α-谷氨酸的手性薄膜稳定性理论和实验研究

1、-谷氨酸的手性薄膜稳定性理论和实验研究摘要自组装单层和多层膜（自组装膜）被用于控制不同晶系的多晶型性质。在以前的研究中，我们报道了a-L谷氨酸自组装多层膜在苯丙氨酸衍生物的中的稳定性。为了了解在苯丙氨酸以稳定的亚稳形式存在的倾斜性，我们对三种环境AL-谷氨酸结晶进行了理论计算（分子动力学）比较：正常生长（气相），苯丙氨酸和半胱氨酸添加剂。这些能量计算，结合实验数据（XRD和SEM）表明，（011）和（200）在Al-谷氨酸稳定中是至关重要的，并且在防止其转变为的形式稳定性中必不可少。从部分氨基酸构成薄膜亚稳态多晶型物的结晶化可以适用于其它多晶系统，如甘氨酸。此外，在这项工作中使用SAM的可能性

2、表面稳定热力学亚稳态结构证明，以及化学和物理属性，以多晶型的控制的理解，是素数的重视基础科学和可能在世界工业进一步影响。引言多形态是固体化学化合物存在于一个以上的结晶形式的一种情形。不同晶型物理性质有所不同，尽管有时候他们的气态和固态化学性质相同。热力学定律认为，在给定的温度和压力只有一种形式是稳定的。另一方面，动力学有时允许许多共存的阶段中，由于从所述的转化亚稳定的热力学稳定相是通过能量势垒障碍，在这种情况下，温度过高而不能通过，因此，热力学上有利的过渡形态是被禁止的，亚稳形式将持续下去。固态化学，材料科学，药理学和其它应用等对控制多态性是在领域有极大的兴趣。在过去的十年里许多方法被开发和应

3、用于控制晶体多晶型物，例如结晶的控制参数，温度，溶剂，利用''量身定做'的添加剂，和表面活性剂。自组装膜（SAMs）被用作粘结剂，以控制晶体形态和取向。这是通过将几个原则，如做几何匹配和力相互作用，如范德华力和氢键，作为分子设计的表面控制水晶多态性的SAMs最近被研究表明效果明显，例如，Swift和同事使用SAM为控制1,3-双生长（对硝基苯基）脲多晶型谷氨酸有两个已知的多晶型，亚稳一个形式的型，以及稳定的型。之前，我们报道的-L-谷氨酸在组装多层苯基丙氨酸衍生物的自我稳定性。在根据这些结果，我们结合了理论和实验研究，验证了是物理和化学方面一些因素影响的自组装多层亚稳A

4、L谷氨酸稳定性，而不是其他因素。几个课题组研究了谷氨酸多态性。Hodnett和合作者研究的溶液介导转型的谷氨酸晶型，其结果表明，稳定的-形式出现从通过动力学过程从亚稳态一个晶体转化而来，Kitamura研究表明，转化为一个-多晶型化合物包括四个动能步骤。在他们的实验中，结果表明，一个多晶型物在45迅速转换形式，但在约15中，转换过程非常缓慢，而且几乎不存在的，从而使一个-多晶型物是专门获得。用于控制和稳定L-谷氨酸其它方法涉及使用'量身定做''添加剂和结晶中的存在表面活性剂。这些方法是基于再结晶过程中的一个稳定形式，防止和抑制向热力学稳定的-形式的一种形式。2.实验部分

5、购买自Sigma-Aldrich的分析纯试剂（99.9）并且不经进一步纯化即可使用。L-2-氨基-N - - 2-（2-氨基-3-苯基 - 丙酰基氨基） - 甲基磺酰基 - 乙基 -3-苯基- 丙酰胺打成左旋AAPP（图1）的通过公知的耦合反应合成。为SAM编制工作制备的基材薄金（1 1 1）薄膜真空沉积到载玻片，用铬（50A）缓冲层，用X射线衍射进行表征。然后，金基体浸入一种L-APP的乙醇溶液（2毫米）24小时，或者在水L-半胱氨酸（10毫米）2小时，. SAMs用一系列的方法表征，如红外光谱，光电子能谱，原子力显微镜等。所有上述测量的结果，证明了形成多层谷氨酸的典型厚度5-10分子层，S

6、AM基片保持在氮气下进行结晶实验。自 Riedel-de Haen 购得的L-谷氨酸（99.9纯度）使用时无需进一步纯化结晶。L-谷氨酸的饱和溶液（0.045克/ ml）的在80制备自发冷却至室温。将自组装膜基片放置在配制好的溶液中结晶，靠在小瓶的一侧并放置结晶2-4小时。相比较而言，我们在金基板从谷氨酸的饱和溶液得到结晶, 纯晶体通过酸性沉淀谷氨酸制备，PX-线用Bruker AXS D8衍射仪（采用Cu嘉升¼1.5418A辐射）进行衍射，运行在40千伏/ 40毫安条件下，用石墨反射光束单色器和可变发散狭缝, 扫描电子显微镜（SEM）图像，是在20千伏的加速电压下从JEOL840仪

7、器获得的。旋光和电感耦合等离子体（ICP）结晶化溶液的测定在完成为了在验证SAM的化学结晶的稳定性。测定用的旋光测量参考溶液JASCO数字旋光仪（型号P1010升¼589nm70.051精度）在室温温度下，圆柱形石英池（10毫升，L¼100毫米）。德国克莱沃用分光光度计感应耦合等离子等不同的测量方案共进行了一系列测量. L-APP的化学结构3.建模部分 3.1基础知识为了准确地预测添加剂对效果晶体形态，使用MS公司软件Accelrys 对分子力学和动力学进行了建模计算. 整体在添加剂的存在预测晶体形态的整体过程总结如下:获得结晶数据优化单元和计算晶格能运行BFDH和附着物的

8、能源形态切割面的形态重要性主添加剂晶面运行退火动力学计算结合能修改附着物能量并获得晶体形态 晶体结构的-L-谷氨酸，L-半胱氨酸和L-苯丙氨酸从剑桥晶体数据库所获得（参见代码分别是LGLU AC03，LCYSTN04和PHALNC01）。为了计算的晶格能（原子核和核外电子能量之和）。如果中央分子和周围的每个分子n个原子其中，Vkij是原子在中央之间的相互作用分子i和原子的J周围的第k个分子。该晶体能量由静电，范德华力和氢键，和正在建使用合适的潜在功能（力场）表现。在这项测试中，所有的模拟使用DREIDING2.21力场，范德华力与伦纳德- 琼斯12-6的效果近似，氢键能量与12-10伦纳德-

9、琼斯一样的效果。埃瓦尔德总结的方法应用于远距离搬运，范德华和静电相互作用。 用Gasteiger方法计算部分费用。我们评估了由所计算的比较所选择的力场晶格能与实验晶格能的可靠性，Vexp，定义式为其Hsub是实验测定的升华焓，2RT提供的校正因子表示气相焓之间的差，并在晶体晶格的振动贡献焓。3.2晶体形态预测计算晶体形态，我们使用了附件能量模型。在第一步骤中，我们计算附件能量（瓦特）为每个晶体面。瓦被定义为添加的增长时，释放的能量厚度Dhkl的切片，以生长晶体的表面并且由下式给出其中，埃拉特的晶格能和ESL是片能量。相对生长速度为每面取为成正比瓦特，并且因此更负的附件能源为特定面，不太突出那是

10、晶体。相反，面向具有最低附件能源是增长最慢的面，因此有最重要性的形态学。此外，为了验证晶体的计算附件能量模型形态的精确度，我们也使用布拉维弗里德尔DONNAY哈克（BFDH）模型进行简单的晶体形态预测，这两种模型给了相同的晶形态。3.3计算晶面添加剂结合能根据附着能量的预测，该晶面具有最高形态是选择用于结合的计算的重要条件。这样做的过程模拟是基于表面对接的方法，在该晶面切割下，并延伸到一个尺寸考虑到与所有可能的绑定添加剂。下一步骤是对接添加剂分子中表面的中部，并运行与退火动力学每个动力学周期之后一个优化步骤（表面是固定的，只有添加剂分子被允许移动）。对于每一个表面上，结合能，EB，由定义其中E

11、s为整个系统能量最小和Ead是单一添加剂分子的能量。结合能量（BE）的计算为添加剂和主机分子，以限定改性附件能源:其中Eaat是以纯水晶的形式在一定面的附着能量，b是绑定的区别添加剂和主体分子，分别能，和Eb是主要结合能。如遇有b大于0（与主要分子相互作用），修改后的AE将更大，结晶面会成长得更快，因此结晶面至关重要，反之亦然。4.结果与讨论4.1结晶和表征我们在两个不同的SAM的表面和在溶液中进行谷氨酸结晶实验酸上的。调查苯丙氨酸关于多晶型地对空基片的影响，我们采用X射线衍射。图。图2A显示的L-谷氨酸的X射线衍射在溶液中结晶。 X射线衍射对应作为文献中报道了-l-谷氨酸，从X射线衍射显而易

12、见，在这些条件下没有获得-晶体，这意味着即有核一晶体完全转化为型。图2B中X射线衍射显示L-谷氨酸的结晶苯丙氨酸地对空基片的影响。在X射线衍射测量直接在基片表面进行，以确定的优选取向谷氨酸的地对空基片SAM的影响。在X射线的这些结果在衍射展示高强度反射峰2Y¼18.31应于（111）面，在一个形式¼的L-谷氨酸和2Y 37.01对应于一个形式的（2×2×2）面。此外，在2Y两个小峰¼10.21 和2Y¼20.41观察和归属于（0 2 0）和形式的L-谷氨酸的（0 4 0）面，相应地。对应于一个形式的L-谷氨酸，其他的X射线衍射峰。 2

13、Y¼23.61，26.71观察;然而，它们的强度是比较低的，由于晶体取向沿一个形式的表面上的/ 111S晶体方向。从X射线衍射的结果，显而易见的是，L-谷氨酸结晶的SAM大多面作为-多晶型物具有优先晶体生长的（111）晶面。匹配的形式的晶体结构在2Y¼10.21和20.41的衍射峰也注意到，但在非常低的强度指示的极少量的形式的存在，可能是由于存在于-的生长形成由我们的表面不均匀造成所看到的AFM测量裸金点。图2L-谷氨酸晶体的X射线衍射：（A）中从溶液中（仅）中结晶，（B）的结晶LAPP的表面上的自组装多层膜（主要是），（C）的结晶在Au（1 1 1）（仅），（D）的一个纯

14、形式（从单谷氨酸钠沉淀的）（0 1 1）和（20 0）被看见，在纯粹的一个形式。图3L-谷氨酸晶体的X射线衍射：（A）中从溶液中（仅）和（B）的结晶结晶的L-半胱氨酸表面（仅）相反地，在半胱氨酸上生长时的SAM，只-L谷氨酸观察，类似于晶体从溶液生长所看到的X射线衍射结果（图3）。这将确认完全到转型在半胱氨酸表面。作为对比，结晶实验也在裸金表面进行。X射线衍射生长到裸金表面的结晶，如图 2C，暴露的衍射图案匹配的形式的L-谷氨酸，与在/002S优选取向一致。在SAM的表面形成的L-谷氨酸-和-多晶型物也可以由扫描研究电子显微镜（SEM）研究，因为多晶型物具有不同的晶体形状。图4显示的SEM图像

15、是溶液中自组装膜生长的晶体。生长在苯丙氨酸SAM表面上的结晶显然典型的型，而半胱氨酸表面上晶体结晶，并在基片上得到型。此外，我们想要验证该结晶发生在手性自组装膜本身，而不是由于手性单层至溶液的溶解，类似添加剂的效果。手性表面的稳定性的混合物即在纯水中48小时的L-谷氨酸结晶在相同的温度和pH值，作为检测由不同的手性膜的浸渍。该溶液的旋光性进行了评估以旋光性的测量，发现为几乎为零，表示手性的化学稳定性持续在结晶过程。此外，我们进行了ICP测量，以确定微量硫在解决方案可能导致由于手性的溶解。该解决方案的ICP的结果证实了手性表面的稳定性。最后，为了排除半胱氨酸或L- APP的溶解到含水结晶的稳定期

16、间L-谷氨酸溶液的手性膜还测量在0.3M（0.045克/ ml）的溶液的L-谷氨酸。的的ICP测量解决方案没有透露硫的任何可测量的痕迹。我们关于结晶L-谷氨酸时可以得出这样的结论苯丙氨酸地对空导弹多态的选择性来从自组装膜中，由于改性苯丙氨酸分子不存在于溶液中。以往的研究中，用不同的添加剂表明该（0 1 1）面的一个形式是次要临界成核条件，并容易转化到形式。相似，由于在苯丙氨酸表面改变晶体生长引起我们观察到的（0 1 1）面的一个形式不存在（图2B和D比较），因此，成核并变换为形式被抑制。在另一面，关于半胱氨酸的SAM得到的型而没有其它，这表明的（0 1 1）的存在下的形式的晶体完整过渡成稳定的

17、-形式。为了建立预测晶体在生长中的形态学变化假设，我们对在半胱氨酸和苯丙氨酸添加剂中的-L-谷氨酸进行分子动力学计算，并和它在常规未添加物质的环境中的晶体生长进行比较。我们的这些计算的主要假设是，添加剂附着到晶面表面上的，与在SAM晶体上的生长非常相似，添加剂完全相同，例如苯丙氨酸和半胱氨酸;因此，我们使用的添加剂，而不是在实际的SAM表面进行计算。5.形态预测表1表示了变化的晶体形态由添加剂决定，示出了结合能不同,对每种的形态而言b都非常重要。 b大于零是与主要分子于具有较大的结合能，长得快，因此被形态不那么重要。 b小于零是分子较容易与添加剂结合，它们的增长是由添加剂抑制，因此结合能较大。

18、通过计算b修改附着物的键能，得到的数据如表2所示。当得到b大于零时，改性的AE较大，并且修改后的小面小，反之亦然。最后，每种情况下的晶体形态确立假定的相对生长率，不同的表面是正比于它的附着能量（AE）。表3显示了的总面积小面的每个面。与L-苯丙氨酸添加剂，我们可以看到，在（0 1 1）和（2 0 0）小面具有最大的AE和b，和已经消失的晶形-L-谷氨酸，由于其快速和不断增长。上另一方面，在苯丙氨酸添加剂（1 1 1）和（1 1 1）面有较大的BE到，因此，这些生长在-L-谷氨酸方向生长较慢，并且是最为重要的形态。以类似的方式，通过苯丙氨酸的基片上-L-谷氨酸的实验结果生长，我们可以看到优先生长在/ 1 11S的方向，并且缺少（0 1 1）和（2 0 0）面。类似的计算具有-L-半胱氨酸添加剂显示相似但较小用做（1 1 1）的变化，（1 1 1）和（0 1 1）面，而（2 0 0）面具有较大的BE的添加剂，其抑制该生长方向，因而该面作用较大，并且也可能会导致向变换。 6.结论从这些结果，我们可以推断，在-晶型物的L-谷氨酸成-多晶型物中，（0 1 1）或（20 0）面是非常重要的，因为在多态过渡面具有较小的激活能。我们的实验结果表明结晶的L-苯丙氨酸没有促进形式的转化，并