Hydrophobe Wirkung

Der Ursprung des hydrophoben Effekts ist nicht vollständig geklärt.Einige argumentieren, dass die hydrophobe Wechselwirkung meist ein entropischer Effekt ist, der von der Störung hochdynamischer Wasserstoffbrücken zwischen Molekülen flüssigen Wassers durch den unpolaren gelösten Stoff herrührt. Eine Kohlenwasserstoffkette oder eine ähnliche unpolare Region eines großen Moleküls ist nicht in der Lage, Wasserstoffbrücken mit Wasser zu bilden., Das Einbringen einer solchen Nicht Wasserstoffbindungsfläche in Wasser führt zu einer Störung des Wasserstoffbindungsnetzes zwischen Wassermolekülen. Die Wasserstoffbrücken werden tangential an einer solchen Oberfläche neu ausgerichtet, um eine Störung des wasserstoffgebundenen 3D-Netzwerks von Wassermolekülen zu minimieren, und dies führt zu einem strukturierten Wasser „Käfig“ um die unpolare Oberfläche. Die Wassermoleküle, die den „Käfig“ (oder Clathrat) bilden, haben eine eingeschränkte Mobilität. In der Solvationshülle kleiner unpolarer Partikel beträgt die Beschränkung etwa 10%., Beispielsweise wurde bei gelöstem Xenon bei Raumtemperatur eine Mobilitätseinschränkung von 30% gefunden. Bei größeren unpolaren Molekülen kann die Umorientierungs-und Translationsbewegung der Wassermoleküle in der Solvationshülle um den Faktor zwei bis vier eingeschränkt sein; somit steigt bei 25 °C die Umorientierungskorrelationszeit von Wasser von 2 auf 4-8 Pikosekunden. Im Allgemeinen führt dies zu erheblichen Verlusten bei der Translations – und Rotationsentropie von Wassermolekülen und macht den Prozess hinsichtlich der freien Energie im System ungünstig., Durch die Aggregation reduzieren unpolare Moleküle die dem Wasser ausgesetzte Oberfläche und minimieren deren störende Wirkung.

Der hydrophobe Effekt kann durch Messen der Trennkoeffizienten unpolarer Moleküle zwischen Wasser und unpolaren Lösungsmitteln quantifiziert werden. Die Verteilungskoeffizienten können in freie Transferenergie umgewandelt werden, die enthalpische und entropische Komponenten umfasst, ΔG = ΔH – TΔS. Diese Komponenten werden experimentell durch Kalorimetrie bestimmt., Es wurde festgestellt, dass der hydrophobe Effekt bei Raumtemperatur aufgrund der verringerten Mobilität von Wassermolekülen in der Solvationshülle des unpolaren gelösten Stoffes entropiebetrieben ist; Es wurde jedoch festgestellt, dass die enthalpische Komponente der Transferenergie günstig ist, was bedeutet, dass sie Wasser-Wasser-Wasserstoffbindungen in der Solvationshülle aufgrund der verringerten Mobilität von Wassermolekülen verstärkt. Bei der höheren Temperatur, wenn Wassermoleküle beweglicher werden, nimmt dieser Energiegewinn zusammen mit der entropischen Komponente ab., Die hydrophobe Wirkung hängt von der Temperatur ab, was zu einer „kalten Denaturierung“ von Proteinen führt.

Der hydrophobe Effekt kann durch Vergleich der freien Solvationsenergie mit Schüttwasser berechnet werden. Auf diese Weise kann der hydrophobe Effekt nicht nur lokalisiert, sondern auch in enthalpische und entropische Beiträge zerlegt werden.