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        α-氨基丁酸對映異構(gòu)體在DMF+水混合溶劑中的焓對作用

        2012-11-30 10:48:34胡新根梁紅玉賈召鵬程維娜劉嘉敏
        物理化學(xué)學(xué)報 2012年9期
        關(guān)鍵詞:對映異構(gòu)氨基丁酸純水

        郭 政 胡新根 梁紅玉 賈召鵬 程維娜 劉嘉敏

        (溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,浙江溫州325035)

        α-氨基丁酸對映異構(gòu)體在DMF+水混合溶劑中的焓對作用

        郭 政 胡新根*梁紅玉 賈召鵬 程維娜 劉嘉敏

        (溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院,浙江溫州325035)

        利用等溫滴定微量熱法(ITC)分別測定了298.15 K時L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸兩種對映異構(gòu)體在不同組成的二甲基甲酰胺(DMF)+水混合溶劑中的稀釋焓.根據(jù)統(tǒng)計熱力學(xué)的McMillan-Mayer理論計算各溶劑組成下的同系焓對作用系數(shù)(hxx).從溶質(zhì)-溶質(zhì)和溶質(zhì)-溶劑相互作用的觀點出發(fā)探討了三元水溶液中疏水-疏水、疏水-親水和親水-親水作用的競爭平衡.實驗發(fā)現(xiàn),在所研究的混合溶劑組成范圍內(nèi)(wDMF=0-0.3), α-氨基丁酸兩種對映體的hxx都是較大的正值,且都隨wDMF的增大而逐漸減小,而有趣的是L型對映體的hxx值普遍比D型的大(hLL>hDD),說明ITC可以區(qū)分對映異構(gòu)體的同手性焓對作用.結(jié)果表明:在α-氨基丁酸+水+ DMF三元溶液體系中,疏水-疏水和疏水-親水作用在分子對作用過程中占優(yōu)勢;在α-氨基丁酸的同種對映體發(fā)生分子對作用時,L-L分子對比D-D分子對在構(gòu)型上更有利于α-碳上疏水側(cè)鏈(CH3CH2-)的靠攏,疏水基團(tuán)的水合殼層發(fā)生交蓋,局部破壞而釋放出部分結(jié)構(gòu)化的水,過程自發(fā)、吸熱且伴隨顯著熵增(ΔG<0,ΔH>0, ΔS=(ΔH-ΔG)/T>0),因而在稀釋時釋放出更多熱量,hxx具有較大的正值.

        α-氨基丁酸;對映異構(gòu)體;DMF+水混合溶劑;等溫滴定微量熱法;稀釋焓;焓對作用系數(shù);手性區(qū)分效應(yīng)

        1 引言

        溶液中的溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用常根據(jù)McMillan-Mayer統(tǒng)計熱力學(xué)理論進(jìn)行研究.1,2利用各種微量熱法測定溶解焓、稀釋焓或混合焓,可以計算得到溶質(zhì)的同系或異系焓對作用系數(shù)(hxx或hxy).3-5焓對作用系數(shù)被認(rèn)為是溶液中溶劑介入的溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用焓效應(yīng)的一種有效度量.6,7Castronuovo等8通過對一系列二元烷醇在乙醇+水混合溶劑中同系焓對作用系數(shù)的測定,考察了共溶劑的存在對疏水作用的影響.Palecz9,10通過對一系列L-α-氨基酸同系和交叉焓對作用的研究,建立了一種描述氨基酸疏水性的熱力學(xué)尺度.我們11-13利用微量熱法測定了一些典型α-氨基酸和手性二元醇在二甲亞砜(DMSO)水溶液中的稀釋焓,探討了焓對作用的溶劑效應(yīng),發(fā)現(xiàn)了不同對映異構(gòu)體同手性對作用的焓區(qū)分效應(yīng),即S-型或L-型異構(gòu)體的hxx普遍要比R-型或D-型異構(gòu)體的大.為了深入研究溶液中對映異構(gòu)體分子焓對作用的手性區(qū)分效應(yīng),我們選擇了在α-碳上帶有較大疏水側(cè)鏈的α-氨基酸對映異構(gòu)體,即L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸作為研究對象,以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作為共溶劑,探討水溶液環(huán)境下疏水性取代基和強(qiáng)極性共溶劑對α-氨基酸同手性焓對作用的影響.

        2 實驗

        2.1 試劑和儀器

        L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸購自日本TCI公司,純度均在99%以上.樣品在使用前除了干燥外,未作進(jìn)一步提純處理.DMF用4A分子篩干燥過夜后,減壓蒸餾收集314.25 K下的餾分干燥24 h備用.混合溶劑和溶液的配制都采用重量法,使用十萬分之一天平,誤差±0.1 mg.實驗用水為Milli-Q高純水,使用Millipore Elix5/Milli-Q系統(tǒng)制備.

        溶液稀釋焓的測定是利用美國MicroCal公司新一代的等溫滴定微量熱儀ITC200.測量池和參比池體積為200 μL,注射器體積為40 μL,每次注射時每滴樣品體積最小可達(dá)0.1 μL.

        2.2 實驗和數(shù)據(jù)處理方法

        采用連續(xù)注射的方法測定樣品溶液的稀釋焓.被稀釋的溶液(純水+α-氨基丁酸二元溶液或純水+ DMF+α-氨基丁酸三元溶液)裝在注射器中,在測量池和參比池中裝組成相同的溶劑(純水或DMF+水混合溶劑).在注射開始前,溶液和溶劑都要進(jìn)行趕氣泡處理.

        測量池溫度控制在298.15 K.總的注射次數(shù)設(shè)定為20次,每次2 μL;每次注射持續(xù)時間為4 s,連續(xù)注射的時間間隔為120 s;攪拌速度控制為1000 r·min-1.ITC熱轉(zhuǎn)變曲線由儀器自帶的Origin計算軟件處理生成.

        實驗數(shù)據(jù)處理的基本原理及方法參見文獻(xiàn).11-13在各溶劑組成下的同系焓對作用系數(shù)hxx的計算可根據(jù)式(1)由第N次注射的摩爾稀釋焓ΔH(mN-1→mN)對N進(jìn)行線性回歸分析得到.14

        圖1 298.15 K時L-α-氨基丁酸在純水中稀釋的ITC熱轉(zhuǎn)變(熱功率(P)-時間(t))曲線Fig.1 ITC thermal transition(thermal power(P)-time (t))curve of L-α-aminobutyric acid diluted in pure water at 298.15 K

        表1 298.15 K時L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸在純水中的稀釋焓Table 1 Experimental dilution enthalpies of L-α-aminobutyric acid and D-α-aminobutyric acid in pure water at 298.15 K

        式中,mN-1和mN分別表示第N-1次和第N次注射稀釋后測量池中溶液的質(zhì)量摩爾濃度,m0為稀釋前的溶液原始濃度,hxxx為焓三作用系數(shù).

        ITC用于稀釋焓測定的精確度經(jīng)實驗驗證符合要求.13所有樣品都在同一條件下平行測定三次,最后計算hxx的平均值.

        3 結(jié)果與討論

        圖2 L-α-氨基丁酸298.15 K時在純水中的稀釋焓以滴定次數(shù)N為函數(shù)的擬合值(ΔH(mN-1→mN))Fig.2 Fitting experimental values of ΔH(mN-1→mN)of L-α-aminobutyric acid in pure water as a function of injection number N at 298.15 K

        我們以L-α-氨基丁酸298.15 K時在純水中的稀釋焓為例,把它的原始實驗滴定曲線繪于圖1,把稀釋焓ΔH(mN-1→mN)以滴定次數(shù)N為函數(shù)的擬合曲線繪于圖2.

        L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸在純水中的稀釋焓數(shù)據(jù)列于表1,在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DMF+水混合溶劑中的稀釋焓數(shù)據(jù)列于表2.根據(jù)式(1)回歸分析得到的同系焓對作用系數(shù)值hxx列于表3,相關(guān)系數(shù)的平方R2均大于0.95.兩種對映異構(gòu)體的hxx隨混合溶劑中DMF質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wDMF)的變化趨勢見圖3.

        圖3 298.15 K時L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸在不同DMF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DMF+H2O混合溶劑中的焓對作用系數(shù)(hxx)比較Fig.3 Comparison of enthalpic pairwise interaction coefficients(hxx)of D-α-aminobutyric acid andL-α-aminobutyric acid in DMF+water mixtures with different mass fractions of DMF at 298.15 K :L-α-aminobutyric acid;■:D-α-aminobutyric acid

        表2 298.15K時L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸在不同DMF質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wDMF)的DMF+H2O混合溶劑中稀釋焓的實驗值Table 2 Experimental dilution enthalpies of L-α-aminobutyric acid and D-α-aminobutyric acid in DMF+water mixed solvents with different mass fractions of DMF(wDMF)at 298.15 K

        continued Table 2

        continued Table 2

        根據(jù)McMillan-Mayer理論,同系焓對作用系數(shù)hxx不僅反映了溶質(zhì)-溶質(zhì)直接的相互作用,還反映了因溶質(zhì)-溶劑、溶質(zhì)-共溶劑和溶劑-共溶劑相互作用的重新分布所引起的各種效應(yīng),是溶劑介入的溶質(zhì)-溶質(zhì)相互作用焓效應(yīng)的一種度量.15-18一般認(rèn)為,同系或異系焓對作用系數(shù)的大小及符號是由溶液中各物種間的疏水-疏水、疏水-親水和親水-親水作用競爭平衡所決定的.hxx或hxy為正值,表明疏水性作用占優(yōu)勢,反之則親水性作用占優(yōu)勢.9,19,20

        實驗發(fā)現(xiàn),L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸在純水及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DMF+水混合溶劑中的稀釋焓ΔH(mN-1→mN)均為負(fù)值(表1和表2),由此計算出的相應(yīng)的同系焓對作用系數(shù)hxx均為較大的正值(表3),且隨混合溶劑中DMF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸減少(圖3).這說明在對分子作用過程中兩個α-氨基丁酸分子α-碳上的乙基(CH3CH2-)之間、乙基與DMF分子上的甲基(CH3-)之間的疏水-疏水作用,以及各疏水性基團(tuán)(CH3CH2-和CH3-)與親水性基團(tuán)(-OH、-NCHO、-COO和-NH+3)之間的疏水-親水作用占主導(dǎo)地位,它們對同系焓對作用系數(shù)hxx都是正的貢獻(xiàn).

        表3 298.15 K時L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸在不同DMF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的DMF+H2O混合溶劑中焓對作用系數(shù)Table 3 Enthalpic pairwise interaction coefficients of L-α-aminobutyric acid and D-α-aminobutyric acid in DMF+water mixed solvents with different DMF mass fractions at 298.15 K

        眾所周知,DMF分子與水分子之間可以形成分子間氫鍵.由于DMF分子可形成共振結(jié)構(gòu),給電子能力突出,因此DMF和水分子之間形成的氫鍵比純水中水分子本身的氫鍵強(qiáng).21-23在水溶液中,DMF分子的氮原子由于兩個甲基的保護(hù)而不參與氫鍵形成,但酰胺鍵的氧原子可與水分子形成氫鍵(圖4).

        DMF與水的氫鍵屬于中等強(qiáng)度的氫鍵,它在本質(zhì)上是一種靜電吸引作用.24當(dāng)DMF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wDMF<0.3(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)xDMF<0.1)時,會增強(qiáng)液態(tài)水的有序結(jié)構(gòu);當(dāng)0.10.7)時,液態(tài)水的結(jié)構(gòu)又得到增強(qiáng).20在我們所研究的混合溶劑組成范圍內(nèi)(w=0-0.3),一方面,兩性溶質(zhì)α-氨基丁酸帶電的親水性頭基(-COO-和-NH+3)可以破壞DMF+水混合溶劑中水的有序結(jié)構(gòu);另一方面,其α-碳上的較強(qiáng)疏水性側(cè)基(CH3CH2-)卻可以使DMF+水混合溶劑中水的結(jié)構(gòu)更加有序.但由于CH3CH2-基團(tuán)的體積較大,可以刺破兩個帶電頭基的溶劑化殼層,因此與溶劑水之間的疏水水合效應(yīng)以及與共溶劑DMF分子基團(tuán)之間的疏水-疏水、疏水-親水作用都十分顯著;同時,在兩個α-氨基丁酸兩性離子以“肩并肩”相互作用的優(yōu)擇構(gòu)型下,CH3CH2-側(cè)基之間的疏水-疏水作用也十分強(qiáng)烈,這些因素都表明該三元溶液中溶質(zhì)的對分子作用過程以疏水性作用占主導(dǎo),稀釋時需釋放較大的熱量以維持低熵狀態(tài),從而使得焓對作用系數(shù)成為較大的正值.25隨著混合溶劑中DMF濃度的增大,水結(jié)構(gòu)被不斷破壞而使有序性逐漸降低,21氨基酸兩性離子極性頭基之間的離子-離子作用及其與溶劑分子間的離子-親水作用逐漸增強(qiáng),體系內(nèi)親水性作用的影響逐漸顯示出來,從而使得焓對作用系數(shù)逐漸減小.26,27

        圖4 DMF的共振結(jié)構(gòu)及其與水分子的氫鍵Fig.4 Resonance forms of DMF and its hydrogen bonding with water

        概括起來,我們認(rèn)為在α-氨基丁酸+水+DMF三元溶液體系中,與共溶劑DMF有關(guān)的影響溶質(zhì)焓對作用系數(shù)大小的主要因素有以下幾種:(a)α-氨基丁酸分子的非極性乙基與DMF分子的兩個非極性甲基之間存在疏水-疏水作用,對hxx有正的貢獻(xiàn);(b) α-氨基丁酸分子的非極性乙基與DMF分子的極性羰基之間存在疏水-親水作用,對hxx有正的貢獻(xiàn); (c)α-氨基丁酸分子的兩個極性頭基與DMF分子的兩個非極性甲基之間存在親水-疏水作用,對hxx有正的貢獻(xiàn);(d)α-氨基丁酸分子的兩個極性頭基與DMF分子的極性羰基之間存在親水-親水作用,對hxx有負(fù)的貢獻(xiàn);(e)在DMF濃度較高時,DMF分子的羰基氧原子與水分子之間的氫鍵作用導(dǎo)致水結(jié)構(gòu)的逐漸破壞以及α-氨基丁酸兩性離子的部分去水化,對焓對作用系數(shù)有負(fù)的貢獻(xiàn).

        實驗還發(fā)現(xiàn),在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成的DMF+水混合溶劑中,L-α-氨基丁酸的焓對作用系數(shù)值普遍大于D-α-氨基丁酸的值(圖3).這是很有趣的實驗現(xiàn)象,在其它手性小分子溶液體系中我們有類似發(fā)現(xiàn),例如在DMSO+水混合溶劑中的一些氨基酸和手性二元醇.11-13在以純水作溶劑的二元和三元體系中,人們早已發(fā)現(xiàn)一些α-氨基酸和手性二元醇對映異構(gòu)體的同系和異系焓對作用系數(shù)(hLL、hDD、hLD)也存在較大的差異,并提出了“優(yōu)先構(gòu)型”模型以解釋這一實驗現(xiàn)象.29-32綜合這些研究結(jié)果,我們認(rèn)為這種手性識別或手性區(qū)分現(xiàn)象只有在側(cè)鏈之間以同手性或異手性構(gòu)型(LL、DD或LD)相互作用時才可以檢測出焓效應(yīng)來,而其顯著性則受到對映異構(gòu)體分子中各功能區(qū)域的疏水-疏水、疏水-親水和親水-親水作用競爭平衡的制約.在本文實驗體系中,在α-氨基丁酸的同種對映體發(fā)生對分子作用時, L-L分子對比D-D分子對在締合構(gòu)型上應(yīng)更有利于α-碳上疏水側(cè)鏈(CH3CH2-)的靠攏,彼此疏水基團(tuán)的水合殼層發(fā)生交蓋,局部受到破壞而釋放出一部分結(jié)構(gòu)化的水,過程自發(fā)、吸熱且伴隨顯著熵增(ΔG<0,ΔH>0,ΔS=(ΔH-ΔG)/T>0),因而在稀釋時釋放出更多熱量,hxx具有較大的正值.

        4 結(jié)論

        用等溫滴定量熱法測定了L-α-氨基丁酸和D-α-氨基丁酸兩種對映異構(gòu)體分別在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wDMF=0-0.3)的DMF+水混合溶劑中的稀釋焓.依據(jù)McMillan-Mayer理論求得它們的焓對作用系數(shù).兩種對映異構(gòu)體的焓對作用系數(shù)值均隨著混合溶劑中DMF含量的增大而減小,并且發(fā)現(xiàn)在相同組成的DMF+水混合溶劑中,L-α-氨基丁酸的焓對作用系數(shù)值都要大于D-α-氨基丁酸的值.實驗結(jié)果說明ITC可以用來區(qū)分對映異構(gòu)體的焓對作用.強(qiáng)極性共溶劑DMF的介入對兩分子溶質(zhì)締合過程中各種疏水性和親水性相互作用的競爭平衡影響較大,焓對作用系數(shù)隨混合溶劑組成的變化與三元體系中水結(jié)構(gòu)的改變緊密相關(guān).

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        (30)Andini,S.;Castronuovo,G.;Elia,V.;Velleca,F.J.Solut. Chem.1995,24(5),485.

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        (32) Smirnov,V.I.;Badelin,V.G.J.Solut.Chem.2008,37(10), 1419.doi:10.1007/s10953-008-9313-z

        March 17,2012;Revised:June 25,2012;Published on Web:June 26,2012.

        Enthalpic Pairwise Interactions of α-Aminobutyric Acid Enantiomers in DMF+Water Mixtures

        GUO Zheng HU Xin-Gen*LIANG Hong-Yu JIAZhao-Peng CHENG Wei-Na LIU Jia-Min
        (College of Chemistry and Materials Engineering,Wenzhou University,Wenzhou 325035,Zhejiang Province,P.R.China)

        Dilution enthalpies of two α-aminobutyric acid enantiomers,L-α-aminobutyric acid and D-α-aminobutyric acid,in dimethylformide(DMF)+water mixtures of various compositions are determined by isothermal titration microcalorimetry(ITC)at 298.15 K.Homotactic enthalpic pairwise interaction coefficients for each solvent composition are calculated according to the McMillan-Mayer theory of statistical thermodynamics.From the point of view of solute-solute and solute-solvent interactions, competition equilibria among hydrophobic-hydrophobic,hydrophobic-hydrophilic,andhydrophilichydrophilic interactions in ternary solutions are explored.It is found that all values of hxxare positive across the entire studied composition range of mixed solvents(mass fraction of DMF,wDMF=0-0.3),gradually reducing with the increasing wDMF.It is of interest that the hxxvalues for the L-enantiomer are universally larger than those of the D-enantiomer(hLL>hDD),which indicates that ITC is useful to discriminate homochiral enthalpic pairwise interaction of enantiomers.Our results show that hydrophobic-hydrophobic and hydrophobic-hydrophilic interactions are predominant in pairwise molecular interaction processes in ternary solutions containing α-aminobutyric acid,water,and DMF,and that the configuration of L-L molecular pair is more advantageous for the approach of hydrophobic side-chains(CH3CH2-)on α-carbon than a D-D pair,where part of the structured water molecules relax to less structured bulky water due to the overlap and partial breaking of hydrophobic hydration cospheres around nonpolar groups.This confirms that the process is spontaneous and is accompanied with positive enthalpy change and obvious increase in entropy(ΔG<0,ΔH>0,and ΔS=(ΔH-ΔG)/T>0),consequently releasing more heat upon dilution of the solutions and leading to larger values of hxx.

        α-Aminobutyric acid;Enantiomer;DMF+water mixture;Isothermal ditration microcalorimetry;Dilution enthalpy;Enthalpic pairwise interaction;Chirality discrimination effect

        10.3866/PKU.WHXB201206261

        O645

        ?Corresponding author.Email:hxgwzu@126.com;Tel:+86-577-86596022.

        The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21073132).

        國家自然科學(xué)基金(21073132)資助項目

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