Чтобы определить влияние солей на 1 (противоион Na +) DLS, использовали для мониторинга его наблюдаемого гидродинамического объема во время титрования различными галогенидными солями. Пятнадцать исследованных солей представляли собой матрицу катионов щелочных металлов Li +, Na +, K + и Cs + в сочетании с галогенидами F−-I-, одно из которых - плохо растворимый фторид лития (максимальная растворимость = 0,134 г / мл -1). Неудивительно, что, учитывая значения p K a карбоновых кислот, хозяин 1 имеет ограниченную растворимость в небуферизованной воде. Таким образом, из соображений растворимости титрование 1 проводили в 20 мМ растворе NaOH (см. Вспомогательный информационный файл 1 Рисунок S2, для более подробной информации). В каждом случае титрования брали до 100 мМ соли, где предполагалось, что хозяин полностью экранирован [21-23]. , фигура 2 показывает влияние различных солей на наблюдаемый размер 1 .

Рисунок 2: Типичные графики объемно-взвешенного распределения, полученные с помощью DLS для солей, титрованных в 2,00 мМ 1 : а) LiCl, б) LiBr, в) LiI, d) NaF, e) NaCl, f) NaBr, g) NaI, h) KF, i) KCl, j) KBr, k) KI, l) CsF, m) CsCl, n) CsBr, o) CsI. Шкала показана в верхнем левом углу. Ось X представляет гидродинамический диаметр, ось Y - концентрацию соответствующей соли (мМ), а ось Z - относительную интенсивность.

Рисунок 2: Типичные графики объемно-взвешенного распределения, полученные DLS для солей, титрованных в 2 ....

Указанные гидродинамические диаметры были рассчитаны с использованием уравнения Стокса – Эйнштейна ( Уравнение 1 ), который предполагает, что хозяин 1 является сферической частицей,

(1)

где D - постоянная диффузии, k b - постоянная Больцмана, T - температура, η - вязкость раствора и r H - гидродинамический радиус.

Во всех случаях при исходной концентрации NaOH 20 мМ рассеяние света, вызванное 1, было слабым. Это привело к относительно плоским автокорреляционным функциям, генерируемым из измеренных флуктуаций в рассеянном свете. Следовательно, зарегистрированный размер хозяина был как аномально малым, так и сильно изменчивым, охватывая диапазон от 1,0 до 1,7 нм ( фигура 2 ). Это сравнивается с молекулярными моделями, которые показывают, что хозяин 1 приближается к антикубу (квадратная антипризма) со сторонами ≈ 2,0 нм. Слабое рассеяние света 1 объясняется высокой плотностью заряда хозяина и низкой ионной силой раствора, что приводит к значительным кулоновским взаимодействиям между молекулами хозяина [24]. , Титрование образцов различными солями привело к гораздо более сильному рассеянию света и явному увеличению гидродинамического диаметра носителя до более реалистичного ≈ 2 нм. Однако во всех случаях природа катиона не имела ощутимого эффекта; каждый ион металла приводил к гидродинамическому диаметру для 1 2,1 ± 0,2 нм ( Таблица 1 ). Инвариантность этих результатов показывает силу карбоксилата в качестве водорастворимой группы. Хотя его p K a не может быть оптимальным для депротонирования при нейтральном или физиологическом pH, его небольшой размер и относительно высокая свободная энергия гидратации (-373 кДж / моль) гарантируют, что эффекты ионного спаривания не являются сильными. Это было дополнительно подтверждено с помощью 1Н ЯМР спектроскопии ( Вспомогательный информационный файл 1 , Рис. S3), который выявил только следовые количества агрегации хостов (≈5%). Кроме того, даже при концентрации соли 100 мМ 1Н ЯМР-спектроскопия не показала какой-либо значительной ассоциации Cs + с короной из четырех карбоксилатов. Таким образом, хотя эта корона является наиболее очевидным потенциальным сайтом связывания катионов, мы не видим здесь признаков специфического комплексообразования. В более общем смысле, несмотря на высокую плотность заряда 1 , ионы одновалентных щелочных металлов не могут связываться с ним в достаточной степени, чтобы вызвать значительную агрегацию и обратный эффект Хофмейстера. Однако это не относится к ионам двухвалентных металлов, которые, как хорошо известно, сильно взаимодействуют с карбоксилатами и вызывают агрегацию [25]. , Таким образом, визуальный контроль при добавлении ZnCl2 для определения концентрации соли в 100 мМ показал обильные осадки хозяина. Возвращаясь к вопросу о том, что большинство анионных групп в биомакромолекулах сильно сольватированы, интересно рассмотреть идею о том, что преобладание ионов щелочных металлов в окружающей среде оказывает эволюционное давление на биомакромолекулы для отбора карбоксилатов, фосфатов и сульфатов и, следовательно, минимизации ионного спаривания. , нейтрализация заряда и вредные осадки в живых системах.

Таблица 1: Сводка данных титрования из экспериментов DLS.

катион-анион хозяин 1 a, b макс. диаметр (нм) хозяин 2 а, б макс. диаметр (нм) n -мерный агрегатb # (для хозяина 2 ) Li + F– –c –c Cl– 2,1 ± 0,0 2,1 ± 0,1 Br– 2,1 ± 0,2 2,5 ± 0,0 1,7 ± 0,0 I– 2,0 ± 0,0 14,3 ± 0,5d 314 ± 32d Na + F– 1,8 ± 0,1 1,8 ± 0,3 Cl– 2,0 ± 0,2 2,1 ± 0,1 Br– 1,8 ± 0,0 2,6 ± 0,1 1,8 ± 0,1 I– 2,0 ± 0,1 18,6 ± 3,1d 764 ± 260d K + F– 2,1 ± 0,4 2,0 ​​± 0,1 Cl - 2,1 ± 0,1 2,0 ± 0,0 Br - 2,1 ± 0,1 2,4 ± 0,1 1,4 ± 0,1 I - 2,2 ± 0,3 11,6 ± 0,8 170 ± 37 Cs + F - 1,9 ± 0,0 2,0 ± 0,3 Cl - 2,0 ± 0,1 2,0 ± 0,0 Br - 1,9 ± 0,1 2,4 ± 0,0 1,5 ± 0,0 I– 1,9 ± 0,1 11,9 ± 0,2 180 ± 10

Определение максимального гидродинамического диаметра (макс. диам.) производилось независимо от концентрации соли, при которой произошел максимальный размер. В случае бимодального распределения мода, которая составляла> 10% от общего распределения и имела самый большой диаметр, использовалась для определения макс. диаметр Значения b представляют собой среднее из двух наборов данных. c По причинам растворимости титрование с использованием LiF не проводилось. dValues ​​- это среднее из трех или более наборов данных.

В целом, октакарбоксилат 1 является связующим из больших поляризуемых анионов в своем неполярном кармане [12] , но не является ощутимым связующим для катионов щелочных металлов. Опираясь на это, мы провели аналогичные исследования DLS с хозяином 2 (противоион Cl-) с использованием тех же вышеупомянутых солей ( Рисунок 3 ). В предыдущей работе наши DLS-исследования этого хозяина включали растворы, забуференные 40 мМ фосфатом (pH 7,3) [14]. , В этих условиях первоначально измеренные размеры в отсутствие добавленной соли были последовательно 1,9–2,1 нм; значения, которые соответствуют моделированию хоста. В резком контрасте с этой более ранней работой, но аналогично хозяину 1 , когда мы исследовали растворы 2 в отсутствие какого-либо добавленного буфера и соли, рассеяние света было слабым. Это привело к плоским автокорреляционным функциям и снова к аномально малому и сильно изменчивому гидродинамическому объему (0,5–1,4 нм). В этой проблеме отмечалось, что в точке титрования соли 80 мМ кривизна автокорреляционной функции значительно возрастала, и наблюдаемый гидродинамический диаметр приближался к ожидаемому ≈2,0 нм. Следовательно, хотя для всех исследований здесь исходной точкой для каждого титрования была 20 мМ соли, первая точка данных для каждого титрования была проигнорирована.

Фигура 3: Типичные графики объемно-взвешенного распределения, полученные DLS для солей, титрованных в 2,00 мМ 2 : a) LiCl, b) LiBr, c) LiI, d) NaF, e) NaCl, f) NaBr, g) NaI, h) KF, i) KCl, j) KBr, k) KI, l) CsF, m) CsCl, n) CsBr, o) CsI. Шкала показана в левом верхнем углу. Ось X представляет гидродинамический диаметр, ось Y - концентрацию соответствующей соли (мМ), а ось Z - относительную интенсивность.

Рисунок 3: Типичные графики объемно-взвешенного распределения, полученные с помощью DLS для солей, титрованных в 2 ....

Очевидная тенденция в данных для хоста 2 ( Рисунок 3 ) как природа галогенида влияет на агрегацию. При всех концентрациях солей F– гидродинамический диаметр хозяина был аномально малым, при этом максимальные диаметры, измеренные в присутствии NaF, KF и CsF, составляли 1,6, 1,9 и 1,8 нм. Сильно сольватированный ион F− [26] имеет очень слабое сродство к хозяину 2 [14] и поэтому мы интерпретируем эти малые гидродинамические диаметры как ограниченную привязку к хозяину 2 и, следовательно, невозможность экранировать взаимодействия между хостами. Напротив, в присутствии по меньшей мере 80 мМ солей Cl– гидродинамический диаметр хозяина 2 постоянно находился в ожидаемом диапазоне 2,0–2,1 нм. Таким образом, независимый от катиона металла Cl- является идеальным анионом для эффективного экранирования межмолекулярных заряд-зарядных взаимодействий между хозяином ( Таблица 1 ). Случай Br− был совсем другим. Для всех солей добавление Br- приводит к увеличению гидродинамического диаметра, причем NaBr дает наибольшее увеличение до 2,6 нм. Это соответствует образованию димерного агрегата. Агрегация была еще более экстремальной с I- солями. Все I- соли вызывали обширную агрегацию хозяина, и определение максимального размера, индуцированного четырьмя солями, варьировалось от 170 и 180-меров в присутствии KI и CsI до ≈724-меров для NaI. Очевидно, что различие в свободных энергиях сольватации Br- и I- (ΔG hyd = -321 и -283 кДж / моль соответственно) является ключом к тому, чтобы обеспечить большее ионное спаривание между группами триметиламмония 2 и I-, чтобы вызвать существенная агрегация.

Данные для солей I- иллюстрируют дополнительную сложность способности солей индуцировать осаждение ионов аммония, таких как 2 . Таким образом, хотя агрегация, вызванная KI и CsI, существенно не отличается, существует тенденция к катион-индуцированной агрегации катионного 2 : а именно Na +> Li +> K + ≈ Cs +. Этот катионный эффект должен быть косвенным. Если противоионы 2 (Cl-) рассматриваются как некоординирующие, это явление можно интерпретировать как возникающее из простой конкуренции между двумя «хозяевами» 2 и M + ( Схема 1 ). В такой системе I- может связываться только с хозяином 2 и вызывать нейтрализацию и агрегацию заряда, когда он находится в свободном состоянии, но если он сам сильно связан с противоионом соли, то он не сможет сильно связываться с 2

Схема 1: Визуализация конкурентного равновесия между связыванием йодида с хозяином 2 или связыванием с его катионом щелочного металла М +. Неконкурентный Cl - опущен для простоты.

Схема 1: Визуализация конкурентного равновесия между связыванием йодида с хозяином 2 или связью с ...

Существует хорошо установленная зависимость «графика вулканов» между стандартной теплотой растворения кристаллических щелочных галогенидов и разницей между абсолютной свободной энергией (или теплотой) гидратации соответствующего аниона и катиона [27,28] , В результате, по словам Фаджана, «в случае щелочных галогенидов растворимость в ряде солей с одинаковым катионом (анионом) и разными анионами (катионами) минимальна, когда катион и анион приблизительно равны и увеличивается с увеличением разницы ионных радиусов » [29] , Это было основано Коллинзом, который предположил, что разница в теплоте гидратации катиона и аниона является суррогатом степени спаривания анионов в растворе; что маленькие (большие) анионы преимущественно связываются с маленькими (большими) катионами, тогда как большие различия в размерах приводят к слабой ассоциации [30] , Таким образом, этот закон соответствия сродства к воде (LMWA) предполагает, что в водном растворе CsI является более сильной ионной парой, чем LiI. Таким образом, наблюдаемая тенденция к агрегации 2 (NaI> LiI> KI ≈ CsI) не полностью соответствует LMWA. LMWA коррелирует с нашими данными о том, что K + и Cs + должны сильно сочетаться с I– и, следовательно, вызывать слабую агрегацию. Тем не менее, он также предсказывает, что Li + и I− должны образовывать самую слабую ионную пару и, следовательно, LiI должен быть наибольшим агрегатором 2 . Как Таблица 1 показывает, что это не так; именно NaI оказывает наибольшее влияние на хозяина.

Прямым ответом на это может быть то, что энтропия является частью агрегации 2 , тогда как LMWA основывается исключительно на энтальпии. Кроме того, однако, абсолютные теплоты гидратации анионов и катионов, рассчитанные Моррисом, делают много предположений и частично полагаются на модели, которые предполагают идеальность для своих определений.

Эффекты катионов для солей бромида менее выражены, чем у солей йодида, однако между парами катионов Li + / Na + и K + / Cs + наблюдаются небольшие, но существенные различия. Первая пара, как и следовало ожидать, учитывая данные по йодидным солям, приводит к большей агрегации, чем наблюдается с солями калия и цезия. Эти результаты показывают, что в отличие от хозяина 1 , слабо сольватированные группы из 2 приводят к значительным эффектам ионного спаривания, которые в экстремальных случаях, таких как соли I, могут приводить к выраженному обратному эффекту Хофмейстера. Важно отметить, что наши исследования DLS показывают, что этот эффект также косвенно зависит от природы катиона соли.

Похожие