正/逆Hofmeister效应在合成主体分子上的体现

一百多年前，Hofmeister博士观察到不同盐对蛋白质的溶解度有不同的影响，有些增加溶解度的称为盐溶（salting-in），降低溶解度的称为盐析（salting-out）。后续的研究表明，除了蛋白质在水溶液中的溶解度，Hofmeister效应对小到气体分子，大到DNA、蛋白质、高分子等溶质分子的理化性质都能产生重要影响，而这些改变大体都遵循固定顺序，被称之为“Hofmeister序列”（图1）。后来，人们又发现在某些特定条件下，存在着“逆Hofmeister效应（reverse Hofmeister effect）”，即体系中理化性质的改变程度与传统的盐的排序相反。

图1. Hofmeister序列。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

但是一百多年时间过去，学术界对Hofmeister效应的解释却一直没有定论。早期理论认为，这一现象主要由于不同盐离子对溶剂分子的作用强度不同，从而改变了溶剂分子与溶质分子的作用方式、溶剂化程度等，但近期的研究结果更倾向与盐离子与溶质分子的直接作用强弱不同。特别是逆Hofmeister效应，只有很少的例子被报道。因为正/逆Hofmeister效应对包括蛋白质、DNA、高分子在内的一系列分子理化性质有重要影响，所以从本质上理解该现象具有重大的理论和现实意义。

近期，美国杜兰大学（Tulane University）的Bruce C. Gibb（点击查看介绍）课题组通过该组设计合成的模型分子，研究了十多种Hofmeister阴离子与其结合强弱、作用机理以及与其溶解性的相关性，深入研究了超分子化学中的正/逆Hofmeister效应。相关论文发表在JACS上。

图2. 合成主体分子中的正/逆Hofmeister效应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

文章首先介绍了用于研究的模型分子（图3）。该组之前研究的表明，由八个羧酸阴离子环绕的主体分子穴状配体1的非极性碗状空腔（cavity）可以和salting-in阴离子结合，并且其结合常数强弱与Hofmeister序列相符，即，硬的、亲水性的、溶剂化强的salting-out阴离子结合力弱，而软的、疏水性的、溶剂化弱的salting-in阴离子结合力强。而在本文中，作者通过改性得到了由八个三甲铵阳离子环绕的主体分子2，除了保留了碗状空腔可以结合阴离子外，同时其底部冠状结构（crown）也可以结合阴离子。

图3. 阴离子和阳离子穴状配体结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者首先用¹H NMR筛选了三十余种阴离子钠盐，最终得到了十余种阴离子与主体2的空腔与冠状结构的结合常数，并与之前报道的主体1的结合常数进行比较。其结果如表1所示，主体2的两个结合位置其对阴离子的作用均普遍强于主体1。

表1. 不同阴离子对两种主体分子的结合常数。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

进一步的热力学分析显示，越“疏水”的salting-in阴离子与穴状配体的结合力越强。并且主体2八个正电荷取代基对其空腔提供了一个相对的正电场势能，作用力因此较强，而同样的由于正-负离子作用的存在，冠状结构也表现出了较强的结合能力。而且主体1与主体2空腔的电势差为1.5至2.3 kcal/mol，而且对越小的阴离子，对结和力的增强效果就越强。而通过之前对主体1的研究发现，阴离子在空腔的结合方式是半开放的。以溴离子Br⁻为例，其本身在水溶液中游离状态下平均结合约6.5个溶剂化水分子，其ΔG_hyd 约为 77 kcal/mol，因此与主体空腔结合不可能完全去除其溶剂化水。因此，阴离子和空腔底部将其溶剂化水分子“挤干”，而上部和主体一同暴露在溶液中，保持了溶剂化状态。对于冠状结构的结合常数，则遵循了相同的顺序。不过与空腔的疏水性作用力不同的是，该部分的最主要作用力来自于四个三甲基铵与阴离子直接的正-负离子的库仑力。而从表1的结果来看，对于大部分阴离子，其空腔的疏水作用强弱和冠状结构的结合力大体是相当的。然而通过图4的结合吉布斯自由能比较，可以发现每种离子对主体2空腔与冠状结构的结合力强弱也有明显的选择性。总体而言，Cl⁻、NO₃⁻、Br⁻、BF₄⁻、I⁻更倾向结合冠状部分而CF₃SO₃⁻、SCN⁻、BH₃CN⁻、ReO₄⁻、ClO₄⁻和PF₆⁻ 更倾向空腔。通过对阴离子的各种物理常数的相关性分析显示，和冠状结构结合度强弱相关性最好的是离子的水化数（R² = 0.83）。以体积几乎相同的两个离子高氯酸根（ClO₄⁻）和四氟化硼（BF₄⁻）比较可以发现，BF₄⁻与冠状结构及空腔的结合常数之比为34:1，而ClO₄⁻为1:1.8，这说明它们对冠状结构及空腔的选择性来自于阴离子的溶剂化状态，而非其电荷或者体积。该结果提示，对Hofmeister效应的理解应该注重与阴离子的水化数的变化。

图4. 不同阴离子对主体2空腔与冠状结构的结合常数。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

之后，作者通过动态光散射（DLS）和浑浊实验对由阴离子诱导的主体2聚集现象进行了研究，测定了每种阴离子的临界沉淀浓度（CPC），CPC值越小说明沉淀所需的该阴离子浓度越低，即其沉淀能力越强。结果如表2所示，顺序遵循逆Hofmeister序列。并通过结合力极强的金刚烷酸阴离子（Ada-CO₂⁻）填充空腔，确保阴离子只作用于阳离子的冠状结构，并比较了结合与没有结合Ada-CO₂⁻的主体2的聚集现象。

表2. 不同阴离子对是否结合Ada-CO₂⁻的主体2的临界沉淀浓度。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

其中，以F⁻、Cl⁻、Br⁻、I⁻四个阴离子为例，对浓度与聚集的关系进行了研究。对于结合力最弱的F⁻和Cl⁻来说，增加浓度没有引起任何的体积变化，主体2一直保持了单体状态。而对于结合力更强的Br⁻来说，单体状态的体积增大已经说明聚集现象一定程度的产生。而结合力最强的I⁻，可以很明显观察到在浓度到达12 mM时（远小于其CPC值100 mM），主体2已经主要以二聚物形式存在，而到78 mM时，其体积相当与大约23聚物。从上述结果可以看出，在DLS观察到的大分子沉淀的盐浓度都遵循逆Hofmeister序列，即CF₃SO₃⁻ < PF₆⁻ < ReO₄⁻< ClO₄⁻ < BH₃CN⁻< BF₄⁻ < SCN⁻ < CCl₃CO₂⁻< I⁻。而在Ada-CO₂⁻填充的主体沉淀测试中，由于Ada-CO₂⁻改变了主客体复合物的性质，从而导致起始聚集过程减弱直到突然的大量产生，以至于不能精确检测这一过程。因此，作者通过96孔板的沉淀浑浊实验进行检测，从而得到了表2中的Ada-CO₂⁻与主体2复合物的CPC值，并得到了针对这个复合物的逆Hofmeister序列为 PF₆⁻ > CF₃SO₃⁻～ ReO₄⁻> ClO₄⁻ > BH₃CN⁻ > BF₄⁻ > SCN⁻> I⁻ > CCl₃CO₂⁻。

综上可以看到，不同实验条件不同检测方法，得到的逆Hofmeister序列大体相同，但是有个别出入，并且没有一个直观表现形式可以直接反映逆Hofmeister效应，这与每个盐的特性有关。但是文章报道的主体2拥有的碗状空腔和冠状结构的结合性质，很好的反映正/逆Hofmeister效应以及其形成原因，但是并不能简单的通过阴离子与这两个结合位点的作用力强弱得到与Hofmeister序列的线性相关性。而且从文中实验结果也能看出，主体分子所模拟的大分子的正/逆Hofmeister效应，可对包括蛋白质在内的沉淀现象提供很好的简化，并且正负离子作用与阴离子结合疏水口袋的结合都对该过程有重要作用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ion–Hydrocarbon and/or Ion–Ion Interactions: Direct and Reverse Hofmeister Effects in a Synthetic Host

J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 4092–4099, DOI: 10.1021/jacs.8b00196

导师介绍

Bruce C. Gibb

http://www.x-mol.com/university/faculty/5917

（本文由PhillyEM供稿）