Процессы ассоциации и водородные связи в растворах органических кислот

Известно [9], что при физиологическом раздражении клеток передача сигнала является процессом, связанным с электрическими свойствами биологических объектов. При этом цитоплазма в состоянии покоя клеток всегда имеет отрицательный потенциал по отношению к межклеточной жидкости, а избыток положительных зарядов ионов калия внутри клеток компенсируется в основном органическими анионами, которые являются продуктами диссоциации органических кислот.

Проведенные многочисленные эксперименты и полученные данные объяснялись фазовой теорией биопотенциалов [4, 7]. В последнее время на смену фазовой пришла полиэлектролитная теория [3, 8], которая объясняет возникновение потенциала покоя и потенциала действия свойствами молекул, органических и неорганических ионов, а также их взаимодействием в полиэлектролитной среде.

Кроме того, предполагается участие в этих процессах многих других молекул и их групп (-COOH, -NH2, -NH, OH). Между этими группами возможны химические связи, в основном типа водородной, дающие возможность возникновения структур, способствующих денатурации белков.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать кинетику взаимодействия молекул и анионов органических кислот с компонентами, имеющими обширную сетку водородных связей и высокую диэлектрическую проницаемость, а также ее возможный энергетический вклад в величину равновесного потенциала покоя клетки.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве первого компонента нами был выбран формамид (HCONH2), растворы которого с неор- ганическими ионами исследованы [5], а его водные растворы во всем диапазоне концентраций не образуют ассоциатов [6], создавая лабильную сетку водородных связей. Кроме того, статическая диэлектрическая постоянная для формамида £S = 109,5.

Вторым компонентом выбрана уксусная кислота (СH3COOH), водные растворы которой содержат ассоциаты [11], а по отношению к воде она является слабым электролитом.

Волноводным методом определены действительная £'(0) и мнимая £"(a) части комплексной диэлектрической проницаемости (ДП) на частотах 3; 3,76; 9,4 и 14 ГГц, в температурном интервале 7—50 °С. Установки калиброваны по чистым жидкостям, параметры которых взяты из [1]. Ошибки измерений составили 2—2,5 % для £'(О) и 3—3,5 % для £"(ю). Следует отметить, что в данной работе представляла интерес только та часть общих диэлектри- ческих потерь, которая обусловлена поляризационными процессами. Ее расчет проводился по формуле:

£" = £"(a) - 2o/v (1), где ε (ω)— общая величина диэлектрических потерь, измеренная в диапазоне СВЧ, ε π — диэлектрические потери, обусловленные поляризационными процессами, 2dv — потери ионной проводимости, о—удельная электропроводность, измеренная на низких частотах (v = 1000 Гц).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментальные данные приведены в табл. 1. Cтатическая диэлектрическая проницаемость ( £_S ) исследованных растворов в указанном интервале температур определена методом круговых диаграмм. На рис. 1 представлена одна из них.

ТАБЛИЦА 1

Время диэлектрической релаксации τ ₀ , статическая диэлектрическая проницаемость ε _s и параметр распределения α -растворов формамид — уксусная кислота

	t °С	Мольные доли уксусной кислоты
		0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
т 0 х 1012с	7	59	64	68	71	74	73	71	67	62	56	-
	15	51	55	58	61	62	60	58	55	53	50	-
	25	39	42,5	46	49	51	50,5	49	47,5	46,5	45	44
	35	31	34	37	40	42	41,5	41	40,5	40	40	39,5
	50	28	29,5	31,5	33,5	34,5	34,5	34	34	34	34	33,5
ε s	7	116,6	100	85	72	59	48	40	31	23	16	-
	15	113,5	97	82	69	56	45,5	57,5	29	21	14,5	-
	25	109,5	93	78,5	65	52	43	34	26	20	12	6,2
	35	105,5	88	74,5	63	51	41,5	33	25,5	19,5	12	6,3
	50	95	81	69	58	48	40	32	25	19	12	6,4
α	7	-	0,057	0,122	0,229	0,330	0,345	0,338	0,306	0,165	0,076	-
	15	-	0,047	0,099	0,187	0,268	0,338	0,262	0,259	0,105	0,070	-
	25	-	0,04	0,085	0,16	0,23	0,26	0,22	0,168	0,090	0,065	-
	35	-	0,035	0,061	0,102	0,118	0,137	0,111	0,105	0,065	0,05	-
	50	-	0,017	0,037	0,077	0,098	0,124	0,082	0,079	0,040	0,031	-

Рис. 1. Круговая диаграмма растворов формамид — уксусная кислота при 25 °С для мольных долей уксусной кислоты:

1 — 0; 2 — 0,1; 3 — 0,2; 4 — 0,3;

5 — 0,4; 6 — 0,5; 7 — 0,6. х — v = 14 ГГц;

А — v = 9,4 ГГц; • — v = 3,76 ГГц;

□ — v = 3 ГГц

Вид круговых диаграмм свидетельствует о том, что основная область дисперсии исследованной системы с достаточным приближением описывается уравнением Коула-Коула [10]. Полученные значения £_s , наиболее вероятного времени дипольной релаксации т ₀ , параметра распределения времен релаксации приведены в табл. 1.

При увеличении концентрации уксусной кислоты в формамиде наиболее вероятные времена релаксации т ₀ проходят через максимум в области концентрации х₂ » 0,4 ( х₂ — мольная доля уксусной кислоты), что, по всей видимости, связано с образованием дополнительного числа водородных связей или с их упрочнением. Кроме того, наблюдаются отрицательные отклонения £_s от аддитивности. Эти отклонения превышают возможную ошибку, которая неизбежна при графическом определении статической ДП.

Отклонения концентрационной зависимости статической ДП от аддитивности указывают на достаточ- но сильное межмолекулярное взаимодействие в растворах и дают основание предполагать существование ассоциатов. На рис. 2 представлена зависимость Аего = sa-sj от состава смесей формамид—уксусная кислота при 25 °С, где е^ = es1 го + es2 (1 - го), es1 и es2 — статическая ДП формамида и уксусной кислоты соответственно, го — объемные доли уксусной кислоты.

Рис. 2. Концентрационная зависимость отклонения статической диэлектрической проницаемости от аддитивности для смесей формамид — уксусная кислота при 25 °С

Отрицательные значения Ае_го и резкое уменьшение статической ДП с увеличением концентрации уксусной кислоты, по всей видимости, указывают на уменьшение количества ассоциатов в формамиде,

ТАБЛИЦА 2

разрыв в них водородных связей и установление новых. Приведенная зависимость Ае_го подтверждает наличие смешанных ассоциатов типа (НСОNН₂)⋅ l , (CH₃COOH)⋅ r , HCONH₂ n ⋅(СН₃СООН), CH₃COOH m ⋅(HCONH₂) с различными значениями l , r , n , m , образованных водородными связями, максимальное число которых приходится на концентрацию р « 0,5 ( х₂ ≈ 0,4).

Что касается параметра распределения времен релаксации α, то увеличение его с уменьшением температуры указывает на большую размытость функции распределения времен релаксации при относительно низких температурах. В свою очередь, ширина спектра распределения времен свидетельствует о том, что эти процессы не сводятся только к переориентации отдельных молекул, но затрагивают также и соседние молекулы, то есть имеют место кооперативные эффекты с образованием и разрушением водородных связей.

Между процессами диэлектрической релаксации и вязкого течения существует определенная связь, которую можно выразить посредством уравнения теории абсолютных скоростей реакций [2]. Поэтому для сравнительного анализа энергетических характеристик дипольной релаксации и вязкого течения были измерены вязкость и плотность вышеуказанных растворов, а также рассчитаны молярные объемы смесей (табл. 2—4).

Вязкость в сПз (0,1 Па^с) растворов уксусной кислоты в формамиде

t °С х 2	7	15		25		35		50
	эксп.	эксп.	расч.	эксп.	расч.	эксп.	расч.	эксп.	Расч.
0	5,750	4,375		3,300		2,685		2,040
0,1	6,483	4,936	4,864	3,584	3,709	2,901	3,037	2,106	2,323
0,2	6,978	5,161	5,144	3,809	3,966	3,031	3,268	2,221	2,517
0,3	7,385	5,430	5,172	3,925	4,034	3,142	3,344	2,269	2,594
0,4	7,664	5,555	4,951	3,985	3,902	3,241	3,256	2,274	2,543
0,5	7,380	5,402	4,506	3,843	3,591	3,058	3,015	2,201	2,372
0,6	6,842	4,973	3,902	3,523	3,144	2,813	2,656	2,045	2,104
0,7	5,592	4,248	3,213	2,978	2,618	2,416	2,226	1,791	1,775
0,8	4,085	3,212	2,517	2,375	2,073	1,936	1,774	1,476	1,425
0,9	2,649	2,310	1,876	1,579	1,562	1,436	1,345	1,147	1,088
1,0		1,330		1,120		0,970		0,790

ТАБЛИЦА 3

Плотность растворов уксусной кислоты в формамиде, г/см3

х 2 t °С	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
7	1,1450	1,1412	1,1344	1,1306	1,1237	1,1164	1,1102	1,0995	1,0888	1,0770	-
15	1,1400	1,1373	1,1295	1,1228	1,1171	1,1074	1,1007	1,0921	1,0814	1,0708	1,0542
25	1,1320	1,1263	1,1225	1,1128	1,1071	1,1005	1,0918	1,0811	1,0704	1,0588	1,0443
35	1,1250	1,1193	1,1147	1,1100	1,1023	1,0966	1,0871	1,0754	1,0658	1,0492	1,0337
50	1,1100	1,1046	1,0962	1,0909	1,0885	1,0772	1,0708	1,0604	1,0491	1,0368	1,0175

ТАБЛИЦА 4

Молярный объем смесей при 25°

х 2	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
106 м3/моль	39,753	41,259	42,813	44,393	45,986	47,595	49,110	50,068	53,068	54,976	57,190

Ошибки в измеренных значениях вязкости составляли ± 0,003 сПз, плотности ± 5-10 -4 г/см³.

Рассчитанные энергетические характеристики дипольной релаксации ( А Н * , a f * , т -a s ; ) и вязкого течения ( ан ; , А Ғ П , Т -А П представлены на рис. 3—5.

Рис. 3. Зависимости энтальпии и свободной энергии активации вязкого течения и дипольной релаксации от состава смесей: 1 — А Н ; , 2 — А Ғ П , 3 — A F*

Рис. 4. Зависимость энтальпии, энтропии и свободной энергии активации вязкого течения от состава смесей: — АН* , х — AF* , ж — A S*

Рис. 5. Зависимость энтропии активации вязкого течения и дипольной релаксации от состава смесей:

1 — Т -as; , 2 — Т -a s

Как видно из рис. 3, А Н * значения лежат в пределах 12—16 кДж/моль, что подтверждает представление о данных смесях как о растворах с водородными связями. Характер изменения энтальпии активации вязкого течения а н* (рис. 4), ее величина в максимуме (^ 21 кДж/моль), а также характер изменения a f* и Т -as; указывают на образование водородных связей между компонентами. Соответственно достижение активированного состояния требует затраты энергии на образование дырки и на разрыв некоторого числа водородных связей, благодаря чему a s * > 0 при х² < 0,9 ( х² — мольная доля СН₃СООН). Однако при х² > 0,9, A S * < 0. По-видимому, это можно рассматривать как указание на сравнительно слабую степень упорядоченности начального состояния.

Так как скорость реакции всегда определяется величиной свободной энергии активации, примерное равенство и симбатное изменение a F * и af* , представленные на рис. 3, в пределах ошибки эксперимента можно рассматривать как свидетельство того, что процессы дипольной ориентации и вязкого течения для данных смесей, с энергетической точки зрения, имеют одинаковые или подобные активированные состояния. В связи с этим весьма характерны изменения энтропийных характеристик дипольной релаксации т - a S * и вязкого течения Т -as; , представленные на рис. 5.

При х² < 0,9 т -a S * > 0 и Т -as; > 0, а смена знака в обоих случаях происходит при х² ~ 0,9, что, по-видимому, определяется практическим отсутствием в растворах c х² > 0,9 ассоциатов смешанного состава. В области х² < 0,9 при активации эти ассоциаты имеют менее упорядоченную структуру по сравнению с исходной. По всей видимости, активированное состояние при диэлектрической релаксации достигается в них за счет разрыва и образования водородных связей с одновременным вращением вокруг оставшейся. Так как при х² < 0,9 A S * >  A S ; , то, вероятно, активированное состояние при вязком течении достигается в том случае, когда обеспечен критический свободный объем за счет перераспределения водородных связей и смещения молекул в ближайшем окружении.

Дополнительные сведения о характере межмолекулярных взаимодействий в исследованной системе получены из зависимости V i - V ⁰ от состава смесей, которая приведена на рис. 6, где V _i — парциальный молярный объем, V_i ⁰ — молярный объем чистого компонента.

Относительн ы е парциальные молярные объемы компонентов V i - V ⁰ являются плавными функциями концентрации и не меняют знака во всей области составов (рис. 6). Максимум вязкости, хотя он и наблюдается при всех изученных температурах, не сингулярен (табл. 2), как не сингулярны и функции активации вязкого течения.

Рис. 6. Зависимость от состава смесей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что в исследуемых растворах образуются смешанные ассоциаты типа (HCONH₂)⋅ l , (HC₃COOH)⋅ r , HCONH₂ n ⋅(CH₃COOH), CH₃COOH m ⋅(HCONH₂) c различными значениями l , r , n , m , образованными водородными связями.

Максимальная энергия и число H-связей приходится на концентрацию уксусной кислоты x² ≈ 0,4 ( x² — мольная доля).

Принимая во внимание, что константа диссоциации уксусной кислоты Kд = 1,754⋅10-5, ее анио- нов явно недостаточно для компенсации избытка положительных зарядов ионов калия в клетке.

По всей видимости, высокая диэлектрическая проницаемость (для формамида, для воды), наличие прочных водородных связей и образование смешанных ассоциатов будут являться факторами, которые ослабляют сольватную оболочку для неорганических ионов, определяющих величину равновесного потенциала покоя.