Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Молекулярное комплексообразование «гость-хозяин» в растворах: состояние проблемы... 12
1.1. Особенности межмолекулярных взаимодействий с участием макроциклических молекул-«хозяев» 12
1.2. О природе межмолекулярных взаимодействий в комплексах «гость-хозяин»
1.3. Влияние растворителя на процессы комплексообразования с участием макроциклов 27
1.4. Подходы к описанию влияния растворителя на смещение равновесий в растворах 30
ГЛАВА 2. Термодинамика молекулярного комплексообразования с участием макроциклов 43 в индивидуальных растворителях .
2.1. Комплексы аммонийных катионов с краун-эфирами и 43 криптандами
2.2. Комплексы аминокислот и пептидов с краун-эфирами и криптандами 54
2.3. Комплексы аминов, аминокислот и пептидов с каликс[n]аренами.. 65
2.4. Комплексы аминокислот и пептидов с циклодекстринами 71
2.5. Комплексообразование аминокислот и пептидов с кукурбитурилами 76
ГЛАВА 3. Сольватация участников молекулярного комплексообразования в водно-органических растворителях 82
3.1. Сольватация краун-эфиров 82
3.1.1. Взаимосвязь конформационной подвижности краун-эфиров и их сольватного состояния 82
3.1.2. Термодинамические и структурные свойства водных растворов 18-краун-6 86
3.1.3. Энтальпийные характеристики сольватации краун-эфиров 97
3.1.4. Энергия Гиббса переноса 18-краун-6 из воды в водно-органические растворители 111
3.2. Сольватное состояние и термодинамика сольватации криптандов.. 114
3.3. Сольватация аминокислот и пептидов 118
3.3.1. Энтальпийные характеристики сольватации аминокислот и пептидов 118
3.3.2. Энергия Гиббса переноса аминокислот и пептидов из воды в
водно-органические растворители 128
ГЛАВА 4. Термодинамика молекулярного комплексообразования в водно-органических растворителях 134
4.1. Координационные соединения 18-краун-6 с аминокислотами и пептидами 134
4.1.1. Структура молекулярных комплексов 134
4.1.2. Термодинамика реакций комплексообразования 138
4.2. Координационные соединения криптандов с аминокислотами и пептидами
4.2.1. Структура молекулярных комплексов 153
4.2.2. Термодинамика реакций комплексообразования 155
ГЛАВА 5. Закономерности и особенности в изменении устойчивости молекулярных комплексов и термодинамических характеристик сольватации реагентов 158
5.1. Комплексы краун-эфиров с аминокислотами и пептидами 158
5.2. Ионные и молекулярные комплексы с макроциклическими лигандами 162
5.3. Молекулярные комплексы криптандов 174
ГЛАВА 6. Сольватационные вклады реагентов в изменение энтальпий реакций образования молекулярных комплексов 179
6.1. Закономерности и особенности в соотношениях энтальпийных характеристиках сольватации реагентов и реакций образования молекулярных комплексов аминокислот и пептидов с краун-эфирами и криптандами 179
6.2. Анализ сольватационного вклада аминогруппы в изменение энтальпий реакций образования молекулярных комплексов аминокислот и пептидов с краун-эфирами и криптандами 187
6.3. Корреляционные соотношения энтальпий переноса реагентов и реакций ионного и молекулярного комплексообразования с участием краун-эфиров 191
6.4. Возможности сольватационного подхода для прогнозирования
изменений энергетики молекулярного комплексообразования «гость хозяин» 202
ГЛАВА 7. Энтропийные характеристики реагентов и реакций образования комплексов аминокислот и пептидов с 18-краун-6 в водно-органических растворителях 209
Заключение 217
Список литературы
- Влияние растворителя на процессы комплексообразования с участием макроциклов
- Комплексы аминокислот и пептидов с краун-эфирами и криптандами
- Термодинамические и структурные свойства водных растворов 18-краун-6
- Координационные соединения криптандов с аминокислотами и пептидами
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования
Изучение феномена молекулярного распознавания «гость-хозяин» началось с работ Ж.-М. Лена, Ч. Педерсена и Д. Крама, получивших в 1987 г. Нобелевскую премию по химии за исследование «Разработка и применение молекул со структурно-специфическими взаимодействиями с высокой селективностью» 1. В настоящее время не снижается интерес фундаментальной и прикладной науки к исследованию уникальных селективных свойств макроциклов.
Селективное связывание молекул происходит благодаря их взаимной
комплементарности. При проведении реакций молекулярного
комплексообразования в неводных и водно-органических растворителях, кроме принципа комплементарности необходимо также учитывать изменения в сольватном состоянии участников химического равновесия, поскольку термодинамические характеристики реакции зависят от сольватного окружения реагентов.
Молекулярное комплексообразование макроциклов («хозяин») с
аминокислотами и пептидами («гость») воде обычно характеризуется низкой устойчивостью комплексов, что затрудняет их получение и исследование. Напротив, в неводных средах подобные взаимодействия характеризуются высокой устойчивостью комплексов, однако малая растворимость «гостей» в неводных растворителях может препятствовать созданию оптимальных концентрационных условий комплексообразования. Различное влияние водной и неводной сред на молекулярное комплексообразование позволяет предположить возможность изменения селективной способности макроциклов и использование растворителя для получения молекулярных комплексов с заданными устойчивостью и энергетикой реакций их образования. Обычно проблема ионного и молекулярного селективного связывания решается либо путем подбора оптимального диаметра полости макроцикла молекуле/иону-«гостю», либо варьированием природы и числа заместителей в кольце «хозяина» или в структуре аминокислот или пептидов, либо путем замены одного индивидуального растворителя на другой. С нашей точки зрения, решение этих задач может быть найдено также за счет оптимизации сольватного состояния реагентов с целью повышения их реакционной способности посредством целенаправленного подбора растворителя. Такое предположение основывается на понимании роли растворителя не только как среды, но и как участника химических взаимодействий.
Несмотря на широкие перспективы применения молекулярных комплексов «гость-хозяин», они изучены, в основном, в водных растворах. В литературе имеется лишь ограниченное количество работ, посвященных анализу термодинамических аспектов комплексообразования «гость-хозяин» в индивидуальных неводных растворителях. Работы, раскрывающие влияние
1. Лен, Ж-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. Н. 1998. – 333 с.
состава растворителя на смещение равновесий «гость-хозяин» и учитывающие при этом роль сольватационных вкладов реагентов, отсутствуют.
В связи с этим, комплексное физико-химическое исследование влияния водно-органических растворителей на реакции образования молекулярных комплексов аминокислот и пептидов с макроциклами является актуальным как с точки зрения развития химии супрамолекулярных соединений, так и приоритетных направлений биохимии, биотехнологии и фармакологии.
Цели и задачи работы
Целью настоящей работы является установление закономерностей и особенностей влияния водно-органических растворителей на процессы образования молекулярных комплексов макроциклов с аминокислотами (АК) и пептидами.
Для достижения поставленной цели на примере взаимодействий 1,4,7,10,13,16-гексаоксациклооктадекана (краун-эфир 18-краун-6, 18К6) и 1,10-диаза-4,7,13,16,21,24-гексаоксабицикло [8.8.8 гексакозана] (криптанд [2.2.2], 2.2.2) с глицином (Gly), D,L-аланином (Ala), L-фенилаланином (Phe) и глицил-глицил-глицином (триглицин, 3Gly) в смесях воды с этанолом (EtOH), диметилсульфоксидом (DMSO), ацетоном (MeAc) и другими органическими растворителями необходимо было решить следующие взаимосвязанные задачи:
- исследовать влияние среды на сольватацию реагентов и выявить
закономерности и особенности в изменении их сольватного состояния при
переходе от воды к ее смесям с органическими растворителями различных
классов;
определить состав и устойчивость молекулярных комплексов, провести ЯМР-исследование их структуры, изучить влияние состава и природы растворителя на изменение энтальпии, энергии Гиббса и энтропии реакций образования молекулярных комплексов;
провести обобщение собственных и литературных данных о влиянии сольватации реагентов на изменение устойчивости молекулярных комплексов и энергетики реакций их образования;
-предложить сольватационные критерии для оценки изменений устойчивости и энергетики реакций образования молекулярных комплексов аминокислот и пептидов с краун-эфирами и криптандами в водно-органических растворителях.
Научная новизна и теоретическая ценность работы
Впервые проведено обобщение большого массива собственных и литературных данных по термодинамике реакций образования молекулярных комплексов в различных средах с позиции сольватационного подхода, основанного на анализе термодинамических характеристик сольватации всех реагентов.
Установлено, что образование молекулярных комплексов краун-эфиров и криптандов с аминокислотами и пептидами в свободном и кристаллическом
состояниях, в воде и в водно-органических растворителях происходит в результате взаимодействия фрагмента -NH3+ с атомами кислорода макрокольца.
Получены новые экспериментальные данные (устойчивость, энтальпия,
энергия Гиббса и энтропия) для реакций образования молекулярных
комплексов 18-краун-6 и криптанда [2.2.2] с аминокислотами - глицином, D,L-
аланином, L-фенилаланином и пептидом глицил-глицил-глицином в
растворителях Н2О-DMSO, Н2О-EtOH и Н2О-МеAc в широком диапазоне
соотношений водного и неводных компонентов.
В результате проведенных исследований установлено, что:
-При переходе от воды к ее смесям с органическими растворителями устойчивость комплексов АК и пептидов с краун-эфирами и криптандами, а также экзотермичность реакций их образования значительно увеличиваются.
-Устойчивость молекулярных комплексов глицил-глицил-глицина с криптандом [2.2.2] в воде выше, чем комплексов АК и пептидов с 18-краун-6; рост экзотермичности реакции образования [3Gly2.2.2.] при переходе от воды к водному DMSO компенсируется энтропийной составляющей энергии Гиббса, в результате приращение устойчивости [3Gly2.2.2.] незначительно.
-Ослабление сольватации АК и пептидов определяет рост устойчивости
молекулярных комплексов, а энергетика молекулярного связывания
контролируется, в основном, изменениями в энтальпии сольватации 18К6.
Показано, что, несмотря на превосходство абсолютных значений
энтальпии и энтропии сольватации 18К6 над соответствующими
сольватационными характеристиками АК, темпы десольватации AK превышают темпы десольватации 18К6. В результате обоснована преимущественная роль ослабления сольватации молекул-«гостей» в изменении устойчивости их молекулярных комплексов с 18К6.
Практическая значимость результатов
Работа относится к фундаментальным исследованиям. Полученные
закономерности влияния состава водно - органических растворителей на
реакции образования молекулярных комплексов макроциклов с
аминокислотами и пептидами можно использовать для прогнозирования изменения устойчивости молекулярных комплексов и энергетики реакций их образования при смене растворителя.
Полученные результаты позволят целенаправленно подбирать
растворитель для создания оптимальных условий селективного молекулярного распознавания «гость-хозяин», прогнозировать реакционную способность аминосоединений и макроциклов с различной природой полости в зависимости от состава среды без материальных и временных затрат на проведение наукоемких экспериментов.
Методология и методы исследования
Методологию исследования составили положения сольватационно-термодинамического подхода, основанного на взаимосвязи термодинамических характеристик реакций комплексообразования и сольватации реагентов. При
обсуждении результатов использовалась концепция о двойственной роли растворителя (как реагента и среды) в реакциях комплексообразования.
Для проведения исследования были использованы изотермическая
калориметрия титрования и растворения, ЯМР-спектроскопия,
потенциометрическое титрование, метод межфазного распределения,
компьютерное моделирование эксперимента.
Положения, выносимые на защиту
Термодинамические параметры сольватного состояния 18-краун-6, криптанда [2.2.2], глицина, D,L-аланина, L-фенилаланина и глицил-глицил-глицина в водных растворах этанола, диметилсульфоксида и ацетона.
Основные термодинамические характеристики реакций образования молекулярных комплексов 18-краун-6 и криптанда [2.2.2] c Gly, Ala, Phe и 3Gly в водных растворах этанола, диметилсульфоксида и ацетона.
Основные закономерности сольватационных вкладов реагентов в
изменение устойчивости молекулярных комплексов [АК18К6], [3Gly18К6] и
[3Gly2.2.2.], энтальпийных и энтропийных характеристик реакций
комплексообразования. Взаимосвязь термодинамических характеристик
комплексообразования и сольватации реагентов.
Основные сольватационные критерии для оценки изменений
термодинамических параметров реакций молекулярного комплексообразования
«гость-хозяин» с участием аминокислот, пептидов и макроциклов с
отрицательно заряженной полостью в водно-органических растворителях.
Вклад автора
Состоит в постановке цели и задачи исследования, проведении экспериментальной работы, обработке полученных данных, критическом анализе, обсуждении и обобщении результатов. Автор выражает искреннюю признательность д.х.н., проф. В.А. Шарнину за помощь в обсуждении результатов на всех этапах работы.
Степень достоверности и апробация результатов
Степень достоверности обеспечена использованием комплекса
независимых методов исследований на прецизионном оборудовании, работоспособность которого проверялась по соответствующим стандартным методикам; воспроизводимостью экспериментальных данных; статистической обработкой результатов эксперимента и их интерпретацией на основе современных теоретических представлений.
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на: ХХ, XXI, XXIII, XXIV, XXV, XXVI Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Ростов-на-Дону 2001; Киев 2003; Одесса 2007; Санкт – Петербург 2009; Суздаль 2011; Казань 2014); XV, XVI, XVII, XVIII, XIX Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва 2005; Суздаль 2007; Казань 2009; Самара 2011; Москва 2013), 41st IUPAC World Chemistry Congress Chemistry Protecting Health, Natural Environment, and
Cultural Heritage(Torino, Italy, 2007); XIX Менделеевском съезде по общей и
прикладной химии (Волгоград, 2011); 63rd Сalorimetry Conference CALCON
2008 (Jersey City, New Jersey, USA, 2008); 13th International Congress on Thermal
Analysis and Сalorimetry ICTAC 13(Chia Laguna, Italy, 2004); 8th,9th,12th
Conference on Calorimetry and Thermal Analysis (Zakopane, Poland, 2000, 2003,
2015); 5th,6th,7th Mediterranean Conference on Calorimetry and Thermal Analysis
"MEDICTA"(Santiago de Compostela, Spain, 2001; Porto, Portugal, 2003;
Thessaloniki, Greece, 2005); XXX, XXXIV, XXXVI National Congress on
Calorimetry, Thermal Analysis and Applied Thermodynamics (Pisa, Italy, 2008;
Rome, Italy, 2012; Chia Laguna, Cagliari, Italy, 2014), VII, VIII, IX, X, XI, XII
Международной конференции «Проблемы сольватации и
комплексообразования в растворах» (Иваново 1998, 2001, 2011, 2015; Плес 2004; Суздаль 2007).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 95 печатных работах, в том числе в 31 статье в рецензируемых российских и зарубежных журналах списка ВАК, в 61 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях и в 3 коллективных монографиях.
Объем и структура диссертации
Влияние растворителя на процессы комплексообразования с участием макроциклов
Химия межмолекулярных взаимодействий, или супрамолекулярная химия-эта междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. Взаимодействия молекул лежат в основе процессов молекулярного распознавания, реагирования, транспорта, регуляции -процессов, встречающихся в биологических системах. К числу таковых относятся связывание субстрата с белком-рецептором, ферментативные реакции, образование мультипротеиновых комплексов, иммунолигическая ассоциация антиген-антитело, матричный биосинтез, трансляция и транскрипция генетического кода, распознавание на клеточном уровне и т.д. [1-11].
Молекулярное связывание гость-хозяин предполагает взаимодействие макроциклической молекулы, имеющей полость в центре своей кольцевидной структуры (хозяин), с молекулой (гостем), частично или полностью входящей в полость макроцикла. Гостем может служить ион или молекула меньшего, чем хозяин, размера. Понятие молекулярного комплекса гость- хозяин Д. Крам [5] определил так:
«Комплексы состоят из двух или более молекул или ионов, связанных вместе в уникальную структурную систему электростатическими силами, по своей природе иными, чем чисто ковалентные... Молекулярные комплексы обычно удерживаются водородными связями, ионными парами, взаимодействиями 7г-кислота-7г-основание, связыванием металл-лиганд, силами притяжения Ван-дер-Ваальса, перестройкой растворителя и частично образованными или разорванными ковалентными связями (переходные состояния)... Высокая структурная организация обычно реализуется только посредством многочисленных связывающих центров... Высокоструктурированный молекулярный комплекс образован, по крайней мере, одним хозяином и одним гостем... Взаимоотношение гость-хозяин включает комплементарную стереоэлектронную организацию центров связывания в хозяине и госте... Компонент-хозяин определяется как органическая молекула (или ион), чьи центры связывания сходятся в комплексе... Компонент-гость - это любая молекула (или ион), центры связывания которой расходятся в комплексе». Химия гость-хозяин опирается на три постулата:
1. Постулат П. Эрлиха (1906) о том, что без образования связей молекулы не могут действовать («corpora поп agunt nisi fixata»; «тела не действуют, если они не соединены»); Эрлих ввел понятие «биологический рецептор».
2. Постулат Э. Фишера (1894) о том, что связывание должно быть селективным (в процессе изучения ферментного связывания «рецептор-субстрат»). Он описал стерическое соответствие рецептора и субстрата в виде образа «замок-ключ», при котором субстрат-гость имеет геометрический размер и форму, комплементарные рецептору-хозяину. Это понятие легло в основу молекулярного распознавания, когда хозяин различает одного из нескольких гостей.
3. Постулат о том, что селективное связывание должно включать притяжение или взаимное сродство между хозяином и гостем. Фактически это положение является обобщением теории координационной химии А. Вернера (1893), согласно которой ионы металлов координируются сферой лигандов.
Огромный вклад в развитие химии гость-хозяин внесли работы Ж.-М. Лена,
4. Педерсена и Д. Крама, получивших в 1987 г. Нобелевскую премию по химии за исследование «Разработка и применение молекул со структурно специфическими взаимодействиями с высокой селективностью» [1-5]. Результатом этого исследования был синтез макроциклических молекул, которые способны избирательно реагировать с другими молекулами, подобно селективному связыванию в биологических системах (рис. 1.1).
В 1967 г. Ч. Педерсен выделил и описал первый циклический полиэфир, или краун-эфир. Краун-эфиры представляют собой макроциклы, которые состоят из чередующихся этиленовых мостиков –СН2–СН2– и атомов кислорода. В некоторых случаях часть атомов кислорода заменена атомами N или S. Форма таких молекул напоминает корону, что и определило их название (от англ. crown – корона). В тривиальных названиях краун-эфиров общее число атомов в цикле и число гетероатомов обозначают цифрами, которые ставят перед и после слова «краун». Согласно ИЮПАК краун-эфиры представляются как производные циклических углеводородов. Например, 12-краун-4 согласно номенклатуре ИЮПАК называется 1,4,7,10-тетраоксациклододеканом, 18-краун-6, соответственно, 1,4,7,10,13,16-гексаоксациклооктадекан. Краун-эфиры стали первыми молекулами-лигандами, образующими координационные соединения с катионами щелочных металлов и молекулярные комплексы с аминокислотами и пептидами. Краун-эфиры не являются «жесткими» молекулами и могут находиться в различных конформационных состояниях. Структурные формулы некоторых наиболее распространенных краун - эфиров представлены на рис. 1.2.
Ж.-М. Лен синтезировал криптанды- макроциклы, внутренняя полость которых защищена с трех сторон атомами кислорода, соединенными между собой мостиковыми группами -CH2-CH2- (рис. 1.3).
Комплексы аминокислот и пептидов с краун-эфирами и криптандами
Было найдено большое количество разнообразных макроциклических полиэфиров, способных к структурному и селективному связыванию как R- NH3+ молекул, так и иона аммония [3]. Структуры таких комплексов могут быть как «жесткими», так и «мягкими». Например, макробициклический криптанд (рис. 2.3а) исключительно прочно и селективно связывает тетраэдрический катион NH4+ с образованием криптата аммония. Этот комплекс представляет собой образец высокой структурной комплементарности субстрата (NH4+) и рецептора, а также комплементарности их центров взаимодействия. Ион аммония вписывается в полость рецептора и удерживается в ней тетраэдрическим «пучком» водородных связей +N – HN и электростатическими взаимодействиями с шестью атомами кислорода. Описание комплекса криптата аммония [NH4+2.2.2] с использованием различных экспериментальных методов приведено в работе [110]. Обнаружено, что ион аммония удерживается в полости криптанда [2.2.2] посредством Н-связей с гетероатомами N и O. Рассматривая молекулярную динамику NH4+ в составе комплекса, авторы установили слабое динамическое взаимодействие между лигандом и координированным субстратом, в результате чего ион NH4+ быстро переориентируется внутри макроциклической полости. При селективном связывании NH4+ криптандом [2.2.2] ион аммония не связан жестко с полостью криптанда и претерпевает внутреннее вращение (рис. 2.3б).
Методом ядерного эффекта Оверхаузера [110] показана неизменность ориентации NH4+ внутри полости криптанда [2.2.2] при переходе от кристалла в раствор. Результаты потенциометрического титрования указывают на более эффективное связывание субстрата криптандом [2.2.2] в интервале рН 7-8. Строение комплексов 18К6 с солями аммония (NH4+, MeNH3+, Me2NH2+, Me3NH+, Me4N+, Et4N+, PhNH3+, PhCH2NH3+) в газовой фазе моделировалось В.П. Соловьевым с сотр. [34, 108] методом молекулярной механики с использованием силового поля CHARMm. Расчеты показали, что 18К6 может сохранять D3d симметрию без существенных искажений при образовании трех почти линейных +N-H---O водородных связей (рис. 2.4). Этот факт был зафиксирован также в большинстве кристаллических структур комплексов аминов с 18К6 [111-113] и для этих комплексов в газовой фазе [34, 114-118]. Моделирование CHARMm позволило определить число и характеристики коротких (1.85-2.1 ) и длинных (2.1-2.5 ) водородных связей в монокомплексах.
Также, в [34] проведен расчет энергии образования (Ес) монокомплексов 18К6 с катионами MV, MeNH3+, BzNH3+, PhNH3+, Me2NH2+ и Me3NH+. В табл. 2.2 полученные значения Ес приведены в сравнении с экспериментально определенными величинами энергии Гиббса образования (AGэксп) монокомплексов 18К6 с аммонийными катионами в МеОН.
Экспериментальное изучение строения и термохимических свойств комплексов аммонийных катионов с 18К6 в газовой фазе свидетельствует об образовании трех водородных связей [114-116]. Однако, высокосимметричная структура с разветвленными (бифуркационными) водородными связями со всеми шестью атомами кислорода дает для этого комплекса в газовой фазе расчетную энергию комплексообразования, незначительно отличающуюся от классической модели с тремя связями. Полученные в [34] результаты согласуются также с вычислениями, представленными в других силовых полях для подобных комплексов [118-120].
Рассчитанная методом молекулярной механики энергия комплексообразования (Ес) для реакций образования монокомплексов 18К6 с катионами MV, MeNH3+, BzNH3+, PhNH3+, Me2NH2+ и Me3NH+ и экспериментальные значения энергии Гиббса (AGэксп) для данных процессов в МеОН [34] Аммонийный катион кДж/моль Числоводородныхсвязей -ДСэксп,кДж/моль NH4+ -123.8 6 (3х2к) 21.9 MeNH3+ -123.2 6 (3х2к) 22.7 BzNH3+ -95.1 6 (3к/3д) 24.1 PhNH3+ -88.4 5(3к/2д) 21.5 Me2NH2+ -81.6 4(2x2к) 8.2 Me3NH+ -65.0 2(1х2к) 2.3 к- короткие связи, д - длинные связи. Масспектрометрические результаты показали, что для комплексов 18К6 с ионом тетраметиламмония константы устойчивости приблизительно в 250 раз ниже, чем с ионом калия [121], что свидетельствует о преобладании водородного связывания над другими типами связи в аммонийных комплексах. Экспериментальные значения энергии Гиббса образования монокомплексов солей метил-, бензил- и фениламмония с 18К6, в основном, совпадают в пределах ошибки измерений, что указывает на небольшую пространственную помеху комплексообразованию, создаваемую заместителями в молекулах аминов.
Термодинамические и структурные свойства водных растворов 18-краун-6
Циклодекстрины (ЦД) являются циклическими олигосахаридами, которые получаются ферментативным гидролизом крахмала. Наиболее распространены в применении ЦД, содержащие шесть, семь и восемь остатков глюкозы, называемый соответственно -, -, и - циклодекстринами [172-175], структуры которых показаны на рис. 2.7 и 2.8.
Из-за своей особой структуры, циклодекстрины могут разместить в гидрофобную часть своей полости широкий спектр молекул-гостей, образуя с ними, таким образом, комплексы включения [176-179]. По сравнению с краун-эфирами, криптандами и каликс[n]аренами, способными выступать в роли молекул-«хозяев» для относительно небольших органических молекул или ионов, циклодекстрины способны распознавать сравнительно объемные молекулы, которые относятся к группе кластеров и полимеров.
Основными движущими силами данного типа комплексообразования является слабые взаимодействия, такие как гидрофобные эффекты и силы Ван-дер-Ваальса, Оптимальное соответствие между молекулой Рисунок 2.8. Схематичное «гостем» и полостью циклодекстрина обладает представление объемной выраженным влиянием на устойчивость структуры -циклодекстрина. комплекса.
В литературе представлены результаты многочисленных исследований комплексов включения, образованных аминокислотами, аминосоединениями и пептидами с циклодекстринами в водных растворах, проведенные с помощью ЯМР, калориметрического или микрокалориметрического титрования, потенциометрического титрования, масс-спектрометрии, стационарной флуоресценции и флуоресценции с временным разрешением, электронно-спиновой резонансной спектроскопии (ЭПР) и ультразвуковых измерений [10, 11, 14, 20, 22, 23, 180-185]. Результаты термодинамических и ЯМР-исследований позволили Рекарски и др. [184] определить константы равновесий и энтальпии реакций образования комплексов включения между кислотами, алифатическими аминами и циклическими спиртами с а- и (5- циклодекстринами (аЦД и РЦД). Проанализировано влияние структуры молекул-гостей (число алкильных групп в молекуле, заряд, структура и природа заместителей на комплексообразование). Различные аспекты образования комплексов между протонированными алкиламинами, 18-краун-6 и аЦД в водных растворах были исследованы в работе [185]. Обнаружены комплексы стехиометрии 1:1:1 между этими компонентами. В случае если комплекс образуется между алкиламином и циклодекстрином, алкильная группа располагается внутри полости циклодекстрина, в то время как полярная группа находится вне полости макроцикла в контакте с молекулами воды. В работах [186, 187] Бушманн с сотр. определили термодинамические параметры комплексообразования аЦД с некоторыми аминокислотами и дипептидами, полученные для водных растворов методом калориметрического титрования. Благодаря тому, что при комплексообразовании молекула воды вытесняется из полости циклодекстрина молекулой-гостем, образованию комплекса в первую очередь благоприятствуют энтропийные вклады, а энергетика этих процессов характеризуется малыми отрицательными значениями энтальпий комплексообразования (табл. 2.19).
Константы устойчивости комплексов включения, образованных ароматическими аминокислотами и их олигопептидами с а- и (3 циклодекстрином, гидроксипропил-Р-циклодекстрином (НРЦД) и частично метилированным-Р-циклодекстрином (МеЦД), были изучены спектрометрически Пита с сотр. [188]. Ими был применен метод конкурирующего комплексообразования, в котором в качестве конкурирующего реагента был взят п-нитрофенол. Измерения проводились при рН среды 7.4. Результаты показывают, что Р-циклодекстрин образует более устойчивые комплексы включения, чем другие макроциклы. Константы устойчивости комплексов олигопептидов с Р-циклодекстрином, содержащих остаток фенилаланина, выше, чем у комплексов, образованных с L-фенилаланином (табл. 2.21). Таблица 2.21. Константы устойчивости (К, М"1) комплексов циклодекстринов с аминокислотами и олигопептидами при рН = 7.4, определенные спектрофотометрическим методом при конкурирующем комплексообразовании с п-ниртофенолом [188] АК или олигопептид Константы устойчивости (К, М-1) аЦД ЦД МеЦД НРЦД L-Phe 13.0+0.4 17.0+0.6 4.0+0.5 5.0+0.5 Gly-L-Phe 20.0+0.6 76.0+1.0 10.0+0.8 14.0+0.8 Gly-D-Phe 23.0+0.7 67.0+1.2 9.0+0.7 13.0+0.5 L-PheGly 14.0+0.7 57.0+3.5 16.0+1.0 22.0+2.0 GlyGly-L-Phe 47.0+0.8 89.0+1.9 11.0+0.9 21.0+1.2 Gly-Lyr 13.0+0.2 101.0+2.0 13.0+0.6 16.0+0.9 LrpGly 21.0+1.1 52.0+1.5 39.0+1.6 50.0+3.8 Таблица 2.22. Термодинамические параметры комплексообразования ароматических аминокислот с аЦД и РЦД в воде при различных значениях рН при 298,15 К [189] Состав среды К, М-1 -АН, кДж/моль -AG, кДж/моль TAS, кДж/моль L-Phe-осЦД вода 15+1 7.0+0.4 6.7+0.2 - 0.3+0.6 рН= 11.3 25+1 13.0+0.4 8.0+0.1 - 5.0+0.5 рН= 13.6 8+3 2.1+0.6 5+1 3.0+1.6 L-Phe-рЦД вода 18+3 9+1 7.2+0.4 - 1.8+1.4 рН= 11.3 106+12 5.2+0.3 11.6+0.3 6.4+0.6 Lyr-рЦД рН= 11.3 147+6 6.7+0.2 12.4+0.1 5.7+0.3 L-His-аЦД вода 9+4 14+6 5.4+1 - 8.6+7 рН= 11.3 12+1 3.2+0.3 6.2+0.2 3.0+0.5 Lyr-аЦД вода 19+4 9+1 7.3+0.6 - 1.7+1.6 рН= 11.3 28+1 8.0+0.2 8.3+0.1 0.3+0.3
Кастронуово и др. [189] исследовали взаимодействие а- и р-циклодекстринов с L-фенилаланином, L-тирозином, L-триптофаном, и L-гистидином калориметрически при 298.15 К в воде, и в фосфатном буфере (рН = 11.3). Ароматические аминокислоты образуют комплексы включения стехиометрии 1:1, которые, в основном, характеризуются низкой устойчивостью (табл. 2.22). Образование комплекса происходит путем включения ароматического кольца в полость молекулы циклодекстрина. Комплексы более устойчивы при рН = 11.3, чем в нейтральной воде. Как видно из табл. 2.22, размеры полости циклодекстрина также оказывают влияние на устойчивость комплексов. Гистидин образует комплекс с аЦД с наименьшим значением константы ассоциации, но не образует комплекса с РЦД. Тирозин не ассоциируется с аЦД ни в воде, ни в буфере, вероятно из-за наличия гидроксильной группы на бензольном кольце, которая препятствует ассоциации. Напротив, значение константы связывания тирозина с РЦД при рН = 11.3 очень велико.
Координационные соединения криптандов с аминокислотами и пептидами
Сольватация представляет собой начальную стадию биохимических процессов, которая определяет биологическую активность сложных белковых молекул, структурными элементами которых являются аминокислоты и пептиды.
Глицин (гликокол, аминоуксусная кислота) относится к числу заменимых аминокислот, которые могут поступать в организм с белковой пищей либо образовываться в организме из других аминокислот. Глицин в составе белков встречается чаще, чем остальные кислоты. По химической природе глицин – простейшая алифатическая аминокислота (рис. 3.20а), единственная из всех входящих в состав белков, у которой отсутствует асимметричный атом углерода, поэтому молекула глицина оптически неактивна.
Глицил-глицин (диглицил, 2Gly) и глицил-глицил-глиницин (триглицин, 3Gly) являются представителями класса дипептидов и трипептидов (рис. 3.20 б, в). Эти глициновые пептиды построены, соответственно, из двух и из трех молекул аминокислоты глицина, которые соединены между собой пептидной связью.
Являясь разновидностью амидной связи, пептидная связь, возникающая при образовании белков и пептидов, есть результат взаимодействия ос-аминогруппы одной аминокислоты и а-карбоксильной группы другой аминокислоты. Как и в случае любой амидной связи, для пептидной связи -С(О) - N(H)- свойственен частично двойной характер за счет резонанса канонических структур:
Особые свойства пептидной связи обуславливают то, что все шесть атомов - кислород, углерод, азот, водород и ос-атомы углерода - расположены в одной плоскости, а боковые радикалы аминокислот и атомы водорода, находящиеся при ос-атомах углерода, лежат вне этой плоскости.
Аминокислоты и пептиды являются амфотерными соединениями. Наличие в их молекулах кислотной (–СООН) и основной (-NH2) групп обуславливает возможность существования катиона, аниона, нейтральной формы и цвиттер-иона при различных значениях pH. Между всеми формами АК и пептидов возможны переходы, как, например, в молекуле глицина: -H+ -H+ +NH3CH2COOH NH2CH2COOH +NH3CH2COO- NH2CH2COO (H2Gly+) (HGly) (Gly) (Gly-) В водных растворах доли нейтральной, протонированной и депротонированной форм глицина очень малы. В области pH 410 более 99% глицина существует в форме цвиттер-иона, где карбоксильная и аминогруппа заряжены [59]. Концентрация четвертой формы – нейтральной – пренебрежимо мала (менее 1%) во всем диапазоне pH.
В работе [264] спектральными и расчетными методами изучены конформации глицина и его олигопептидов. С помощью ИК-спектроскопии в сочетании с квантово-химическими расчетами авторами установлено, что для малых пептидов может происходить протонирование как атомов азота аминогруппы, так и атомов азота пептидной связи. Однако, для триглицина, экспериментальные и расчетные результаты показывают, что один из основных видов изомеров - это изомер, в котором протон связан с амидным кислородом (рис. 3.21).
Структура двух самых стабильных изомеров протонированного триглицина, рассчитанных в базисе 6-311+G(d,p) [264].
Результаты квантово-химических полуэмперических расчетов теплоты образования молекулы триглицина по программе MOPAC 93 (метод РМ 3) и ЯМР исследований структуры триглицина приведены В.В. Клочковым с соавторами в работе [265]. ЯМР спектроскопия позволяет описать пространственное строение триглицина в терминах расположения глициновых фрагментов относительно связей -C(O)-NH-. Вращение вокруг этих связей сопряжено с преодолением высокого барьера, что позволяет в шкале ЯМР наблюдать «вымороженные» спектры транс и цис конформеров. Сделан вывод о том, что триглицин существует в растворе в виде одного из четырех возможных конформеров: транстранс, транс-цис, цис-транс или цис-цис. Конформер цис-транс имеет наиболее выгодную структуру для триглицина (рис. 3.22).
В настоящее время в литературе представлен большой экспериментальный материал по энтальпийным характеристикам сольватации аминокислот в воде [266-270] и в водно-органических растворителях с небольшим содержанием неводного компонента [267, 271-282]. Исследованию процессов сольватации малых пептидов в воде и в водно-органических растворителях посвящено гораздо меньше литературных источников [271, 272, 275, 278].
Нами в работе [283] калориметрическим методом определены энтальпии растворения амидов N-ацетил замещенных глицина, L-аланина, L-пролина, L-валина, L-лейцина и двух дикетопиперазинов (циклических ангидридов глицина и L-саркозина) в воде при 296.84, 306.89 и 316.95 К. Рассчитаны энтальпии растворения и сольватации при 298.15К и определены вклады СН2-группы в энтальпию сольватации (-3.2 кДж/моль) и парциальную молярную теплоемкость (89.3 Дж/К моль) исследованных аминокислот и пептидов.
В работах [266-268] были рассчитаны стандартные энтальпии растворения глицина, L--аланина, L-валина, L--лейцина, L--серина, L--треонина и некоторых малых пептидов в воде при 298.15 К. Авторами установлено что, процесс растворения в воде для большинства случаев является эндотермичным. Это указывает на то, что энергетические затраты на разрушение кристаллической структуры веществ не компенсируются экзотермическими эффектами гидратации. При увеличении размера молекулы растворенного вещества наблюдается тенденция уменьшения эндотермичности процесса растворения и повышения его экзотермичности. (табл. 3.20).