Comportamiento volumétrico de la DL-valina en soluciones acuosas de nitrato de sodio a diferentes temperaturas

Páez-Meza, Manuel; Ramos-Montiel, Jorge; Espriella-Vélez, Nicolás De La; Páez-Meza, Manuel; Ramos-Montiel, Jorge; Espriella-Vélez, Nicolás De La

doi:10.1016/j.recqb.2016.11.001

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TIP. Revista especializada en ciencias químico-biológicas

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TIP vol.20 no.1 Ciudad de México Jan./Jun. 2017

https://doi.org/10.1016/j.recqb.2016.11.001

Artículos originales

Comportamiento volumétrico de la DL-valina en soluciones acuosas de nitrato de sodio a diferentes temperaturas

Volumetric behavior of the DL-valine in aqueous solutions of sodium nitrate at different temperatures

Manuel Páez-Meza¹^*

Jorge Ramos-Montiel¹

Nicolás De La Espriella-Vélez²

^¹Programa de Química, Facultad de Ciencias Básicas, Universidad de Córdoba, C.P. 230002, Montería, Colombia

^²Programa de Física, Grupo GAMASCO, Facultad de Ciencias Básicas, Universidad de Córdoba, C.P. 230002, Montería, Colombia

RESUMEN

Se determinaron las densidades de la DL-valina (Ácido 2-amino-3-metilbutanoico) en soluciones acuosas de nitrato de sodio en el intervalo de temperaturas desde 283.15 K hasta 318.15 K usando un densímetro de tubo vibratorio Anton Paar DMA 5000. Se calcularon: los volúmenes molares aparentes, los volúmenes molares aparentes a dilución infinita, la segunda derivada de los volúmenes molares parciales a dilución infinita con respecto a la temperatura, así como los volúmenes molares parciales de transferencia y los números de hidratación. Los resultados obtenidos se discutieron en términos de las interacciones predominantes en solución, encontrándose que la DL-valina tiene un efecto disruptor de la estructura del solvente y que a dilución infinita predominan las interacciones soluto-solvente entre el grupo isopropil del aminoácido y los iones sodio y nitrato.

Palabras clave densidad; DL-valina; soluciones acuosas; volumen molar aparente; volumen molar parcial de transferencia

ABSTRACT

Densities of DL-valine (2-amino-3-methylbutanoic acid) in aqueous solutions of sodium nitrate were determined at temperatures ranging from 283.15 to 318.15 K using an Anton Paar DMA 5000 vibrating tube densitometer. The apparent molar volume, infinite dilution apparent molar volume, second derivative of the infinite dilution partial molar volume with respect to temperature, partial molar volume of transfer at infinite dilution and the number of hydration were calculated. The results obtained were discussed in terms of the dominant interactions in solution, it was found that the DL-valine has a disruptor effect in the structure of the solvent and that at infinite dilution solute-solvent interactions are dominant between isopropyl group the amino acid and sodium and nitrate ions.

Keywords density; DL-valine; aqueous solution; apparent molar volume; partial molar volume of transfer

INTRODUCCIÓN

Es bien conocido que el comportamiento y las propiedades moleculares de las proteínas en las mezclas acuosas es gobernado por muchos factores, como: estructura química, propiedades del disolvente, pH, electrolitos presentes en solución, entre otras¹. La fuerte interacción entre electrolitos y proteínas es la causa de la desviación del comportamiento ideal. Por tanto, este hecho es quizás una de las razones por la que debe estudiarse la influencia de los electrolitos sobre el comportamiento fisicoquímico de las proteínas.

No obstante, ya que este estudio resulta inviable por no decir imposible, debido a la compleja organización estructural de estas macromoléculas biológicas, se recurre al estudio de las interacciones de los bloques de construcción de las proteínas (aminoácidos) en soluciones acuosas de electrolitos, con el fin de entender los finos detalles asociados al comportamiento volumétrico². Por esta razón, es evidente que un estudio directo de las proteínas resulta difícil³ y debido a ello en los últimos años se han usado diversos aminoácidos y péptidos de bajo peso molecular como compuestos modelos en soluciones salinas, con el fin de simular estos complejos ambientes biológicos⁴-⁷. De hecho, existen extensos estudios de propiedades volumétricas y termoquímicas sobre esta área de investigación⁸-¹¹.

Además de los argumentos expuestos, otra razón no menos importante está asociada al hecho de que los aminoácidos y péptidos son las unidades estructurales fundamentales de las proteínas, péptidos, ciertos tipos de hormonas, antibióticos y muchos otros compuestos de relevancia biológica. Generalmente, se reconoce que en ausencia de datos termodinámicos experimentales para estas macromoléculas, los aminoácidos y péptidos pueden servir como modelos útiles para la estimación de sus propiedades¹²-¹⁵.

En virtud a lo anterior y dada la trascendencia del tema, en este trabajo se estudian algunas propiedades volumétricas de soluciones de DL-valina en mezclas acuosas de nitrato de sodio a diferentes concentraciones y a las temperaturas de 283.15, 288.15, 293.15, 298.15, 303.15, 308.15, 313.15 y 318.15 K, con el fin de predecir el efecto que causa la adición de una sal sobre el comportamiento de los aminoácidos. Los resultados obtenidos se discuten en términos de las interacciones predominantes en solución.

MATERIALES Y MÉTODOS

Reactivos

Se empleó DL-valina (Alfa Aesar) y nitrato de sodio (Sigma-Aldrich) ambos con una pureza del 99%. Antes de su uso la DL-valina fue recristalizada dos veces en soluciones acuosas de etanol y secada al vacío a 348 K durante 6 h, después se almacenó en un desecador sobre P₂O₅. El agua utilizada fue desgasificada y doblemente destilada en medio alcalino con KMnO₄ para eliminar la materia orgánica¹⁶, obteniéndose con una conductividad inferior a 2 μS cm^-1.

Preparación de las soluciones

En este trabajo, se prepararon cinco solventes acuosos de nitrato de sodio a concentraciones de (0.0000, 0.0106, 0.0413, 0.1009, 0.4013 y 0.9014) mol kg^-1 que fueron mezclados con cantidades específicas de DL-valina hasta obtener concentraciones en el intervalo de 0.0000 mol kg^-1 hasta 0.4000 mol kg^-1. Las incertidumbres relativas (expresadas en porcentaje) para las concentraciones molales se encontraron en el intervalo de 0.02% a 0.28%, usando la ecuación (1):

(1)

Donde M es la masa molar de la DL-valina, W ₂ y W ₁ es la masa de soluto y solvente respectivamente, ΔM es la incertidumbre asociada a la masa molar de la DL-valina y ΔW es la incertidumbre de la balanza analítica utilizada marca Precisa (±1×10^-5 g).

Determinación de la densidad

Las densidades de las soluciones fueron determinadas en un densímetro de tubo vibratorio Anton Paar DMA 5000, con una incertidumbre de ±1×10^-5 g cm^-3 y un control de temperatura de ±0.001 K desde 283.15 K hasta 318.15 K a intervalos de 5 K. Se verificó el buen funcionamiento del equipo, determinando la densidad del agua bidestilada a diferentes temperaturas, y los datos obtenidos resultaron en buen acuerdo con los reportados en literatura¹⁷-¹⁸ como se observa en la Tabla I.

Tabla I Densidades del agua bidestilada a diferentes temperaturas: a. Este trabajo, b. Ref.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las densidades obtenidas para la DL-valina en mezclas acuosas de NaNO₃ aumentan conforme incrementan las concentraciones del aminoácido y del nitrato de sodio, pero disminuyen con el incremento de la temperatura como se observa en las Figuras 1 y 2 respectivamente.

Figura 1 Densidades de la DL-valina en mezclas acuosas de NaNO3 (■ 0.0000, × 0.0106, ▴ 0.0413, ♦ 0.1009, + 0.4013, ● 0.9014) mol kg-1 a temperatura de 298.15K.

Figura 2 Densidades de la DL-valina en mezcla acuosa de NaNO3 0.0106mol kg-1 a diferentes temperaturas. (Todos los sistemas acuosos de NaNO3 estudiados presentan la misma tendencia en sus datos).

Los valores de los volúmenes molares aparentes V _ϕ para la DL-valina en estas mezclas acuosas de NaNO₃, fueron calculados a partir de los datos de densidad utilizando la ecuación (2)¹⁹.

(2)

Donde M es la masa molar de la DL-valina, m es la molalidad del aminoácido en las mezclas acuosas de NaNO₃, ρ y ρ ₀ son la densidad de la solución (DL-valina en mezclas acuosas de NaNO₃) y la densidad del solvente (mezclas acuosas de NaNO₃) respectivamente. Las incertidumbres relativas (expresadas en porcentaje) para los volúmenes molares se encontraron en el intervalo de 0.1% a 2.0%, usando la ecuación (3):

(3)

Donde Δρ es la incertidumbre del densímetro y Δm es la incertidumbre asociada a la concentración de las soluciones. El término de mayor incertidumbre resulta ser el tercero dentro del paréntesis al lado derecho de la ecuación (3).

Los resultados para las densidades y los volúmenes molares aparentes obtenidos son reportados en la Tabla II. La variación de V _ϕ con respecto a la concentración molal se correlacionó adecuadamente por medio de la ecuación de Masson a las temperaturas de trabajo²⁰, a fin de evaluar los volúmenes molares aparentes a dilución infinita V _ϕ ⁰ utilizando la ecuación (4). Para ello se toma la región de mayor concentración donde la tendencia de V _ϕ en función de m ^1/2 es lineal; este procedimiento para el cálculo de V _ϕ ⁰ ha sido previamente utilizado por Frank y Smith²¹, y es comúnmente aceptado debido a que la incertidumbre experimental de V _ϕ aumenta a medida que la concentración disminuye.

(4)

Tabla II Densidades ρ y volúmenes molares aparentes V _ϕ para la DL-valina en mezclas acuosas de NaNO₃ a las temperaturas de 283.15 hasta 318.15K

Donde S _V es la pendiente límite experimental²².

En la región de dilución infinita, el volumen molar aparente es igual al volumen molar parcial de la DL-valina V _ϕ ⁰ =V¯₂⁰²³, y los resultados obtenidos para V _ϕ ⁰ se presentan en la Tabla III, observándose que ellos disminuyen con el incremento de la concentración del cosolvente NaNO₃, lo cual puede ser interpretado como una contracción del volumen a dilución infinita debido al incremento de las interacciones soluto-cosolvente. Así mismo, los valores de V _ϕ ⁰ aumentan con el aumento de la temperatura, lo que podría ser atribuido a un debilitamiento de las interacciones que resultan del incremento de la energía cinética de las partículas.

Tabla III Volúmenes molares aparentes a dilución infinita V _ϕ ⁰ para la DL-valina en mezclas acuosas de NaNO₃ a las temperaturas de 283.15, 288.15, 293.15, 298.15, 303.15, 308.15, 313.15 y 318.15K

También se analizó el efecto de la temperatura sobre el comportamiento del volumen molar aparente a dilución infinita V _ϕ ⁰ y éste se discute en términos de las interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas y efecto del soluto sobre la estructura del solvente¹⁴. Para lo cual, los valores experimentales de V _ϕ ⁰ fueron correlacionados con la temperatura usando la ecuación (5).

(5)

Donde A, B y C son parámetros ajustables y T es la temperatura absoluta. En particular para estos sistemas los valores de ∂² V _ϕ ⁰ /∂T ² resultaron positivos para la mezcla binaria DL-valina + agua y negativos para la DL-valina + mezclas acuosas de NaNO₃, como se observa en la Tabla IV. Lo cual indica, según Hepler que en el primer sistema la DL-valina tiene un efecto formador de la estructura del agua; mientras que en los demás sistemas, la DL-valina tiene un efecto disruptor de la estructura del solvente mixto (mezclas acuosas de NaNO₃)²⁴

Tabla IV Valor de ∂² V _ϕ ⁰ /∂T² de la DL-valina en mezclas acuosas de NaNO3 a diferentes temperaturas

Para examinar las interacciones moleculares predominantes en solución se determinaron los volúmenes molares parciales de transferencia a dilución infinita △V _ϕ ⁰ que fueron obtenidos con la ecuación (6) y los resultados se presentan en la Tabla V.

(6)

Tabla V Volúmenes molares parciales de transferencia a dilución infinita ΔV _ϕ ⁰ para la DL-valina en agua hasta las mezclas acuosas de NaNO₃

Los valores negativos obtenidos para ΔV _ϕ ⁰ de la DL-valina en las mezclas acuosas de NaNO₃ podrían explicarse con ayuda del modelo de superposición de coesferas hidratadas²⁵ y del concepto de que en el estado de dilución infinita las interacciones soluto-soluto están ausentes²⁶-²⁷. Además, de acuerdo con Mishra y Ahluwalia, los valores negativos de los volúmenes de transferencia obtenidos en este trabajo son el resultado del predominio en solución de la interacción soluto-cosolvente: ion-hidrofóbica, que ocurre entre el grupo isopropil -CH(CH₃)₂ del aminoácido DL-valina y los iones Na⁺ y NO₃ ⁻ del cosolvente⁸. Mientras que los valores negativos para ΔV _ϕ ⁰ son el resultado del efecto que pudiera tener el nitrato de sodio sobre las moléculas de agua en las coesferas de hidratación y sobre la molécula de soluto²⁸.

Consecuentemente, el predomino de dichas interacciones produce un aumento en el número de moléculas de agua liberada desde la esfera de solvatación hacia la fase voluminosa, produciéndose así una disrupción local en la estructura del solvente²⁹-³⁰, este resultado es consistente con el criterio de la segunda derivada del volumen molar a dilución infinita con respecto a la temperatura, como lo sugiere el análisis de ∂²V20/∂T ² .

Por otra parte, los valores negativos obtenidos para ΔV _ϕ ⁰ pueden ser también explicados con ayuda de la ecuación (7) propuesta por Shahidi y colaboradores³¹.

(7)

En esta construcción, los volúmenes molares parciales a dilución infinita son consecuencia de las siguientes contribuciones: ΔV _VW que es el volumen de van der Waals, ΔV _V es el volumen asociado a los espacios vacíos en solución y ΔV _S es el volumen de contracción debido al efecto de electrostricción. Asumiendo que ΔV _VW y ΔV _V tienen la misma magnitud en agua que en soluciones acuosas, es decir son nulos, se deduce que cualquier variación de los volúmenes de transferencia es sólo consecuencia del efecto de electrostricción V _S²⁹. El signo negativo para ΔV _ϕ ⁰ indica una disminución en el volumen a causa del efecto de electrostricción.

Esta situación nos advierte, que la presencia del nitrato de sodio en el sistema (DL-valina + mezclas acuosas de NaNO₃) aumenta el efecto de electrostricción alrededor de la DL-valina, como lo reflejan los números de hidratación, que se obtienen a continuación:

Los números de hidratación N _H para la DL-valina a cada temperatura y concentración de NaNO₃ se calcularon con ayuda del modelo propuesto por Millero³², a partir del volumen molar parcial del aminoácido, mediante la ecuación (8).

(8)

Donde V¯₂⁰ es el volumen molar parcial a dilución infinita de la DL-valina obtenido experimentalmente, V¯₂⁰(int) es el volumen molar parcial intrínseco de la DL-valina, que se puede expresar como la adición del volumen de van der Waals y el volumen debido al efecto de empaquetamiento³³, V¯₂⁰(elect) es el volumen molar parcial de electrostricción debido a la hidratación del aminoácido. Los valores de V¯₂⁰(int) pueden ser obtenidos del volumen molar de un cristal de la DL-valina utilizando la ecuación (9).

(9)

Donde V¯₂⁰(cristal) es el volumen molar de los cristales del aminoácido, y se obtiene dividiendo la masa molecular de la DL-valina entre su densidad en estado puro³⁴. Esta ecuación fue originalmente usada por Millero, para evaluar el comportamiento de aminoácidos en agua; sin embargo, también ha sido usada por otros investigadores en solventes acuosos mixtos³⁵-⁴⁰. Una vez conocido el volumen de electrostricción es posible determinar la cantidad relativa de moléculas de agua alrededor del aminoácido hidratado utilizando la siguiente ecuación:

(10)

En este modelo se asume que por cada molécula de agua que pase desde la fase voluminosa hasta la región cercana al aminoácido el volumen decrece en (V¯_E⁰-V¯_B⁰). En este trabajo, para evaluar el término (V¯_E⁰-V¯_B⁰) fueron usados los valores de: −2.9, −3.3, −4.0 cm³ mol^-1 a 288.15, 298.15 y 308.15 K reportados por Yan y colaboradores⁴, en adición a los extrapolados por Páez y colaboradores³⁶ de: −2.7, −3.1, −3.6, −4.6 y −5.5 cm³ mol⁻¹ para las temperaturas de 283.15, 293.15, 303.15, 313.15 y 318.15 K. Finalmente los números de hidratación pueden ser obtenidos como una aproximación utilizando la ecuación (10) y los resultados se muestran en la Tabla VI.

Tabla VI Números de hidratación N_H para la DL-valina en mezclas acuosas de NaNO₃ a diferentes temperaturas

Es evidente que los números de hidratación N _H de la DL-valina en las mezclas acuosas de NaNO₃ aumentan conforme aumenta la concentración del cosolvente y disminuyen con el aumento de la temperatura. Este hecho sugiere que el aumento de las interacciones entre la DL-valina y los iones Na⁺ y NO₃ ⁻ del cosolvente generan un aumento en el efecto de electrostricción sobre las moléculas de agua, mientras que el aumento de la temperatura provoca una deshidratación de las especies solvatadas⁴¹.

CONCLUSIONES

En este trabajo se obtuvieron valores de densidad no reportados para el sistema de DL-valina en mezclas acuosas de NaNO₃ a las temperaturas desde 283.15 K hasta 318.15 K a intervalos de 5 K. A partir de los datos experimentales de densidad obtenidos se calcularon propiedades volumétricas encontrándose que los volúmenes molares aparentes a dilución infinita V _ϕ ⁰ resultaron positivos y disminuyen con el aumento de la concentración del NaNO₃ e incrementan con el aumento de la temperatura. La segunda derivada de V _ϕ ⁰ con respecto a la temperatura muestra que la DL-valina se comporta como un soluto disruptor de la estructura del solvente mixto (mezclas acuosas de NaNO₃). Los volúmenes molares parciales de transferencia a dilución infinita ΔV _ϕ ⁰ indican que las interacciones dominantes se establecen entre los iones Na⁺ y NO₃ ⁻ del cosolvente y la parte hidrofóbica del aminoácido, generando un aumento en la contracción del volumen a causa del efecto de electrostricción. Finalmente, los resultados de los números de hidratación N _H utilizando el método de Millero, muestran un efecto de deshidratación a medida que se incrementan los valores de temperatura; sin embargo, este parámetro no mostró sensibilidad a los cambios en los valores de la concentración del NaNO₃ en las mezclas.

Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad de Córdoba por el apoyo brindado para la realización de este trabajo.

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Recibido: 22 de Abril de 2016; Aprobado: 27 de Octubre de 2016

Autor para correspondencia. mspaezm@gmail.com

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