Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Структурообразование в водных растворах биологически активных веществ 10
1.2 Термодинамические и объемные свойства растворов аминокислот 15
1.3 Особенности сорбции аминокислот ионообменниками 27
Глава 2. Объекты исследования и методики эксперимента
2.1. Характеристика исследуемых аминокислот 40
2.2 Определение концентрации иминокислот в рабочих растворах
2.2.1 Метод определения концентрации индивидуальных иминокислот в водных растворах 43
2.2.2 Определение концентраций аминокислот при совместном присутствии в растворе 48
2.3 Исследуемый ионообменник и его физико - химические свойства, подготовка ионообменника к работе 50
2.4 Проведение процесса сорбции иминокислот на сульфокатионообменнике 55
2.5 Методика получения ИК-спектров 56
2.6 Методика изопиестирования образцов катионообменника 57
2.7 Методика калориметрического исследования процессов растворения иминокислот 58
2.8 Калориметрическое исследование тепловых эффектов процессов сорбции иминокислот 59
2.9 Статистическая обработка результатов анализа 60
Глава 3. Термохимические характеристики образования водных растворов иминокислот
3.1 Термокинетика и энтальпия растворения иминокислот в воде 62
3.2 Неэмпирический расчет структуры системы вода-иминокислота 73
Глава 4. Равновесные характеристики сорбции иминокислот сульфокатионообменником КУ-2х8
4.1 Влияние структуры иминокислоты и температуры на равновесные характеристики сорбции 78
4.2 Особенности гидратации сульфокатионообменника, насыщенного пролином и гидроксипролином 87
4.3. Термокинетика и энтальпия сорбции пролина и гидроксипролина на сульфокатионообменнике КУ-2х8 90
4.4. Неэмпирический расчет структуры сульфокатионообменника в иминокислотной форме 96
Глава 5. Особенности динамики индивидуальной сорции иминокислот и из бинарных смесей на сульфокатионообменнике КУ-2х8
5.1. Влияние структуры иминокислоты и температуры на динамические характеристики сорбции 102
5.2. Особенности динамики сорбции пролина, гидроксипролина и фенилаланина из бинарных смесей 111
Выводы 117
Список литературы 120
Приложения 144
- Термодинамические и объемные свойства растворов аминокислот
- Особенности сорбции аминокислот ионообменниками
- Метод определения концентрации индивидуальных иминокислот в водных растворах
- Неэмпирический расчет структуры системы вода-иминокислота
Введение к работе
Актуальность. Одно из важных направлений в физической химии -развитие представлений о механизме межмолекулярных взаимодействий в водных растворах биологически активных соединений и характере структурных изменений растворителя. Влияние заряженных, полярных и гидрофобных групп в структуре аминокислоты проявляется в физико-химических свойствах воды, что необходимо учитывать при протекании процессов в гомогенных и гетерогенных системах. Наиболее актуальным при этом является установление строения гидратных структур с учетом локальных межионных и межмолекулярных взаимодействий в системах вода - аминокислота и сульфокатионообменник - вода - аминокислота.
Имеющийся в литературе материал, указывает на то, что различия в характере структурных изменений воды в результате ассоциации, гидрофильной и гидрофобной гидратации проявляются в механизме сорбции полифункциональных соединений. Однако в известных работах по совершенствованию ионообменной технологии выделения и разделения биологически активных соединений, не в полной мере отражено влияние природы и свойств, образующихся гидратных комплексов в растворе и ионообменнике, на селективность сорбции. Отсутствует единая точка зрения на расположение функциональной группы ионообменника, аминокислоты и молекул воды.
Знание экспериментальных термодинамических свойств исследуемых систем и квантовохимическое моделирование гидратных структур в растворе и ионообменнике позволят количественно охарактеризовать процесс гидратации аминокислоты и функциональной группы ионообменника, определить взаимное расположение ионов и молекул растворителя на разных стадиях гидратации. Развитые представления о механизме гидратации цвиттерлитов и ионогенной группы могут быть использованы для выявления факторов, определяющих избирательность сорбции, и разработки оптимальных условий проведения технологических процессов по разделению и концентрированию биологически активных соединений.
Работа выполнена в Воронежском государственном университете в соответствии с координационным планом НИР Научного Совета по адсорбции и хроматографии РАН по теме «Изучение механизма межмолекулярных взаимодействий и закономерностей удерживания (тема №215.6.2 на 2000-2004 г.г.)».
Цель работы. Установление механизма образования гидратных структур пролина и гидроксипролина в растворе и сульфокатионообменнике и обоснование селективности их сорбции. Задачи работы: исследование влияния структуры и концентрации аминокислоты на термохимические характеристики процесса образования водного раствора иминокислот; определение равновесных и динамических характеристик сорбции пролина и гидроксипролина на Н-сульфокатионообменнике КУ-2х8; квантовохимическое моделирование гидратации пролина и гидроксипролина в водном растворе и ионообменнике. Оценка роли гидрофильной и гидрофобной гидратации в изменении структуры воды. Научная новизна работы.
Рассмотрено влияние концентрации и структуры бокового радикала на термохимические характеристики процесса образования водных растворов пролина и гидроксипролина. Показано, что термокинетические свойства образования раствора и характер изменения энтальпии растворения определяются природой и числом функциональных групп иминокислоты, их участием в образовании внутри- и межмолекулярных Н-связях. Экзотермичность процесса растворения пролина в выбранном диапазоне концентраций вызвана стабилизацией структуры воды (эффект гидрофобной гидратации). Установлено, что определяющую роль в формировании гидратных комплексов в растворе гидроксипролина играет гидрофильная гидратация, и эндоэффект процесса растворения обусловлен наличием ОН-группы в структуре иминокислоты. Предложены схемы межмолекулярных взаимодействий в водном растворе пролина и гидроксипролина в различном концентрационном интервале. Экспериментально определены энтальпии образования бесконечно разбавленного раствора иминокислот (Д Н о = - 2,85±0,04 кДж/моль, AsoiH00Hypro= 3,20±0,12 кДж/моль).
Установлены закономерности сорбции пролина и гидроксипролина на Н-сульфокатионообменнике. Влияние структуры иминокислоты и температуры отражается в величине равновесных коэффициентов сорбции, распределения и характере их изменения в процессе сорбции. Установлено, что механизм сорбции иминокислот определяют структура гидратного комплекса и концентрация иминокислоты. Большая гидрофобность пролина проявляется в большей селективности катионообменника. Изменение температуры процесса от 295 до 278 К приводит к увеличению сорбционного параметра для пролина и гидроксипролина соответственно в 1,5 и 1,3 раза. Показано, что процесс поглощения катионообменником диполярных ионов иминокислот экзотермичен. Значительная дегидратация катионообменника с ростом сорбционного параметра проявляется в уменьшении энтальпийной составляющей сорбции, что в большей степени отражено для пролина.
Неэмпирическим квантовохимическим методом проведено моделирование строения гидратных структур пролина и гидроксипролина с заданным количеством молекул воды, образующихся в растворе и катионообменнике. Определено число молекул растворителя, координирующих иминокислоту в растворе, которое составляет, соответственно, 5 для пролина и 7 для гидроксипролина. Предложен механизм формирования гидратных структур в растворе и ионообменнике. Установлено, что иминокислоты преимущественно гидратируются по кислороду карбоксильной группы. Определено взаимное расположение фиксированного иона, иминокислоты и молекул воды в ионообменнике. Сделан вывод о наличии молекулы воды между ионогеннои группой и противоионом иминокислоты. Показано, что механизм сорбции пролина и гидроксипролина осуществляется разрывом связи между молекулами воды и протонизацией карбоксильной группы иминокислоты. Преобладание гидрофобной гидратации для пролина проявляется в уменьшении длины связи "вода-вода" по сравнению с чистым растворителем, что наблюдается как в растворе, так и в ионообменнике. Показано влияние структуры гидратных комплексов на селективность сорбции.
Изучена динамика сорбции пролина и гидроксипролина на Н-сульфокатионообменнике. Определены коэффициенты диффузии иминокислот. Выявлено, что понижение температуры процесса приводит к увеличению вклада внутридиффузионного этапа массопереноса и изменению величины коэффициента диффузии иминокислот. Установлено взаимовлияние фенилаланина и иминокислот на динамические характеристики сорбции. Показано, что в процессе сорбции аминокислот из бинарных растворов имеет место как конкурентный, так синергетический механизмы сорбции. Выявлена большая эффективность динамического ионообменного процесса при сорбции фенилаланина по сравнению с пролином и гидроксипролином.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные о влиянии температуры и структуры аминокислоты на селективность сорбции могут быть использованы при выборе рациональных условий проведения и оптимизации известных процессов разделения аминокислот на ионообменниках. Различие в селективности катионообменника к ароматической аминокислоте и иминокислотам может быть использовано для их разделения.
На защиту выносятся:
Влияние структуры и концентрации иминокислоты на термокинетические характеристики и энтальпию образования водного раствора. Механизм образования гидратных структур пролина и гидроксипролина в растворе и катионообменнике, установленный на основе экспериментальных данных и квантовохимических расчетов.
Равновесные и динамические характеристики сорбции иминокислот. Связь селективности сорбции и сорбционных параметров со строением гидратных комплексов аминокислот.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 7 статей и 6 тезисов докладов. Результаты работы докладывались на Международной конференции молодых ученых "Химия и биотехнология биологически активных веществ, пищевых продуктов и добавок. Экологически безопасные технологии" (Москва-Тверь, 2001), IV Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 2003), II Всероссийской конференции "Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах" "ФАГРАН-2004" (Воронеж, 2004), IX Всероссийском симпозиуме "Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ" (Москва-Клязьма, 2004), XV Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва, 2005), Всероссийской конференции "Теория и практика хроматографии. Применение в нефтехимии" (Самара, 2005).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитированной литературы из 236 наименований; изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 12 таблиц, 7 приложений.
Термодинамические и объемные свойства растворов аминокислот
Изучением влияния органических соединений, имеющих в своём составе гидрофильные (полярные) группы и гидрофобный радикал, на структуру воды занимались авторы [28,29]. Они отмечают, что большинство аминокислот обладают различной способностью разрушать структуру водных сред, что обусловлено балансом между способностью аминокислот к отрицательной и положительной, гидрофильной и гидрофобной гидратации. Гидратация аминокислот складывается из различных типов взаимодействий между органическими ионами и молекулами воды. Электрическое поле ионов приводит к деформации электронного облака молекул воды (поляризации). Молекулы воды, непосредственно примыкающие к ионам, сильно ориентированы и сжаты силами ион-дипольного взаимодействия. Однако они участвуют в непрерывном обмене с молекулами воды, находящимися в объеме. Электрическое поле ионов изменяет ориентацию дипольных молекул воды, искажая первоначальную льдоподобную структуру, а также сжимая молекулы воды (эффект электрострикции). Крупные ионы оказывают стерический эффект, который заключается в деформации структуры воды. Однако ионы аминокислот имеют гидрофобные углеводородные группы и в целом оказывают на воду упорядочивающее влияние. Когда вблизи тетраэдрически связанных молекул воды находится гидрофобная частица, энергия ван-дер-ваальсовой связи, ориентированной по отношению к растворенной молекуле, снижается (по сравнению с ситуацией, когда на месте растворенной молекулы находится молекула воды), что стабилизирует тетраэдрически связанное размещение, т.е. структура воды упрочняется. Это явление носит название гидрофобной гидратации [30]. Однако результирующее влияние на структуру воды ионов, содержащих способные образовывать водородные связи группы (-NH2, -ОН), невелико; поскольку эти ионы внедряются в упорядоченные молекулярные кластеры воды с образованием водородных связей, они не очень деформируют их решетчатую структуру. Корреляция структуры гидратной оболочки с гидрофобностью аминокислоты была изучена в работе [31]. При температуре 24 С методом РЖ-спектроскопии получены данные по степени образования водородной связи типа растворитель-растворитель в гидратных оболочках, окружающих "гидрофобные" аминокислоты: глицин, метионин, пролин, аланин, фенилаланин, валин, лейцин и изолейцин. Установлено, что индуцированные растворенным веществом возмущения структуры растворителя коррелируют с термодинамическими критериями гидрофобности изученных аминокислот.
Авторами [32] проведена оценка методов измерения гидрофобности аминокислот. Показано, что существующие шкалы гидрофобности разнообразны, так как составляются для разных состояний аминокислот: свободного (в растворе) и связанного (на поверхности белка), причем не всегда одна и та же аминокислота имеет одинаковые значения параметра гидрофобности. Более того, для одних систем остаток аминокислоты может проявлять гидрофильные, а для других гидрофобные свойства.
Таким образом, взаимодействие амфифильных соединений с водой приводит к возникновению двух взаимообусловленных явлений -гидрофобной гидратации и гидрофобных взаимодействий, которые имеют важное значение в разнообразных химических и биологических системах. С помощью варианта метода миллиметровой абсорбционной спектроскопии (ММС), основанного на эффекте "волнового диэлектрического резонанса" [33], оказалось возможным исследовать эффекты гидрофобной гидратации в разбавленных растворах алифатических а-аминокислот. Полученные индексы гидратации включают, по крайней мере, две составляющие - вклады от гидрофильной и гидрофобной гидратации. Установлено, что вклады цвиттер-ионных фрагментов одинаковы, а вклады от гидрофобной составляющей зависят от гидрофобной гидратации гидрофобного радикала.
Интересные результаты по оценке аддитивных вкладов в процесс переноса аминокислот в различные растворители получены Кабани с сотрудниками [34]. Путем сравнения молекул, различающихся той или иной функциональной группой, им удалось оценить их вклад в термодинамику переноса.
Абросимовым В.К. было показано [35], что метод растворимости благородного газа особенно эффективен для изучения водных растворов в силу специфики механизма этого процесса, заключающейся в способности атомов благородного газа, по крайней мере, до температуры минимальной растворимости, распределяться преимущественно по участкам упорядоченной структуры, стабилизируя её, или развивая области упорядоченности. С помощью прецизионной микрогазометрической установки В.К. Абросимовым и Г.В. Сибриной [36] была измерена растворимость аргона в водных растворах глицина, /-а-аланина, /- и J-валина, /- и d-P-фенил-а-аланина в интервале температур 283-328 К. Показано, что все исследованные аминокислоты уменьшают растворимость аргона подобно обычным электролитам. Выявлено, что в водных растворах а-аминокислот имеет место как гидрофильная, так и гидрофобная гидратация, причем преобладающим является разрушающий эффект, роль которого с ростом температуры увеличивается.
Важной термодинамической характеристикой биосоединений при растворении их в различных средах является теплоемкость, с помощью которой возможно оценить природу гидратации, определяющую их конформационную стабильность в растворе. Поэтому, большинство проведенных исследований в области изучения гидратации биологически активных веществ, в частности аминокислот, главным образом, касались объёмных и теплоёмкостных характеристик водных растворов биомолекул [37-42].
Особенности сорбции аминокислот ионообменниками
Сорбционные методы относятся к перспективным физико-химическим способам разделения веществ как неорганического, так и органического происхождения, например, антибиотиков, витаминов, алкалоидов, белков и аминокислот. Хроматографический метод часто более эффективен для выделения различных веществ - больше полнота извлечения, поскольку, в отличие от распределения вещества в несмешивающихся растворителях (экстракция), зависимость величины сорбции от концентрации не линейна [73]. Характерной особенностью хроматографического метода является многократность повторения процесса сорбции и десорбции, а также то, что компоненты разделяемой смеси распределены между двумя фазами, одной из которых является неподвижный слой с большой поверхностью контакта, а другая представляет собой поток, фильтрующийся через неподвижный слой.
Из многочисленных экспериментальных работ [74-78] известно, что поглощение ионов органических веществ протекает, большей частью, с заполнением колонки сорбируемыми ионами по всем доступным активным центрам - фиксированным ионогенным группам. На выходе из колонки длительное время отсутствуют сорбируемые ионы, затем их концентрация сравнительно быстро поднимается до концентрации в исходном растворе, поступающем в колонку. При проведении ионообменного процесса в реальных условиях эта картина будет искажаться в результате влияния кинетических факторов. В случае преобладающей роли химической реакции обмена влияние скорости самого акта обмена приведет к тому, что концентрации сорбируемых ионов уже не будут в каждый момент времени находиться в равновесии с концентрациями в растворе.
Авторы работы [79] считают, что для приближения сорбционных и десорбционных параметров к квазиравновесным, то есть к процессам, протекающим с полным насыщением колонки сорбируемым веществом или с полным выходом при десорбции и получением при этом элюатов высокой концентрации, можно использовать, в основном, три параметра: скорость протекания раствора, коэффициент диффузии ионов в ионите при гелевом лимитировании скорости гетерогенного массобмена и длина диффузионного пути ионов в ионите.
Согласно [80], характер кривых распределения веществ в хроматографических колонках, профиль фронтов, ширина переходных областей между зонами, а, следовательно, и эффективность динамических процессов, будут зависеть, прежде всего, от вида изотерм сорбции. Решение задачи оптимизации динамики сорбционного процесса возможно экспериментальными методами и с использованием математического моделирования, причем последнее значительно упрощает проблему. Подавляющее большинство работ по динамике ионного обмена посвящено математическому моделированию динамического процесса [81-88].
Таким образом, возможность и оптимальные условия концентрирования, выделения и разделения биологически активных веществ, в частности, аминокислот зависит от условий динамического процесса, и определяется особенностями распределения компонентов между сорбентом и раствором. Рациональная технология извлечения биологически активных веществ должна основываться на закономерностях ионного обмена и молекулярной сорбции органических веществ.
Особенности ионообменной сорбции органических веществ ионитами из водных сред с учетом дополнительных взаимодействий установлены в работах [75,79,89]. Обобщенным понятием "молекулярная сорбция" за счет дисперсионных сил (гидрофобного взаимодействия) характеризовались селективность ионообменников и сверхэквивалентное поглощение. Избирательность поглощения органических ионов объяснялась возникновением водородных связей между сорбатом и сорбентом [90,91]. Однако, множество работ [92-96] свидетельствует о том, что в фазе ионообменника природа дополнительных взаимодействий различна.
Модели ионообменного равновесия молекул аминокислот и ионитов развиты многими авторами [75,97,98] и содержат параметры, которые должны быть определены постановкой эксперимента для каждого сорбента и обменивающегося иона. Особенности сорбции цвиттерлитов :И0нитами обусловлены, в первую очередь, способностью сорбата к существованию в растворе в виде ионов различной зарядности. Так, аминокислоты в водных растворах присутствуют в виде катионов, анионов, цвиттерионов и нейтральных молекул, способных различным образом взаимодействовать с сорбентом. В связи с этим в системах "ионит-аминокислота", помимо ионного обмена, протекают и другие сорбционные процессы.
Метод определения концентрации индивидуальных иминокислот в водных растворах
В литературе [172-175] представлены методы титриметического, хроматографического и фотометрического определения аминокислот. Все они требуют перевода аминокислот в определяемые производные. Для определения пролина и гидроксипролина разработан спектрофотометрический метод, который характеризуется высокой точностью и экспрессностью. Количественный анализ спектрофотометрическим методом сводится к определению концентрации веществ в растворе по известным абсорбционностям испытуемого раствора при выбранной аналитической длине волны. Среди важнейших параметров, влияющих на спектрофотометрическое определение аминокислот в водных растворах, наиболее важны: рН раствора, его концентрация и время установления равновесия при растворении цвиттерлита.
В работе использовали препараты иминокислот фирмы "Reanal" Венгрия. Для выбора аналитической длины волны снимали полный спектр поглощения водного раствора анализируемого вещества, который имеет максимум с хорошо выраженной колебательной структурой в УФ-области. При исследовании влияния рН среды на спектры поглощения иминокислот, для создания кислой среды использовали ЇМ HCI, щелочной - 1М NaOH. Спектрофотометрические измерения в УФ-области проводили при температуре 293±1К на спектрофотометре СФ - 46 с кварцевыми кюветами с оптической толщиной 1 см; рН измеряли иономером универсальным ЭВ-74.
Для растворов пролина с рН=6,4 (иминокислота находится в растворе в виде цвиттер-иона) рабочая длина волны равна 191 нм (рис.2.1). Установлено, что при рН 5,0 (в растворе присутствуют катионы и биполярные ионы пролина) увеличивается интенсивности и сужается максимум поглощения (рис. 2.2). Повышение рН раствора до 8,0 и выше (в растворе в основном присутствуют цвиттер - ионы и анионы пролина) уширяет максимум поглощения и увеличивает абсорбцию во всем исследуемом интервале концентраций (рис. 2.2). Вероятно, изменения в спектре поглощения вызваны различием в поглощении разных ионных форм пролина.
Изменение значений показателя поглощения в зависимости от рН раствора иминокислоты при аналитической длине волны и заданной концентрации предполагает построение градуировочного графика в области значений рН 5,0 и рН 8,0, где пролин находится в виде кислоты и сопряженного с ним основания.
Определено влияние времени установления равновесия на спектральные характеристики раствора пролина. Установлено, что в растворах иминокислоты устанавливается равновесие в течение 8 часов с момента приготовления. Был проведён анализ растворов пролина методом бумажной хроматографии согласно методике [174]. Результаты спектрофотометрии и метода бумажной хроматографии приведены в таблице 2. В сравнении с методом бумажной хроматографии, предлагаемый метод спектрофотометрического определения менее трудоёмок и позволяет с более высокой точностью и чувствительностью определять индивидуальную иминокислоту как в водном растворе, так и при совместном присутствии с ароматическими аминокислотами, максимум поглощения которых [177], лежит в области 240 - 280 нм.
Для растворов гидроксипролина с рН=5,9 (иминокислота находится в растворе в виде цвиттериона) рабочая длина волны равна 193 нм (рис. 2.1). Значение молярного коэффициента светопоглощения составляет 0,165-10 3± 0,04-10"3 л/моль-см. Линейная зависимость A=f(c) наблюдается в интервале концентраций 1,5-10 - 5,0-10 моль/дм . Предел обнаружения составил 0,012-10" моль/дм . Относительное стандартное отклонение при определении раствора гидроксипролина с концентрацией 3,5-10" моль/дм было равно 0,017.
Установлено, что при рН 4,5 (в растворе присутствуют катионы и биполярные ионы гидроксипролина) наблюдается снижение интенсивности максимума поглощения. Увеличение рН раствора более 7,5 (в растворе в основном присутствуют цвиттерионы и анионы гидроксипролина) приводит к уширению максимума поглощения и возрастанию интенсивности поглощения во всем исследуемом интервале концентраций.
Показано, что равновесие в растворах гидроксипролина устанавливается в течение 5 часов с момента приготовления, а при хранении растворов гидроксипролина более 3 суток наблюдается изменение его спектральных характеристик.
Ввиду того, что исследуемые иминокислоты в смеси с фенилаланином не определяют спектрофотометрически, так как спектр фенилаланина содержит три максимума, при 191, 205 и 257 нм [178]. В ходе анализа смеси пролина (гидроксипролина) с фенилаланином, установлено, что интенсивность поглощения смеси при 191 нм не является аддитивной суммой интенсивностей максимумов составляющих смесь аминокислот. Поэтому, концентрация фенилаланина определялась спектрофотометрически при 257 нм, а определение содержания пролина (гидроксипролина) осуществлялось в виде комплексов с медью фотометрически [179]. Абсорбционность растворов медных комплексов пролина (гидроксипролина), фенилаланина и смеси аминокислот измерялась при 670 нм на колориметре КФК-2. Определив концентрацию фенилаланина по градуировочному графику (рис. 2.6) спектрофотометрически, находили величину абсорбционности соответствующего медного комплекса по калибровочному графику 1 (рис. 2.7). Тогда величина А (Нурго)=А(смеси)-А(Рпе), и по прямой 2 (рис. 2.7) определяли концентрацию гидроксипролина (пролина) в исследуемой смеси.
Неэмпирический расчет структуры системы вода-иминокислота
Проведен расчет взаимодействия пролина и гидроксипролина с молекулами воды моделирующий процессы гидратации иминокислоты при растворении в воде. Оптимизацию геометрии осуществляли с помощью пакета программ HyperChem 6.0 неэмпирическим методом (ab initio) МО ЛКАО ССП, использующим процедуру самосогласования поля Хартри-Фока в сочетании с представлением молекулярных орбиталей как линейной комбинации атомных орбиталей [209,210]. Для расчета оптимальных структур применяли минимальный базисный набор STO-3G, в котором атомные орбитали слэтеровского типа, аппроксимируются тремя функциями Гаусса [211]. Выбор минимального базиса был обусловлен известными соответствиями между рассчитываемым свойством и необходимым уровнем базиса, дающим результаты, наиболее близкие к экспериментальным [210]. При квантовохимических расчетах проводилась оптимизация координат всех атомов до достижения минимума полной энергии системы, которая характеризует вероятность реализации данного расположения атомов.
Моделирование систем вода - иминокислота, включающих от одной до восьми молекул воды в окружении иминокислоты, выполнено путем последовательного добавления по одной молекуле воды к исследуемой системе, что позволило определить взаимное расположение цвиттериона иминокислоты и молекул растворителя на разных стадиях гидратации. В качестве начальной была выбрана структура, в которой молекула воды располагалась между заряженными группами молекулы аминокислоты.
Установлено, что для пролина преобладает гидратная структура с пятью, для гидроксипролина - с семью молекулами воды. Дальнейшее увеличение числа молекул воды приводит к образованию связей вода - вода, длины которых близки к расстояниям между молекулами воды в чистом растворителе [14,21].
В полученной оптимальной структуре Pro пН20 первая молекула воды присоединяется к карбоксильной группе (рис. 3.9). Добавление второй молекулы воды приводит к образованию связи H20...+NH2. Третья встраивается между имеющимися молекулами воды. При этом все молекулы воды соединены водородной связью. При наличии в системе четырех и пяти молекул воды, гидратация протекает по двум атомам кислорода карбоксильной группы.
Так как энергия системы уменьшается с ростом количества молекул воды, участвующих в образовании гидратных структур, об устойчивости полученных образований, вероятно, можно судить по расстоянию между связанными водородной связью атомами молекулы пролина и воды (табл. 7). Показано, что во всех рассмотренных случаях атом кислорода карбоксильной группы участвует в гидратации, кроме того, длина связи С=О...Н20 имеет меньшую величину по сравнению со связями, образуемыми другими атомами с молекулами воды. Следовательно, пролин предпочтительно гидратируется по кислороду карбоксильной группы, что не противоречит литературным данным [60]. Для пролина наблюдается уменьшение длин связи между кислородом карбоксильной группы и молекулой воды в ряду Pro 2Н20 Pro 1Н20 Pro 3H20 Pro 4Н20 Pro 5Н20. С увеличением количества молекул воды в гидратной структуре пролина наблюдается снижение длин связей Н2О...Н20 по сравнению со связями, образуемыми иминогруппой и атомами кислорода карбоксильной группы. Рассчитанные величины длин связей "вода - вода" в гидратном комплексе пролина меньше, чем в чистом растворителе, что подтверждает экспериментальные данные о стабилизирующем действии пролина на структуру воды.
В образовании гидратных структур гидроксипролина принимают участие СОО"-, Міг-, ОН-группы (рис. 3.10). Первая молекула воды связывается СОО" - группой и водородом ОН-группы, а вторая встраивается в образующееся кольцо. Если в системе присутствуют три молекулы воды, то гидратация протекает по карбоксильной группе и атомами водорода NH2 группы. В связывании новых (4-7) молекул воды преимущественно участвуют оба атома кислорода карбоксильной группы, а также атомы водорода и кислорода ОН-группы аминокислоты. В гидратном комплексе гидроксипролин - вода, включающем более четырех молекул растворителя, наблюдается уменьшение длин связей СОО ... Н20 и НОнУрГ0...Н20 по сравнению со связями "вода - вода", что определяет гидрофильный характер гидратации иминокислоты (табл. 8). Влияние ОН-группы проявляется в увеличении длины связи Н2О...Н20 в гидратном комплексе гидроксипролина по сравнению с пролином.
Для обеих иминокислот обнаружено вытягивание связи N-H по направлению к кислороду карбоксильной группы, в большей степени проявляющееся для гидроксипролина, что указывает на образование внутримолекулярной водородной связи в структуре иминокислоты и согласуется с результатами термокинетических исследований.
