A Colorful Laboratory Investigation of Hydrophobic Interactions, the Partition Coefficient, Gibbs Energy of Transfer, and the Effect of Hofmeister Salts.

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1 A Colorful Laboratory Investigation of Hydrophobic Interactions, the Partition Coefficient, Gibbs Energy of Transfer, and the Effect of Hofmeister Salts 최준범 신진영 JCE.2012 June 5, 2012

2 INDEX Abstract Background Experiments A (with Result)
Experiments B (with Result) Hazards Discussion Reference

3 Abstract ∙ 소수성 상호 작용에 대한 열역학적 설명은 대부분의 생화학 과정에서 다루어 지지만, 학생들에게 추상적이고, 정량화된 설명은 부족하다. ∙ 소수성 상호작용의 열역학을 다루는 교육실험은 거의 제시 되지 않았다. ∙ 실험을 통해 학생들은 알킬 사슬 길이, 온도, 호프 마이스터 염에 따라 소수성 상호작용의 변화를 정량화된 식을 통해 알아 볼 수 있다. ∙ 일반적인 오해는 물과 소수성 분자가 작용하는 반 데르 발스 힘이 약하기 때문에 섞이지 않는다는 것이다. 그러나 물에서 소수성분자의 거동은 분자간의 힘보다 반응의 엔탈피와 엔트로피같은 열역학적 변수와 더 관련이 있다는 것을 알 수 있다. 넣을려면 넣자!!!!

4 소수성 상호작용 (Hydrophobid interaction)
Background 소수성 상호작용 (Hydrophobid interaction) *변화 요인 * 1.알킬기의 수 분자구조에서 알킬기가 많을수록 소수성 상호작용의 정도가 증가한다. 2.온도 온도가 증가함에 따라 소수성 상호 작용의 강도 또한 증가한다. ∙ 소수성 상호 작용은 물과 소수성 분자 사이의 관계를 설명한다. 소수성 분자들은 물과의 접촉을 최소화 하기 위한 포집형태를 만들고 이러한 소수성 분자는 보통 물 분자와 상호 작용하지 않는 긴 탄소 사슬을 가지고 있다.

5 (Partition coefficient)
Background 몰 흡광계수 흡광도 (Partition coefficient) 시료의 길이 시료의 농도 ∙ 흡광도는 주어진 물질층이 빛을 흡수하는 정도를 나타내는 양이다. 위와 같은 식은 흡광도가 흡수하는 물질의 농도에 비례한다는 Beer법칙과 흡광도가 흡수층의 두께에 비례한다는 Lambert법칙을 조합한 법칙이다. 우리는 이 법칙을 통해 구하려는 값은 몰농도 C 입니다. I는 투과후 세기 I제로는 투과전 세기 이 비율을 투과율 이라고 합니다. 이 값의 -log 를 취한값이 흡광도 A가 됩니다.

6 (Partition coefficient)
Background 분배계수 (Partition coefficient) ∙ 서로 섞이지 않는 두 액체 X(aq)와 X(org) 가 두 액체 층을 이루고 있을떼, 두 액체에 녹을 수 있는 용질 M을 넣어 주면 두 액체 층에 분배되어 평형을 이루게 되고 그 농도의 비를 표현한 값이다. .

7 Background 분배계수를 통한 Δtrans G° 표현 P 반응지수 Q

8 Experiments A ∙ A 실험은 각가 2가지의 변화를 주어 진행된다.

9 Experiments A-1 ∙ 학생들은 소수성 작용을 알아 볼 수 있는 아래와 같은 시약이 주어진다.
각 시약은 같은 구조를 하고 있고, 끝에 질소에 붙어있는 알킬기의 수 만 다릅니다. 이는 우리가 소수성 상호작용이 알킬기의 갯수에 대한 영향을 알아보는 좋은 재료가 될 수 있습니다.

10 Experiments A-1 Part A-1 알킬기와 소수성 상호작용
1. 학생들은 50mM MES(4-morpholineethanesulfonic acid) , 100mM TRIS (2-amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol), 50mM acetate를 이용하여 pH 7.0 의 MTA Buffer solution을 33μM를 제공받는다. 학생들은 buffer solution 3mL에 33μM 만큼의 지시약이 담긴 수성층을 만든다. 2. 학생들은 각 지시약 용액 3.0mL를 큐벳에 넣는다. 3. 흄후드에서 학생들은 각 시험관에 사이클로헥센 3.0mL를 넣고 파라필름으로 덮어주고 약 30초 동안 흔들어 준다. 4. 분광계를 이용해 445nm에서 측정되는 흡광도를 기록한다.

11 Experiments A-1 Part A-1 알킬기와 소수성 상호작용
5. 학생들은 Beer-Lambert law를 이용해 지시약의 농도를 계산한다. * 각 지시약의 몰 흡광계수는 다음과 같다. (단위= L mol -1 cm-1) 메틸레드 에틸레드 프로필레드 (445nm에서 측정 된 결과) * 수성층과 유기층 모두 동일한 부피를 갖기 때문에 수성층의 농도 감소는 유기층의 농도 증가에 상응할 것이라 가정 할 수 있다. 6. 유기층의 농도는 수성층의 농도에 의한 차를 이용하여 구한다. 7. 학생들은 분배계수(P) 와 Δtrans G°=-RTlnP 를 이용하여 수성층에서 사이클로헥세인 층으로의 Δtrans G°를 계산한다.

12 Results A-1 ∙ 우선 학생들은 시각적으로 결과를 확인 할 수 있다. Part A-1 알킬기와 소수성 상호작용
실험 결과입니다. 학생들은 다음과 같이 색의 변화를 관찰 할 수 있었습니다. 학생들은 이를 통해 알킬기의 갯수가 많은 프로필 레드가 유기층인 사이클로 헥세인과 소수성 상호작용이 더 활발 하다는 것을 알 수 있습니다. 알킬기의 갯수가 증가한 propyl red 로 갈수록 사이클로헥세인 층의 색이 진해지는 것을 볼 수 있습니다. 표준반응깁스에너지를 통해 정량화하여 결과의 정확성을 더할 것입니다. (pH가 모두 6.2 이상이어서 노란색을 띠는 것이다.) cyclohexane 6.5 물은 7.0 ∙ 우선 학생들은 시각적으로 결과를 확인 할 수 있다.

13 Results A-1 계산 방법 1. A=ε C l 을 이용해서, C 값을 구한다.
Part A-1 알킬기와 소수성 상호작용 계산 방법 1. A=ε C l 을 이용해서, C 값을 구한다. 2. P= [X(org)] / [X(aq)] 값을 구한다. 다음은 계산 방법을 통해 결과를 확인해 보았습니다. 3. Δtrans G°= - RTlnP 를 이용하여 값을 구한다.

14 Results A-1 Part A-1 알킬기와 소수성 상호작용
특이한 점은 그래프에서 알킬기의 갯수가 0 인 methyl red 의 표준반응 깁스에너지값은 양수 인것으로 보아 소수성상호작용이 적고 친수성이 더 큰 것을 알 수 있고 사진에서도 물에 시약이 더 분배된 것을 확인할 수 있습니다. ∙ 학생들은 분자내의 알킬기의 비율이 클 수록 Δtrans G° 가 감소하는 것을 보고 이는 더 자발적이라는 것을 알 수 있다.

15 Experiments A-2 ∙ A-2 실험에서는, 소수성 상호작용을 온도에 따라 알아보는 것이다.
∙ T에 대한 선형회귀를 통해 표준반응 Gibbs 에너지 식에서 열역학 변수를 구할 수 있다. ∙ 1/T에 대한 선형회귀를 통해 Van’t Hoff 식에서도 또한 열역학 변수를 구할 수 있다. 반트호프식

16 Experiments A-2 Part A-2 온도와 소수성 상호작용
1.실험 A-1에서 얻은 propyl red tube를 취하여 약 10분 간 냉수 욕조에 담급니다. 6℃에서 사이클로헥산이 얼어 붙으면 얼음 욕조를 사용 할 수 없다. 2.학생들은 수조의 정확한 온도를 기록하고, 시험관 위의 파라필름 덮개를 고정하고 약 30초 동안 튜브를 흔드는 등 이전처럼 445nm에서 흡광도를 기록한다. propyl red 의 사용이유는 가장 소수성 상호작용이 강하기 때문이다. 냉수의 이유는 다시 평형을 느리게하고 반응시키기 위한 것 3.튜브를 10분 간 30℃ 수조로 옮기고 위의 과정을 반복하여 7℃ , 17℃ , 27℃ 일때 445nm 에서의 흡광도를 기록한다.

17 Experiments A-2 Part A-2 온도와 소수성 상호작용
4.학생들은 각 층에서 Propyl Red의 농도, 분배계수 및 Δtrans G° 값을 이전과 같이 계산한다. 5.깁스에너지를 온도와 같이 나타내어 선형회귀와 Gibbs–Helmholz 식을 이용해 엔탈피와 엔트로피를 구할 수 있다. 또한 온도의 역수에 회귀하면 반트호프 식을 얻을 수 있고 이를 통해 열역학 변수들을 계산할 수 있다.

18 Results A-2 lnP=-Δtrans G° RT Part A-2 온도와 소수성 상호작용
앞 선 그래프는 Y축이 표준반응 깁스에너지로 나타내었습니다. B의 그래프의 X축은 온도를 1로 나눈 값이고 Y축은 lnP의 값입니다. 공식을 이용하여 표현하면 온도가 증가 할수록 ln 함수에서 K 가 커지는 것을 알 수 있고, 이는 소수성 상호작용이 증가하였다는 것을 알 수 있습니다. ∙ A 그래프에서 온도가 증가함에 따라 Δtrans G° 는 더 음으로 되기 때문에 소수성 상호작용이 증가한다.

19 ∙또한 우리는 사이클로 헥세인층으로의 상호작용이 엔트로피의
Results A-2 Part A-2 알킬기와 소수성 상호작용 ΔS° ΔH° T 0.0586kJ/mol*K 12.7kJ/mol 1/T 0.0590kJ/mol*K 2.8kJ/mol 열역학적 요인 물 분자로 부터 자유로워 지므로 엔트로피가 증가하는 것이다. 이는 물에서 비극성 용매로의 소수성 분자의 전달이 규칙적인 상태에서 더 무질서상토로의 물 분자의 방출을 동반한다는 소수성 상호작용의 케이지 모형에 일치합니다. ΔH° > 0 ΔS° > 0 ∙또한 우리는 사이클로 헥세인층으로의 상호작용이 엔트로피의 지배되는 것을 알 수 있다.

20 Background - B ∙ Hofmeister 염이란 무엇인가? NH4+ > K+ > Na+ > Li+ > Mg2+ > Ca2+ > Guanidinium (Gu+)SO42- > HPO42- > AcO- > citrate > tartrate > Cl- > NO3- > ClO3- > SCN- (소수성 상호 작용 강화 – 소수성 상호 작용 감소) Hofmeister 염은 물에서 소수성 분자의 용해도를 향상시킬 수도 감소시킬 수도 있다. 염석효과 전해질이 수용액에 다량으로 유입되면 다른 것이 석출되거나 나오는 현상. 염의 전해질 이온들을 소수성 분자들 용액에 넣으면 친수하고 있던 부분이 깨지거나 혹은 더 생성되면서 소수성 상호작용이 증가하기도 감소하기도 하는 원리가 염석효과이다. 이 효과는 100 년 전에 Franz Hofmeister가 처음 발견했습니다. 그래서 이 이온들을 호프 마이스터 (Hofmeister) 시리즈라고 합니다.

21 Experiments - B pH 7.0 MTA 완충액에서 0.116 mg / mL 저장 용액 DCIP를 준비한다.
++여기서 DCIP의 몰 흡광 계수는 605 nm에서 측정되었고, 8100 L mol -1  cm  - 1  의 값이 얻 어졌다. 학생은 실험하기 위해 두 개의 Hofmeister 염을 선택하고 각각 적절한 양의 pH 7.0 MTA 완충액을 첨가하여 1.0 mL의 DCIP원액과 0에서 2.0 mL의 Hofmeister 염을 함유하는 용액을 만들었고 최종 수용액 3.0 mL를 첨가하였다.  흄 후드에서 학생들은 각 용액에 톨루엔 3.0 mL를 넣은후, 시험관을 파라 필름으로 덮고 각각 약 30 초 동안 흔들었다.  ++각 튜브의 수성 층의 605 nm에서 흡광도를 읽습니다.

22 Experiments - B (농도=흡광도 / 흡광계수 X 두께)
Beer-Lambert 법칙을 사용하여 각 시험관의 수층에서 DCIP의 최종 농도를 계산했습니다. (농도=흡광도 / 흡광계수 X 두께)

23 Results 두 가지 평형 표현식을 결합하여 수성 층에서 DCIP의 최종 흡광도에 기초한 분배 계수에 대한 표현식을 얻을 수 있다.

24 Results

25 Results

26 Results NH4+ > K+ > Na+ > Li+ > Mg2+ > Ca2+ > Guanidinium (Gu+)SO42- > HPO42- > AcO- > citrate > tartrate > Cl- > NO3- > ClO3- > SCN- (소수성 상호 작용 강화 – 소수성 상호 작용 감소) ∙ 시험 한 각각의 Hofmeister 염에 대해 학생들은 식  Δ trans  G  ° = - RT ln p를 사용하여  Δ trans  G  °를  계산하고  이를 Hofmeister 염의 농도를 나타내었다.

27 Results ∙ 예상 한 바와 같이, GITC는 DCIP와 톨루엔 사이의 소수성 상호 작용을 크게 감소시켜  Δ trans  G  ° 물에서 톨루엔에 이르기까지 덜 바람직 함.  이 결과는 일반적으로 Hofmeister 염이 물에서 소수성 분자의 용해도에 미치는 영향에 대해서 발견된 것과 일치합니다. ∙ 이것은 측정된 흡광도 뿐만 아니라 GITC의 농도가 증가함에 따라 톨루엔 층에서 분홍색의 감소를 보였다. ∙  또한 예상대로 황산암모늄은 DCIP와 톨루엔 사이의 소수성 상호 작용을 현저히 향상시켜 Δ trans  G  °를 보다 음으로  만들었다 .

28 Discussion 실험 이전에 어떤 요소가 소수성인지 여부를 결정하는 요인을 묻는 질문에 대부분의 학생들은 분자의 극성을 일반적으로 참조했습니다.  실험 후에, 그들은 동일한 질문을 받았고, 대부분은 요금 및 알킬 그룹의 수의 영향을 포함하는 보다 철저한 토론을 줄 수 있었습니다. 실험이 끝날 때까지 모든 학생들은 CH 2  의 수를 예측하고 실험적으로 확인할 수 있었습니다. 대부분의 연구자들은 다른 모든 요소가 동일하다고 결론을 내렸지 만, 한 분자에 전하가 존재하면 CH 2  그룹  의 수보다 우선순위가 높아진다  . 대부분은 propyl red에 대한  Δ trans  G  ° 대 온도 관계  를 정확하게 해석 할 수 있었는데  , 이는 고온에서 소수성 상호 작용이 증가했음을 나타냅니다.

29 Discussion 실험 2의 결과  Δ trans  G  °가 보다 감소하는 경향을 보아 Hofmeister 염이 물에서 소수성 분자의 용해도에 미치는 영향을 확인할 수 있다. DCIP / 물 / 톨루엔의 실험시스템이 Hofmeister 시리즈를 연구하고 학생을 소개하는데 적합한 시스템임을 의미합니다. 모든 학생들은 실험실이 소수성 상호 작용을 이해하는데 도움이 되었다고 밝혔습니다. 

30 Hazards 장갑과 눈 보호구를 착용해야 합니다.
일부 지시 염료는 발암물질로 의심되며 모든 지시약 을 그대로 취급해야 합니다. Acetone, Cyclohexane 및 Toluene은 인화성이며 피부 및 호흡기에 작극을 줄 수 있으므로 흄 후드에 서 처리해야 합니다.

31 Reference 1. Nelson , D. L.; Cox , M. M. In  Lehninger Principles of Biochemistry; W. H. Freeman and Company: New York,2008; pp  47– 49. 2. Aerts , T.; Clauwaert , J. Thermodynamic Parameters Involved in Hydrophobic Interaction  J. Chem. Educ.1986, 63, 993 [ACS Full Text  ], [CAS] 3. Serafin , J. M. Transfer Free Energy and the Hydrophobic Effect  J. Chem. Educ. 2003, 80, 1194 4. Tanford , C. The Hydrophobic Effect and the Organization of Living Matter  Science  1978, 200, 1012–1018 [CrossRef], [PubMed], [CAS] 5. Tawarah , K. M.; Abu-Shamleh , H. M. A Spectrophotometric Study of the Acid–Base Equilibria of  o -Methyl Red in Aqueous Solutions  Dyes Pigm. 1991, 17, 203– 215 [CrossRef], [CAS] 6. Abernethy , J. L. Franz Hofmeister. The Impact of His Life and Research on Chemistry  J. Chem. Educ. 1967,44, 177– 180 7. Wilson , E. K. A Renaissance for Hofmeister  Chem. Eng. News  2007, 85  (Nov 26) 47– 49 [ACS Full Text  ] 8. Kelly , T. R. A Simple, Colorful Demonstration of Solubility and Acid/Base Extraction Using a Separatory Funnel  J. Chem. Educ. 1993, 70, 848 9. Armstrong , J. M. The Molar Extinction Coefficient of 2,6-Dichlorophenol Indophenol  Biochim. Biophys. Acta 1964, 86, 194– 197

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