动态光散射研究盐对阳离子和阴离子空穴扩散系数的影响

尽管碱卤化物盐在所有生命系统中起关键作用，但用于描述盐水溶液性质的物理模型没有考虑特定的离子 - 离子相互作用。为了识别可能有助于蛋白质聚集的特定离子 - 离子相互作用，我们使用动态光散射（DLS）来探测带电空穴的聚集。在一系列碱金属卤化物存在下，带负电的1的 DLS测量显示，作为所加盐的阳离子性质的函数，主体1没有显着的聚集。只有在高浓度下才能通过1 H NMR光谱检测到痕量的聚集。相反，1很容易通过ZnCl 2聚集和沉淀。相反，尽管氟化物和氯化物不诱导带正电荷的主体2的聚集，但该空穴显示出作为溴化物和碘化物浓度的函数的显着聚集。具体而言，溴化物诱导少量但显着量的二聚化，而碘化物诱导极端聚集。此外，在这些情况下，宿主2的聚集也表现出阳离子依赖性，观察到趋势Na + > Li + > K + ≈Cs +。结合起来，这些结果揭示了水溶液中特定离子配对的新细节以及它如何影响溶解有机物的性质。

关键词： cavitand; 动态光散射; Hofmeister效应; 离子 - 离子相互作用; 水

虽然地球上的所有生命都依赖于水溶液，但我们对水分子超分子化学的理解是有限的。因此，正如史密斯雄辩地指出[1]，缓冲剂和盐对溶解有机物的影响可能非常令人困惑。为什么是这样？房间里众所周知的大象是，电解质的经典理论依赖于假设所有离子都是只产生非特异性相互作用的点电荷。这种影响无数。例如，pH测量基于扩展的Debye-Hückel理论[2]和Poisson-Boltzmann分布[3]来描述玻璃电极表面附近的离子分布。这些经典模型可能是诸如Li +之类的离子的良好近似和F -，但它们是离子的不良模型，不像硬点电荷那样[4]。相应地，IUPAC建议研究人员避免将pH值测量值控制在0.1 M以上，以尽量减少误差[5]。相关问题在于Derjaguin，Landau，Verwey和Overbeek（DLVO）理论作为水分散体聚集的模型。DLVO通常在数量上取得成功，但它无法预测离子特异性效应[4,6,7]。类似地，越来越明显的是Hofmeister和反向Hofmeister效应[8,9] - 最常见的就盐如何影响生物大分子 - 只能在特定的离子 - 离子，离子 - 水和/中完全理解。或离子 - 大分子相互作用[4,10,11]。

尽管已经进行了许多尝试来修正这些和其他经典模型[4]，但由于我们对单个离子的特定超分子性质缺乏了解，因此成功受到限制。因此，超分子化学家（通过他们的培训需要相互作用的特异性）有机会帮助建立对水中离子特异性相互作用的充分理解，并帮助将令人不安的大象带出室外。

最近，我们证明了宿主分子如何产生Hofmeister [12,13]和反向Hofmeister效应[14]。关于前者，我们已经展示了SCN等溶剂化不良的阴离子-对非极性表面有亲和力。因此，它们可以在宿主 - 客体络合事件中与两个非极性表面之间的相互作用竞争，并且可以诱导疏水效应的明显弱化，类似于这些阴离子如何部分地展开蛋白质。或者，溶剂化不良的阴离子也可与阳离子基团紧密结合，诱导电荷中和，并产生聚集和/或沉淀。换句话说，它们也可以引起疏水效应的明显增加。这是反向的Hofmeister效应，并且在复杂的生物大分子中，我们推测这两种效应都在起作用，并且在非常一般的术语中，它们之间的平衡决定了特定条件下特定大分子的性质。阳离子也可以诱导Hofmeister效应，但这些通常要弱得多，我们认为这有两个原因。首先，简单的金属阳离子通常比可以诱导Hofmeister效应的可比阴离子更强烈地溶剂化。其次，在生物大分子中占主导地位的阴离子是羧酸盐，磷酸盐和硫酸盐，这些强溶剂化意味着阳离子很难形成离子对并诱导Hofmeister效应。

为了进一步探索这些想法，我们在这里报告两个深腔腔体的反应，八羧酸盐1（反离子Na +）[15,16]和正位数2（反离子Cl -）[14]（图1），对不同的盐使用动态光散射（DLS）[17-20]。分别用羧酸盐和三甲基铵基团官能化，预期这些主体具有独特的离子配对性质，因此对加入的盐具有非常不同的反向Hofmeister反应。更具体地，八羧酸盐1和正二价2具有非极性空腔，可以作为阴离子（但不是我们所知的阳离子）结合位点。与带正电荷的空穴2结合的阴离子强于带负电的1 [13,14]，但是与1结合的阴离子可以强到4.60千卡mol -1。宿主2具有第三阴离子结合位点，其形式为在主要碗状物“下”的三甲基铵冠[14]，并且相应地，冠状物1的四种螯合羧酸盐可以是合理的阳离子结合位点。此外，除了这些特定的腔和冠部位，各个电荷组为1和2 可以作为相反电荷离子的弱（伪特异性）结合位点。

报告的流体动力学直径使用斯托克斯 - 爱因斯坦方程（方程式1）计算，其假定主体1是球形颗粒，

其中D是扩散常数，k b是玻尔兹曼常数，T是温度，η是溶液的粘度，r H是流体动力学半径。

在所有情况下，在最初20mM浓度的NaOH下，由1诱导的光散射很弱。这导致由测量的散射光波动产生的相对平坦的自相关函数。因此，记录的宿主大小异常小且高度可变，覆盖1.0至1.7nm的范围（图2）。这与分子模型相比较，其显示主体1近似于具有≈2.0nm的边的反立方体（方形反棱镜）。1的弱光散射归因于主体的高电荷密度和溶液的低离子强度，导致主体分子之间显着的库仑相互作用[24]。用不同的盐滴定样品导致更强的光散射，并且主体的流体动力学直径明显增加到更逼真的≈2nm。然而，在所有情况下，阳离子的性质都没有可察觉的效果; 每个金属离子导致的流体动力学直径为1的2.1±0.2纳米（表1）。这些结果的不变性揭示了羧酸盐作为水溶性基团的能力。尽管其p K a对于中性或生理pH下的去质子化可能不是最佳的，但其小尺寸和相对高的水合自由能（-373kJ mol -1）确保离子配对效应不强。这通过1 H NMR光谱进一步证实（支持信息文件1，图S3），其中仅显示了痕量的主机聚合（≈5％）。此外，即使在100mM盐浓度下，1 H NMR光谱也未显示Cs +与四种羧酸盐冠部的任何显着关联。因此，虽然这个冠是最明显的潜在阳离子结合位点，但我们在这里看不到特定络合的证据。更一般地，尽管的高电荷密度1，一价碱金属离子不能与其关联到足以诱导显著聚集和反向霍夫迈斯特效果。然而，这不是二价金属离子的情况，二元金属离子被公认为与羧酸盐强烈相互作用并诱导聚集[25]。因此，加入ZnCl 2进行目视检查，得到100mM盐浓度，发现宿主大量沉淀。回到生物大分子中的大多数阴离子基团被强烈溶剂化的观点，有趣的是考虑到环境中碱金属离子的流行对生物大分子施加进化压力以选择羧酸盐，磷酸盐和硫酸盐并因此最小化离子配对的想法。 ，电荷中和，以及生命系统中的有害沉淀效应。