Диссертация (1150552), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Моделирование методом Монте-Карло показывает, что энергиявзаимодействия между молекулами воды увеличивается вблизи гидрофобных фрагментовпропионовой кислоты [60]. Campo и др. получены времена жизни молекул воды в окружениифункциональных групп цвиттериона глицина методом молекулярной динамики [65]. Ихрезультаты не предсказывают существенной разницы в жизни молекул воды вблизигидрофобных и гидрофильных остатков и в объемной фазе. Используя молекулярную динамикуBeck и др.
получили время пребывания молекул воды в гидратных оболочках молекулярныхгрупп различных L-аминокислот [64]. Для гидрофобных фрагментов аминокислот онипредсказывают более высокую подвижность молекул воды по сравнению с объемной водой, авблизи гидрофильных функциональных групп – пониженную подвижность. Эти результаты несовпадают с экспериментальными данными, обсужденными выше.Этот короткий обзор результатов, полученных с помощью различных методов,показывает, что понимание микроструктуры растворов органических веществ еще далеко от19желаемого уровня. В этой работе мы представляем подход, в котором гидратная оболочкарастворенной молекулы рассматривается как суперпозиция гидратных оболочек молекулярныхгрупп.Доказывается,чтовпервомприближениигидратныеоболочкиотдельныхфункциональных групп могут быть охарактеризованы как независимые структуры, имеющиеразличную подвижность молекул воды.
Эта модель была применена к водным растворам (D 2O)ω-аминокислот: глицин (GLY), β-аланин (bALA), γ-аминомасляная кислота (GABA) и εаминокапроновая кислота (6ACA). Скорости ЯМР релаксации дейтронов молекул воды вблизиметиленовой CH2, карбоксильной COO- и аммонийной NH3+ (ND3+) групп были получены ипроанализированы, для получения времен корреляции вращательного движения.1.2. Материалы и методыОбразцыОбразцы глицина (+NН3-СН2-СОО-), β-аланина (+NН3-(СН2)2-СОО-), γ-аминомаслянойкислоты(+NН3-(СН2)3-СОО-),ε-аминокапроновойкислоты(+NН3-(СН2)5-СОО-)былиприготовлены путем растворения в D2O соответствующих соединений высокой чистоты (более99%, D2O с дейтерированием 99,9%). Растворы аминокислот имели значение pH* (значение рНбезизотопнойкоррекции),почтиравноеизоэлектрическойточкесоответствующейаминокислоты (6.0 для GLY, 6,9 для bALA, 7,3 для GABA и 7,6 для 6ACA).
рН контролировалиpH-метром Mettler Toledo FEP20. При этих условиях все аминокислоты были в цвиттерионнойформе. Концентрации образцов приведены в единицах аквамоляльности m, числа молейрастворенного вещества на 55,5 молей D2O. Концентрации находились в диапазоне от 0 m допочти предела растворимости (3.1 m для GLY, 8.1 m для bALA, 7 m для GABA, 7 m для 6ACA).ЯМР экспериментыСпектры ЯМР на ядрах 2Н (при 76,8 МГц) и времена спин-решеточной релаксации 2H(1 ) в водных растворах органических молекул были измерены с использованием спектрометраBruker AVANCE III 500 МГц, оборудованного широкополосным инверсным датчиком (BBI).
Врелаксационных измерениях использовался резонанс дейтронов. Это позволило избежатьдлительной процедуры дегазации образцов. Обычно такая процедура необходима для удалениярастворенного парамагнитного кислорода. Температура варьировалась в диапазоне от 2 до 75°Ссиспользованиемнагретогоилиохлажденноговоздушногопотока.Температурастабилизировалась с точностью ± 0,2˚C.
Для измерения 1 использовалась стандартная20импульснаяпоследовательность«инверсия-восстановление».Спектрыобрабатывалисиспользованием Bruker TopSpin 3.2, а кривые релаксации были аппроксимированы с помощьюпрограммного обеспечения Bruker Dynamics Center 2.1.8. Для всех систем наблюдалисьодноэкспоненциальные релаксационные функции. Скорость релаксации дейтронов чистой D 2O10 = 1/10, была определена с точностью 0,7% (результаты согласуются с данными длярелаксации дейтронов чистой D2O, опубликованными в ссылках [47, 68]). Точностьопределения скоростей релаксации дейтронов 1 = 1/1 в растворах органических соединенийбыла выше 0,8%.1.3. Теоретическая частьКак известно, для дейтронов (спин = 1) доминирующий механизм релаксации связан свзаимодействием ядерных квадрупольных моментов с флуктуирующими градиентамиэлектрического поля [42, 45]. В этом случае релаксация описывается одноэкспоненциальнойфункцией.
В нашем случае, для всех исследованных растворов реализуется пределэкстремального сужения линии ЯМР, который был подтвержден контрольными измерениямина резонансной частоте 13,8 МГц (скорости спин-решеточной релаксации не зависят отрезонансной частоты). Тогда для = 1 спин-решеточная релаксация 1 описывается формулой[42, 45]:32 21 = (1 + ) () .83ℏ(1.1)Здесь = ( − )/ – параметр асимметрии градиента электрического поля, обозначает вторую производную электрического потенциала V по координатам и xj (ГЭП), - заряд электрона, - ядерный квадрупольный момент, ℏ - приведенная постоянная Планка, τc– время корреляции вращательного движения.
Стоит отметить, что в растворах, которые несодержат компактных многозарядных ионов, времена корреляции как вращательного, так ипоступательного движения почти равны [35]. Величина χ = eQVzz /ℏ называется константойквадрупольной связи. Таким образом, R1 связана с важными динамическими и структурнымипараметрами гидратации: временами корреляции вращательного движения молекул воды иградиентами электрического поля, индуцированными в местах расположении ядер.Молекулы воды в водных растворах органических молекул распределены средиразличных подструктур растворителя, которые характеризуются различными временами21корреляции вращательного движения и константами квадрупольной связи .
Квантово-химические расчеты показали, что в некоторых случаях разница в для объемной воды игидратных оболочек молекул растворенного вещества составляет около 5 ÷ 10% [9, 69, 70].Например, Павлова и Чижик учли эту разницу для точного расчета времен корреляциивращательного движения в гидратных оболочках ионов в растворах электролитов [69]. Длягидратных оболочек органических молекул имеются свидетельства того, что изменение τcзначительно больше 5 ÷ 10% по сравнению с τc для объемной воды [3-8, 10-14, 37]. В концеконцов, вариации скорости релаксации ЯМР R1 в основном обусловлены изменениями временкорреляции вращательного движения.
По этим причинам в дальнейшем ГЭП и параметрыасимметрии для всех субструктур растворов считаются одинаковыми. Для удобства оценкимолекулярной подвижности целесообразно ввести относительные времена корреляции: =1=10 0(1.2)где R10 а также τc0 – скорость релаксации дейтронов и время корреляции вращательногодвижения в структуре чистой воды, соответственно. Уравнение (1.2) также позволяетсравнивать результаты, полученные по данным ЯМР разных ядер.Рассмотрим реакцию обмена дейтронов между несколькими сайтами, отличающимися τcв водных растворах органических молекул:Схема 1.1. Реакция обмена дейтронов между молекулами воды. + + + ⋯ → + + + ⋯На схеме 1.1 реализуется быстрый обмен молекул воды между различными сайтами( ≫ 1 ), и, следовательно, должно быть учтено усреднение наблюдаемой R1 [50]:1 = ∑ 1 ,(1.3)=1где N - количество подструктур, 1 - скорость релаксации в i-й подструктуре, и pi относительная концентрация сайта , с ∑ = 1.
Относительная концентрация молекул воды вконкретном сайте определяется отношением числа молекул воды в этом сайте, к общему числумолекул воды на одну молекулу растворенного вещества = 55.5/:22 ==,55.5(1.4)где - это аквамоляльность раствора и - количество молекул воды в -ом сайте.Относительная концентрация для объемной воды равна (1 − ∑−1=1 ) (объемная вода является й субструктурой растворителя). Формулы (1.3) и (1.4) справедливы в диапазоне концентрацийот 0 до = 55.5/ ∑−1=1 .Анализ скоростей релаксации, как функций концентрации раствора с известнымсоставом, может дать подвижности молекул воды во всех различимых подструктурахрастворителя. Несмотря на относительно узкий диапазон рассматриваемых температур,сохраняется возможность оценить энергию активации переориентационного движения молекулводы в гидратных оболочках функциональных групп аминокислот из температурныхзависимостей скоростей релаксации дейтронов R1 , используя аппроксимацию релаксационныхданных зависимостью Аррениуса:1 ∝ = 0 exp (−)(1.5)1.4 .
Результаты и обсуждение1.4.1. Концентрационные зависимости релаксации дейтронов в водных растворахаминокислотСкорости спин-решеточной ЯМР релаксации дейтронов 1 в водных растворах (D2O)для GLY, bALA, GABA и 6ACA были измерены как функции концентрации. Результаты,определенные при температурах 2, 25 и 55°С, представлены на Рисунок 1.1a, b и c,соответственно.232°C25°C55°CРисунок 1.1. Концентрационные зависимости 1 дейтроновв водных растворах GLY (1,черный), bALA (2, синий), GABA (3, красный) и 6ACA (4, зеленый) при 2°C (a), 25°C (b) и 55°C(с).Все зависимости показывают монотонный ростR1 с концентрацией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
