Μελέτη δομής και δυναμικής διαλυμάτων αμινών και αμινοξέων με σημαντική βιολογική δράση μέσω ακουστικών, δονητικών φασματοσκοπιών και θεωρητικών υπολογισμών

Abstract

In this PhD thesis, the studies of three aqueous systems are presented, the amine Norspermidine (Nspd), the amine Hexamethyl Tetramine (HMTA) and that of amino acid β-Alanine (β-Ala). These systems were studied using the Ultrasonic Relaxation Spectroscopy to determine the intrinsic structural mechanisms that take place in aqueous solutions of these compounds. Raman and IR Vibrational Spectroscopies were also used to study the structure of the compounds in the solutions and how they interact with each other and with the solvent molecules. Quantum Mechanical Calculations were also carried out in order to determine the optimized structures and calculate important thermochemical information. From the combination of vibrational spectroscopies and quantum mechanical calculations it became possible to elucidate the self- and hetero- aggregation mechanisms of HMTA with water molecules, as well as the aggregation reaction of β-Alanine with water molecules. From the acoustic measurements, we were able to ascertain the occurrence of a single relaxation process attributed to the proton transfer reaction taking place in the aqueous solutions of Nspd. For the HMTA system, we verified from the acoustic spectra the presence of the hetero- and self-aggregation reactions, as well as the hetero-aggregation reaction occurring in the aqueous solutions of β-Alanine. Finally, the concentration dependence of the acoustic parameters, the kinematic viscosity and the mass density have been determined. From these results, we obtain information about the intermolecular correlation in the solutions of the three systems. From these dependencies, we were able to elucidate the ability of water molecules to form stable superstructures after the addition of each of the three compounds into the water network.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζονται οι μελέτες τριών υδατικών συστημάτων, της αμίνης Νορσπερμιδίνης (Nspd), της αμίνης Εξαμέθυλο Τετραμίνης (ΗΜΤΑ) και του αμινοξέος της β-Αλανίνης (β-Ala). Τα συστήματα αυτά μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας την ακουστική φασματοσκοπία για τον προσδιορισμό των εγγενών μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα στα υδατικά διαλύματα των ενώσεων αυτών. Επίσης χρησιμοποιήθηκαν οι δονητικές φασματοσκοπίες Raman και IR για την μελέτη της δομής των ενώσεων μέσα στα διαλύματα και πως αυτές οι ενώσεις αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με τα μόρια του διαλύτη. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν κβαντομηχανικοί υπολογισμοί για τον προσδιορισμό των βελτιστοποιημένων δομών και τον υπολογισμό θερμοχημικών πληροφοριών. Από το συνδυασμό των δονητικών φασματοσκοπιών και των κβαντομηχανικών υπολογισμών έγινε δυνατή η αποσαφήνιση του μηχανισμού συσσωμάτωσης της ΗΜΤΑ με μόρια νερού και με τον εαυτό της, καθώς και της αντίδρασης συσσωμάτωσης της β-Αλανίνης με τα μόρια νερού. Από τις ακουστικές μετρήσεις μπορέσαμε να εξακριβώσουμε την εμφάνιση μιας και μοναδικής διαδικασίας χαλάρωσης που αποδίδεται στην αντίδραση μεταφοράς πρωτονίων στα υδατικά διαλύματα της Nspd. Για το σύστημα της HMTA, επαληθεύσαμε ότι λαμβάνουν χώρα οι αντιδράσεις ετερο- και αυτο-συσσωμάτωσης από τα ακουστικά φάσματα. Τέλος, επιβεβαιώθηκε η αντίδραση ετερο-συσσωμάτωσης που λαμβάνει χώρα στα υδατικά διαλύματα της β-Αλανίνης. Παρατηρήθηκε επιπλέον, η εξάρτηση από τη συγκέντρωση των ακουστικών παραμέτρων, του κινηματικού ιξώδους και της πυκνότητας μάζας, από τα οποία λαμβάνουμε πληροφορίες για τη διαμοριακή συσχέτιση στα διαλύματα των τριών συστημάτων. Από αυτές τις εξαρτήσεις μπορέσαμε ακόμα να δούμε την ικανότητα ή μη των μορίων του νερού να σχηματίζουν σταθερές υπερδομές μετά την προσθήκη των τριών ενώσεων στο δίκτυο του νερού.