An NH Moiety Is Not Required for Anion Binding to Amides in Aqueous Solution

Abstract

Herein, we use a combination of thermodynamic and spectroscopic measurements to investigate the interactions of Hofmeister anions with a thermoresponsive polymer, poly(N,N-diethylacrylamide) (PDEA). This amide-based polymer does not contain an NH moiety in its chemical structure and, thus, can serve as a model to test if anions bind to amides in the absence of an NH site. The lower critical solution temperature (LCST) of PDEA was measured as a function of the concentration for 11 sodium salts in aqueous solutions, and followed a direct Hofmeister series for the ability of anions to precipitate the polymer. More strongly hydrated anions (CO3(2-), SO4(2-), S2O3(2-), H2PO4(-), F(-), and Cl(-)) linearly decreased the LCST of the polymer with increasing the salt concentration. Weakly hydrated anions (SCN(-), ClO4(-), I(-), NO3(-), and Br(-)) increased the LCST at lower salt concentrations but salted the polymer out at higher salt concentrations. Proton nuclear magnetic resonance (NMR) was used to probe the mechanism of the salting-in effect and showed apparent binding between weakly hydrated anions (SCN(-) and I(-)) and the α protons of the polymer backbone. Additional experiments performed by attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR-FTIR) spectroscopy found little change in the amide I band upon the addition of salt, which is consistent with very limited, if any, interactions between the salt ions and the carbonyl moiety of the amide. These results support a molecular mechanism for ion-specific effects on proteins and model amides that does not specifically require an NH group to interact with the anions for the salting-in effect to occur.

A new thermoresponsive polymer of poly(N-acryloylsarcosine methyl ester) with a tunable LCST

“…On the other hand, the anions to the right of chloride (Cl -) are called chaotropes, which are weakly hydrated and may increase the LCST of polyacrylamides. The similar influence is not only discovered in N-alkyl-substituted polyacrylamides based on the secondary amide or tertiary amide, such as PNIPAM and PDEAM, 49,57 but also has also been verified in another thermoresponsive polymer of elastin-like polypeptides. 58 The study of the interaction between Hofmeister ions and thermoresponsive polymers, including the analysis methods and the binding mechanism, are helpful to tune the thermoresponse behavior.…”

Anion Recognition in Water: Recent Advances from a Supramolecular and Macromolecular Perspective

“…Analysis of the concentration/LCST curves revealed a component of direct anion binding was responsible for the improved solubility, which was presumed to be occurring through the amide group as a hydrogen‐bond donor. The structural basis for salting‐in was analyzed in more detail using PDEA, an LCST polymer with a tertiary rather than secondary amide, and hence no apparent anion‐binding site 91. Combined NMR and IR spectroscopic studies showed that the same chaotropic anions were interacting with the α‐CH proton on the polymer backbone.…”

Hofmeister‐Effekte unter der Lupe: Die direkte Anion‐Amid‐Bindung ist schwächer als die Kation‐Amid‐Bindung

“…[11]) in Gleichung (3) Die stärkere Wechselwirkung von Kationen mit der C=O-Gruppe von NMA gegenüber der Wechselwirkung der Anionen mit der N-H-Gruppe stimmt auch mit Ergebnissen von Moleküldynamiksimulationen überein. [11]) in Gleichung (3) Die stärkere Wechselwirkung von Kationen mit der C=O-Gruppe von NMA gegenüber der Wechselwirkung der Anionen mit der N-H-Gruppe stimmt auch mit Ergebnissen von Moleküldynamiksimulationen überein.…”

“…B. das Amidgrundgerüst, die Aminosäure-Seitenketten oder die Te rmini eines Proteins) aufweisen. [9,[11][12][13][14] Direkte Wechselwirkungen werden manchmal infrage gestellt, [15] allerdings zeigen NMR-Untersuchungen, dass die chemische Verschiebung der Protonen der Amidgruppe durch Anionen beeinflusst wird [9,11,12] und dass der Abstand von Anionen zur Amidgruppe der Hofmeister-Reihe folgt. [3] Direkte Wechselwirkungen zwischen Ionen und dem Amidgrundgerüst, dem grundlegenden Strukturmerkmal aller Proteine,w urden mit verschiedensten spektroskopi-schen Methoden untersucht.…”

“…Lmol À1 )k leiner als die Werte,d ie durch Untersuchung der Lçslichkeit von amidhaltigen Polymeren K lös SCN À = 4Lmol À1 und K lös I À = 1.5 Lmol À1[11] oder durch die Untersuchungen der chemischen Verschiebung der Protonen der Amidgruppe (K NMR SCN À ¼ 14 Lmol À1 und K NMR I À ¼ 3:8Lmol À1 )[11] erhalten wurden. Die große Bandbreite der bestimmten Wechselwirkungsstärken ist wiederum ein Kennzeichen für die Abhängigkeit der Assoziationskonstanten von der verwendeten Messmethode.…”