Диссертация (1150552), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Суммарноечисло гидратации равно 14 для GLY (3 от NH3+ + 4 от COO- + 7 от CH2), 21 для bALA (как дляGly + 7 от СН2), 28 для GABA (как для bALA + 7 от СН2) и 35 для 6ACA (как для GABA + 14 отдвух CH2). Эти координационные числа дают значения концентрации 4,0, 2,6, 2,0 и 1,3 m ,соответствующие ситуации, когда все молекулы воды в растворе принадлежат гидратнойоболочке молекулы растворенного вещества. Панели a и c на Рисунок 1.1 иллюстрируютотклонения концентрационных зависимостей от линейности именно на вычисленныхконцентрациях (за исключением GLY, так как он не растворим при 4 ).
Этот фактподкрепляет уверенность в предлагаемых значениях координационных чисел для CH2, COO- иNH3+. С другой стороны, из концентраций, при которых наблюдается отклонение отлинейности, можно рассчитать координационное число для молекул растворенного вещества.Такой подход был очень плодотворным для растворов электролитов. Ранее были успешноопределены координационные числа и относительные времена корреляции вращательногодвижения молекул воды в гидратных оболочках различных ионов [35].Мы использовали координационные числа, полученные способом, описанным выше, ивычислили относительные времена корреляции вращения молекул воды в гидратных оболочкахвсей молекулы растворенного вещества (), метиленовой группы (2 ) и остальной частимолекулы растворенного вещества, содержащей карбоксильную и аммонийную группы ( ).Результаты расчетов представлены в Таблице 1.1.30Таблица 1.1.
Относительное время корреляции вращательного движения молекул водыв общей гидратной оболочке молекулы растворенного вещества (), в гидратной оболочке CH2(2 , рассчитано из 12 в уравнении (1.8), используя данные для пар разных аминокислот) ив гидратных оболочках COO- и NH3+ ( , рассчитано из 1 (см. уравнение (1.9)) сиспользованием данных для всех соединений).2˚C25˚C55˚C1,041,071,121,16GLYbALAGABA6ACA1,151,211,261,301,251,301,401,4121,61,92,02,22,12,1GLY, bALAGLY, GABAGLY, 6ACAbALA, GABAbALA, 6ACAGABA, 6ACA1,71,81,81,91,91,81,51,71,61,91,61,52Все соединения2,01,81,6Все соединения0,80,91,0Ранее относительное время корреляции вращательного движения молекул воды вгидратных оболочках метиленовой группы никогда не было оценено.
Поэтому мы не можемсравнить его с литературными данными, однако относительные времена корреляции для воды вгидратных оболочках молекулы растворенного вещества также могут быть вычислены изрелаксационных данных для ядер17O в водных растворах аминокислот, представленныхIshimura и Uedaira [37]. Они измерили 1 кислорода-17 для молекул воды в зависимости отконцентрации аминокислоты для GLY, bALA и GABA при 25°C. Опубликованные Bкоэффициенты для релаксации 17O соответствуют равным 1,13, 1,20 и 1,19 для GLY, bALA иGABA, соответственно. Эти результаты хорошо согласуются с соответствующими ,полученными в данной работе по релаксации дейтронов.Аддитивность вкладов гидратных оболочек метиленовых групп в наблюдаемую скоростьрелаксации можно рассматривать как достаточно общее правило.
Используя исходные данныеработ [5, 9, 37, 38] можно также выявить линейную зависимость B-коэффициентов от числа31метиленовых групп в молекуле растворенного вещества для растворов спиртов, бромидовтетраалкиламмония и некоторых других соединений. В принципе, могут возникать некоторыеотклонения от линейности, которые вызваны эффектом размера молекул (этот эффект такженаблюдали Uedaira и др. для олигосахаридов с различным числом ОН-групп) [8]. Тем не менее,общая тенденция для относительно небольших молекул прозрачна: (i) каждая дополнительнаяметиленовая группа меняет подвижность молекул воды в растворе на приблизительнопостоянный инкремент; и (ii) метиленовые группы замедляют ориентационное движениемолекул воды в их гидратных оболочках. Эти факты делают возможным применениеописанного выше подхода к изучению явлений гидратации для других молекулярных групп.Особенности температурных зависимостей молекулярного движения в гидратных оболочкахCH2, СОО- и NH3+ обсуждаются ниже.Скорости релаксации дейтронов в 1 m растворах GLY, bALA, GABA и 6ACA в D2O былиизмерены, как функции температуры.
Для каждой аминокислоты при всех температурах Вкоэффициент был рассчитан с использованием 10 и 1 при концентрации 1 m. Затем каждаятемпературная зависимость В-коэффициентов от числа метиленовых групп в молекулерастворенного вещества (2 ) была аппроксимирована уравнением (1.9) для полученияскорости релаксации дейтронов в гидратной оболочке метиленовой группы (12 ) и вгидратных оболочках карбоксильной и аммонийной групп (1 ). Полученные результатыпредставлены на Рисунок 1.3. Коэффициент детерминации для всех аппроксимаций был выше0,98.Рисунок 1.3. Температурные зависимости скоростей релаксации дейтронов воды в чистой D2O(сплошная черная линия), в гидратных оболочках метиленовой группы (1, синий) и в гидратнойоболочке с карбоксильной и аммонийной групп (2, красный).32Скоростирелаксациидейтроноввгидратнойоболочкеметиленовойгруппыаминокислот в 1,5 ÷ 2 раза выше, чем скорости релаксации для чистой D2O в рассматриваемомдиапазоне температур.
В первом приближении для описания температурных зависимостей 10 ,12 и 1 может быть использована одна экспоненциальная функция Аррениусова типа. Изаппроксимацийэкспериментальныхданныхуравнением(1.5)энергииактивациипереориентационного движения были оценены в 20, 23 и 18 кДж/моль для 10 , 12 и 1 ,соответственно. На основе полученных данных можно сделать вывод, что переориентациямолекул воды более затруднена в гидратных оболочках метиленовых групп в сравнении собъемной водой, однако переориентация молекул воды слегка ускорена в общей гидратнойоболочке гидрофильных карбоксильной и аммонийной групп. Эти выводы хорошо согласуютсякак с экспериментальными, так и c расчетными литературными данными [60, 72-74].1.4.3.
Обмен водорода между группой NH3+ глицина и водойДейтроные ЯМР спектры растворов GLY в D2O представлены на Рисунок 1.4а. Притемпературах выше 35°С спектры содержат один пик, соответствующий усредненнойрезонансной линии от OD группы воды и ND3+ группы аминокислоты. При температурах ниже35°С спектры содержат две резонансные линии: от D2O и ND3+. Таким образом, мы наблюдаемтипичный пример промежуточного и медленного обмена дейтронов между аммонийнойгруппой и водой. Влияние химического обмена было обнаружено и для протонных спектров,что было подтверждено путем наблюдения положительных обменных пиков в протонныхспектрах NOESY (данные не показаны).
Точка коалесценции дейтроных спектров расположенапримерно на 35°С, при этом:∆ ~1,здесь ∆ - разница между резонансными частотами для обменивающихся сайтов и постоянная времени для химического обмена. Из данных для дейтронов в точкекоалесценции оценивается приблизительно в 0,7 мс. Как следует из полученных данных,несмотря на то, что ниже 30°C обмен водорода между аммонийной группой и водой медленныйв шкале времени химического сдвига, этот процесс является быстрым в шкале времени спинрешеточной релаксации: намного меньше, чем наименьшее измеренное время релаксации(25 мс).
Поэтому уравнение (1.3) может быть применено во всем диапазоне исследованныхтемператур.33Рисунок 1.4. (а) 2H ЯМР спектры 1 m раствора GLY в D2O при различных температурах; (б)температурная зависимость скорости релаксации дейтронов: сплошная черная линия - чистаяD2O, синие круги (1) - D2O и красные круги (2) - ND3+ группа GLY в 1 m растворе в D2O сдобавлением 1,4 моль HCl.Для того, чтобы оценить вклад различных слагаемых в уравнении (1.3), скоростирелаксации дейтронов для линий ND3+ и D2O были измерены (см. Рисунок 1.4b). Температурнаязависимость спин-решеточной релаксации для линий ND3+ и D2O была записана для растворовс низким значением рН (добавлено 1,4 моль HCl) для замедления процесса химическогообмена. Даже при 2°С, когда скорость обмена имеет наименьшее значение в нашемэксперименте, разница в 1 дейтронов D2O и ND3+ составляет менее 20%.
Учет этой разницы иотносительной населенности аммонийных дейтронов (2,7% при 1 m концентрации) вноситизменения в рассчитываемые скорости ЯМР релаксации меньшие по значению, чем точностьизмерения1 .Поэтомуэффектомхимическогообменааммонийныхдейтроновсрастворителем, можно пренебречь при расчетах скоростей релаксации дейтронов воды. Крометого, в связи с этим обстоятельством не нужно, проводить оценку величины константы34квадрупольной связи (см. уравнение (1.1)) для дейтронов в группе ND3+, которая, скорее всего,отличается от константы для молекул воды.1.5. Заключение по главе 1Температурные и концентрационные зависимости скоростей релаксации дейтронов водыбыли изучены в широком диапазоне концентраций и температур в водных растворах (D2O)набора ω-аминокислот. При низких концентрациях наблюдаемые скорости релаксации ядеррастворителя зависят почти линейно от числа метиленовых групп в молекуле растворенноговещества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
