Ultraschallabsorptionsspektroskopie zur Untersuchung schneller molekularer Prozesse in Alkylglykosid-Lösungen

Abstract

Alkylglykoside sind Moleküle, die aus einem hydrophoben Alkylteil und einer hydrophilen Kopfgruppe, einem Glykosid, bestehen. Diese ambivalente Struktur der Moleküle führt dazu, dass sie in wässriger Lösung oberhalb einer systemspezifischen Konzentration, der cmc, Aggregate (sogenannte Mizellen) bilden, bei denen die hydrophoben Alkylketten durch die hydrophilen Kopfgruppen vom umgebenden Wasser abgeschirmt werden.In der vorliegenden Arbeit wird an wässrigen Lösungen 10 verschiedener Alkylglykoside (Kopfgruppen Glukose und Maltose, Alkylkettenlänge n=6 bis n=10) mithilfe der Ultraschallabsorptionsspektroskopie die schnelle molekulare Dynamik dieser Substanzen untersucht. In den aufgenommenen breitbandigen Ultraschallabsorptionsspektren (100 kHz < f < 400 MHz) werden dabei für alle untersuchten Lösungen drei verschiedene Relaxationsbereiche sichtbar, von denen der tiefstfrequente dem Monomeraustauschprozess, also dem Ein- oder Austritt eines Alkylglykosid-Monomers in/aus eine/r Mizelle, zugeordnet werden kann. Der mittelfrequente Relaxationsbereich wird einer teilweisen Rotation der glykosidischen Bindungen und der hchfrequente Bereich einer teilweisen Rotation der exozyklischen Hydroxymethyl-Gruppe der Glykosid-Köpfe zugeordnet. Aus den konzentrationsabhängigen Parameterverläufen des Monomeraustauschprozesses und einem in einigen Fällen auftretenden zweiten Monomeraustauschprozess wird auf Abweichungen der Mizellgeometrie von der in vielen Modellen angenommenen Kugelform geschlossen. Weiterhin werden die aus den Anpassungen der Parameter resultierenden Reaktionskonstanten des Monomeraustauschprozesses mit denen anderer Substanzen aus der Literatur verglichen.Für die beiden anderen auftretenden Prozesse, die den intramolekularen Konformationsänderungen der glykosidischen Bindungen und der exozyklischen Hydroxymethyl-Gruppen zugeordnet werden, wird qualitativ untersucht, inwiefern sich diese Konformationsänderungen bei in Mizellen aggregierten Molekülen von denen freier Moleküle unterscheiden. Für beide Prozesse wird eine leichte Verlangsamung der Konformationskinetik sowie ein signifikanter Anstieg der Relaxationsamplituden gefunden, was durch sterische Behinderungen der Nachbarmoleküle plausibel erklärt werden kann.Ein weiteres Kapitel der vorliegenden Arbeit behandelt die Untersuchungen an wässrigen Lösungen eines Alkylglykosids bei Zugabe von alpha-Cyclodextrin. Hierbei handelt es sich um ein Molekül, das aus sechs Glukose-Ringen besteht, die so angeordnet sind, dass sie einen etwa zylindrischen Hohlraum bilden, in dem aufgrund seines leicht hydrophoben Charakters in wässriger Lösung hydrophobe Moleküle oder Bestandteile wie die Alkylketten der Alkylglykoside komplexiert werden können. Die Ultraschallabsorptionsspektren dieser Mischungen weisen neben den bereits erwähnten drei Prozessen (Monomeraustauschprozess, teilweise Rotation der glykosidischen Bindung, teilweise Rotation der exozyklischen Hydroxymethyl-Gruppe), deren Parameter wiederum auf Beeinflussung durch die sterischen Behinderungen innerhalb der Komplexe untersucht werden, einen weiteren Prozess auf, der der Komplexbildungsreaktion von 2 Alkylglykosid-Molekülen mit einem Cyclodextrin-Molekül zugeordnet werden muss.