Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 18
1.1. Современное состояние исследований свойств водных растворов биологически активных соединений 18
1.2. Представления о сорбции биологически активных соединений на сшитых полиэлектролитах 43
1.3. Гидратационные свойства ионообменников 56
2. Межмолекулярные взаимодействия в системе вода - аминокислота
3. Равновесие ионного обмена аминокислот, Сі различающихся структурой бокового радикала, на Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8 190
4. Кинетика сорбции аминокислот на Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8 277
5.Динамика сорбции аминокислот на ( Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8 298
Выводы 313
Литература 318
- Современное состояние исследований свойств водных растворов биологически активных соединений
- Представления о сорбции биологически активных соединений на сшитых полиэлектролитах
- Межмолекулярные взаимодействия в системе вода - аминокислота
- Равновесие ионного обмена аминокислот, Сі различающихся структурой бокового радикала, на Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8
Введение к работе
Актуальность работы. Ключевым вопросом физической химии
водных растворов биологически активных соединений является
установление механизма гидратации цвиттерлитов и взаимосвязи физико-
химических свойств и структуры раствора с концентрацией и строением
бокового радикала аминокислоты. Особую актуальность такой подход
приобретает в настоящее время в связи с развитием методов
супрамолекулярной химии и представлений о самоорганизации в ион-
полиэлектролитных системах. Он способствует развитию теории ионного
обмена и более глубокому пониманию процессов, протекающих в
v многофазных системах. Наличие четких представлений о механизме
межчастичных взаимодействий в гомогенных и гетерогенных системах с участием аминокислот послужит основой для разработки и внедрения новых экологически чистых технологических процессов разделения и концентрирования компонентов.
Целый ряд теоретических и экспериментальных данных указывает на
то, что имеются значительные различия в характере структурных изменений
растворителя в результате проявления эффектов гидрофильной и
гидрофобной гидратации. В то же время представления о структуре и
свойствах воды в растворах биологически активных соединений развиты
Ц> недостаточно. При рассмотрении водных растворов аминокислот «напрасно
искать простоты, проходящей через всю шкалу растворения» (Д.И.Менделеев). В разбавленных растворах можно обсуждать влияние аминокислот на структуру воды, в концентрированных растворах аминокислот самостоятельной структуры воды нет и необходимо считаться с наличием отдельных молекул растворителя, испытывающих одновременное влияние полярных и неполярных групп.
Первостепенное значение в технологии получения аминокислот занимает ионный обмен. Достоинства метода и перспективность его использования в производстве биопрепаратов и лекарственных веществ
изложены в известных монографиях. Наиболее масштабные проблемы, которые связаны с применением ионообменных технологий для выделения, разделения и концентрирования физиологически активных веществ, обусловлены использованием различных вспомогательных реактивов, что не соответствует возросшим экологическим требованиям, предъявляемым к промышленным технологиям XXI века. В связи с этим на сегодняшний день весьма актуальным является поиск новых подходов для создания и разработки экологически и экономически обоснованных процессов разделения и концентрирования аминокислот.
В последние десятилетия в нашей стране был реализован значительный объем исследований, охватывающих многие аспекты экологической проблемы современных ионообменных технологий для решения задач, связанных с разделением и концентрированием минеральных солей. Особый интерес вызывает возможность использования неизотермических методов в создании эффективных процессов разделения и концентрирования цвиттерлитов.
Анализ накопленных данных указывает на довольно часто встречающиеся противоречивые сведения не только о механизме сорбции аминокислот (в особенности биполярных ионов), но и о способах направленного изменения селективности ионообменников. Практически не изучено влияние совместно протекающих на межфазной границе и в фазе ионообменника реакции ионного обмена, переноса растворителя, межмолекулярных взаимодействий на термодинамические и кинетические характеристики процесса сорбции. Представляется важным установление эффективности действия температурного фактора в методах разделения и концентрирования аминокислот.
Актуальность настоящей работы определяется дальнейшим развитием представлений о структурных взаимодействиях в водных растворах биологически активных веществ с учетом взаимовлияния эффектов гидрофильной и гидрофобной гидратации и ассоциации аминокислот,
установлением влияния структурного состояния растворителя на протекание процессов в гомогенных и гетерогенных системах с участием цвиттерлитов.
Работа выполнена в Воронежском государственном университете в соответствии с координационными планами: НИР АН РФ по проблеме «Хроматография», Государственной программе РФ «Мембраны и мембранные процессы» в разделе «Разработка новых комбинированных мембранно-сорбционных методов и других нетрадиционных методов очистки и концентрирования», по теме «Разработка малоотходной мембранно-сорбционной технологии выделения индивидуальных аминокислот из их смесей» (1997-1999 г.г.); НИР Научного Совета по адсорбции и хроматографии РАН по теме «Изучение механизма межмолекулярных взаимодействий и закономерностей удерживания» (тема №215.6.2 на 2000-2004).
Цель работы: Установление физико-химических закономерностей сорбции аминокислот с учетом структурных изменений в водных растворах и фазе ионообменника и взаимовлияния реакций, протекающих в системе ионообменник - вода - аминокислота, построение физико-химической модели сорбции и разработка новых принципов разделения и концентрирования аминокислот.
Задачи работы:
Количественная оценка гидратационных свойств аминокислот, различающихся структурой бокового радикала. Установление влияния строения и концентрации аминокислоты на природу межмолекулярных взаимодействий в водных растворах цвиттерлитов.
Исследование характера влияния температуры и природы бокового радикала аминокислоты на равновесные, кинетические и динамические характеристики сорбции. Применение формально-кинетического подхода для изучения кинетики сорбции аминокислот.
3. Установление взаимосвязи между структурой водного раствора
(^ аминокислоты и характером взаимодействия в системе ионообменник — вода
- аминокислота. Количественная оценка гидратационных характеристик ионообменника в форме аминокислоты.
Термодинамическое описание процесса сорбции аминокислот на сульфокатионообменнике. Создание физико-химической модели сорбции. Изучение влияния межфазного переноса растворителя на избирательность сорбции аминокислот.
Разработка способов разделения и концентрирования аминокислот
на основе влияния температуры и строения бокового радикала цвиттерлитов
С*
на селективность и сорбционную емкость катионообменника.
Научная новизна работы:
Установлены закономерности взаимодействия воды с кристаллами аминокислот. Показано, что различия в гидратационной способности аминокислот и характере поглощения воды определяются доступностью структуры аминокислоты для проникновения молекул растворителя и активностью реакционных центров. Определены изопиестические моляльности растворов гидрохлоридов лизина и цистеина и выявлена зависимость активности воды и коэффициента активности аминокислот от концентрации. Дана оценка свободной энергии Гиббса взаимодействия воды с аминокислотами. Определен и объяснен ряд гидрофобности аминокислот: Cys-Cys -Asp ~Gly =Phe =Trp >Tyr >Ala >HisHCl> Ser >LysHCl >CysHCl.
На основе данных термогравиметрического анализа разработан способ количественной оценки содержания молекул воды, различающихся своей подвижностью, в растворе аминокислот и в фазе ионообменника. Развит подход к описанию молекулярно-кинетического состояния растворителя в гомогенных и гетерогенных системах при взаимовлиянии полярных и неполярных групп.
Установлены закономерности влияния концентрации аминокислот на термохимические характеристики образования водного раствора. Показано, что процесс растворения аминокислот в выбранном диапазоне концентраций эндотермичен, а характер концентрационной зависимости энтальпии растворения определяется взаимовлиянием эффектов гидрофильной и гидрофобной гидратации и образованием ассоциатов растворенных веществ.
На основе единых физико-химических представлений описаны различные типы взаимодействия (образование Н-связей молекул воды с полярными и заряженными группами, гидрофобная гидратация, самоассоциация аминокислот за счет водородной связи, диполь-дипольных, дисперсионных и гидрофобных взаимодействий) в водных растворах аминокислот при переходе от предельно разбавленного к более концентрированному. Обоснован механизм самоассоциации аминокислот. Показано, что для фенилаланина ассоциация в водном растворе осуществляется в основном за счет межплоскостного (стэкинг) взаимодействия.
Выявлены закономерности сорбции ароматических аминокислот и цистеина на Н-сульфокатионообменнике и показана их взаимосвязь со следующими факторами: строением бокового радикала аминокислоты (природа функциональных групп и их количество, форма углеводородного радикала), температурой и характером межмолекулярных взаимодействий в растворе и в фазе ионообменника. На основе развитых представлений о структуре водных растворов аминокислот описан механизм взаимодействий в системе сшитый катионообменник - вода — аминокислота. Установлен и объяснен ряд селективности аминокислот Phe>Tyr >His>Cys на Н-сульфокатионообменнике. Обнаружено значительное увеличение селективности катионообменника к фенилаланину при изменении температуры от 295 до 278 К.
Определены термодинамические характеристики сорбции аминокислот на Н-сульфокатионообменнике. Показано, что процесс поглощения
аминокислот экзотермичен и сопровождается уменьшением энтальпийной
С* составляющей сорбции и ростом энтропии. Энтальпийный характер
взаимодействия убывает в ряду аминокислот: Cys >His >Tyr >Phe. Эти изменения коррелируют с возрастанием селективности сорбции и большей дегидратацией катионообменника при переходе от более гидрофильного цистеина к более гидрофобному фенилаланину.
Установлено, что введение в ионообменник аминокислоты вызывает
ряд дополнительных конкурентных процессов, приводящих к формированию
в фазе сшитого полиэлектролита структурных образований,
стабилизируемых сорбентом. Показано влияние реакции ионного обмена,
^' межмолекулярных взаимодействий и переноса растворителя на
термодинамические и кинетические характеристики сорбции аминокислот. Определен вклад межфазного переноса растворителя в величину свободной энергии Гиббса взаимодействия в системе катионообменник - аминокислота.
Исследована избирательность катионообменника к фенилаланину и
цистеину при их совместном присутствии в растворе. Установлено
уменьшение селективности ионообменника к ароматической аминокислоте
при сорбции из смеси, содержащей цистеин. Показано, что межфазное
распределение аминокислот взаимосвязано и определяется конкуренцией
кулоновских, ион-дипольных, диполь-дипольных и гидрофобных
. взаимодействий в системе.
На базе развитых представлений о явлении коллапса в ион-содержащих полиэлектролитах описаны явления сверхэквивалентной сорбции аминокислот и резкого уменьшения набухаемости катионообменника в процессе поглощения цвиттерлитов. В основу положено обнаруженное явление образования новой кристаллической фазы в структуре катионообменника и выявленные закономерности сорбции воды. Показано, что самоорганизация фенилаланина в фазе ионообменника реализуется за счет 7WT —взаимодействия ароматического радикала с матрицей
катионообменника, что приводит к образованию более упорядоченных структур.
Закономерности сорбции аминокислот описаны на основе формально-кинетического подхода, позволяющего учесть вклады диффузии и химической реакции в процесс сорбции. Выявлены особенности механизма и изменения кинетических характеристик сорбции аминокислот, обусловленные влиянием строения бокового радикала и температуры.
Практическая значимость. Установленные закономерности взаимодействия в системе вода-аминокислота, обусловленные взаимовлиянием гидрофильных и гидрофобных групп аминокислоты, позволяют прогнозировать распределение компонентов при кристаллизации и плавлении льда. Полученные результаты послужили основой для разработки способа разделения и концентрирования ароматических аминокислот методом кристаллизации без использования дополнительных реактивов.
Обнаруженная зависимость селективности разделения на катионообменнике от гидратационной способности аминокислот и температуры использована для оптимизации процессов разделения и концентрирования цвиттерлитов. На основании установленных физико-химических закономерностей сорбции аминокислот развит метод разделения фенилаланина и цистеина. Показана возможность использования влияния температурного фактора на селективность и сорбционную емкость катионообменника. Предложен двухтемпературный безреагентный способ концентрирования фенилаланина на фоне цистеина.
На защиту выносятся:
- Представления о природе межмолекулярных взаимодействий в
системе вода-аминокислота. Взаимосвязь между структурой раствора,
концентрацией и строением бокового радикала аминокислоты;
- Физико-химическая модель сорбции аминокислот с учетом
структурных изменений в растворах аминокислот и в фазе ионообменника.
Термодинамика сорбции аминокислот при взаимовлиянии
'& протекающих реакций ионного обмена, нековалентных взаимодействий и
переноса растворителя.
Представления о набухаемости катионообменника и
сверхэквивалентном поглощении аминокислот с позиции явления коллапса.
Механизм самоорганизации аминокислот в растворе и в фазе
катионообменника.
- Описание кинетики сорбции аминокислот на основе формально-кинетического анализа.
^ - Влияние температуры и структуры бокового радикала на
равновесие, кинетику и динамику сорбции аминокислот на Н-
сульфокатионообменнике. Безреагентные методы разделения и
концентрирования аминокислот.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 127 работ (статьи и тезисы научных конференций), две коллективные монографии, получено два патента.
Результаты работы докладывались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах:
Всесоюзном совещании «Создание и применение полимерных
у4Ь материалов в пищевых отраслях промышленности» (Москва, 1986), I
Всесоюзном симпозиуме «Препаративная хроматография физиологически активных веществ на полимерных сорбентах» (Ленинград, 1988), X Всесоюзном совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле (Черноголовка, 1989), Всесоюзном симпозиуме «Биотехнология и химические методы охраны окружающей среды» (Самарканд, 1989 г.), Зональной конференции «Молекулярная сорбция биологически активных веществ» (Пенза, 1990 г.), Всесоюзной конференции по применению ионообменных материалов в промышленности и аналитической химии (Воронеж, 1981, 1986, 1991, 1996 г.г.), Региональной научно-технической
16 конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Липецк, 1993 г.;
Тамбов, 1994, 1996 г.г.,; Воронеж, 1995, 1998 г.г.), II Международном практическом конгрессе «Экология России» (Москва, 1994 г.), 35 IUPAC Congress (Istambul, 1995 г.), Ill Международной конференции «Наукоемкие химические технологии» (Тверь, 1995 г.), Международном экологическом конгрессе (Воронеж, 1996 г.), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы создания новых лекарственных средств» (Санкт-Петербург, 1996 г.), Ill International Sumposium «TOCOEN-96» (Czech Republic, 1996), International Congress on Analytical Chemistry (Moscow, 1997 г.), XII International Syposium on Physico-chemical methods of the mixtures separation ARS SEPARATORIA -97 (Poland, 1997), Всероссийском симпозиуме по жидкостной хроматографии и электрофорезу (Москва, 1998, 2001, 2002, 2004 г.г.), Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998 г.; Казань, 2003 г.), Международной конференции «Мембранные и сорбционные процессы» (Сочи, 2000 г.), Всероссийском симпозиуме «Современные проблемы хроматографии» (Москва, 2002 г.), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы аналитической химии» (Москва, 2002 г.), XIV Международной конференции по химической термодинамике (Санкт-Петербург, 2002 г.), Международном симпозиуме «100 лет хроматографии» (Москва, 2003 г.).
Диссертация изложена на 356 страницах машинописного текста, включая введение, 5 глав, выводы, список цитируемой литературы (378 наименований), список сокращений. В работе содержится 21 таблица и 115 рисунков.
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, показана практическая значимость работы.
В первой главе дан анализ современному состоянию исследований водных растворов биологически активных веществ, в том числе аминокислот. Изложены современные представления о межмолекулярных взаимодействиях
в водных растворах физиологически активных веществ. Освещены основные физико-химические закономерности ионообменных процессов с участием физиологически активных веществ. Систематизированы и охарактеризованы проблемы, связанные с разделением и выделением аминокислот с использованием ионообменников.
Во второй главе изложены экспериментальные результаты
исследования закономерностей взаимодействия воды с аминокислотами,
различающимися структурой бокового радикала. Дано термодинамическое
описание образования растворов аминокислот в широкой области
концентраций. Описан способ разделения и концентрирования
ароматических аминокислот методом кристаллизации.
В третьей главе приведены результаты исследования равновесных и термодинамических характеристик сорбции аминокислот на Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8. Основное внимание уделено влиянию на селективность структуры аминокислоты, ее гидратационной способности, концентрации раствора и температуры.
В четвертой главе дано описание кинетики сорбции аминокислот на основе формально-кинетического подхода, позволяющего учесть вклады диффузии и химической реакции в процесс сорбции. В пятой главе приведены результаты исследования динамики ионного обмена аминокислот, различающихся структурой бокового радикала. Обсуждается возможность использования влияния температуры на селективность катионообменника для разделения и концентрирования аминокислот
Современное состояние исследований свойств водных растворов биологически активных соединений
Аминокислоты наряду с углеводами, липидами и нуклеиновыми основаниями являются своего рода «строительными блоками», из которых формируется живая материя. Практически все реакции в биологических и технологических системах с участием аминокислот протекают в водных растворах, поэтому экспериментальные и теоретические исследования в области химии и термодинамики водных растворов аминокислот представляют значительный интерес. Следует отметить, что при выделении и разделении физиологически активных соединений имеют дело с водными растворами широкой области концентраций по растворенному веществу от очень разбавленных до насыщенных.
В последнее время вопрос о роли воды в биологических системах является одним из наиболее актуальных. Это связано как с уникальным значением воды для биосистем, так и с ее аномальными свойствами, обусловленными особенностью структуры ее молекулы. Впервые эта идея была развита в классической работе Д. Бернала и Р. Фаулера [1] семьдесят лет тому назад и послужила основой для дальнейших теорий о структуре воды. При рассмотрении механизма растворения биологически активных соединений в воде и взаимодействия между частицами растворённого вещества и растворителя необходимо иметь очень чёткое представление о структуре жидкой воды. К настоящему времени предложены самые разнообразные модели структуры воды, начиная с простейших ассоциатов и льдоподобных моделей, кончая чрезвычайно сложными, сходными со структурой полипептидов и полинуклеотидов, так, например, бесконечно и беспорядочно разветвленный гель с быстро возникающими и исчезающими водородными связями [2]. Модели структуры жидкой воды
Модель структуры жидкой воды, предложенная Д. Берналом и Р.Фаулером [2]. Исходя из структуры льда и плотности воды, Д.Бернал и Р.Фаулер предположили, что жидкая вода имеет более открытую структуру, чем плотно упакованные простые жидкости, такие, как аргон и неон. На основании экспериментальной дифракционной картины воды при 2С ими было сделано предположение, что тетраэдральная конфигурация указывает на некоторое сходство воды со льдом, и что сжатие воды в процессе нагревания до 4С может представлять завершение перехода к более компактной форме тетраэдральной конфигурации. Согласно их точке зрения, упорядоченные области в структуре воды не являются стабильными, перестраиваются, а одиночные молекулы заполняют пустоты кристаллической структуры и увеличивают ее плотность.
Модель искаженных водородных связей. Представляет интерес модель искаженных водородных связей Д.Попла и тесно связанная с ней модель случайной сетки Д.Бернала [2]. В этих моделях водородные связи рассматриваются как в различной степени искаженные. Считается, что молекулы в жидкости, подобно молекулам во льду, имеют по четыре связи. Однако сетки соединенных друг с другом молекул в жидкости трактуются как нерегулярные и изменяющиеся в противоположность упорядоченным кристаллическим решеткам нескольких основных типов, представленных во льду. Д.Бернал полагал, что пятичленные кольца в структуре воды являются наиболее распространенной конфигурацией в жидкости. Однако кольца, содержащие четыре, шесть, семь и даже большее число молекул, также имеют место в воде.
Двухструктурные модели воды. Одной из таких моделей является модель льдоподобных пустот О. Я. Самойлова [3], которая предполагает, что молекулы одного типа должны образовывать сетки водородных связей, содержащие пустоты, в которых находятся молекулы другого типа, одиночные молекулы воды, несвязанные водородными связями. Эта модель относится к группе смешанных моделей. В другой двухструктурной модели [4] принимается, что в жидкой воде в равновесии находятся две структуры: первая — воспроизводящая в пределах ближнего порядка решетку льда, и вторая - более плотная. Предполагается, что вторая структура соответствует структуре льда, пустоты которой заполнены молекулами воды. Хотя молекулы плотной структуры разделяются на два вида (находящиеся в узлах решетки льда и находящиеся внутри пустот), формально можно считать все молекулы этой структуры равноценными, обладающими некоторым образом усредненными термодинамическими свойствами.
Квалифицированный анализ состояния знаний о структуре жидкой воды, полученных на основании исследования малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и медленных нейтронов, спектроскопических, диффузионных и диэлектрических измерений, выполненных до 1970 г., содержится в монографии Д. Эйзенберга и В. Кауцмана [2]. Более поздние их работы были критически рассмотрены Шахпароновым М.И. [5].
Все предложенные различными исследователями модели структуры воды в жидком состоянии должны отвечать результатам измерений малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и медленных нейтронов в воде, согласовываться с результатами, полученными другими методами исследования, а также объяснять не только физические свойства воды (плотность, вязкость, диэлектрическую проницаемость и др.), но и её растворяющую способность. К таким моделям следует отнести различные варианты кластерных структур, предложенные Д. Немети и Г. Шерага, Г. Франком и В. Веном [6,7]. Согласно этим моделям, вода представляет собой конгломерат кластеров, состоящих из связанных водородными связями молекул воды, а образование и разрушение водородных связей между молекулами воды в кластере носит кооперативный характер.
Представления о сорбции биологически активных соединений на сшитых полиэлектролитах
Ни один из методов химического разделения и идентификации не может сравниться с хроматографией по универсальности, экспрессности и широте использования. Сшитые полиэлектролиты с ионообменными группами широко применяются для выделения, разделения и концентрирования физиологически активных веществ [80,82,89]. Ионообменное разделение основано на селективном распределении компонентов между жидкой и твердой фазами.
Сорбция и десорбция на ионообменниках может регулироваться посредством изменения температуры, рН, концентрации раствора и других параметров [80,89-92]. При рассмотрении закономерностей сорбции ионов органических веществ, особенно сложных физиологически активных соединений, необходимо учитывать размеры ионов, способность их к существованию в растворе в виде ионов различной зарядности. Разные значения констант ионизации для органических соединений могут быть использованы в процессе разделения, например, кислых аминокислот и основных или нейтральных [82,6].
Модели ионообменного равновесия в системе аминокислота — сшитый полиэлектролит развиты многими авторами [80,88,91,94]. Величина рН оказывает принципиальное влияние на процесс поглощения аминокислоты ионообменником [81,95, 96]. Одни авторы представляют равновесие в системе аминокислота - ионообменник как процесс, зависящий от состава раствора [85]. Другие утверждают, что сорбция цвиттерлитов представляет собой стехиометрический обмен, и заряд аминокислоты определяет механизм сорбции [87,94]. Предполагается [80,95,96], что максимальная сорбция достигается в области существования цвиттериона или в области, где совместно существуют цвиттерион и катион (для катионообменников).
При сорбции ионов органических соединений наблюдается в ряде систем увеличение заряда противоиона при его переходе из раствора в фазу ионообменника [82,97]. Такого рода явление было обнаружено при сорбции а-аминокислот. Авторами работ [97-100] отмечается, что сорбция моноаминомонокарбоновых аминокислот из растворов с рН = pi (аминокислота присутствует в растворе в виде биполярного иона) на Н-сульфокатионообменниках не сопровождается эквивалентным вытеснением иона водорода в равновесный раствор, что должно наблюдаться в процессе ионного обмена. Сорбция аминокислоты в виде катиона: RS03"H + "МШАКСООН - RSOa NHaRAKCOOH + Н+. (1.1) Сорбция цвиттериона аминокислоты: RSOs IT" + H3N+RAK COO" - RJSOS NPLJRAKCOOH. (1.2) Согласно предложенному механизму процесс сорбции биполярных ионов на Н-форме катионообменников протекает благодаря переходу ЕҐ" -противоиона от функциональной группы к отрицательно заряженной СОО" -группе аминокислоты, то есть цвиттерион превращается в катион. При этом проявляется как электростатическое притяжение между аминогруппой аминокислоты и сульфогруппой ионита, так и электростатическое отталкивание карбоксильной группы сорбата [96]. Десорбция аминокислоты раствором кислоты идет по обычной реакции ионного обмена с вытеснением катионов аминокислоты: R SCVb RCOOH + ІҐ - RrSCb H + H3N+RCOOH. (1.3) Установлено [82,101], что процесе сорбции биполярных ионов аминокислоты по схеме (1.2) не может протекать на солевых формах катионообменников, так как соли карбоновых кислот хорошо диссоциированы. Катион Na+, например, не связывается с карбоксильной группой, она остается отрицательно заряженной. В результате проявляется электростатическое действие отталкивания ее от сульфогруппы ионообменника, при этом условия сорбции резко ухудшаются. Это предположение согласуется с экспериментальными фактами о меньшей сорбционной емкости аминокислот на солевых формах катионообменников.
Процесс сорбции с участием ионов физиологически активных веществ имеет свои специфические особенности. С одной стороны, возможны дополнительные взаимодействия между ионообменником и сорбатом [82,95,105-107], которые оказывают существенное влияние на селективность сорбции. С другой стороны, в системе могут возникать стехиометрические затруднения, связанные с недоступностью части активных центров ионообменника для крупных органических ионов [80]. Возникновению между ионообменником и органическим противоионом полифункциональных взаимодействий (диполь-дипольных, ион-дипольных, гидрофобных) способствует наличие в матрице полиэлектролита кратных связей и изменение регулярности полиэлектролитных цепочек [80,108,109], а также снижение их поляризуемости [110,111].
Межмолекулярные взаимодействия в системе вода - аминокислота
Межмолекулярные взаимодействия в системе растворитель — растворенное вещество, как известно [13,20], определяют растворимость соединения и способность участвовать в различных физико-химических процессах. Результаты исследования физико-химических и химических свойств растворов биологически активных соединений, полученные как теоретическими, так и экспериментальными методами, указывают на различие в характере межчастичных взаимодействий при гидрофильной и гидрофобной гидратации [13,19-21,31,224].
Взаимосвязь количественных характеристик гидратации аминокислот с их строением и растворимостью может быть установлена при изучении закономерностей взаимодействия воды с кристаллами аминокислот, различающихся структурой бокового радикала. Особый интерес представляет исследование взаимовлияния полярных и неполярных группировок на структурные характеристики раствора аминокислот. Получение сведений о взаимосвязи между составом, структурой и свойствами растворов аминокислот, охватывающих широкий диапазон концентраций, имеет значение, как для развития теории растворов, так и для практического применения. Сочетание в структуре аминокислот гидрофобной части и гидрофильных группировок различной природы определяет и характер взаимодействия в системе ионообменник — вода -аминокислота.
На сегодняшний день имеется ограниченное число работ посвященных исследованию взаимодействия воды с твердыми образцами биологически активных соединений [2,223,224]. Авторами работ [223,225-229] показано, что укладка молекул в кристаллах органических веществ (и вообще молекулярных кристаллах) подчиняется принципу плотнейшей упаковки. Внедрение молекул воды в структуру органических веществ, то есть образование совместной упаковки очень мелких молекул воды и более крупных молекул основного вещества, возможно в тех случаях, когда молекулы растворителя могут расположиться таким образом, чтобы реализовались условия для образования водородных связей [223]. Первые опыты по исследованию взаимодействия белка с водой проведены немецким физиком Г. Квинке в 1870 году [21]. Набухание рассматривается как первая стадия растворения соединения. Сделано предположение, что вначале имеет место химическое взаимодействие макромолекул с молекулами растворителя, которое сопровождается положительным тепловым эффектом, а затем происходит растворение вещества [230]. Автором работы впервые для исследования закономерности взаимодействия воды с молекулярными кристаллами аминокислот использован метод изопиестирования [231-233]. Совместное применение методов изопиестирования и термогравиметрического анализа позволяет получить информацию о количественных характеристиках гидратации.
Для объективной оценки межмолекулярных взаимодействий большое значение имеет наличие достоверных термодинамических характеристик образования растворов цвиттерлитов, которые в литературе отсутствуют. Особый интерес представляет термодинамическое описание образования водного раствора аминокислот, различающихся структурой бокового радикала, в широком интервале концентраций [234-236]. Следует отметить, что сведения, относящиеся только к взаимодействиям растворенного вещества с растворителем, могут быть получены из термодинамических функций растворов, экстраполированных к нулевой концентрации [13].
Поскольку любые изменения структуры растворителя должны давать вклад в парциальные мольные свойства растворенного вещества в разбавленном растворе, то изучение объемных характеристик разбавленных водных растворов аминокислот является одним из способов исследования их строения. Известно [2,237,238], что молекула, помещенная в растворитель, дает, по крайней мере, три вклада в объем системы: за счет собственного объема, за счет влияния растворенной молекулы на упаковку молекул растворителя в возмущенной сфере и кинетический вклад, присутствующий и в случае «точечной» частицы.
В этой связи установление закономерностей взаимодействия молекул воды с твердыми образцами аминокислот, различающихся структурой бокового радикала, определение термодинамических параметров образования растворов цвиттерлитов является актуальным для дальнейшего развития физикохимии растворов биологически активных веществ, а также представлений о механизме процесса сорбции с участием аминокислот. Результаты исследований, полученные различными физико-химическими методами, могут быть использованы в практических целях, например для разработки экологически обоснованных методов разделения и концентрирования цвиттерлитов.
Равновесие ионного обмена аминокислот, Сі различающихся структурой бокового радикала, на Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8
К факторам, определяющим избирательность сорбции органических соединений, следует отнести набухаемость ионообменика, изменение структурных характеристик сорбента и сорбата, температуру процесса. Высокая селективность процессов сорбции биологически активных веществ определяется природой образующихся связей в системе ионообменник -вода - органический ион [80-82]. Энергия, препятствующая переходу цвиттерлита из водного окружения на поверхность границы фаз, зависит от энергии взаимодействия в системе вода - аминокислота. Кроме того, прочность и размер гидратной оболочки иона оказывают значительное влияние на селективность ионообменника по отношению к данному иону [165].
Известно [81,113,304,305], что сорбция биологически активных веществ на ионообменниках является либо процессом ионного обмена, либо суммарным процессом, включающим ионный обмен и молекулярную сорбцию. Существование аминокислот в растворе в зависимости от кислотности среды в виде ионов различной зарядности обуславливает особенности механизма их сорбции. Установлено, что максимальная сорбционная способность ионообменников по отношению к цвиттерлитам достигается из растворов, содержащих биполярные ионы [85,305] или биполярные ионы и катионы [97,113,306]. При интерпретации результатов экспериментов вызывает затруднения не только сложная форма изотерм сорбции аминокислот, построенных в широкой области концентраций, но и связанная с этим неустойчивость таких основополагающих характеристик, как обменная емкость, коэффициент ионного обмена и коэффициент распределения.
При постановке задач исследования учитывали имеющиеся в литературе сведения о сорбции аминокислот на сильнокислотных ионообменниках. Поэтому изучали равновесные характеристики, которые могут быть необходимы для разработки новых методов выделения и разделения аминокислот, а также решали те вопросы фундаментального характера, которые в литературе не рассматриваются.
Необходимо отметить, что в большинстве случаев проведенные исследования, позволяющие определить факторы, влияющие на избирательность сорбции цвиттерлитов, охватывают очень узкий интервал концентраций и не отражают влияния структуры и свойств водных растворов аминокислот, различающихся строением бокового радикала, на механизм процесса и сорбционную способность цвиттерлитов. Получение таких сведений имеет принципиальное значение как для развития теории сорбции полифункциональных соединений, так и практического применения. Анализ экспериментальных данных по равновесным и кинетическим характеристикам сорбционного процесса невозможен без привлечения сведений о межмолекулярных взаимодействиях в системе вода -аминокислота и влиянии структурного состояния растворителя на протекание процессов сорбции. Знания количественных характеристик гидратации аминокислот, представления о структурном и молекулярно-кинетическом состоянии растворителя в водных растворах цвиттерлитов в широкой области концентраций позволяют по-новому интерпретировать явления, наблюдаемые в сорбционных системах с участием цвиттерлитов.
Межфазный перенос растворителя является одним из факторов, определяющим положение ионообменного равновесия на набухающих полимерных материалах. Однако, возможности получения информации о физико-химических свойствах, структуре и молекулярно-кинетическом состоянии растворителя в фазе ионообменника при сорбции полифункциональных ионов не были реализованы. При оценке емкостных и селективных характеристик катионообменника в процессе сорбции аминокислот представляет интерес определить изменение гидратационных характеристик сшитого полиэлектролита и установить влияние межфазного переноса растворителя на избирательность сорбции цвиттерлитов.
Рассмотрение процесса сорбции аминокислот из водных растворов на ионообменнике как конкуренцию кулоновских и нековалентных взаимодействий (водородная связь, гидрофобные взаимодействия), включающего в себя как связывание, так и выбор молекулы «гостя» (аминокислоты) молекулой хозяином (ионообменником), позволяет объяснить различия в селективности сшитого полиэлектролита к аминокислотам, различающихся структурой бокового радикала.
Такие взаимодействия в биохимических процессах определены как «молекулярное узнавание». Согласно Лену [78,79] «узнавание — это связывание с целью». Одним из критериев молекулярного узнавания является то, что константа ассоциации между «хозяином» и «гостем» является значительно более высокой, по сравнению с другими молекулами, присутствующими в системе. Наибольшую актуальность представляют исследования характера тг-тс-взаимодействия ароматических и гетероциклических аминокислот с ароматическими радикалами матрицы катионообменника.
Большое значение для развития теории ионного обмена с участием полифункциональных соединений является установление природы межчастичных взаимодействий в системе катионообменник—вода-аминокислота. В связи с этим особое значение имеет использование термодинамического подхода к описанию процесса сорбции цвиттерлитов, различающихся структурой бокового радикала.
