Журнал физической химии, 2020, T. 94, № 9, стр. 1361-1366

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В работе использовали глицил-глицил-глицин фирмы “Sigma” и L-гистидин марки “х.ч.” без дополнительной очистки. Растворы аминокислоты и пептида готовили по точной навеске из кристаллических препаратов, высушенных до постоянной массы при 343 K. Для приготовления растворов Co(NO₃)₂ использовали реактив марки “х.ч.”, концентрацию устанавливали комплексонометрически. Заданное значение ионной силы поддерживали с помощью нитрата калия марки “х. ч.”.

Состав и устойчивость смешаннолигандного комплекса CoL₂Y^– определяли из потенциометрических измерений. Суммарная концентрация лигандов изменялась от 3.2 × 10^–2 до 4.8 × 10^–2 моль/л. Исследования проводили при соотношениях Co : L : Y = 1 : 3 : 1; 1 : 4 : 1; 1 : 5 : 1 (I = 0.2). Данные соотношения соответствовали максимальному выходу изучаемого комплекса.

Потенциометрическое титрование проходило по стандартной методике. Измерения ЭДС цепи:

проводили с помощью прибора “Мультитест” ИПЛ-311. Абсолютная погрешность измерения потенциала составляла не более 0.5 мВ. Равновесие считалось установившимся, если измеряемое значение ЭДС не изменялось в пределах 0.1 мВ в течение 5 мин. Температуру (298.15 K) потенциометрической ячейки, титранта и электрода поддерживали с точностью ±0.1 K с помощью воздушного и водяного термостатов. Раствор, содержащий нитрат кобальта(II), триглицин и L-гистидин, помещали в ячейку и титровали 0.1 М раствором KOH в токе инертного газа.

Градуировку стеклянного электрода проводили по стандартным растворам соляной кислоты при I = 0.2 (KNO₃). Полученная при обработке этих данных по методу наименьших квадратов величина tg α cоставляла 0.05950 В/ед рН. Для каждого соотношения Co : L : Y проводили по три–четыре параллельных опыта.

Экспериментальные данные обрабатывали по универсальной программе “PHMETR”, предназначенной для расчета констант равновесия с произвольным числом реакций по измеренной равновесной концентрации одной из частиц [6]. Критерием адекватности выбранной модели служили различия между рассчитанными и экспериментальными величинами pH. Они были знакопеременными и не превышали погрешности эксперимента.

Измерения тепловых эффектов проводили в ампульном калориметре смешения с изотермической оболочкой, термисторным датчиком температуры и автоматической записью кривой температура–время, надежность работы которого проверяли по теплоте растворения KCl в воде при 298.15 K [7]. Необходимое значение рН растворов триглицина L-гистидина создавали добавлением рассчитанного количества гидроксида калия марки “х.ч.”. Опыты проводили при 298.15 K и значениях ионной силы 0.2, 0.5, 1.0. Навески растворов взвешивали на весах марки ВЛР-200 с точностью 1 × 10^–5 г. Величины рН контролировали с помощью прибора “Мультитест” ИПЛ-311. Для подбора условий проведения калориметрических опытов использовали программу RRSU [8]. Для расчета доверительного интервала среднего значения ΔН из трех параллельных опытов критерий Стьюдента был взят при доверительной вероятности 0.95.

Как видно из диаграммы равновесий в системе Co²⁺–триглицин–L-гистидин (рис. 1), наибольший выход смешаннолигандного комплекса наблюдается при рН 7.8.

Для определения энтальпии образования частицы CoL₂Y^– измеряли тепловые эффекты смешения растворов Co(NO₃)₂, триглицина и L-гистидина при соотношении $c_{{{\text{Co}}}}^{0}$ : $c_{{\text{L}}}^{0}$ : $c_{{\text{Y}}}^{0}$ = 1 : 4 : 1. Навеска нитрата кобальта(II) концентрации 0.8978 моль/кг раствора в ампуле составляла ∼0.45 г. После разрушения ампулы в калориметрической ячейке объемом 39.86 мл, содержащей растворы триглицина концентрации 0.04 моль/л и L-гистидина 0.01 моль/л, концентрация Co(NO₃)₂ составляла ∼0.01 моль/л. В ходе калориметрического опыта значение рН изменялось в интервале 8.5–7.8. Были измерены также теплоты разведения раствора Co(NO₃)₂ в растворах фонового электролита. Экспериментальные данные приведены в табл. 1.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

При моделировании системы Co²⁺–триглицин–L-гистидин учитывали следующие равновесия:

В расчетах использовали константы диссоциации триглицина (pK₁ = 3.25, pK₂ = 7.90) и L-гистидина (pK₂ = 6.10, pK₃ = 9.16), а также константы устойчивости однородных комплексов кобальта(II) с триглицином и L-гистидином [9–12]. Учитывали возможность гидролиза ионов Co²⁺. Термодинамические параметры диссоциации воды на фоне KNO₃ взяты из [13].

Расчеты показали, что в системе Co²⁺–триглицин–L-гистидин происходит образование смешанного комплекса состава CoL₂Y^–, смешанные комплексы другого состава не образуются. Следует отметить, что при моделировании изучаемой системы с помощью универсальной программы “PHMETR” не зафиксировано образования молекулярных комплексных соединений между триглицином и L-гистидином. Полученные при разных соотношениях триглицина и L-гистидина значения lg β удовлетворительно согласуются между собой. В качестве наиболее вероятной принята величина lg β(CoL₂Y^–) = 11.73 ± 0.11. Погрешность рассчитывали как средневзвешенное вероятного отклонения среднеарифметического при доверительной вероятности 0.95.

Экспериментальный тепловой эффект взаимодействия растворов кобальта(II), триглицина и L-гистидина имеет вид:

где Δ_mixН – тепловой эффект взаимодействия растворов Co(NO₃)₂ с растворами триглицина и L-гистидина, имеющими заданное значение рН; Δ_dilН – теплота разведения нитрата кобальта(II) в растворах фонового электролита; α₁ – полнота протекания процесса (14); $\sum {{{\alpha }_{i}}{{\Delta }_{{\text{r}}}}{{H}_{i}}} $ – вклад в измеряемый тепловой эффект одновременно протекающих побочных процессов (1)–(13), (15), (16).

Условия проведения калориметрических опытов выбирали таким образом, чтобы вклад побочных процессов был минимальным. Необходимые для расчета энтальпии процессов кислотно-основного взаимодействия в растворах триглицина и L-гистидина взяты из работ [10, 14], энтальпии реакций образования комплексов CoL⁺, CoH_–1L, CoL₂, CoH_–2L$_{2}^{{2 - }}$, CoL$_{3}^{ - }$ – из [15], комплексов CoY⁺, CoY₂, CoY$_{3}^{ - }$ – из [16]. Вклад теплового эффекта процесса (16) стремился к нулю.

При определении энтальпии образования комплекса кобальта(II) c триглицином и L-гистидином наряду с равновесием (14) протекали реакции (7), (8), (9), (11) и (12). Доля образования смешаннолигандного комплекса составляла ∼51%. Энтальпию образования комплекса CoL₂Y^– рассчитывали по универсальной программе НЕАТ [17] путем минимизации критериальной функции F по искомым параметрам:

где $\Delta H_{i}^{{{\text{выч}}}}$ – рассчитанный тепловой эффект при заданных значениях общих концентраций $с_{{{\text{C}}{{{\text{o}}}^{{2 + }}}}}^{0}$, $с_{{{{{\text{L}}}^{ - }}}}^{0}$, $с_{{{{{\text{Y}}}^{ - }}}}^{0}$ и текущих значений lg β и Δ_rН; N – число опытов; ω_i – весовые множители. Рассчитанные энтальпии процессов образования частицы CoL₂Y^– приведены в табл. 2.

Энтальпия комплексообразования в стандартном растворе была найдена экстраполяцией величин тепловых эффектов при фиксированных значениях ионной силы к нулевой по уравнению:

где ΔН и ΔН° – изменение энтальпии при конечном значении ионной силы и ΔI = 0 соответственно; Ψ(I) – функция ионной силы, вычисленная теоретически; ΔZ² – разность квадратов зарядов продуктов реакции и исходных компонентов; b – эмпирический коэффициент. Результаты экстраполяции и рассчитанные значения стандартных термодинамических характеристик комплексообразования в системе Co²⁺–триглицин–L-гистидин приведены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что энтальпия образования смешаннолигандного комплекса CoL₂Y^– близка к среднему значению Δ_rН° однородных трискомплексов кобальта(II) с триглицином и L-гистидином (Δ_rН°(CoL$_{3}^{ - }$) = = ‒18.01 ± 0.21 кДж/моль, Δ_rН°(CoY$_{3}^{ - }$) = –61.54 ± ± 0.25 кДж/моль.

На рис. 2 приведены спектры поглощения в системе Co²⁺–триглицин–L-гистидин при соотношении Co : L : Y = 1 : 4 : 1 и различных значениях рН. Максимальному выходу частицы CoL₂Y^–, согласно диаграмме равновесий (рис. 1), соответствуют кривые 5 и 6. Наблюдающийся для данных кривых максимум поглощения при длине волны ∼450 нм занимает промежуточное положение между максимумами поглощения в системах Co²⁺–триглицин и Co²⁺–L-гистидин, спектральные данные которых приведены на рис. 3 и 4 соответственно.

В табл. 2 приведены также стандартные термодинамические характеристики процессов комплексообразования в системе Co²⁺–глицин–L-гистидин, полученные ранее [5]. Обращают на себя внимание близкие величины lg β(CoL₂Y^–) и lg β(CoGlyY). По-видимому, присоединение третьего лиганда настолько повышает устойчивость смешанного комплекса кобальта(II) с L-гистидином и триглицином, что практически в равной мере компенсирует более низкую координационную способность карбонильного кислорода пептидной группы триглицина по сравнению кислородом карбоксильной группы глицина в CoGlyY. Абсолютное значение Δ_rН°(CoL₂Y^–) несколько меньше, чем Δ_rН°(CoGlyY). Это может быть связано с более значительными затруднениями во внутрисферной координации молекул воды для частицы CoL₂Y^– по сравнению с CoGlyY. Достаточно большие положительные величины Δ_rS° наблюдаются для реакций образования обоих комплексов. Однако, Δ_rS°(CoL₂Y^–) больше, чем Δ_rS°(CoGlyY), что подтверждает приведенное выше предположение.

Логарифм константы равновесия реакции сопропорционирования:

является мерой отклонения lg β(CoL₂Y^–) от величины, ожидаемой из аддитивности lg β(CoL$_{3}^{ - }$) и lg β(CoY$_{3}^{ - }$), и характеризует устойчивость смешаннолигандного комплекса CoL₂Y^– к распаду на однородные CoL$_{3}^{ - }$ и CoY$_{3}^{ - }$. Реакцию (20) можно представить как сумму двух реакций: каждая из которых характеризует различие в реакциях:

В табл. 3 приведены термодинамические характеристики процессов (20)–(22), рассчитанные с использованием результатов настоящей работы (табл. 2) и данных [15, 16], а также термодинамические характеристики процессов смешаннолигандного комплексообразования в системе Co²⁺–глицин–L-гистидин, полученные ранее [5] для реакций:

Смешанный комплекс CoL₂Y^– устойчив к диспропорционированию, так как логарифм константы реакции (20) lg K > 0. Сравнение величин lg K и Δ_rН° для реакций (20) и (25), приведенных в табл. 3, показывает, что комплекс CoL₂Y^– более устойчив к распаду на однородные лиганды, чем комплекс CoGlyY. Положительные значения lg K реакций (21), (22) показывают, что присоединение триглицина и L-гистидина в качестве смешанных лигандов в комплексе CoL₂Y^– усиливает его устойчивость больше, чем присоединение этих лигандов в качестве однородных усиливает устойчивость образующихся при этом трис-комплексов. В большей степени это проявляется в случае присоединения L-гистидина. На основании термодинамических данных реакций (26) и (27), приведенных в табл. 3, можно сделать аналогичные выводы в отношении смешаннолигандного комплекса CoGlyY и бискомплексов Co(Gly)₂ и CoY₂.

Вероятная структура комплекса CoL₂Y^– приведена на схеме:

Работа выполнена в НИИ Термодинамики и кинетики химических процессов Ивановского государственного химико-технологического университета в рамках Государственного задания на выполнение НИР. Тема № FZZW-2020-0009.