CC BY
17УДК 544.35:54-386(043.3)
С.Ф. Леденков
ТЕРМОХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛЬВАТАЦИИ Б,Ь-ЭПИНЕФРИНА В ВОДНО - ЭТАНОЛЬНЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: 7_up@isuct.ru
Калориметрическим методом измерены энтальпии растворения эпинефрина (Adr) в воде и смесях вода-этанол при значениях pH<4 и температуре 298,15K. Процесс растворения является экзотермическим. Рассчитаны стандартные энтальпии переноса стехиометрической смеси ионов (AdrH++ClO4) из воды в водно-этанольные смеси с содержанием спирта до 72,5 мол. %. Полученные величины были разделены на ионные составляющие с использованием внетермодинамических допущений. Сольватация катиона AdrH+ с ростом содержания этанола вначале усиливается, а затем заметно ослабляется. Проведено сравнение энтальпийных параметров сольватации катионов эпинефрина и дофамина в бинарных растворителях.
Ключевые слова: эпинефрин, адреналин, дофамин, растворение, сольватация, энтальпия, растворители, водный этанол
На механизм функционирования биологически активных веществ значительное влияние оказывает фактор гидратации, поскольку реакционная способность активных центров биомолекул определяется, кроме прочего, наличием у них гидратных оболочек, частично разрушаемых в ходе межмолекулярного взаимодействия.
Влияние сольватации на межчастичные взаимодействия в растворах велико [1], однако для реальных биохимических систем эффекты, связанные с сольватацией биомолекул, изучены мало, и анализируются они чаще всего на качественном, а не на количественном уровне. Рассматривая молекулярное узнавание в системе «лекарство - биомишень» авторы [2] оценивают суммарную энергию ион-ионного взаимодействия функциональных групп -N(CH3)3+ и -COO- величиной -60 ккал/моль, при этом затраты энергии, необходимой для вытеснения молекул воды из области контакта, составляют примерно 35 ккал/моль. Таким образом, энергия образования новой химической связи и энергия десольватации имеют один и тот же порядок, что объясняет особую роль растворителя в протекании химических реакций.
Выяснение связи между реакционной способностью и сольватным окружением биоактивных молекул необходимо для лучшего понимания закономерностей высокоизбирательного взаимодействия биологически активных веществ, в том числе лекарственных, со специфическими рецепторами.
В настоящей работе рассмотрена термодинамика сольватации нейромедиатора Б,Ь-эпи-нефрина в воде и водно-этанольных растворителях. По химическому строению эпинефрин [адре-
налин или 1-(3,4-дигидроксифенил)-2-метиламино-этанол] относится к классу катехоламинов. Биохимические функции эпинефрина связаны с его влиянием на а- и Р-адренорецепторы. Синтетический эпинефрин в виде гидрохлорида или гидро-тартрата нашел применение как жизненно важное фармакологическое средство.
При взаимодействии молекулы нейромедиатора и рецептора (субстрата) происходит их частичная десольватация (дегидратация), что является одной из важных стадий молекулярного узнавания в процессе передачи нервного импульса. В связи с этим представляет интерес выяснить, в какой степени сольватное окружение молекулы может влиять на ее реакционную способность. С этой целью мы исследовали энтальпийные характеристики сольватации эпинефрина в бинарных растворителях переменного состава. Энтальпии растворения и пересольватации определены калориметрическим методом.
Эпинефрин (А^) мало растворим в воде и спиртах, однако его растворимость существенно увеличивается (>50 мг/мл) в кислой среде благодаря образованию протонированного катиона АагН+:
Ааг + н+ ^ Аагн+. (1)
Константа равновесия реакции (1) равна 1^=8,21 -г 8,6, поэтому даже в умеренно кислых средах (рН<4) практически весь эпинефрин находится в форме протонированной частицы А^Н+ [3,4]. При более высоких значениях рН происходит накопление молекулярной формы А^, а также анионов А^", А^2", А^3", однако последние склонны к окислению.
Из термохимических данных нами были рассчитаны стандартные энтальпии переноса сте-хиометрической смеси ионов (AdrH+ + CIO4-) из воды в растворители, содержащие от 0,029 до 0,75 мол. долей этанола (EtOH) и найдены энтальпии переноса катиона AdrH+. Полученные данные сопоставлены с изотермами переноса гидрохлорида дофамина DopHCl, который имеет сходное химическое строение и является прекурсором эпинеф-рина [5].
В реальных системах процессы сольватации, кислотно-основного взаимодействия и ком-плексообразования нередко являются сопряженными, что вызывает необходимость их совместного изучения. Например, в работах [6,7] были рассмотрены реакционная способность, кислотная диссоциация, комплексообразование дофамина в водно-этанольных средах и влияние сольватации на эти процессы. Результаты исследований показали, что на комплексообразующие свойства био-лигандов значительное влияние оказывают изменения в сольватации электронодонорных групп. Влияние фактора сольватации на реакционную способность органических молекул проявляется сложным образом, закономерности этого влияния предстоит изучить.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для измерения энтальпий растворения D,L-эпинефрина в бинарных растворителях был использован ампульный калориметр изоперибо-лического типа с объемом ячейки 50 мл. Его конструкция аналогична описанной в [8]. Работы калориметра поверялась по тепловым эффектам растворения кристаллического KCl в воде при 298,25 K. Среднеквадратичное отклонение найденной энтальпии Asol#°(KCl, ¥H2O) от величины, рекомендуемой стандартом SRM1655 NBS USA [9], не превышало 0.6%.
Был использован D^-эпинефрин производства MP Biomedicals Inc. (France). В калориметрическом опыте навеску эпинефрина растворяли в водном или водно-этанольном растворителе. Растворитель содержал хлорную кислоту, взятую в эквимолярном по отношению к Adr количестве. В кислой среде (pH<4) эпинефрин хорошо растворяется и полностью переходит в катионную форму AdrH+. Стандартную энтальпию растворения Asol#°(Adr) рассчитывали как среднее из трех или четырех измерений в концентрационном интервале 6^15 ммоль/л.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Процесс растворения эпинефрина является экзотермическим как в воде, так и в бинарных
растворителях, содержащих до 72.5 мол. % этанола. Изменение концентрации НСЮ4 в растворе в широких пределах не влияло на теплоту растворения. Это подтверждает, что равновесие (1) практически полностью сдвинуто вправо.
Интегральные и стандартные энтальпии растворения эпинефрина в воде и ее смесях с этанолом представлены в таблице. Концентрационная зависимость экспериментальных величин А8оНш не прослеживается. С ростом содержания этанола до ХЕЮН»0,2 мол. доли тепловой эффект растворения быстро уменьшается. Наименьший тепловой эффект растворения (Ако1Я°=-2.88 кДж/моль) отмечен при ХЕЮН =0.725 мол. доли.
Температурный коэффициент энтальпии растворения сравнительно велик. Так для температуры 298 К и водного раствора найдено А8о1Н=-7.13±0.15 кДж/моль, однако при 313 К эта величина равна -3.14 кДж/моль, и таким образом, изменение теплоемкости процесса составляет А8Ср=+266 Дж(моль-К)-1. Положительное значение величины АкСр вызвано, вероятно, ослаблением гидратации продуктов растворения при повышенных температурах [10]. Можно заключить, что температурный фактор оказывает значительное влияние на сольватацию эпинефрина и, следовательно, на его реакционную способность.
Используя данные, приведенные в таблице, можно рассчитать энтальпии переноса стехио-метрической смеси ионов (А^Н++С104") из водного раствора в бинарные смеси вода-этанол с помощью простого уравнения, выведенного из термодинамического цикла:
Ай-Н = АоНЕЮН - АКоН%, (2)
где А8о1НЕЮН и А8о1Над - стандартные энтальпии растворения в бинарном и водном растворителе. Найденные величины А^Н для смеси ионов были разделены на ионные составляющие и рассчитаны энтальпии переноса катиона А^Н+, которые представлены на рисунке. Необходимые для расчетов энтальпии переноса противоиона С104- были взяты из работ [11, 12], в которых использован метод деления энтальпий на ионные составляющие, основанный на известном постулате ТРТВ.
Несмотря на сходство в химическом строении катионов дофамина БорН и эпинефрина А^Н+, наблюдаются заметные различия в эн-тальпийных характеристиках пересольватации этих двух частиц. С ростом содержания этанола в растворителе сольватация А^Н+ сначала немного усиливается, а затем заметно ослабляется, на что указывают положительные значения А^Н. В то время как сольватация БорН+ сначала заметно ослабляется, а при высоком содержании этанола усиливается. Причина различий в характеристи-
ние, так как основные свойства вторичной группы слабо выражены и это не способствует образованию прочных сольватов с молекулами ЕЮН посредством водородных связей.
ках сольватации, возможно, заключается в наличии у эпинефрина трех, а не двух гидроксогрупп как у дофамина. Кроме того, эпинефрин имеет вторичную аминогруппу, а дофамин первичную. Последний фактор может иметь решающее значе-
Таблица
Интегральные AsolHm и стандартные AsoiH° энтальпии растворения эпинефрина в смесях воды с этанолом
при 298,15 К в присутствии эквимолярных количеств HClO4 Table. Integral AsolHm and standard AsolH° enthalpies of dissolution of D,L-epinephrine in mixtures of water with ethanol at the presence of equimolar amounts of HClO4 at 298,15 К
m, г q, Дж - Л^Н1" кДж/моль - AsoH кДж/моль m, г q, Дж - Л^Н кДж/моль - AsoH кДж/моль
ХБЮН=0.000 мол. д. ХБЮН =0.235 мол. д.
0.1252 0.280 7.12 0.0956 2.04 3.90
0.0935 0.290 7.11 0.0986 2.11 3.92 3.90+0.04
0.0659 0.310 7.13 0.1129 2.38 3.87
0.0801 0.328 7.42 7.13+0.15 ХБЮН =0.286 мол. д.
0.1194 0.462 7.24 0.1052 2.32 4.11
0.1178 0.596 6.86 0.1095 2.48 4.16 4.18+0.12
0.0868 0.831 7.01 0.1069 2.49 4.26
ХБЮН = 0.029 мол. д. ХБЮН =0.351 мол. д.
0.1055 3.49 6.07 0.0867 2.13 4.50
0.1166 3.89 6.12 6.10+0.03 0.0939 2.26 4.40 4.45+0.04
0.1123 3.74 6.10 0.1106 2.69 4.45
ХБЮН = 0.046 мол. д. ХБЮН =0.439 мол. д.
0.1165 3.52 5.53 0.1011 2.38 4.32
0.1232 3.68 5.48 5.50+0.02 0.1106 2.64 4.37 4.36+0.05
0.1251 3.76 5.50 0.1201 2.88 4.39
ХБЮН=0.067 мол. д. ХБЮН =0.501 мол. д.
0.0904 2.53 5.12 0.1105 2.33 3.86
0.0912 2.57 5.17 5.15+0.04 0.1114 2.38 3.92 3.91+0.06
0.1023 2.88 5.16 0.1201 2.59 3.95
ХБЮН = 0.105 мол. д. ХБЮН =0.556 мол. д.
0.1170 2.81 -4.40 0.0971 1.93 3.64
0.1151 2.86 -4.55 4.51+0.08 0.0992 1.94 3.59 3.62+0.02
0.1380 3.45 -4.58 0.1105 2.19 3.63
ХБЮН = 0.160 мол. д. ХБЮН =0.602 мол. д.
0.0831 1.78 3.93 0.0951 1.76 3.40
0.0912 1.82 3.65 3.81+0.07 0.0942 1.77 3.44 3.42+0.03
0.1106 2.33 3.86 0.1126 2.10 3.42
ХБЮН = 0.187 мол. д. ХБЮН =0.725 мол. д.
0.0936 1.84 3.60 0.1098 1.74 2.91
0.1012 2.04 3.71 3.64+0.12 0.1105 1.74 2.88 2.88+0.04
0.0539 3.85 3.62 0.1220 1.89 2.85
Примечание: величина q - теплота растворения навески m Note: q value is the dissolution heat of sample with mass m
Формально строгая теория МакМиллана-Майера устанавливает связь между структурными и термодинамическими свойствами разбавленных растворов и позволяет получить важную информацию об особенностях парных и тройных взаимодействий между разными частицами в растворе [13,14]. Нами были рассчитаны энтальпийные параметры парных взаимодействий между катионами и молекулами спирта в водных растворах. Для этого стандартные энтальпии переноса ионов для области концентраций XEtOH<0.16 мол. долей были выражены с помощью уравнений:
Л^В^+АЬЙО+^ХА+^ХА2 (3)
^=^/2 (4)
¿аав=(Ь2А)МЗ2/3, (5)
где кАВ и кААВ - энтальпийные параметры парных и тройных взаимодействий иона А^Н+ (компонент В) с этанолом (компонент А) в водном растворителе (компонент 8), М8 - молярная масса растворителя (моль/кг).
Коэффициенты ИАВ парных взаимодействий для частиц А^Н+ и БорН+ были найдены равными -698 и +828 соответственно. Положительный коэффициент кАВ указывает на межчастичное
отталкивание, а отрицательный на «притяжение», то есть в области малых концентраций этанола А^Н+ взаимодействует с молекулой спирта гораздо сильнее, чем БорН+. Тройные взаимодействия нами не рассматривались, ввиду большой погрешности величин кААВ.
Полученные экспериментальные и расчетные данные позволяют заключить, что сольватация катиона эпинефрина при небольших добавках этанола сначала усиливается, а затем заметно ослабляется. В противоположность этому, сольватация БорН+ в области концентраций ЕЮН до 0,2 мол. долей более слабая чем в воде, но в дальнейшем она быстро усиливается, вероятно, за счет образования сравнительно прочных сольватоком-плексов с молекулами ЕЮН (рисунок). Эндотермические экстремумы на изотермах переноса в области небольших концентраций неводного со-растворителя встречаются достаточно часто. Существование экстремумов можно объяснить упрочнением структуры воды при небольших добавках сорастворителя. Это вызывает рост энергетических затрат на пересольватацию из-за роста энергии образования полости в растворителе, необходимой для создания новой сольватной сферы. В целом, характеристики пересольватации частиц А^Н+ и БорН+ имеют значительные различия. Сравнительно небольшие различия в химическом строении двух органических соединений оказывают значительное влияние на их сольватное состояние в растворе, что по всей вероятности должно отражаться на их реакционной способности в растворах сложного состава.
Д H , kJ/mole
tr 7
20 -| 151050
-5-1
-10
0,0
XEtOH' m°L fr-
Рис. Стандартные энтальпии переноса из воды в водно-этанольные смеси ионов: 1 - DopH+ 2 - ClO4-, 3 - AdrH при 298.15 K
Fig. Standard enthalpies of ions transfer from water to aqueous-ethanol solvents: 1 - DopH+ 2 - ClO4-, 3 - AdrH at 298.15 K
Кафедра общей химической технологии
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Леденков С.Ф., Шарнин В.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 2. С. 12-18; Ledenkov S.F., Sharnin V.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2005. V. 48. N 2. P. 12-18 (in Russian).
2. Духович Ф.С., Дарховский М.Б., Горбатова Е.Н., Ку-рочкин В.К. Молекулярное узнавание: фармакологические аспекты. М.: Медицина. 2004. 224 с.; Dukhovich F.S., Darkhovsky M.B., Gorbatova E.N., Ku-rochkin V.K. Molecular recognition: pharmacological aspects. M.: Meditsina. 2004. 224 p. (in Russian).
3. Карпов С.И., Матвеева М.В., Селеменев В.Ф., Будаева О.Н., Турищева Ю.А., Рудакова Л.В. // Хим. - фарм. журнал. 2005. Т. 12. С. 47-50;
Karpov S.I., Matveeva M.V., Selemenev V.F., Budaeva O.N., Turishcheva Yu.A., Rudakova L.V. // Khim.-farm. Zhurnal. 2005. V. 12. P. 47-50 (in Russian).
4. Corona-Avendano S., Alarcon-Angeles G., Rojas-Her-nandez A., Romero-Romob M.A., Ramirez-Silva M.T. // Spectrochimica Acta. Part A. 2005. V. 61. P. 305-311.
5. Вандышев В.Н., Леденков С.Ф., Молчанов А. С. // Журн. физич. химии. 2012. Т. 86. № 10. С. 1645-1649; Vandyshev V.N., Ledenkov S.F., Molchanov A.S. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2012. V. 86. N 10. P. 1537-1541.
6. Молчанов А. С. Влияние сольватации на диссоциацию и комплексообразование L-тирозина и дофамина с ионами Ni(II) и Cu(II) в водно-этанольных средах. Дис. ... к.х.н. Иваново: ИГХТУ. 2011. 143 с.;
Molchanov A.S. Effect of solvation on the dissociation and complexation of L-tyrosine and dopamine with ions Ni (II) and Cu (II) in water-ethanol medium. Candidate dissertation on chemical sciences. Ivanovo: ISUCT. 2011. 143 p. (in Russian).
7. Молчанов А.С., Леденков С.Ф., Шарнин В.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 12. С. 32-36;
Molchanov A.S., Ledenkov S.F., Sharnin V.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 12. P. 32-36 (in Russian).
8. Королев В.П., Батов Д.В., Вандышев В.Н, Крестов Г.А. // Журн. физич. химии. 1983. Т. 57. № 1. С. 253-254; Korolev V.P., Batov D.V., Vandyshev V.N., Krestov G.A. // Zhurn. Fizich. Khimii. 1983. V. 57. N 1. Р. 253-254 (in Russian).
9. Kilday M.V. // J. Research NBS. 1980. V. 85. N 6. P. 467-471.
10. Васильев В.П Термодинамические свойства растворов электролитов. М.: Высш. шк. 1982. 320 с.;
Vasil'ev V.P. Thermodynamic properties of electrolyte solutions. M.: Vyssh. shkola. 1982. 320 p. (in Russian).
11. Невский А.В., Шорманов В.А., Крестов Г.А., Пирого-ва Е.С. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1984. Т. 27. Вып. 6. С. 730-733;
Nevskiy, A.V., Shormanov V.A., Krestov G.A., Pirogova
E.S. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 1984. V. 27. N 6. P. 730-733 (in Russian).
12. Hefter G., Marcus Y., Waghorn W.E. // Chem. Rev. 2002. V. 102. N 8. P. 2773-2836.
13. McMillan W.G., Mayer J.E. // J. Chem. Phys. 1945. V. 13. N 7. P. 276-305.
14. Heuvelsand W.J.M., De Visser C., Somsen G. // J. Chem. Soc. Faraday Trans. I. 1981. V. 77. P. 1191-1199.
