Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

ТЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ С АМИНОКИСЛОТАМИ В ВОДНОМ РАСТВОРЕ

02.00.04 - физическая химия

Курочкин Владимир Юрьевич

Иваново - 2011

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет".

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент Черников Виктор Владимирович.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Козловский Евгений Викторович,

доктор химических наук, профессор Щербаков Владимир Васильевич.

Ведущая организация: Тверской государственный университет.

Защита состоится "__" февраля 2011 г. в час. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Тел. (4932) 32-54-33 факс (4932) 32-54-33 e-mail: dissovet@isuct.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "ИГХТУ" по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан "__" января 2011 г.

Ученый секретарь совета Егорова Е.В.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Аминокислоты играют важную роль в процессах метаболизма в живых организмах. Особый интерес представляет исследование свойств б-аминокислот, которые участвуют в построении молекул белка и выполняют ряд уникальных функций в процессах жизнедеятельности. В основе биохимической активности аминокислот лежит их способность участвовать в процессах комплексообразования с различными катионами металлов, в том числе и кальция(II), обладающего высокой биологической активностью. Кальций является основным строительным материалом для роста и развития костной ткани организма. Исследование взаимодействия иона кальция с аминокислотами представляет несомненный научный и практический интерес, так как позволяет глубже проникнуть в суть биологических процессов. Зная величины термодинамических характеристик в системах аминокислота - Са²⁺ можно проводить строгие термодинамические расчеты с участием этих соединений в реальных системах.

В качестве объектов исследования был выбран ряд различных по строению б-аминокислот: L-лейцин, L-серин, L-глутамин, L-аспарагин, L-гистидин, DL-фенилаланин, DL-триптофан, L-глутаминовая кислота, в состав которых входили различные функциональные группировки. Представляет интерес выяснить, как влияет природа заместителя на характер комплексообразования иона кальция с аминокислотами, на термодинамику данного процесса.

Следует отметить, что имеющиеся в литературе данные по устойчивости комплексов перечисленного ряда аминокислот с ионом кальция весьма ограничены и противоречивы. Данные по энтальпиям и энтропиям реакций взаимодействия иона Са²⁺ с выбранными аминокислотами отсутствуют, хотя важность этих величин бесспорна.

Работа выполнена при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (госконтракт №02.740.11.0253) и Аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" на 2009-2010 годы (проекты №2.1.1/5593 и №2.1.1/5594).

Цель работы. Установить влияние различных функциональных группировок, входящих в состав аминокислот, и размера молекул на термодинамические характеристики процессов комплексообразования L-лейцина, L-серина, L-глутамина, L-аспарагина, L-глутаминовой кислоты, L-гистидина, DL-фенилаланина, DL-триптофана с ионом кальция в водном растворе. Выявить особенности координации аминокислот с ионом кальция в составе комплекса.

Поставлены следующие задачи:

- потенциометрическим методом определить константы устойчивости иона кальция с L-лейцином, L-серином, L-глутамином, L-аспарагином, L-глутаминовой кислотой, L-гистидином, DL-фенилаланином, DL-триптофаном при нескольких значениях ионной силы (I = 0,5; 1,0; 1,5; KNO₃) и Т=298 К;

- калориметрическим методом определить энтальпии реакций комплексообразования исследуемого ряда аминокислот с ионом Са ²⁺ при I = 0,5 (KNO₃) и Т=298 К;

- выявить основные закономерности в термодинамических характеристиках процессов комплексообразования иона кальция с аминокислотами;

- сопоставить термодинамические характеристики реакций комплексообразования иона кальция с некоторыми биолигандами, при переходе от простых, по своей структуре, карбоновых кислот к более сложным молекулам - аминокислотам и комплексонам.

Научная новизна работы. Впервые определены величины констант устойчивости комплексов кальция(II) с цвиттер-ионной формой L-лейцина, L-серина, L-аспарагина, L-глутамина, DL-фенилаланина, DL-триптофана и анионной формой DL- фенилаланина. Существенно дополнены данные по величинам констант устойчивости образования комплексов состава CaL CaL - CaLeu⁺, CaSer⁺, CaAsn⁺, CaGln⁺, CaGlu, CaPhe⁺, CaHis⁺, CaTrp⁺, и комплексов кальция(II) с цвиттер-ионной формой L-гистидина и моноанионной формой L-глутаминовой кислоты.

В работе впервые получены основные термодинамические характеристики комплексообразования иона кальция с рядом аминокислот при I = 0,5 (KNO₃) и Т = 298 К.

Установлено, что дополнительные функциональные группы, входящие в состав лиганда, повышают устойчивость протонированных комплексов CaHL CaHL - CaHLeu²⁺, CaHSer²⁺, CaHAsn²⁺, CaHGln²⁺, CaHGlu⁺, CaHPhe²⁺, CaHHis²⁺, CaHTrp²⁺ (протонированный комплекс), в то время как увеличение размера молекул лиганда приводит к обратному действию. В меньшей степени подобные зависимости прослеживаются для комплексов состава CaL, что связано со стерическими особенностями координации.

Практическое значение. Полученные в настоящей работе данные могут быть использованы в качестве справочного материала и включены в базу термодинамических данных.

С помощью полученных данных работы становится возможным проведение математического моделирования равновесий в многокомпонентных системах с участием кальция(II) и аминокислот, а также прогнозирование поведения систем в широком интервале значений ионной силы, концентраций и рН.

Результаты, представленные в настоящей работе, востребованы в таких областях как медицина и фармакология, поскольку с их помощью становится возможным разработать методики для целенаправленного синтеза новых комплексных соединений, составляющих основу лекарственных препаратов.

Личный вклад автора Экспериментальная часть работы, обработка результатов исследования выполнена автором лично. Постановка целей и задач исследования, выбор экспериментальных методик, обсуждение полученных результатов, оформление материалов для публикации научных статей и тезисов докладов выполнено под руководством Черникова В.В.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались на V Международной Чугаевской конференции по координационной химии (г. Санкт-Петербург. 2009.) XVII Международной конференции по химической термодинамике в России RCCT 2009 (г. Казань. 2009.), III и IV Региональной конференции молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения) (г. Иваново. 2008, 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи в журналах перечня ВАК и тезисы 4 докладов на научных конференциях.

Объём работы. Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков, 42 таблиц, состоит из следующих разделов введения, главы, посвященной обзору литературы, глав, включающих экспериментальный материал и его обсуждение, основных итогов работы, списка цитируемой литературы, содержащего 120 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дана краткая характеристика и биологическая значимость объектов исследования - иона кальция, L-лейцина, L-серина, L-аспарагина, L-глутамина, L-глутаминовой кислоты, DL-гистидина, L-фенилаланина, DL-триптофана. В табл. 1 приведены структурные формулы вышеназванных аминокислот.



Таблица 1. Структурные формулы исследуемых аминокислот

Название	Структура	Название	Структура
Лейцин		Глутаминовая кислота
Серин		Гистидин
Аспарагин		Фенилаланин
Глутамин		Триптофан

Приведены литературные данные по константам протолитических равновесий в растворах указанных аминокислот. На основании критического анализа литературных данных выбраны наиболее вероятные значения констант кислотно-основного взаимодействия аминокислот в водных растворах. комплексообразование аминокислота кальций термодинамическая

Проведен анализ данных, представленных в литературе, по термохимии кислотно-основного взаимодействия исследуемого ряда аминокислот. Выбраны наиболее надежные значения величин тепловых эффектов протолитических равновесий исследуемых аминокислот (за исключением L-лейцина) при I = 0,5 и Т = 298 К. Значения энтальпий и констант диссоциации исследуемых аминокислот при данных условиях потребуются в дальнейших расчетах величин ?H_CaL и ?H_CaНL.

Дан критический анализ работ по комплексообразованию иона кальция с исследуемыми аминокислотами в водном растворе. Отмечено, что взаимодействие иона кальция с лейцином, аспарагином и глутамином рассмотрено только в единичных работах, с фенилаланином ранее не исследовалось, с серином и глутаминовой кислотой рассмотрено в нескольких работах, однако данные работ существенно расходятся, что требует дополнительных исследований.

В ходе анализа литературных данных по константам устойчивости образования комплексов кальция(II) с рассматриваемыми аминокислотами было отмечено, что во всех работах потенциометрические исследования проводили с индикаторным стеклянным электродом. В зарубежных обзорных статьях, касающихся взаимодействия аминокислот с различными ионами металлов, неоднократно подчеркивается тот факт, что рН-метрическое определение малоустойчивых комплексов нецелесообразно, вследствие малой чувствительности данного метода в подобных системах. Использование кальций-ионоселективного электрода в потенциометрических исследованиях позволило получить, на наш взгляд, более корректные данные во всех рассматриваемых системах.

Во второй главе приводится характеристика использованных реактивов, описывается потенциометрическая и калориметрическая установки, методики проведения потенциометрических и калориметрических исследований, а также проверка работы калориметрической установки по стандартным веществам.

Для определения констант устойчивости аминокислот с ионом кальция использовали метод потенциометрического титрования. Измерения ЭДС цепи: Ag, AgCl¦KCl ¦ исследуемый раствор ¦мембрана¦CaCl₂¦AgCl, Ag проводили с помощью прибора "Мультитест ИПЛ-311" с индикаторным кальций - ионоселективным электродом и хлоридсеребряным электродом сравнения. Точность измерения потенциала составляла ±0,1мВ. Температуру в потенциометрической ячейке поддерживали с точностью 250,1⁰С.

Термохимические исследования проводили в калориметре с изотермической оболочкой и автоматической записью кривой калориметрического опыта. Калибровку калориметра проводили электрическим током. Температура изотермической оболочки поддерживалась с точностью 0,005К.

В третьей главе представлена обработка экспериментальных данных потенциометрических исследований и приведено обсуждение полученных результатов. В качестве примера приведена методика расчета констант устойчивости реакций образования L-лейцина с ионом кальция.

1. Комплексообразование иона кальция с L-лейцином

Константы устойчивости реакций образования L-лейцина с ионом Са ²⁺ были определены методом потенциометрического титрования смеси раствора L-лейцина и нитрата кальция раствором гидроксида калия при трех значениях ионной силы (0,5, 1,0, 1,5 KNO₃) и Т = 298 К. Соотношение кальций(II) - L-лейцин составляло 1:1, 1:2 и 1:4. Экспериментальные данные обрабатывались по программе "PHMETR" с учётом следующих процессов:

H+ + Leu? = HLeu± (1.1)

2H+ + Leu? = H2Leu+ (1.2)

H+ + OH ? = H2O (1.3)

Ca2+ + NO3? = Ca(NO3)+ (1.4)

Ca2+ + Leu? = CaLeu+ (1.5)

Ca2+ + HLeu± = CaHLeu2+ (1.6)

Ca2+ + H2Leu+ = CaH2Leu3+ (1.7)

2Ca2+ + Leu? = Ca2Leu3+ (1.8)

Ca2+ + 2Leu? = CaLeu2 (1.9)

Ca2+ + Н 2О = Ca(OH)+ + Н+ (1.10)

Значения констант кислотно-основного взаимодействия аминокислоты, гидролиза кальция, а также констант устойчивости нитратного комплекса кальция были взяты из литературных данных. Расчет констант устойчивости комплексов кальция(II) с L-лейцином проводили по нескольким стехиометрическим схемам:

· образование в системе только одного комплекса - СаLeu⁺;

· образование одновременно двух комплексов состава CaLeu⁺ и CaHLeu²⁺;

· образование нескольких комплексных частиц разного состава - CaLeu⁺, CaHLeu²⁺, CaLeu₂; CaLeu⁺, CaHLeu²⁺, Ca₂Leu³⁺; CaLeu⁺, CaHLeu²⁺, CaH₂Leu³⁺ и другие вариации.

В результате расчётов было установлено, что при выбранных соотношениях кальций(II) - L-лейцин экспериментальные данные описываются наилучшим образом, если предположить образование в системе только двух комплексных частиц, состава CaLeu⁺, CaHLeu²⁺. Учет возможности протекания процессов (1.7-1.10) не привел к улучшению описания системы. Таким образом, можно предположить, что частицы состава Ca₂Leu³⁺, CaLeu₂, CaH₂Leu³⁺, CaOH⁺ не образуются в системе или их содержание мало.

Численные значения логарифмов констант устойчивости комплексов CaLeu⁺ и CaHLeu²⁺ при ионных силах I = 0,5; 1,0; 1,5 (KNO₃) приведены в табл. 2. Величины логарифмов констант устойчивости найденных комплексов представлены как средневзвешенные из 4-5 параллельных опытов. Погрешности рассчитаны как среднее квадратичное отклонение от среднего арифметического.

Величины концентрационных констант устойчивости образования комплексов кальция(II) с L-лейцином были экстраполированы к нулевой ионной силе по уравнению с одним индивидуальным параметром.

По программе RRSU был выполнен расчет равновесных составов для системы Са ²⁺ - L-лейцин (1:2) при I=0,5 и Т=298 К. В данных условиях выход CaHLeu²⁺ достигает максимального значения и составляет 25 %; выход CaLeu⁺ монотонно возрастает (рН>6,5) и достигает 58 % при рН=10,5; выход CaNO₃⁺ монотонно уменьшается с 18 % (рН=3) до 9 % (рН=10,5). При рН > 10,5 выпадали осадки. Вероятно, в осадок выпадали смешаннолигандные комплексы кальция.



Таблица 2. Логарифмы констант устойчивости L-лейцина с ионом кальция при различных значениях ионной силы и Т = 298,15 К

Ионная сила	Соотношение Са 2+: Leu-	lg K
		CaLeu+	CaHLeu2+
0.5	1:1	2.21 ± 0,07	1.39 ± 0,04
	1:2	2.17 ± 0,03	1.38 ± 0,03
	1:4	2.15 ± 0,03	1.37 ± 0,03
Средневзвешенное	2.17 ± 0,04	1.38 ± 0,04
1.0	1:1	2.20 ± 0,06	1.41 ± 0,04
	1:2	2.16 ± 0,03	1.40 ± 0,03
	1:4	2.15 ± 0,03	1.40 ± 0,03
Средневзвешенное	2.16 ± 0,04	1.40 ± 0,04
1.5	1:1	2.21 ± 0,06	1.44 ± 0.04
	1:2	2.16 ± 0,03	1.42 ± 0,03
	1:4	2.15 ± 0,03	1.41 ± 0,03
Средневзвешенное	2.16 ± 0,04	1.42 ± 0,04
0.0	2.47 ± 0.05	1.36 ± 0,05

По аналогичной схеме проведения эксперимента и метода расчета были определены константы устойчивости реакций образования комплексов кальция(II) с другими исследуемыми аминокислотами. Для систем, содержащих L-серин, L-глутамин, L-аспарагин, L-гистидин, DL-фенилаланин, DL-триптофан и ион Са²⁺, было также показано существование только двух комплексных частиц состава CaL и CaHL. Результаты потенциометрических исследований, для вышеназванных систем, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Логарифмы констант устойчивости ряда аминокислот с ионом кальция при различных значениях ионной силы и Т = 298,15 К

Процесс	Ионная сила (KNO3)
	0,0	0,5	1,0	1,5
Ca2+ + Ser- = CaSer+	2,57±0,05	2,30±0,04	2,30±0,04	2,32±0,04
Ca2+ + HSer± = CaHSer2+	1,65±0,05	1,67±0,04	1,69±0,04	1,71±0,04
Ca2+ + Asn- = CaAsn+	2,58±0,05	2,31±0,04	2,32±0,04	2,36±0,04
Ca2+ + HAsn± = CaHAsn2+	1,65±0,05	1,67±0,04	1,69±0,04	1,71±0,04
Ca2+ + Gln- = CaGln+	2,43±0,05	2,17±0,04	2,18±0,04	2,23±0,04
Ca2+ + HGln± = CaHGln2+	1,47±0,05	1,49±0,04	1,51±0,04	1,53±0,04
Ca2+ + Phe- = CaPhe+	2,37±0,05	2,08±0,04	2,09±0,04	2,10±0,04
Ca2+ + HPhe± = CaHPhe2+	1,15±0,05	1,21±0,04	1,25±0,04	1,30±0,04
Ca2+ + Trp- = CaTrp+	2,52±0,05	2,20±0,04	2,20±0,04	2,21±0,04
Ca2+ + HTrp± = CaHTrp2+	1,21±0,05	1,25±0,04	1,29±0,04	1,34±0,04
Ca2+ + Glu2- = CaGlu	3,51±0,05	2,32±0,04	2,32±0,04	2,33±0,04
Ca2+ + HGlu- = CaHGlu+	2,31±0,05	1,72±0,04	1,73±0,04	1,74±0,04
Ca2+ + His- = CaHis+	2,55±0,05	2,26±0,04	2,26±0,04	2,27±0,04
Ca2+ + HHis± = CaHHis2+	1,29±0,05	1,36±0,04	1,44±0,04	1,50±0,04

В четвертой главе приводится обработка и анализ калориметрических данных по кислотно-основному взаимодействию L-лейцина в водном растворе при I=0,5 (KNO₃) и Т=298 К, а также по реакциям комплексообразования исследуемого ряда аминокислот с ионом кальция в аналогичных условиях.

2. Термодинамика кислотно-основного взаимодействия в водных растворах L-лейцина

Расчет равновесного состава в растворах L-лейцина показал, что тепловые эффекты ступенчатой диссоциации аминокислоты можно измерить независимо друг от друга. Для определения тепловых эффектов реакции протонирования и нейтрализации аминокислоты измеряли теплоты взаимодействия растворов HNO₃ (1,948 моль/кг раствора) и КОН (1,072 моль/кг раствора) с 0,02 М раствором L-лейцина. Исследования проводили при 298 К и I=0,5 (KNO₃) в областях рН 3,8ч2,3 для определения теплот протонирования HLeu^±, рН 8,8ч10,1 для определения теплот нейтрализации HLeu^±. Для внесения необходимых поправок определяли теплоты разведения растворов HNO₃ и КОН в растворе фонового электролита в аналогичных условиях. Тепловые эффекты реакций протонирования частицы HLeu^± рассчитывали по формуле:

(2.1)

где - тепловой эффект смешения раствора HNO₃ с раствором L-лейцина, имеющего исходное значение рН = 3,8 в присутствии фонового электролита; - тепловой эффект разведения раствора HNO₃ в фоновом электролите при том же значении ионной силы; - полнота протекания реакции протонирования частицы HLeu^±.

Расчет показал, что вводимая азотная кислота вступает в реакцию образования частицы H₂Leu⁺ примерно на 65 %.

Тепловой эффект реакции протонирования L-лейцина по второй ступени рассчитывали по тепловым эффектам реакций (2.2), (2.3):

HLeu± + OH- = Leu- + H2O (2.2)

H2O = H+ + OH- (2.3)

.

.

где - тепловой эффект смешения раствора КОН с раствором L-лейцина, имеющего исходное значение рН = 8,8 в присутствии фонового электролита; - тепловой эффект разведения раствора КОН в фоновом электролите; - полнота протекания реакции нейтрализации HLeu^±; , - тепловые эффекты реакции (2.2), (2.3) соответственно.

Тепловые эффекты реакции кислотно-основного взаимодействия L-лейцина по I и II ступеням при I = 0,5 (KNO₃) и 298 К составили: = -2,54±0,06 кДж/моль, = -43,73±0,04 кДж/моль.

3. Термодинамика реакций комплексообразования иона кальция с L-лейцином

Тепловые эффекты реакций комплексообразования иона кальция с L-лейцином были определены калориметрическим методом при I=0,5 (KNO₃) и Т = 298 К. Соотношение кальций(II) - L-лейцин составляло 1:2. Условия проведения калориметрических опытов были выбраны в соответствии с расчетом равновесных составов для системы Са ²⁺ - L-лейцин (1:2) при I=0,5 и Т=298 К. Область исследования выбирали таким образом, чтобы вклад побочных процессов был минимальным, а выход основной реакции - максимальным.

Измеряли тепловой эффект смешения 0,02 моль/л раствора L-лейцина, нейтрализованного до рН_нач = 4,02 (для определения теплового эффекта образования комплекса CaHLeu²⁺) и рН_нач = 10,11 (для определения теплового эффекта образования комплекса CaLeu⁺), с раствором Са(NO₃)₂ (концентрации 0,4709 моль/кг) при I=0,5 (KNO₃) и Т=298 К. Также измеряли теплоты разведения нитрата кальция в растворах фонового электролита в аналогичных условиях. При определении тепловых эффектов реакций комплексообразования иона кальция с L-лейцином учитывались следующие процессы:

H+ + Leu? = HLeu± (3.1)

2H+ + Leu? = H2Leu+ (3.2)

H+ + OH ? = H2O (3.3)

Ca2+ + NO3? = Ca(NO3)+ (3.4)

Ca2+ + Leu? = CaLeu+ (3.5)

Ca2+ + HLeu± = CaHLeu2+ (3.6)

Экспериментальный тепловой эффект в расчете на 1 моль кальция можно представить уравнением:

(3.7)

где - тепловой эффект смешения иона кальция с раствором одноосновной аминокислоты в присутствии фонового электролита; - тепловой эффект разведения раствора иона кальция в фоновом электролите при том же значении ионной силы; - полнота протекания реакции образования комплексов состава CaL⁺ и CaHL²⁺; , - тепловые эффекты реакции образования комплексов состава CaL⁺ и CaHL²⁺; - вклад побочных процессов (3.1), (3.2) и (3.3) в измеряемый тепловой эффект.

Тепловые эффекты образования комплексов CaLeu⁺ и CaHLeu²⁺ рассчитывали по программе HEAT. При расчете теплового эффекта реакции образования протонированного комплекса учитывали протекание реакций (3.1-3.4, 3.6). В данной области исследования образование комплекса CaLeu⁺ не происходит. Термодинамические величины реакций (3.1-3.4) были взяты как наиболее вероятные из литературных данных. Расчет ионного состава показал, что в условиях калориметрического опыта ионы кальция вступают в реакцию образования комплекса CaHLeu²⁺ на 25 %.

Расчет теплового эффекта реакции образования комплекса CaLeu⁺ проводили с учетом протекания реакций (3.1-3.6). Как показал расчет, вклад в экспериментальный тепловой эффект реакции образования комплекса CaLeu⁺ процессов (3.2, 3.3) незначительный, процесса (3.1) составляет порядка 4,5 %, процесса (3.4) - 4 %, процесса (3.6) - 10 %. Расчет ионного состава показал, что в условиях калориметрического опыта ионы кальция вступают в реакцию образования комплекса CaLeu⁺ на 50 %. Значения тепловых эффектов образования комплексов CaLeu⁺ и CaHLeu²⁺ при I = 0.5 (KNO₃) получены впервые и приведены в табл. 4, 5.

Аналогичным образом были определены энтальпии реакций комплексообразования L-серина, L-глутамина, L-аспарагина, L-глутаминовой кислоты, L-гистидина, DL-фенилаланина, DL-триптофана с ионом Са ²⁺ при I = 0.5 (KNO₃). Термодинамические характеристики (ДG, ДH, ДS) образования найденных комплексных частиц рассчитаны впервые и приведены в табл. 4, 5.

Таблица 4. Термодинамические характеристики образования комплексов состава CaL при I = 0,5 (KNO₃) и Т=298,15 К

Процесс	lgK	, Дж/моль	, Дж/моль	, Дж/моль•К
Ca2+ + Leu- = Caleu+	2,17±0,04	-12390±230	625±300	43,7±1,3
Ca2+ + Ser- = CaSer+	2,30±0,04	-13130±230	500±300	45,7±1,3
1	2	3	4	5
Ca2+ + Asn- = CaAsn+	2,31±0,04	-13185±230	770±300	44,5±1,3
Ca2+ + Gln- = CaGln+	2,17±0,04	-11810±230	990±300	42,9±1,3
Ca2+ + Phe- = CaPhe+	2,08±0,04	-11870±230	1270±300	44,1±1,3
Ca2+ + Trp- = CaTrp+	2,20±0,04	-12560±230	1030±300	45,6±1,3
Ca2+ + Glu2- = CaGlu	2,32±0,04	-12670±230	1310±300	46,9±1,3
Ca2+ + His- = CaHis+	2,26±0,04	-12900±230	1050±300	46,8±1,3

Таблица 5. Термодинамические характеристики образования комплексов состава CaHL при I = 0,5 (KNO₃) и Т=298,15 К

Процесс	lgK	Дж/моль	Дж/моль	Дж/моль•К
Ca2+ + HLeu± = CaHLeu2+	1,38±0,04	-7870±230	450±300	27,9±1,3
Ca2+ + HSer± = CaHSer2+	1,67±0,04	-9530±230	300±300	33,0±1,3
Ca2+ + HAsn± = CaHAsn2+	1,67±0,04	-9530±230	520±300	33,7±1,3
Ca2+ + HGln± = CaHGln2+	1,49±0,04	-8505±230	680±300	30,8±1,3
Ca2+ + HPhe± = CaHPhe2+	1,21±0,04	-6910±230	680±300	25,5±1,3
Ca2+ + HTrp± = CaHTrp2+	1,25±0,04	-7135±230	710±300	26,3±1,3
Ca2+ + HGlu- = CaHGlu+	1,72±0,04	-10390±230	900±300	37,9±1,3
Ca2+ + HHis± = CaHHis2+	1,36±0,04	-7760±230	630±300	28,1±1,3

Основные закономерности комплексообразования иона кальция с рядом аминокислот и некоторыми другими лигандами в водном растворе.

Результаты работы показали, что величина константы устойчивости протонированных комплексов кальция(II) с выбранными аминокислотами изменяется в пределах 0,5 логарифмической единицы (табл. 5). Поскольку аминогруппа в данном комплексе протонирована и не участвует в координации с ионом кальция, то основное взаимодействие происходит по карбоксильной группе, расположенной у б-атома углерода аминокислоты. В данных реакциях комплексообразования лиганд проявляет, по-видимому, монодентатность.

Устойчивость протонированных комплексов состава CaHL уменьшается в ряду:

.

Присутствие различных по своему характеру функциональных групп в боковой цепи аминокислоты обуславливает изменение эффективного заряда на атоме кислорода карбоксильной группы, что приводит к перераспределению электронной плотности на данном атоме и изменению устойчивости образующегося комплекса. На термодинамику процессов также оказывает влияние размер самих молекул аминокислот, пространственное расположение дополнительных функциональных групп, их удаленность от карбоксильной группы при б-атоме углерода и способность к координации с ионом кальция.

Наибольшей устойчивостью обладает протонированный комплекс состава CaHGlu⁺. Присутствие карбоксильной группы в боковой цепи глутаминовой кислоты определяет дополнительную стабилизацию комплекса. Стоит отметить достаточно высокую устойчивость протонированного комплекса состава CaHSer²⁺, что можно объяснить, преимущественно, малыми размерами лиганда.

Из приведенного выше ряда устойчивости протонированных комплексов кальция(II) с аминокислотами видно, что присутствие дополнительных функциональных групп у глутаминовой кислоты, серина, аспарагина, глутамина приводит к увеличению устойчивости комплекса относительно соответствующего комплекса кальция(II) с лейцином, который не имеет дополнительных донорных групп в своем составе. Протонированные комплексы гистидина, триптофана и фенилаланина с ионом Са²⁺ менее устойчивы по сравнению с комплексом CaHLeu²⁺ что, вероятно, связано с достаточно большими размерами самих лигандов. Интересно отметить, что при близком строении молекул L-аспарагина и L-глутамина, величина константы устойчивости комплексов кальция(II) с данными аминокислотами уменьшается соответственно. Это говорит о том, что влияние дополнительных функциональных групп, находящихся в боковой цепи лиганда, уменьшается с увеличением расстояния от этой группы до карбоксилат иона, расположенного у б-атома углерода аминокислоты, по которому осуществляется основное взаимодействие с центральным ионом.

Переходя к анализу процессов комплексообразования иона кальция с анионной формой аминокислоты можно видеть несколько иные зависимости, чем для протонированных комплексов. Термодинамические характеристики образования комплексов состава CaL изменяются незначительно для всех исследуемых систем. Это означает, что дополнительная функциональная группа и размер молекул аминокислоты оказывают меньшее влияние на термодинамику процессов образования комплексов состава CaL нежели комплексов состава CaHL, что может быть связано со стерическими особенностями координации.

Присутствие аминогруппы, у б-атома углерода аминокислоты, способной к координации с центральным ионом, позволяет предположить, что лиганд будет проявлять бидентатность в данных реакциях. Как видно из табл. 4, 5, устойчивость комплексов состава CaL несколько выше, чем у протонированных комплексов, что может быть объяснено дополнительным влиянием атома азота аминогруппы с центральным ионом за счет ближнего электростатического взаимодействия. Энтальпии образования комплексных частиц состава CaL и CaHL изменяются незначительно. Это говорит о том, что аминогруппа не вносит заметного вклада в энтальпию процесса комплексообразования.

Положительные величины изменения энтальпий реакций комплексообразования иона кальция с аминокислотами свидетельствует о том, что образование связей между центральным ионом и лигандом является энтальпийно невыгодным процессом. В данном случае изменение энтальпии реакции не компенсирует затраты тепла на частичную десольватацию центрального иона и лиганда. Устойчивость комплексных частиц состава CaL и CaHL преимущественно обусловлена энтропийным фактором.

В ходе анализа литературных данных по взаимодействию иона кальция с аминокислотами отмечено, что образование двойных и полиядерных комплексов кальция(II) с аминокислотами не было выявлено ни в одной работе. Исследования, проведенные в нашей лаборатории, также не подтвердили существование данных частиц в рассматриваемых системах.

В работе дана сравнительная характеристика термодинамических величин реакций комплексообразования карбоновых кислот, комплексонов и аминокислот с ионом кальция. Сравнивая термодинамические величины образования комплексов кальция(II) с исследуемыми одноосновными аминокислотами и рядом одноосновных карбоновых кислот было отмечено, что константа устойчивости образования комплекса иона кальция с аминокислотами выше на порядок, а энтальпия процесса более отрицательна. Этот факт можно объяснить тем, что аминогруппа, находящаяся у б-атома углерода аминокислоты, оказывает определенное влияние на координацию иона кальция в процессе комплексообразования, что приводит к повышению устойчивости образующегося комплекса. Подобная зависимость наблюдается и при сравнении термодинамических характеристик образования комплексов кальция(II) с двухосновными карбоновыми кислотами и L-глутаминовой кислотой.

Анализ систем по взаимодействию иона кальция с различными комплексонами показал, что с уменьшением дентатности комплексонов в реакциях комплексообразования с ионом кальция, устойчивость комплексов заметно падает. Отмечено, что при переходе от ЭДТА к её гомологам (3-метил ДТА, 5-метил ДТА), устойчивость соответствующих комплексов кальция(II) резко уменьшается. В противоположность этому, при неизменном пространственном расположении карбоксильной и аминогруппы у б-атома углерода в молекуле аминокислоты, влияние длины боковой цепи и дополнительной функциональной группы на устойчивость комплексов состава CaL остается незначительным. Это дает основание сделать предположение, что при увеличении расстояния между карбоксильной и аминогруппой в молекуле аминокислоты (в ряду б-, в-, г-, д-форм), устойчивость комплексов кальция(II) c аминокислотами будет уменьшаться.



ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Методом потенциометрического титрования определены константы устойчивости комплексов кальция(II) с L-лейцином, L-серином, L-аспарагином, L-глутамином, L-глутаминовой кислотой, DL-гистидином, L-фенилаланином, DL-триптофаном при трех значениях ионной силы (I = 0,5 1,0 1,5), создаваемой нитратом калия, и Т = 298 К. Рассчитаны термодинамические константы устойчивости образующихся комплексов при нулевой ионной силе.

2. Обнаружено, что во всех исследуемых системах образуются комплексные частицы состава CaL и CaHL. Впервые получены данные об устойчивости комплексов кальция(II) с цвитер-ионной формой L-лейцина, L-серина, L-аспарагина, L-глутамина, L-фенилаланина, DL-триптофана и анионной формой DL-триптофана.

3. Установлено, что наличие дополнительной функциональной группы приводит к увеличению прочности комплекса состава CaHL, а увеличение длины цепи лиганда и расстояния между дополнительной группой и карбоксилат ионом, расположенного у б-атома углерода, - к уменьшению оказываемого влияния и дестабилизации протонированного комплекса. В меньшей степени подобные зависимости прослеживаются для комплексов состава CaL, что связано со стерическими особенностями координации.

4. Калориметрическим методом впервые определены энтальпии реакций комплексообразования исследуемого ряда аминокислот с ионом Са ²⁺ при I = 0,5 (KNO₃) и Т=298 К в водных растворах. Процессы образования комплексных частиц состава CaL и CaHL во всех случаях эндотермичны. Величины энтальпий образования данных комплексов не превышают 1,4 кДж/моль.

5. Впервые получены основные термодинамические характеристики комплексообразования иона кальция с анионными и цвитерр-ионными формами исследуемых аминокислот при I=0,5 (KNO₃) и Т = 298 К.

6. Показано, что концентрация солевого фона в растворе оказывает незначительное влияние на устойчивость комплексов иона кальция с аминокислотами.

7. Анализ термодинамических величин реакций образования комплексов кальция(II) с карбоновыми кислотами и аминокислотами показал, что аминогруппа аминокислоты повышает устойчивость комплексов состава CaL, что, предположительно, связано с ближним электростатическим взаимодействием атома азота аминогруппы с центральным ионом.



ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Курочкин, В.Ю. Комплексообразование L-аспарагина, L-глутамина с ионом кальция в водном растворе / В.Ю. Курочкин, В.В. Черников, А.И. Лыткин // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. -2010, -Т.53, №.11, -С. 6-9.

2. Курочкин, В.Ю. Комплексообразование L-гистидина, DL-фенилаланина с ионом кальция в водном растворе / В.Ю. Курочкин, В.В. Черников, А.И. Лыткин // Изв. Вузов. Химия и хим. технология. -2010, -Т.53, №.11, -С. 69-72.

3. Курочкин, В.Ю. Определение термодинамических констант комплексообразования ряда аминокислот с ионом кальция в водном растворе потенциометрическим методом / В.Ю. Курочкин, В.В. Черников, А.И. Лыткин // XXIV Международная Чугаевская конференция по координационной химии и Молодежная конференция-школа "Физико-химические методы в химии координационных соединений". г. Санкт-Петербург. 2009, -С. 308.

4. Курочкин, В.Ю. Влияние структуры б-аминокислоты (L-серин, L-лейцин, L-аспарагин, L-глутамин) на величину константы устойчивости с ионом кальция в водном растворе / В.Ю. Курочкин, В.В. Черников, А.И. Лыткин // XVII Международная конференция по химической термодинамике в России RCCT 2009. г. Казань. 2009, Т.2. -С. 440.

5. Курочкин, В.Ю. Исследование процессов комплексообразования L-аспарагина, L-глутамина с ионами кальция в водном растворе потенциометрическим методом / В.Ю. Курочкин, В.В. Черников, Н.В. Чернявская, А.И. Лыткин // III Региональная конференция молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения). Иваново. 2008, - С. 100.

6. Курочкин, В.Ю. Потенциометрическое исследование комплексообразования L-серина, L-триптофана с ионом кальция в водном растворе / В.Ю. Курочкин, В.В. Черников, А.И. Лыткин // IV Региональная конференция молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения). Иваново. 2009, - С. 93.

Автор выражает глубокую признательность д.х.н. Лыткину Александру Ивановичу за ценные научные консультации и всестороннюю помощь при выполнении работы на всех ее этапах.

Размещено на Allbest.ru