Полиэтиленамин, пара дилетантских вопросов

[win]

Здравствуйте!

:unsure:

Я не химик, поэтому вопросы, вероятно, дурацкие задавать буду. Но ситуация вынуждает.

Есть такой полимер - полиэтиленамин: [-CH2-CH2-NH-]n. Я его использую в качестве трансфекционного реагента, для введения нуклеин. кислот в клетки с разными "пора-терапевтическими" целями. В условиях физиологического pH 7.4 атомы азота в составе этого полимера протонируются, но не все. Дык вот мне надо точно описать

1. Степень этого процесса, т.е. какая часть атомов азота "с", какая "без" водородов. Я нашла одну древнюю статью, где авторы экспериментально показали, что каждый шестой азот при pH 7.4 с протоном. Статья лет 15 давности, и методология сомнительная. Нельзя ли это точнее предсказать?

2. Если молекула полимера линейна - все азоты имеют равные шансы поиметь протон. А если полимер с разветвленний структурой - часть азотов такая -N=, часть такая -NH-, а часть вообще -NH2. Можно ли вероятность протонирования таких атомов принять за 0 , 1 и 2?

 

Спасибо заранее!

[Jeffry]

Извиняюсь за "вопросом на вопрос", но:

 

1. Какова концентрация ПЭА в воде, и промеряется ли зависимость от концентрации? Если да, то можно попробовать посчитать.

2. Даже если молекула линейная, она свернута в такой дикий клубок, что вероятность протонирования для внешних атомов азота должна быть выше, чем для тех, что внутри клубка. К тому же должна быть зависимость от степени набухания клубка полимера в растворе.

3. Вероятность - величина между 0 и 1. Никак не должна быть двойкой.

[win]

Спасибо!

Мне надо слегка описать ситуацию, видимо.. а то мои вопросы совсем странно должны выглядеть. Я - врач исходно, занимаюсь мол. генетикой и ген. терапией. Подход к ПЭА у меня сугубо утилитарный. Концентрации с кот. я работаю очень низкие - 10 .. 100mg/L, т.е. этот фактор, мне кажется, уже роли большой играть не должен. Я "формирую" комплексы разных по размеру (5-10кДа) и структуре ПЭА с молекулами РНК (около 13кДа), и трансфецирую ими клетки. Эффективность комплексообразования и стабильность комплексов очень зависит от структуры полимеров. Сейчас я работаю с группой математиков, кот. пытаются мои практические упражнения симулировать, формально это зовется molecular dynamics simulation, сначала они строят модель каждой из молекул, потом считают энергию их взаимодействия (электростат., т.к. ПЭА и РНК разно-заряжены в физиолог. среде). В процессе этих симуляций, нужно "навесить" на полимер нужное кол-во протонов. Им (математикам) все равно - куда и сколько. Вот они меня и спрашивают - "как будем ПЭА протонировать"? Мне надо что-то близкое к правде ответить... Единственный источник, кот. я упоминала, я могу выслать, чтобы не пересказывать. Т.е. получается:

1. Концентрация такая низкая, что такую зависимость можно уже не учитывать. Тем более, что в мат. упражнениях, вообще работают с одной модельной молекулой.

2. Буду уже совсем детальна. Молекула имеет разветвл. структуру. Весит 5 кДа. Соотношение primary:secondary:tertiary amines - 25:50:25%. Т.е. если всего этих аминов, скажем 121, можно легко подсчитать сколько каких. На поверхности, вероятно, все "primary", может еще кто из "secondary".

Больше ничего вразумительного сказать не могу, хотя, не могу не согласиться - вероятность протониривания внешних атомов выше.

3. Ок. 0 : 0.5 : 1.0

 

Возвращаюсь к своим баранам: как предсказать степень протониривания всей молекулы, и вероятность быть протонированным для каждого амина?

Огромное спасибо за время и внимание!

[Jeffry]

ПЭА-макромолекулы будут не только захватывать, но и возвращать протоны. Интересна также зависимость pH от температуры. Попробуйте посчитать протоны (по изменению pH) и протоно-места (число атомов азота) отдельно и соотнести. Для мол.веса 5000 получается число атомов азота около 120 на макромолекулу.

Кроме того, соседние (вдоль цепи полимера) атомы азота вряд ли примут протоны одновременно.

[gvozd]

Не эту статью имели в виду?

http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?IA=WO2...mp;DISPLAY=DESC

 

The overall protonation of PEI at pH = 7 is approximately 20% whereas the overall protonation at pH = 5 is approximately 45 % (Suh, J.; Paik, H. J.; Hwang, B. K. Bioorg. Chem. 1994,22,318).

 

Структура ведь такая?

 

В таком случае третичный и вторичный атом азота протонируется приблизительно одинаково, а первичный в последнюю очередь.

[win]

Да, статья илменно эта. И структура именно такая.

Я правильно понимаю, что амины, имеющие две или три связи с углеродом (-N=, -NH-) протонируются быстрее и охотнее, чем те что висят на концах цепей (-NH2)? А почему, есть ли этому какое-нибудь вразумительное обьяснение? И есть ли между ними (вторичными и третичными) разница? И как быть с тем, что молекула "свернута в клубок" и внешние амины протонируются легче, чем внутренние? В разговоры про зависимость от разных факторов, типа Т или концентрации, я не хочу углубляться, т.к. я все равно эти факторы в моих экспериментах я не изменить, не промерять не могу.

Спасибо всем снова!

[gvozd]

Я правильно понимаю, что амины, имеющие две или три связи с углеродом (-N=, -NH-) протонируются быстрее и охотнее, чем те что висят на концах цепей (-NH2)? А почему, есть ли этому какое-нибудь вразумительное обьяснение? И есть ли между ними (вторичными и третичными) разница?

 

Смотрим константы диссоциации (Гордон, Форд. Спутник химика):

этиламин-рК=10.8

диэтиламин-рК=11.09

триэтиламин-рК=11.01

Основность определяется электронной плотностью на атоме азота. Алкилы более "донорны", чем водород. Поэтому замена водородов в амине на алкил приводит к увеличению основности. А с третичными начинает вмешиваться стерический фактор, но для протона он не настолько существенен, как индукционный эффект (смещение электронной плотности от алкила к азоту). Поэтому основность третичного выше первичного, но чуть меньше вторичного из-за стерики.

К сожалению, я не специалист в аналитике. Но неужели нельзя просто оттитровать аликвоту раствора соляной кислотой известной концентрации и по кривой титрования определить степень протонирования?

[Vova]

В идеале можно построить потенциометрическую кривую рН - V(HCl). Плошадки на этой кривой будут соответствовать аминогруппам с разными рК.

Но на практике такая кривая может получиться размытой.

[win]

Спасибо!

Я же ни химик, у меня нет ни опыта ни условий чтобы "оттитровать аликвоту раствора" или "построить потенциометрическую кривую". Мне казалось, что на мой вопрос можно ответить исходя из "теории". Прочитав Ваши ответы, воскресив в памяти школьные познания и почитав Гордона....

Я имею молекулу ПЭА, в ней грубо 120 аминов, из них 30 - первичных, 60 - вторичных и 30 третичных. в эксперименте показано, что каждый шестой амин (т.е. 20) протонирован, мне надо выяснить сколько из них первичных, сколько вторичных, сколько третичных. Наверно, это можно сделать через константу диссоциации амина как основания ... дальше, пожалуйста, проверяйте тщательно .. :unsure:

pKb=pKw-pKa => для [=N-]: pKb=14-11.01=2.99

pKb=-lgKb => для [=N-]: pK=-(10`2.99)=-977.2; аналогично [=N]:-812.8, [-N]:-1559.5.

 

Теперь простите мою безграмотность! Если Kb=[NH+]+[OH-] / [N], то как дилетанту понять ... сколько первичных, вторичных и третичных аминов протонировано, если их всего таких "протонированных" 20?