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Quantification and localization of molecular hydrophobicity

Jäger, Robert :
Quantification and localization of molecular hydrophobicity.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2000)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quantification and localization of molecular hydrophobicity
Language: English
Abstract:

Hydrophobic effects play an essential role for a variety of chemical processes. These effects fall into two categories: on one hand the poor solubility of nonpolar compounds which is termed hydrophobic hydration and is quantified by the free energy of hydration. On the other hand association of nonpolar molecules or molecular fragments in an aqueous environment is termed hydrophobic interaction and the free energy of transfer (2-phase system, 1-Octanol/water) is used to quantify this distribution process. In this work the molecular-free-energy-density concept is presented at first. It is based on the representation of the free energy of solvation as a energy density on the solvent accessible surface. In addition to the physical basis of this concept, a model for this energy density is presented which allows the localization of hydrophobic regions on the molecular surface. The energy density is chosen in such a way that integration of surface fragments yields a partial free energy of transfer. For a series of halogen substituted sucrose derivatives an excellent correlation was established between the relative sweetness of this series of compounds and their related partial free energy of transfer. The main focus of this work is the development of a new model for the free energy surface density to arrive at a physically sound localization of molecular hydrophobicity. For the old model only global information, for instance experimentally determined values of the free energy of transfer, was considered. The three-dimensional free energy density (3D-FED) offered to account for local, thermodynamic information during the parameterization of the new model. The interaction part of this 3D-FED was approximated by an appropriate molecular interaction field which was generated by the program Grid. Such interaction fields were then expanded in terms of surface-based functions. Furthermore, the parameters of the model were fitted to local and global reference data simultaneously. Therefore, the model not only renders excellent predictive power for both the free energy of hydration and transfer, it also yields a plausible localization of hydrophobic regions on the molecular surface. The statistical significance of the correlation mentioned above (halogen substituted sucrose derivatives) was further improved.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Hydrophobe Effekte spielen für eine Vielzahl chemischer Vorgänge eine entscheidende Rolle. Hierbei kann zwischen zwei Phänomenen unterschieden werden: Zum einen die schlechte Löslichkeit unpolarer Substanzen in Wasser, die als hydrophobe Hydratation bezeichnet wird und durch die Freie Hydratationsenthalpie quantifiziert wird. Zum anderen wird die Zusammenlagerung unpolarer Moleküle oder Molekülfragmente in wäßriger Phase als hydrophobe Wechselwirkung bezeichnet, deren quantitatives Maß die Freie Transferenthalpie (2-Phasen System, 1-Octanol/Wasser) ist. In dieser Arbeit wird zunächst das molecular-free-energy-surface-density-Konzept vorgestellt. Es beruht auf der Darstellung der Freien Solvatationsenthalpie als Energiedichte auf der dem Lösungsmittel zugänglichen Oberfläche. Neben der physikalischen Grundlage für diese Repräsentation der Freien Solvatationsenthalpie, wird im folgenden die Modellierung dieser Energiedichte erläutert, mit deren Hilfe es gelingt, hydrophobe Molekülregionen auf der molekularen Oberfläche zu lokalisieren. Die Energiedichte ist so gewählt, daß die Integration von Teiloberflächen die Berechnung partieller Transferenthalpien erlaubt. Für eine Reihe halogensubstituierter Saccharosederivate konnte eine gute Korrelation zwischen deren relativer Süßkraft und den entsprechenden partiellen Transferenthalpien etabliert werden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung eines neuen Modells für die Oberflächenenergiedichte, um insbesondere die Lokalisierung der Hydrophobie physikalisch stärker zu motivieren. Während bei der bisherigen Modellierung nur globale Information, z.B. experimentell bestimmte Freie Transferenthalpien, herangezogen wurde, erfolgt die Parametrisierung im neuen Modell unter Einbeziehung lokaler, thermodynamischer Information gegeben durch die dreidimensionale Freie-Energiedichte (3D-FED). Der wechselwirkende Anteil dieser 3D-FED wird approximiert durch entsprechende molekulare Wechselwirkungsfelder, die mit Hilfe des Programms Grid erzeugt wurden. Diese Felder werden entwickelt anhand oberflächenbasierter Basisfunktionen. Ferner werden bei der Anpassung der Modellparameter lokale und globale Referenzdaten simultan berücksichtigt. Das neue Modell liefert zum einen sehr gute Ergebnisse für die Vorhersage Freier Hydratations- und Transferenthalpien, zum anderen führt es zu einer plausiblen Lokalisierung hydrophober Molekülregionen auf der molekularen Oberfläche. Die statistische Güte der oben erwähnten Korrelation bzgl. halogensubstituierten Saccharosederivate konnte weiter verbessert werden.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:46
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000078
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-788
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Brickmann, Prof. Dr. Jürgen and Lindner, Prof. Dr. Hans Jörg
Advisors: Brickmann, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 20 November 2000
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/78
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