CC BY
24НАНОСИСТЕМЫ
DOI: 10.17725/rensit2020.12.095
Поляриметрия как метод изучения структуры водных растворов углеводов: корреляция с другими методами Орлова А.В., Кононов Л.О.
Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, http://zioc.ru/ Москва 119991, Российская Федерация
E-mail: [email protected], [email protected]
Поступила 12.02.2020,рецензирована 18.02.2020, принята 24.02.2020
Аннотация. В обзоре приведены данные, указывающие на то, что поляриметрия является чувствительным инструментом для изучения структуры водных растворов углеводов. На примере водных растворов D-левоглюкозана (1,6-ангидро-0-глюкопиранозы) с помощью поляриметрии, квантово-химических расчетов, ВЭЖХ, статического и динамического рассеяния света показано, что поляриметрия позволяет детектировать изменения структуры растворов при изменении концентрации и температуры, а также эволюцию структуры растворов во времени. В частности, обнаружен феномен существования "критических" концентраций и температур, при которых величины удельного вращения растворов претерпевают скачкообразные изменения, по-видимому, отражающие перестройки структуры раствора. Не исключено также, что в случае водных растворов хиральные углеводные молекулы могут выступать в качестве "зондов", "чувствующих" малейшие изменения своей конформации или перестройки окружения (в "клетке" растворителя), вызываемые изменениями в структуре воды, что на макроскопическом уровне проявляется как изменение величины удельного вращения.
Ключевые слова: структура растворов, супрамеры, поляриметрия, светорассеяние, левоглюкозан УДК 547.455:543.454
Благодарности.. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 16-13-10244-П).
/Для цитирования: Орлова А.В., Кононов Л.О. Поляриметрия как метод изучения структуры водных растворов углеводов: корреляция с другими методами. РЭНСИТ, 2020, 12(1):95-106; DOI: 10.17725/ rensit.2020.12.095._
Polarimetry as a method for studying the structure of aqueous carbohydrate solutions: correlation with other methods
Anna V. Orlova, Leonid O. Kononov
Zelinsky Institute of Organic Chemistry of RAS, http://zioc.ru/ Moscow 119991, Russian Federation
E-mail: [email protected], [email protected]
Received February 12, 2020;peer reviewed February 18, 2020; accepted February 24, 2020
Abstract. The review provides data indicating that polarimetry is a sensitive tool for studying the structure of aqueous carbohydrate solutions. Using aqueous solutions of D-levoglucosan (1,6-anhydro-D-glucopyranose) as an example, it was demonstrated, using polarimetry, quantum chemical calculations, HPLC, static and dynamic light scattering, that polarimetry allows one to detect changes in the structure of solutions with changes in concentration and temperature, as well as the evolution of the structure of solutions over time. In particular, the phenomenon of the existence of "critical" concentrations and temperatures was discovered at which the specific rotation of the solutions undergo jump-like changes, apparently reflecting rearrangements in the
96
Jyi ОРЛОВА А.В., КОНОНОВ Л.О.
НАНОСИСТЕМЫ
structure of the solution. It is also possible that in the case of aqueous solutions, chiral carbohydrate molecules might act as "probes" that "sense" the slightest changes in their conformation or rearrangement of the environment (in the solvation shell) caused by changes in the structure of water, which at the macroscopic level manifests themselves as change in specific rotation. Keywords: solution structure, supramers, polarimetry, light scattering, levoglucosan UDC 547.455:543.454
Acknowledgements. This work was financially supported by the Russian Science Foundation (project No. 16-13-10244-P).
For citation: Anna V. Orlova, Leonid O. Kononov. Polarimetry as a method for studying the structure of aqueous carbohydrate solutions: correlation with other methods. RENSIT, 2020, 12(1):95-106; DOI: 10.17725/rensit.2020.12.095._
Содержание
1. Введение (96)
2. материалы и методы (97)
2.1. материалы (97)
2.2. Методы (97)
2.2.1. Поляриметрия (97)
2.2.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография (97)
2.2.3. Динамическое рассеяние света (97)
2.2.4. Статическое рассеяние света (98)
3. результаты и обсуждение (98)
4. заключение (103) Литература (103)
1. ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени установлено [1-16], что большинство макроскопически гомогенных водных и неводных растворов разнообразных низкомолекулярных веществ, использующихся в повседневной жизни и обычной лабораторной практике, структурировано (неоднородно) на нано- и мезо-уровне. Размер неоднородностей, супрамеров в нашей терминологии [8], варьирует от ~1 нм до 102—103 нм. Этот новый тип "слабого" (если судить по величине энергии взаимодействия, которая не превышает kBT [17]), но крайне эффективного и самопроизвольного структурирования жидкостей, долгое время не привлекал внимание исследователей. Только недавно была выявлена его важность для адекватного описания реакций и других химических процессов [8, 9, 13, 14, 18-29].
Для рационального обсуждения этой сложной ситуации в растворе и реакций с участием растворённых веществ мы предположили, что во многих случаях истинными реагирующими
частицами в растворах являются не изолированные молекулы, а их супрамолекулярные агрегаты (которые мы, по ряду причин, называем супрамерами). Супрамерный подход исходит из того, что молекулы растворённого вещества могут образовывать устойчивые гомо- и гетеро-супрамеры (в том числе, включающие молекулы растворителя [8]), строение которых во многом определяет наблюдаемую реакционную способность, выходы продуктов и селективность реакции. Подробнее эти вопросы обсуждаются в недавнем обзоре [8], посвящённом связи реакционной способности вещества и структуры реакционного раствора.
Для практического применения супрамерного подхода необходимо различать растворы одного и того же реагента, характеризующиеся присутствием разных супрамеров и, как следствие, проявляющие различные химические свойства [8]. Мы предложили для дифференциации растворов, отличающихся супрамерным составом (т.е. с различной структурой раствора) использовать поляриметрию — измерение оптического вращения исследуемых растворов. Действительно, удельное оптическое вращение не является атрибутом молекулярной структуры [30]. Даже малые конформационные изменения могут приводить к огромным изменениям величины удельного вращения [31]. Если эти изменения зависят от концентрации, то их обычно связывают с агрегацией молекул растворённого вещества [32]. Поэтому можно ожидать, что супрамеры, состоящие из молекул в иной конформации или отличающиеся способом их упаковки [33] или сольватации [34], будут различаться и величинами удельного вращения.
НАНОСИСТЕМЫ
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Материалы
Соединения 1 и 2 были приготовлены и очищены по описанным методикам [34, 35]. Для приготовления водных растворов и хроматографии использовали ультрачистую воду с удельным сопротивлением >18 МОмхм (система очистки воды OMNI-A (КНР), с использованием дистиллированной воды в качестве исходной). Растворы для физико-химических исследований были приготовлены непосредственно перед измерением
растворением навески в растворителе в мерной колбе (2 мл) и дальнейшим фильтрованием (4 раза) полученного раствора через мембранный фильтр (0.45 мкм, PTFE, диаметр 13 мм, Chromafil (Macherey-Nagel, ФРГ); для каждого образца использовали отдельный фильтр).
2.2. Методы
2.2.1. Поляриметрия
Измерения величины оптического вращения проводили на автоматических цифровых поляриметрах JASCO DIP-360 (Япония) (рис. 9b), ПУ-7 (Россия) (рис. 2, 6) или JASCO P-2000 (Япония) (рис. 7, 8) в стеклянной кювете (длина 10 см) с термостатирующей рубашкой. Температуру поддерживали с точностью ±0.2°С (DIP-360 и ПУ-7) или ±0.1°C(P-2000) с помощью циркуляционных термостатов MLW U-1 (ГДР) (при использовании DIP-360 и ПУ-7) или Huber СС-К6 (Exclusive) (ФРГ) (при использовании P-2000). Измерения величины вращения для каждого образца производились только после стабилизации температуры и показаний прибора (~30 мин); после этого показания прибора оставались неизменными в течение нескольких часов. Обработка результатов в случае использования поляриметров JASCO DIP-360 и ПУ-7 состояла в нахождении среднего из 10 измерений; стандартные отклонения вычислены с использованием распределения Стьюдента (95%) и составляют (как для наблюдаемого, так и для удельного вращения) менее 1% (если на графиках не указано иначе).
В случае измерения оптического вращения на поляриметре JASCO P-2000 для каждой температуры было использовано три независимо свежеприготовленных раствора (если не указано иначе); для каждого раствора проводили измерение
величины оптического вращения в течение 30 мин (1800 точек с временем интегрирования 1 с). Полученные данные усредняли, ошибку рассчитывали, как стандартное отклонение от среднего. Дополнительно вычисляли средние значения и стандартные отклонения для выборок, включающих величины удельного вращения для двух интервалов температур: 12—25°C и 32—55°C. Результаты показаны на рис. 7, 8.
2.2.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография
Высокоэффективную жидкостную
хроматографию (ВЭЖХ) образцов
D-левоглюкозана (1) проводили в воде при 85.0±0.1°C на колонке (300x7.8 мм) Rezex RCM-Monosaccharide Ca+2 (8%) (Phenomenex, США) со скоростью потока 1 мл'мин-1. Для поддержания температуры колонки использовали колоночный термостат Waters 1122 (США), снабжённый алюминиевым теплообменником с 8 мм гнёздами. Образцы растворов D-левоглюкозана (1) наносили на колонку с помощью инжектора Reodyne 7125 (США) с петлей объемом 20 мкл. Детекцию осуществляли с использованием УФ-детектора Gilson Model 155 UV (Франция), рефрактометра Knauer 2300 (Германия) или ELSD-детектора Alltech 2000ES (США). Для получения профиля элюции, выраженного как отношение поглощений при 195 нм и 205 нм (детекция A195/A205), использовали стандартную опцию (Real Time Ratio channel), встроенную в УФ-детектор Gilson Model 155 UV.
2.2.3. Динамическое рассеяние света (ДРС)
Измерения интенсивности рассеяного света выполняли с помощью гониометра-коррелятора ALV 5000/6010 (Ланген, Германия) при угле рассеяния в = 150° с использованием кювет диаметром 1 см (Pyrex) и HeNe-лазера (633 нм) в качестве источника света. Мощность лазера составляла 23 мВт. Рассеивающую ячейку термостатировали при 20° С. Температуру поддерживали с точностью ±0.2°С. Чтобы получить корреляционные функции
интенсивности [g2(x)], данные были усреднены по 20 независимым измерениям (общее время эксперимента составило 20 мин), а затем обработаны с использованием алгоритма CONTIN для расчета вклада в интенсивность
ОРЛОВА А.В., КОНОНОВ Л.О.
НАНОСИСТЕМЫ
рассеяния от частиц каждого наблюдаемого размера (так называемое "взвешенное по интенсивности распределение по размерам") и радиусов корреляции (гидродинамических радиусов, Яъ) рассеивающих свет частиц (а также соответствующих времен корреляции), которые были рассчитаны в максимумах распределений по размерам [36].
2.2.4. Статическое рассеяние света (СРС)
Измерения интенсивности рассеяного света выполняли, как описано в разделе 2.2.3 для ДРС. Интенсивность рассеянного света была усреднена по 20-минутному интервалу для каждого раствора. Данные СРС были использованы для построения модифицированного графика Дебая - зависимости С/Е^в от концентрации образца (С), при этом знак углового коэффициента (который пропорционален второму
вириальному коэффициенту А2) указывает на термодинамическое качество растворителя [36]. Яв — коэффициент интенсивности рассеяния при угле рассеяния в (абсолютная интенсивность рассеянного света, определяемая как отношение интенсивности рассеянного света при угле рассеяния в к интенсивности падающего света; Рэлеевское отношение).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Подробное исследование возможности применения поляриметрии для изучения структуры растворов мы проводили на водных растворах D-левоглюкозана (1, 1,6-ангидро-D-глюкопиранозы, см. рис. 1а). Молекулы 1 обладают жёсткой структурой, в которой конформационные изменения возможны только за счёт изменения положения (вращения) гидроксильных групп, что значительно упрощает квантово-химические расчёты и интерпретацию результатов.
С помощью квантово-химических расчётов (TD-DFT/GIAO) удалось показать [34], что значительные изменения величины оптического
вращения могут быть связаны с небольшими искажениями конформации молекулы левоглюкозана (расчеты выявили 15 уникальных конформеров) при сольватации, вызванными изменениями микроокружения молекулы левоглюкозана (рис. 1Ь). Учет растворителя производили как в приближении поляризуемого континуума (РСМ), так и путем добавления молекул воды в явном виде (MS + РСМ) [37]. Так, например, рассчитанная (РСМ (Н20)/ B3LYP/6-311++G(2d,2p)//B3LYP/6-31+G(d,p)) величина удельного вращения для GGG конформера составляет —5.46 град-дм—1-см3т—1. Добавление одной молекулы воды существенно изменяет расчётное удельное вращение (—42.98 град-дм—1-см3-г—1). При добавлении второй молекулы воды удельное вращение практически не меняется (—42.97 град-дм—1,см3т—1). В то же время, добавление третьей молекулы воды снова изменяет расчётное удельное вращение (до —9.46 град-дм—1-см3т—1). Таким образом, значительные изменения величины оптического вращения могут быть вызваны изменениями в клетке растворителя, т.е. перераспределением молекул растворителя вокруг молекул растворенного вещества (микросольватация, MS). Эти данные указывают на перспективность использования поляриметрии для изучения микроокружения [37, 38] молекул растворенного вещества в растворах с различной структурой, а также для детектирования перестроек супрамеров в растворах.
Экспериментальное изучение структуры водных растворов левоглюкозана с помощью поляриметрии начали со свежеприготовленных растворов. Концентрационная зависимость удельного вращения водных растворов левоглюкозана нелинейна с особыми точками при концентрациях: 0.1, 0.3, 0.5 и 1 моль-л-1 (рис. 2). Эти концентрации мы назвали "критическими" и предположили, что они разделяют области существования разных супрамеров.
Рис. 1. Структура V-левоглюкозана (а); изменение вычисленного (РСМ1В3^Р1б-311++0(2й,2р)11В3^Р1б-31+0(й,р)) удельного вращения одного из конформеров (GGG) левоглюкозана при последовательном добавлении молекул воды (Ь) [34].
НАНОСИСТЕМЫ
0 12 3 4 С, mol-L-1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 С, mol-L"1
Рис. 2. Концентрационные зависимости удельного вращения ([а]1)/град^дм-1^см3^г-1) для свежеприготовленных водных растворов левоглюкозана [34]: полный диапазон изученных концентраций (а); область разбавленных растворов (Ь). Здесь и на последующих рисунках горизонтальные черные и белые полосы около концентрационной оси показывают интервалы концентраций растворов между "критическими" концентрациями (0.1 (1), 0.3 (2), 0.5 (3) и 1.0 мольл-1 (4); отмечены вертикальными стрелками), где могут существовать супрамерыразличного строения.
Связь обнаруженных "критических" концентраций с изменениями структуры раствора была установлена при исследовании тех же растворов с помощью статического и динамического рассеяния света (СРС и ДРС) [34]. На графике зависимости интенсивности рассеянного света (данные СРС) от концентрации в координатах Дебая (рис. 3а) видно два экстремума (0.5 и 1 моль-л-1), в которых меняется наклон линии. Этот наклон соответствует второму вириальному коэффициенту А2, знак которого указывает на термодинамическое "качество" растворителя [36]. Так, в данном случае при концентрациях растворов менее 0.05 и более 1 моль-л-1 растворитель хороший (А2 > 0), а при промежуточных концентрациях растворитель плохой (А2 < 0).
Данные ДРС указывают на присутствие в растворах светорассеивающих частиц различных размеров (рис. 3Ь). При концентрациях
0.0 I........
0 12 3 4 С, mol-L"1
Рис. 3. Рассеяние света свежеприготовленными водными растворами левоглюкозана в зависимости от концентрации [34]. Зависимость интенсивности рассеянного света в координатах Дебая (a). Интенсивности распределения по размерам радиусов корреляции (RJ светорассеивающих частиц (b).
растворов выше 1 моль-л-1 существуют только наноразмерные супрамеры, в области концентраций 0.5-1 моль-л-1 к ним добавляются более крупные супрамеры, в области 0.3-0.5 моль-л-1 крупных супрамеров становится больше, а в области 0.1-0.3 моль-л-1 крупные супрамеры преобладают. Таким образом, ДРС позволило выявить те же "критические" концентрации (0.1, 0.3, 0.5 и 1 моль-л-1), которые были обнаружены с помощью поляриметрии и СРС.
Эти же "критические" концентрации были выявлены с помощью лигандообменной ВЭЖХ на колонке для анализа моносахаридов (Rezex RCM-Monosaccharide Ca+2) при элюировании водой [39]. Профиль элюции, выраженный как отношение поглощений при 195 нм и 205 нм (далее - детекция A195/A205), сильно различался в зависимости от концентрации образца левоглюкозана, нанесенного на колонку (рис. 4).
Детальный анализ формы пиков на хроматограммах (детекция A195/A205) показал, что для растворов с концентрацией не выше 0.1 моль-л-1 наблюдается один симметричный пик левоглюкозана (tR = 22.04-22.06 мин.;
100 ОРЛОВА А.В., КОНОНОВ Л.О.
НАНОСИСТЕМЫ
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 30.0
t, min
Рис. 4. Профили элюции при ВЭЖХ образцов водных растворов левоглюкозана с концентрациями 0.03 (1), 0.06 (2), 0.1 (3), 0.3 (4), 0.4 (5), 0.5 (6), 0.6 (7), 0.7 (8), 1.0 (9), 2.0 (10) и 4.0 мольл1 (11), выраженные как отношение поглощений при 195 и 205 нм (A195/A205) (см. также рис. 5) [39]. На рисунке (справа) вертикальными черными и белыми полосами обозначены "консервативные" области концентраций между "критическими" концентрациями 0.1, 0.5 и 1.0 мольл-
(показаны стрелками).
хроматограммы 1-3 на рис. 4). При концентрациях A195/A205) прямоугольных пиков (рис. 4)
означает, что пик левоглюкозана не представляет собой пик "индивидуального соединения" и фактически является составным пиком [40]. Это означает также, что УФ-спектры элюата различаются в зависимости от концентрации инжектируемого раствора. Создается
впечатление, что в одном хроматографическом пике, который соответствует одному и тому же растворенному веществу (левоглюкозану в нашем случае), в зависимости от концентрации инжектируемого образца с колонки элюируются несколько "соединений" с различными УФ-спектрами. По нашему мнению, такими "соединениями" могут быть только супрамеры
0.3 и 0.4 моль-л-1 верхняя часть пика становится уплощённой (хроматограммы 4 и 5 на рис. 4), а начиная с концентрации 0.5 моль^л-1, пик расщепляется на две составляющие (tR = 21.7121.76 мин. и 22.29-22.43 мин.; хроматограммы 6-8 на рис. 4). Начиная с концентрации 1.0 моль-л-1, долина между двумя максимумами становится более глубокой, и компоненты пика заметно изменяют свои времена удерживания (tR = 21.4221.57 мин. и 22.67-22.79 мин.; хроматограммы 9-11 на рис. 4). Иначе говоря, постепенный рост концентрации инжектируемого раствора приводит к скачкообразным изменениям формы пика левоглюкозана (детекция A195/ A205). Эти резкие изменения формы пика происходят при концентрациях 0.1, 0.5 и 1.0 моль-л-1, которые вполне обоснованно можно назвать "критическими". На концентрационной зависимости времени удерживания пика левоглюкозана и его компонентов (детекция A195/A205) также хорошо видны упомянутые "критические" концентрации (см. рис. 5). Важно отметить, что эти концентрации полностью соответствуют "критическим" концентрациям, обнаруженным нами [34] методами поляриметрии и светорассеяния, что позволяет предположить, что причины этих феноменов имеют единую природу, связанную с согласованными перестройками структуры раствора при изменении концентрации.
Отсутствие на хроматограммах (детекция
Рис. 5. Концентрационная зависимость времени удерживания мин) пика левоглюкозана (2) (детекция А195) и его компонентов (детекция А195/А205): первый (3) и второй (1) пики (см. также рис. 4) [39]. Горизонтальными черными и белыми полосами обозначены "консервативные" области концентраций между "критическими" концентрациями 0.1, 0.5 и 1.0 мольл- (показаны стрел
НАНОСИСТЕМЫ
растворенного вещества. В данном случае серьезным доводом в пользу такого варианта является описанное выше обнаружение с помощью ВЭЖХ "критических" концентраций (0.1, 0.5 и 1.0 моль'л-1), разделяющих как сходные хроматографические профили, так и сответствующие "консервативные" области концентраций, найденные с помощью поляриметрии СРС и ДРС [34], в которых в растворе присутствуют сходные супрамеры левоглюкозана, Это наблюдение может указывать на неожиданно высокую стабильность супрамеров левоглюкозана в растворе, особенно если вспомнить условия хроматографии (85° С, 25 мин).
Для исследования эволюции структуры растворов левоглюкозана во времени была проведена серия экспериментов [41]. Растворы с разными концентрациями замораживали и хранили при —20° С, размораживая для измерения величины оптического вращения (рис. 6).
Из сравнения представленных на рис. 6
-40
а
-50
м о
-60
0 1 2.3 4 С, то!!."1
I 11
>
Г /V. А..А--
»
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 С, то!!"1
Рис. 6. Величины удельного оптического вращения ([и]в/град^дм—1чм3^г—1) для растворов разных концентраций левоглюкозана в воде (мольл-1) [41]: 0.03-4.0 (а); 0.03—1.0 (Ь); свежеприготовленные растворы (сплошная линия), те же растворы после хранения в течение 7 (пунктирная линия) и 14 сут (линия точек) при температуре —20°С. Критические концентрации 0.1 (1), 0.3 (2), 0.5 (3) и 1.0мольл-1 (4) отмечены вертикальными стрелками.
концентрационных зависимостей величин удельного вращения свежеприготовленных растворов левоглюкозана и растворов, хранившихся при температуре —20°С, видно, что при хранении при низкой температуре практически не меняется ход графика для растворов с концентрацией 1 моль'л-1 и выше. В то же время ниже этой концентрации происходят сильные изменения: величина удельного вращения для растворов с концентрацией 0.1 моль'л-1 ("критическая" концентрация 1) заметно меняется; однако в этой точке по-прежнему экстремум. Хотя величина удельного вращения для растворов с концентрацией 0.5 моль'л-1 ("критическая" концентрация 3) и не остается постоянной, в этой точке по-прежнему наблюдается минимум. Следует также отметить неизменность величины удельного вращения для растворов с концентрациями 0.3 и 1.0 моль'л-1 ("критические" концентрации 2 и 4). Таким образом, многие особенности концентрационных зависимостей величин удельного вращения, наблюдаемые для свежеприготовленных растворов (например, некоторые "критические" концентрации; см. рис. 2), сохраняются и для образцов, хранившихся в замороженном виде (см. стрелки на рис. 6). Это указывает на то, что хотя растворы левоглюкозана и претерпевают эволюцию во времени, эти "критические" концентрации не меняются [41].
Эта динамика водных растворов левоглюкозана проявляется и при изменении температуры. Для изучения влияния изменений температуры на структуру раствора левоглюкозана [42] была выбрана концентрация 0.1 моль'л-1, соответствующая "критической" концентрации 1 (рис. 2), выявленной ранее [34, 39, 41].
Изучение влияния температуры на величину удельного вращения раствора левоглюкозана было начато с нагревания одного образца до разных температур в течение одного дня. Для этого приготовленный раствор (раствор #1, рис. 7а) нагревали до определенной температуры, выдерживали при этой температуре 10 мин и затем измеряли оптическое вращение в течение 30 мин (1800 точек с временем интегрирования 1 с). Полученные результаты усредняли, ошибку рассчитывали, как стандартное отклонение от
Ь
-50
^ -60
ОРЛОВА А.В., КОНОНОВ Л.О.
НАНОСИСТЕМЫ
Рис. 7. Удельное оптическое вращение ([а^^град-дм^см1^ 1)
левоглюкозана с концентрацией 0.1 моль-л-1 при различных температурах [42]. Раствор #1, нагретый до разных температур в течение одного дня (а). Раствор #2, нагретый до разных температур в течение 3 дней (Ь): нагревание в день 1 (красные квадраты), день 2 (черные круги) и день 3 (синие треугольники). Раствор #3 при разных температурах в течение 8 дней (с): нагревание в день 1 (синие квадраты), день 2 (зеленые обратные треугольники) и день 3 (фиолетовые звезды); охлаждение в день 3 (оранжевые шестиугольники), день 4 (темно-синиеромбы), день 7 (черные треугольники), день 8 (красные круги). Три раствора (см. рис. 7а,Ь,с) при различных температурах в течение первого дня после приготовления (д): раствор #1 (черные квадраты), раствор #2 (красные круги), раствор #3 (синие треугольники).
среднего. Затем тот же раствор нагревали до следующей температуры, выдерживали при
следующей температуре 10 мин и измеряли оптическое вращение в течение 30 мин. Процедуру повторяли. Сравнение полученных данных позволило обнаружить значительное изменение величины удельного вращения при переходе от температуры 28°С к температуре 44° С (рис. 7a). Для более детального изучения температурной зависимости удельного вращения был приготовлен второй раствор (раствор #2, рис. 7b), который нагревали в течение 3 сут (с перерывами). Из полученных данных (рис. 7 b) хорошо видна вариабельность величин удельного вращения, измеренных в различные дни. Третий раствор (раствор #3, рис. 7c) было решено не только нагревать, но и охлаждать. Полученные данные указывают на то, что удельное вращение сильно меняется при проведении измерений в течение нескольких дней. Главное - то, что не видно никаких закономерностей в изменении величины оптического вращения этого раствора при изменении температуры (рис. 7c). Это особенно хорошо видно при сравнении температурных зависимостей величин удельного вращения для каждого из этих трех растворов, полученных в течение первого дня после приготовления (рис. 7d). Видно также, что разница между величинами удельного оптического вращения для одного и того же раствора, измеренными в разные дни даже при одной и той же температуре, может быть очень велика (ср. рис. 7b,c). По результатам этих экспериментов можно сделать следующий вывод: выдерживание растворов левоглюкозана при различных температурах приводит к невоспроизводимым величинам удельного вращения. По-видимому, измеряемые величины удельного вращения отражают динамику структуры этих растворов.
Проблемы воспроизводимости были решены, когда измерения величины оптического вращения растворов левоглюкозана при различных температурах проводилось исключительно на свежеприготовленных растворах (в трех повторах для каждой концентрации) [43].
В этом случае, на графике зависимости удельного вращения водных растворов левоглюкозана с концентрацией 0.1 моль-л-1 от температуры (рис. 8) можно выделить два
НАНОСИСТЕМЫ
-62 -64-66-68-70-
30 °С
I
НяН-1
20
50
30 40
I °с
Рис. 8. Удельное оптическое вращение ([а]в/град-дм-1 ■ см3■ г-1) свежеприготовленных водных раствсров левоглюкозана с концентрацией 0.1 молы л—1 при различных температурах [43]. Каждая точка представляет собой среднее значение удельного
Серыми прямоугольниками выделены области: от 12 до 25°С ([а]в —68.6±0.8 град-дм-1-см3-г-1) и от 32 до 55°С ([а]П —65.6+1.1 град'дм-1 ■ см3'г-1); размер области по вертикали соответствует ошибке, рассчитанной как стандартное отклонение от среднего, пунктиром обозначены редние значения для каждой выбсрки. Стрелка указывает на "критическую" темпратуру 30°С ([а]в -67.8± 1.4 град'дм-1 ■ см3■ г-1).
различных интервала температур, в которых величины удельного вращения различаются между собой (эти различия статистически значимы (/ = 2.21,р <0.05)): от 12 до 25°Си от 32 до 55°С, разделенные "критической" температурой
при 30°С. Эта температура совпадает с "критической" температурой, обнаруженной нами ранее [44] (рис. 9) при изучении водного раствора аллиллактозида (2) с концентрацией 0.2 моль'л-1, хотя в данном случае эффект скачкообразного изменения свойств растворов при 30 °С гораздо более заметен.
Действительно, на графике температурной зависимости удельного вращения раствора аллиллактозида (2) при температуре 30°С наблюдается небольшой излом (рис. 9 В) [44]. Дополнительным подтверждением того, что эта температура является "критической", служит резкое увеличение наблюдаемого разрешения в спектрах ЯМР 1Н при этой же температуре (см. температурные зависимости наблюдаемой ширины сигналов одного из аномерных протонов и одного из метиленовых протонов двойной связи аллильной группы на рис. 9с) и увеличение интенсивности рассеяния света (рис. 9с1) [44].
Совпадение "критических" температур для водных растворов двух различных производных углеводов [43, 44], по-видимому, указывает на общую причину данного явления. Не исключено, что скачкообразные изменения
20
30
40
50
60
70
1.2 1.0
N
Г
* 0.8 0.6
20
30
40
50
( "С £ °С
Рис. 9. Структура аллиллактозида (2) (а). Темпратурные зависимости для водных растворов 2 с концентрацией 0.2 моль'л1 [44].удельное вращения ([а]П/град' дм-1 ■ см3■ г-1) в Н20 (Ь); ширины (п> /Гц) сигналов (84.50 (1) и 5.25 м.д. (2)) в спектре ЯМР 1Н раствсра 2 в ОгО (с); интенсивность рассеянного света (1/кГц) раствсра 2 в Н20 (а). Стрелкауказывает на "критическую"
• 30°С.
ОРЛОВА А.В., КОНОНОВ Л.О.
НАНОСИСТЕМЫ
величины удельного вращения водных растворов углеводов при изменении температуры отражают существенные изменения в структуре воды [45, 46], а молекулы хиральных растворённых веществ (углеводов) выполняют функцию "зондов", "чувствующих" малейшие изменения своей конформации или перестройки окружения (в "клетке" растворителя), что на макроскопическом уровне проявляется как изменение величины удельного вращения (см. [19, 26] и указанные там ссылки).
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, показана высокая чувствительность поляриметрии к изменениям структуры водных растворов углеводов, что следует из корреляции с результатами, полученными другими физико-химическими методами. В частности, обнаружен феномен существования "критических" концентраций и температур, при которых величины удельного вращения растворов претерпевают скачкообразные изменения, по-видимому, отражающие перестройки структуры раствора. Примечательно, что величины найденных с помощью поляриметрии "критических" концентраций и температур, при которых происходит скачкообразные изменения величины удельного вращения, с "критическими" концентрациями и температурами, выявленными с помощью других методов (СРС/ДРС, ВЭЖХ, ЯМР), совпадают.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sedlâk M. Large-scale supramolecular structure in solutions of low molar mass compounds and mixtures of liquids: 1. Light scattering characterization. J. Phys. Chem. B, 2006, 110(9):4329-4338, DOI: 10.1021/jp0569335.
2. Sedlâk M. Large-scale supramolecular structure in solutions of low molar mass compounds and mixtures of liquids: II. Kinetics of the formation and long-time stability. J. Phys. Chem. B, 2006, 110(9):4339-4345, DOI: 10.1021/jp056934x.
3. Sedlâk M. Large-scale supramolecular structure in solutions of low molar mass compounds and mixtures of liquids. III. Correlation with molecular properties and interactions. J. Phys. Chem. B, 2006, 110(28):13976-13984, DOI:
10.1021/jp061919t.
4. Sedlak M, Rak D. Large-Scale Inhomogeneities in Solutions of Low Molar Mass Compounds and Mixtures of Liquids: Supramolecular Structures or Nanobubbles? J. Phys. Chem. B, 2013, 117(8):2495-2504, DOI: 10.1021/jp4002093.
5. Sedlak M, Rak D. On the Origin of Mesoscale Structures in Aqueous Solutions of Tertiary Butyl Alcohol: The Mystery Resolved. J. Phys. Chem. B, 2014, 118(10):2726-2737, DOI: 10.1021/jp500953m.
6. Rak D, Ovadova M, Sedlak M. (Non)Existence of Bulk Nanobubbles: The Role of Ultrasonic Cavitation and Organic Solutes in Water. J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10(15):4215-4221, DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01402.
7. Rak D, Sedlak M. On the Mesoscale Solubility in Liquid Solutions and Mixtures. J. Phys. Chem. B, 2019, 123(6):1365-1374, DOI: 10.1021/acs. jpcb.8b10638.
8. Kononov LO. Chemical Reactivity and Solution Structure: On the Way to a Paradigm Shift? RSC Adv, 2015, 5(58):46718-46734, DOI: 10.1039/ c4ra17257d.
9. Lagodzinskaya GV, Laptinskaya TV, Kazakov AI, Kurochkina LS, Manelis GB. Slow large-scale supramolecular structuring as a cause of kinetic anomalies in the liquid-phase oxidation with nitric acid. Russ. Chem. Bull., 2016, 65(4):984-992, DOI: 10.1007/s11172-016-1401-4.
10. Zemb TN, Klossek M, Lopian T, Marcus J, Schoettl S, Horinek D, Prevost SF, Touraud D, Diat O, Marcelja S, Kunz W. How to explain microemulsions formed by solvent mixtures without conventional surfactants. Proc. Natl. Acad. Sa. USA, 2016, 113(16):4260-4265, DOI: 10.1073/pnas.1515708113.
11. Buchecker T, Krickl S, Winkler R, Grillo I, Bauduin P, Touraud D, Pfitzner A, Kunz W The impact of the structuring of hydrotropes in water on the mesoscale solubilisation of a third hydrophobic component. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19(3):1806-1816, DOI: 10.1039/ c6cp06696h.
12. Svard M, Renuka Devi K, Khamar D, Mealey D, Cheuk D, Zeglinski J, Rasmuson AC. Solute clustering in undersaturated solutions -systematic dependence on time, temperature and concentration. Phys. Chem. Chem. Phys., 2018,
НАНОСИСТЕМЫ
20(22):15550-15559, DOI: 10.1039/c8cp01509k.
13. Lagodzinskaya GV, Laptinskaya TV, Kazakov AI. Supramolecular structuring of aqueous solutions of strong acids: manifestations in light scattering, NMR, and oxidation kinetics. Does liquid have a drop-like nature? 1. Nitric acid. Russ. Chem. Bull, 2018, 67(10):1838-1850, DOI: 10.1007/s11172-018-2297-y.
14. Lagodzinskaya GV, Laptinskaya TV, Kazakov AI. Supramolecular structuring of aqueous solutions of strong acids: manifestations in light scattering, NMR, and oxidation kinetics. Does liquid have a drop-like nature? 2. Perchloric acid. Russ. Chem. Bull, 2018, 67(12):2212-2223, DOI: 10.1007/ s11172-018-2358-2.
15. Hahn M, Krickl S, Buchecker T, Jost G, Touraud D, Bauduin P, Pfitzner A, Klamt A, Kunz W Ab initio prediction of structuring/ mesoscale inhomogeneities in surfactant-free microemulsions and hydrogen-bonding-free microemulsions. Phys. Chem. Chem. Phys, 2019, 21(15):8054-8066, DOI: 10.1039/c8cp07544a.
16. Orlova AV Laptinskaya TV, Kononov LO. The first example of detection of mesoscale particles in a solution of a low-molecular-mass compound in dichloromethane. Russ. Chem. Bull, 2019, 68(7):1462-1464, DOI: 10.1007/s11172-019-2580-6.
17. Zemb T, Kunz W Weak aggregation: State of the art, expectations and open questions. Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 2016, 22:113-119, DOI: 10.1016/j.cocis.2016.04.002.
18. Ahiadorme DA, Podvalnyy NM, Orlova AV, Chizhov AO, Kononov LO. Glycosylation of dibutyl phosphate anion with arabinofuranosyl bromide: unusual influence of concentration of the reagents on the ratio of anomeric glycosyl phosphates formed. Russ. Chem. Bull, 2016, 65(11):2776-2778, DOI: 10.1007/s11172-016-1654-y.
19. Kononov LO, Fedina KG, Orlova AV, Kondakov NN, Abronina PI, Podvalnyy NM, Chizhov AO. Bimodal Concentration-Dependent Reactivity Pattern of a Glycosyl Donor: Is the Solution Structure Involved? Carbohydr. Res., 2017, 437:2835, DOI: 10.1016/j.carres.2016.11.009.
20. Orlova AV, Laptinskaya TV, Bovin NV, Kononov LO. Differences in reactivity of N-acetyl-and N,N-diacetylsialyl chlorides, caused by their different supramolecular organization in solutions. Russ. Chem. Bull., 2017, 66(11):2173-
2179, DOI: 10.1007/s11172-017-1999-x.
21. Krickl S, Buchecker T, Meyer AU, Grillo I, Touraud D, Bauduin P, Konig B, Pfitzner A, Kunz W A systematic study of the influence of mesoscale structuring on the kinetics of a chemical reaction. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19(35):23773-23780, DOI: 10.1039/ c7cp02134h.
22. Jehannin M, Charton S, Corso B, Mohwald H, Riegler H, Zemb T. Structured solvent effects on precipitation. Colloid Polym. Sci, 2017, 295(10):1817-1826, DOI: 10.1007/s00396-017-4153-2.
23. Krickl S, Touraud D, Bauduin P, Zinn T, Kunz W Enzyme activity of horseradish peroxidase in surfactant-free microemulsions. J. Colloid Interface Sa, 2018, 516:466-475, DOI: 10.1016/j. jcis.2018.01.077.
24. Krickl S, Jurko L, Wolos K, Touraud D, Kunz W Surfactant-free microemulsions with cleavable constituents. J. Mol. Liq., 2018, 271:112-117, DOI: 10.1016/j.molliq.2018.08.120.
25. Stepanova EV, Podvalnyy NM, Abronina PI, Kononov LO. Length matters: one additional methylene group in a reactant is able to affect the reactivity pattern and significantly increase the product yield. Synlett, 2018, 29(15):2043-2045, DOI: 10.1055/s-0037-1610648.
26. Nagornaya MO, Orlova AV, Stepanova EV, Zinin AI, Laptinskaya TV, Kononov LO. The use of the novel glycosyl acceptor and supramer analysis in the synthesis of sialyl-a(2—3)-galactose building block. Carbohydr. Res., 2018, 470:27-35, DOI: 10.1016/j.carres.2018.10.001.
27. Myachin IV, Orlova AV, Kononov LO. Glycosylation in flow: effect of the flow rate and type of the mixer. Russ. Chem. Bull., 2019, 68(11):2126-2129.
28. Enami S, Ishizuka S, Colussi AJ. Chemical signatures of surface microheterogeneity on liquid mixtures. J. Chem. Phys, 2019, 150(2):024702, DOI: 10.1063/1.5055684.
29. Qiu J, Ishizuka S, Tonokura K, Colussi AJ, Enami S. Water Dramatically Accelerates the Decomposition of alpha-Hydroxyalkyl-Hydroperoxides in Aerosol Particles. J. Phys. Chem. Lett, 2019, 10:5748-5755, DOI: 10.1021/ acs.jpclett.9b01953.
30. Gawley RE. Do the terms "% ee" and "% de"
106 ОРЛОВА А.В., КОНОНОВ Л.О.
НАНОСИСТЕМЫ
make sense as expressions of stereoisomer composition or stereoselectivity? J. Org. Chem, 2006, 71(6):2411-2416, DOI: 10.1021/ jo052554w.
31. Wilson SM, Wiberg KB, Murphy MJ, Vaccaro PH. The effects of conformation and solvation on optical rotation: Substituted epoxides. Chirality, 2008, 20(3-4):357-369, DOI: 10.1002/ chir.20448.
32. Goldsmith MR, Jayasuriya N, Beratan DN, Wipf P. Optical rotation of noncovalent aggregates. J. Am. Chem. Soc, 2003, 125(51):15696-15697, DOI: 10.1021/ja0376893.
33. Suarez M, Branda N, Lehn JM, Decian A, Fischer J. Supramolecular chirality: Chiral hydrogen-bonded supermolecules from achiral molecular components. Helv. Chim. Acta, 1998, 81(1):1-13, DOI: 10.1002/hlca.19980810102.
34. Orlova AV, Andrade RR, da Silva CO, Zinin AI, Kononov LO. Polarimetry as a Tool for the Study of Solutions of Chiral Solutes. ChemPhysChem, 2014, 15(1):195-207, DOI: 10.1002/cphc.201300894.
35. Kononov LO, Kornilov AV, Sherman AA, Zyryanov EV, Zatonsky GV, Shashkov AS, Nifant'ev NE. Synthesis of oligosaccharides related to HNK-1 antigen. 2. Synthesis of ß-propyl 3m-O-(3-O-sulfo-ß-D-glucuronopyranosyl)-lacto-N-tetraoside. Russ. J. Bioorg. Chem., 1998, 24(8):537-550 (in Eng.).
36. Schärtl W Light Scatteringfrom Polymer Solutions and Nanoparticle Dispersions. 1 ed. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2007, 191 p.
37. Goulart PN, da Silva CO, Widmalm G. The importance of orientation of exocyclic groups in a naphthoxyloside: A specific rotation calculation study. J. Phys. Org. Chem., 2017:e3708. DOI: 10.1002/poc.3708.
38. Franca BA, da Silva CO. Specific rotation of monosaccharides: a global property bringing local information. Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16(26):13096-13102, DOI: 10.1039/c4cp01316f.
39. Orlova AV, Tsvetkov DE, Kononov LO. Separation of levoglucosan supramers by high performance liquid chromatography. Russ. Chem. Bull, 2017, 66(9): 1712-1715, DOI: 10.1007/ s11172-017-1945-y.
40. Cheng H, Gadde RR. Absorbance Ratio Plots in High Performance Liquid Chromatography:
Some Software Problems and Remedies. J. Chromatogr. Sa, 1985, 23(5):227-230, DOI: 10.1093/chromsci/23.5.227.
41. Orlova AV, Zinin AI, Kononov LO. Mutarotation in aqueous solutions of D-levoglucosan: a supramer approach. Russ. Chem. Bull, 2014, 63(1):295-297, DOI: 10.1007/s11172-014-0429-6.
42. Орлова АВ, Кононов ЛО. Поляриметрия как метод изучения структуры растворов. Труды Второй всроссийской конфренции "Физика водных растворов" (Москва, 17-18 октября 2019). Москва, ИОФ РАН, 2019, с. 36-39, DOI: 10.24411/9999-012A-2019-10014.
43. Orlova AV, Kondakov NN, Zuev YF, Kononov LO. Temperature dependence of specific optical rotation of an aqueous levoglucosan solution. Russ. Chem. Bull, 2018, 67(11):2155-2156, DOI: 10.1007/s11172-018-2346-6.
44. Kononov LO, Tsvetkov DE, Orlova AV. Conceivably the first example of a phase transition in aqueous solutions of oligosaccharide glycosides. Evidence from variable-temperature 1H NMR and optical rotation measurements for a solution of allyl lactoside. Russ. Chem. Bull., 2002, 51(7):1337-1338, DOI: 10.1023/a:1020981320040.
45. Bagchi B. Water in biological and chemical processes: from structure and dynamics to function. Cambridge, Cambridge University Press, 2013, 356 p.
46. Kaatze U. Water, the special liquid. J. Mol. Liq, 2018, 259:304-318, DOI: 10.1016/j. molliq.2018.03.038.
Орлова Анна Витальевна к.х.н.
Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН
47, Ленинский просп., Москва 119991, Россия
Кононов Леонид Олегович
д.х.н.
Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН
47, Ленинский просп., Москва 119991, Россия [email protected].
