Atomistic simulations of cosolvent/water mixtures

In this thesis, atomistic simulations are performed to investigate hydrophobic solvation and hydrophobic interactions in cosolvent/water binary mixtures. Many cosolvent/water binary mixtures exhibit non-ideal behavior caused by aggregation at the molecular scale level although they are stable and homogenous at the macroscopic scale. Force-field based atomistic simulations provide routes to relate atomistic-scale structure and interactions to thermodynamic solution properties. The predicted solution properties are however sensitive to the parameters used to describe the molecular interactions. In this thesis, a force field for tertiary butanol (TBA) and water mixtures is parameterized by making use of the Kirkwood-Buff theory of solution. The new force field is capable of describing the alcohol-alcohol, water-water and alcohol-water clustering in the solution as well as the solution components’ chemical potential derivatives in agreement with experimental data. With the new force field, the preferential solvation and the solvation thermodynamics of a hydrophobic solute in TBA/water mixtures have been studied. First, methane solvation at various TBA/water concentrations is discussed in terms of solvation free energy-, enthalpy- and entropy- changes, which have been compared to experimental data. We observed that the methane solvation free energy varies smoothly with the alcohol/water composition while the solvation enthalpies and entropies vary nonmonotonically. The latter occurs due to structural solvent reorganization contributions which are not present in the free energy change due to exact enthalpy-entropy compensation. It is therefore concluded that the enthalpy and entropy of solvation provide more detailed information on the reorganization of solvent molecules around the inserted solute. Hydrophobic interactions in binary urea/water mixtures are next discussed. This system is particularly relevant in biology (protein folding/unfolding), however, changes in the hydrophobic interaction induced by urea molecules are not well understood. In this thesis, this interaction has been studied by calculating the free energy (potential of mean force), enthalpy and entropy changes as a function of the solute-solute distance in water and in aqueous urea (6.9 M) solution. In chapter 5, the potential of mean force in both solution systems is analyzed in terms of its enthalpic and entropic contributions. In particular, contributions of solvent reorganization in the enthalpy and entropy changes are studied separately to better understand what are the changes in interactions in the system that contribute to the free energy of association of the nonpolar solutes. We observe that in aqueous urea the association between nonpolar solutes remains thermodynamically favorable (i.e., as it is the case in pure water). This observation contrasts a long-standing belief that clusters of nonpolar molecules dissolve completely in the presence of urea molecules. The consequences of our observations for the stability of proteins in concentrated urea solutions are discussed in the chapter 6 of the thesis.

In dieser Arbeit werden hydrophobes Lösungsverhalten und hydrophobe Wechselwirkungen in binären Lösungsmittel-Wasser-Mischungen mit Hilfe atomistischer Simulationen untersucht. Viele dieser Mischungen zeigen nicht-ideales Verhalten; die Lösungsmittelmoleküle aggregieren, obwohl sich auf makroskopischer Ebene stabile und homogene Mischungen ausbilden. Auf Kraftfeldern basierende atomistische Simulationen eröffnen eine Möglichkeit, atomare Strukturen und Wechselwirkungen mit den thermodynamischen Eigenschaften des Lösungsmittels in Verbindung zu bringen. Die erwarteten Eigenschaften hängen sehr stark von den Werten der Parameter ab, mit denen die molekularen Wechselwirkungen beschrieben werden. Im ersten Teil der Arbeit wird als binäre Mischung t-Butanol (TBA) und Wasser verwendet. Ausgehend von der Kirkwood-Buff-Theorie für Lösungen wird ein neues Kraftfeld entwickelt, das es ermöglicht, die Ausbildung von Alkohol-Alkohol-, Wasser-Wasser- und Alkohol-Wasser-Aggregaten in der Mischung zu beschreiben. Weiterhin können die Ableitungen der chemischen Potentiale der an der Mischung beteiligten Stoffe in Übereinstimmung mit experimentellen Daten bestimmt werden. Mit dem erstellten Kraftfeld ist das bevorzugte Lösungsverhalten und die Thermodynamik einer hydrophoben Verbindung in TBA-Wasser-Mischungen am Beispiel von Methan studiert worden. Dazu wurden Freie Energie-, Enthalpie- und Entropieänderungen des Lösungsvorgangs für verschieden konzentrierte TBA-Wasser-Mischungen berechnet und mit experimentellen Werten verglichen. Im Gegensatz zur Freien Energie verändern sich Enthalpie und Entropie nicht-monoton bei Änderung des Mischungsverhältnisses. Dies lässt sich auf die strukturelle Umverteilung des Lösungsmittels zurückführen, welche keinen Einfluss auf die Freie Energie ausübt, da sich di Beiträge von Enthalpie und Entropie nahezu kompensieren. Daher kann aus dem Verhalten von Lösungsenthalpie und -entropie ein genaueres Bild über die Anordnung der Lösungsmittelmoleküle um die gelöste Substanz gewonnen werden. Im zweiten Teil werden hydrophobe Wechselwirkungen in Harnstoff-Wasser-Mischungen untersucht. Diese sind von großer Bedeutung in der Biologie (z.B. für das Falten bzw. Entfalten von Proteinen). Dennoch sind die Änderungen der Wechselwirkungen, die durch Erhöhen des Harnstoffanteils verursacht werden, noch nicht vollständig aufgeklärt. Dieses Problem wird anhand der Änderungen der Freien Energie (potential of mean force), der Enthalpie und der Entropie als Funktion des Abstandes zweier unpolarer Moleküle in Wasser und in einer wässrigen Harnstoff-Lösung (6.9 M) diskutiert. Dazu werden in Kapitel 5 die Enthalpie- und der Entropiebeiträge zum "potential of mean force" untersucht, die von Umstrukturierungen im Lösungsmittel abhängen. Dabei stellt man fest, dass der Zusammenschluss unpolarer Moleküle in einer wässrigen Harnstoff-Lösung genau wie in reinem Wasser thermodynamisch bevorzugt wird. Dies steht im Widerspruch zur bisherigen Meinung, dass sich Cluster unpolarer Moleküle vollständig in wässrigen Harnstoff Lösungen auflösen. Die Konsequenzen dieser Beobachtung für die Stabilität von Proteinen in konzentrierten Harnstofflösungen wird eingehend in Kapitel 6 diskutiert.