等溫微量熱法20150415

等溫微量熱法(IMC)及其在溶液化學研究中的應用IsothermalMicro-Calorimetry（ITC）andItsApplicationtoStudiesonSolutionChemistry

熱導式量熱計（HeatConductionCalorimeter）

熱導式量熱計的特征是測量容器之外的環境溫度被嚴格恒定（現在溫度控制精度常好于0.0001℃）。安裝在反應池與參比池間的精密熱電偶堆測定體系與參比池間的溫差。反饋電路通過電加熱消除這種溫差。加熱用電的能量就等于反應器中體系的熱效應。體系因反應、溶解、分子締合或解離等過程的熱效應而放出或吸收熱(流)量的大小表現為電功率對時間的積分。例：TAM2277支持的微量熱系統*回顧熱電偶工作原理*接觸電勢流動(混合)式量熱計(Mix-)flowingCalorimeter

將雙子式量熱計的兩個容器用適當方式連通起來后，測量時用兩股管路將兩液體（或氣體）同時等溫、逆向地輸入工作單元的容器中，使之充分混合、完成物理或化學過程之后流經參比容器后再排出。熱流量測定方法同上。等溫滴定量熱法（ITC）等溫滴定量熱法（IsothermalTitrationCalorimetry，簡稱ITC）。可用于測定溶液中分子配位或聚集過程的熱力學參量。其基本實驗方法是：在量熱容器中先加入一定量的被滴定劑（titrand）溶液，然后在攪拌下分步注入滴定劑（titrantinaliquots）溶液（通常每次的加入量相等），每步滴定的熱量分別測出。依可獲取熱力學參量多少，可分三種情況：

等溫滴定量熱法（ITC）(2)K中等，每步注入后達平衡剩余的滴定劑逐次增多,熱效應逐次遞減。通過假設合適的反應模式，把K、△H作為待定參數，用計算機數據擬合技術可把它們同時求出，現在的商品量熱計大都附有這種軟件。（1）平衡常數K很大（11配合的K>108），則在滴定的等當點前的每步注入后幾乎無滴定劑剩余，每次滴定后的熱量傳遞相等。這類體系用滴定量熱法只能測得熱效應和配位比。

等溫滴定量熱法（ITC）（3）K很小滴定過程只相當于把一小部分溶劑加入大量溶劑中，無熱量放出或吸收的信號，不能測定任何熱力學參量。這種情況有時也是由于兩種反應物分子與溶劑分子作用太強所致，例如硝基甲烷和18C6在稀水溶液中就是這種情況。如以苯為溶劑，兩者的分子間作用則相當強，導致配合物形成。*滴定式量熱法中試劑溶液的混合裝置混合流動量熱法的應用舉例

測定超額焓（excessenthalpy，HEm）沸點不太低的有機溶劑間的混合熱在等溫等壓的實驗條件下就是超額焓（excessenthalpy，HEm），通常用流動量熱計測量。在流動量熱計的測量容器中兩種液體可以各種比例的流速同時注入、充分混合，然后輸出。測量容器全部由液體充滿，不存在氣相，消除了蒸發熱的干擾。

混合流動量熱法的應用舉例(1)烴類（非極性溶劑）同系物相混合，往往具較小的正或負摩爾超額焓（HEm）或近于理想溶液(J.B.Ottetal,

J.Chem.Thermodynamics,1996,28,187)。例如在273.15到373.15K的溫度范圍、5到15MPa的壓力范圍內丙烷和乙烷的混合熱在3KJ.mol-1內。超額焓HEm和超額內能UEm間在等壓操作時的關系是HE=UEm+PVEm（VE是超額體積，即等溫等壓下液體混合后總體積的變化量）。如此小的超額焓不能不考慮體積變化VE的影響。混合流動量熱法的應用舉例(2)早在上世紀90年代，二茂鐵及其一些衍生物與β-環糊精的包合過程熱力學參量、及（因尿素分子和茂環間存在著選擇性分子間力而導致的）尿素對β-環糊精-二茂鐵（或其衍生物）配合過程影響的熱力學的測量(L.A.Godneaetal,

J.Phys.ChemB.,1997,101,3378.)混合流動量熱法的應用舉例(3)稀釋熱的測定溶液被稀釋則溶質粒子間平均距離被拉大。溶質－溶質、溶質－溶劑分子間相互作用發生變化，在宏觀上就表現出熱效應。通過改變溶劑組成、溫度、被稀釋組分的初始濃度和稀釋程度等因素，測定大量稀釋熱數據。對數據進行分析總結出一定規律，再探討規律與溶液微觀結構變化的聯系，這是溶液化學較有力的研究手段。（ThermochimicaActa,2005,429(1):81-86;JounalofChemicalandEngineeringData,200550(3):769-773，

）滴定式等溫微量熱(ITC)應用舉例（1）環糊精包絡性能的重要性，在各種溶液系統中的相關研究已有許多報導。較早的如-和-環糊精與脂環醇及環己酮在水溶液中的包合過程的熱力學研究，ITC結果表明(M.V.Rekharskyetal,J.Phys.Chem,B1997,101,87.)，

-環糊精和5種含氧脂環化合物的分子間力大小相近（△H差別不大），而β-環糊精則是顯示出明確的選擇性分子間力。比較幾種脂環醇，可看出β-環糊精和較大的環親合力較強。

滴定式等溫微量熱(ITC)應用舉例（2）冠醚和小分子客體物質的配合物形成熱力學函數的測定冠醚和IC1分子的相互作用是較早的超分子物理化學研究內容，（M.Nour,L.A.Shahada,Spectrochim.Acta,1988,44A,1277），IC1分子的正電端I原子和冠醚的氧原子靠近，由于I原子半徑相當大，它可同時和若干個氧原子相互吸引。從形成焓看，IC1與冠醚的分子間力順序：18C6>15C5>12C4。這很可能是因為環小的冠醚難以通過構象改變而形成多氧集團所致。滴定式等溫微量熱(ICT)應用舉例（3）（我們自己的工作匯報）（1）主－客體包合物冠醚—金屬離子，測定了N15C5與四種堿土金屬金屬離子的配位過程熱力學，得到了鈣離子配合物在水中最穩定的結論。Microcalorimetricstudyonhost-guestcomplexationofnaphtho-15-crown-5withfourionsofalkalineearthmetal，JournalofZhejiangUniversitySCIENCE，2004，6B（1）69－73.（2）環糊精－表面活性劑包合過程熱力學JOURNALOFCHEMICALTHERMODYNAMICS，MAY2005，37(5):431-436.JOURNALOFSOLUTIONCHEMISTRY,JUN2005,34(6):701-712,IDSNumber:

950CE.

ACTACHIMICASINICA62(13):1247-1251.ACTAPHYSICO-CHIMICASINICA20(8):837-842.（或）-環糊精與3-烷氧基-2-羥丙基三甲基溴化銨的相互作用（3）大分子化合物和小分子物質相互作用熱力學Thermodynamicsofinteractionbetweensodiumbis(2-ethylhexyl)sulfosuccinateandpolymersinaqueoussolutionsbyisothermaltitrationmicrocalorimetry，JOURNALOFPOLYMERSCIENCEPARTB-POLYMERPHYSICS，JAN152006，44(2):275-283(4)藥物分子和生物模型分子的相互作用Isothermaltitrationcalorimetryand1HNMRstudiesonhost–guestinteractionofpaeonolandtwoofitsisomerswith-cyclodextrinInternationalJournalofPharmaceutics316(2006)7–13LingLi,Xiao-MeiQiu,FengLiu,Bao-LinYin，De-ZhiSun

(4)藥物分子和生物模型分子的相互作用(4)藥物分子和生物模型分子的相互作用(4)藥物分子和生物模型分子的相互作用(4)藥物分子和生物模型分子的相互作用(4)藥物分子和生物模型分子的相互作用這篇論文被BioMedLib評為發表以來生物物理化學領域的10篇頂尖級論文（第一篇）。FengX,ChengY,YangK,ZhangJ,WuQ,XuT

（中國科技大）發表在JPhysChemB（2010Sep2;114(34):11017-26

）之前。鹽酸倍他洛爾（Bet）與α-環糊精的相互作用

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0Time,hour5101520P,μWInternationalJournalofPharmaceutics386(2010)165–171Competinginteractionsofantitumordrug

resveratrolwith-cyclodextrinandbovineserumalbuminThermochimicaActa,2011,521,74–79.EffectofpHonthe