Введение к работе
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-
шиє 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. Sci. 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-
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
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 СаСгС^ та. 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 СаСгС^ тв 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; 201 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;
І, П-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.
