молекул и температуры на термодинамику растворения. // Изв. АН, Сер. хим. 2007. Т. 56. N. 4. С. 711-714.

31. Королев В.П., Кустов А.В., Бекенева А.В. Термодинамика взашюдействия L-a-фенилаланина с мочевиной и дгшетилформамидом в воде. И Журн. общ. химии. 2007. Т. 77. Вып. 7. С. 1149-1154.

32. Кustov A.V. The aromatic amino acid behaviour in aqueous amide solutions. The temperature dependence of the L-phenylalanine-urea interaction. I/ J. Therm. Anal. Calorim. 2007. Vol. 89. N.3.P. 841-846.

33. Kustov A. V., Korolev V.P. Temperature and length scale dependence of the tetraalkylam-monium ion-amide interaction. II J. Phys. Chem. B. 2008. Vol. 112. N. 7. P. 2040-2044.

34. Кустов A.B., Бекенева A.B., Королев В.П. Термодинамические и структурные аспекты взаимодействия L-гистидина с мочевиной и дгшетилформамидом в воде. II Журн. общ. химии. 2008. Т. 78. Вып. 1. С. 106-110.

35. Кустов А.В., Смирнова H.JI., Сыщенко А.Ф. Энтальпии растворения бромидов тет-раэтил- и тетрабутиламмония в водных растворах ГМФТ при 328.15 К. // Журн. физ. химии. 2008. Т. 82. N. 2. С. 395-397.

36. Кустов А.В., Смирнова Н.Л., Антонова О.А., Крестьянинов М.А., Железняк Н.И., Гречин О.В., Королев В.П. Термодинамические свойства, параметры межчастичных взаимодействий и структура водно-амидных растворов бромидов алшония и тетраал-киламмония. И Журн. структур, химии. 2008. Т. 49. N. 2. С. 292-298.

37. Кустов А.В., Смирнова Н.Л., Антонова О.А., Королев В.П. Энтальпии и теплоемкости растворения бромидов тетраэтил- и тетрабутиламмония в метаноле, формамиде и этиленгликоле. И Журн. физ. химии. 2008. Т. 82. N. 2. С. 299-302.

38. Kustov A.V., Smirnova N.L., Krestyaninov М.А., Antonova O.A., Korolev V.P. Solvopho-bic effects in aqueous and non-aqueous solutions of tetraalkylammonium halides: the temperature and length scale dependence. // 20th Int. Conf. on Chem. Thermodyn. 2008. Warsaw. P. 167.

39. Kustov A.V., Bekeneva A.V., Korolev V.P. Temperature dependence of the L-phenylalanine- amide interaction. // 20й Int. Conf. on Chem. Thermodyn. 2008. Warsaw. P. 330.

40. Kustov A.V., Berezin B.D., Kotelnikova M.V., Shevyrin A.A., Strelnikov A.I., Syschenko A.F., Uglov V.V., Trostin V.N. The inhibition of calcium oxalate precipitation and solubility of oxalate urinary stones in aqueous multicomponent systems. II 20lh Int. Conf. on Chem. Ther-modyn. 2008. P. 331.

41. Кустов A.B., Королев В.П. Термодинамика растворения L-а-гистидина и L-a-фенилаланина в воде при 273-373 К. I/ Журн. физ. химии. 2008. Т. 82. N. 11. С. 2039-2043.

42. Кустов А.В., Смирнова Н.Л., Королев В.П. Системы вода - диметилформамид -L-a-аланин и вода-мочевина-Ь-а-аланин. Термодинамические свойства, сольватация и межчастичные взаимодействия при 273-333 К. // Журн. общ. химии. 2008. Т. 78. Вып. 12. С. 1947-1952.

43. Кустов А.В. Термодинамические свойства водных растворов тетраалкиламмоние-вых солей - зависимость эффекта гидрофобной гидратации от размера катиона. II Журн. неорган, химии. 2009. Т. 54. N. 2. С. 329-334.

44. Korolev V.P., Antonova О.А., Smirnova N.L., Kustov A.V. Thermochemistry of Bu4NBr solutions in binary solvents containing formamide. // J. Therm. Anal. Calorim. 2009. Vol. 96. N.3. P. 903-910.

45. Kustov A. V., Berezin B.D., Trostin V.N. The complexon-renal stone interaction: solubility and electronic microscopy studies. II J. Phys. Chem. B. 2009. Vol. 113. N. 28. P. 9547-9550.

Подписано в печать 10.12.2009 г. Формат издания 60x84^6.

_Усл. печ. л. 2,00. Тираж 100 экз. Заказ 1230._

Типография ГОУСПО Ивановского энергоколледжа, 153025, г. Иваново, ул. Ермака, 41, Тел.: 37-52-44, 32-50-89 E-mail: tip 1 @mail.ru, www.tipl.ru