Термодинамика процессов комплексообразования ионов кальция с аминокислотами в водном растворе

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 Са²⁺ – 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 Са2+ : 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 3,8÷2,3 для определения теплот протонирования HLeu^±, рН 8,8÷10,1 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 Са²⁺ – 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 Са²⁺ при I = 0.5 (KNO₃). Термодинамические характеристики (ΔG, ΔH, ΔS) 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
1	2	3	4	5
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