Temperature induced change of TMAO effects on hydrophobic hydration

甲烷 化学 溶解度 溶剂化 范德瓦尔斯力 溶剂 水溶液 热力学 无机化学 有机化学 分子 物理
作者
Angelina Folberth,Nico F. A. van der Vegt
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:156 (18) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0088388
摘要

The effect of trimethylamine-N-oxide (TMAO) on hydrophobic solvation and hydrophobic interactions of methane has been studied with Molecular Dynamics simulations in the temperature range between 280 and 370 K at 1 bar ambient pressure. We observe a temperature transition in the effect of TMAO on the aqueous solubility of methane. At low temperature (280 K), methane is preferentially hydrated, causing TMAO to reduce its solubility in water, while above 320 K, methane preferentially interacts with TMAO, causing TMAO to promote its solubility in water. Based on a statistical-mechanical analysis of the excess chemical potential of methane, we find that the reversible work of creating a repulsive methane cavity opposes the solubility of methane in TMAO/water solution more than in pure water. Below 320 K, this solvent-excluded volume effect overcompensates the contribution of methane-TMAO van der Waals interactions, which promote the solvation of methane and are observed at all temperatures. These van der Waals interactions with the methyl groups of TMAO tip the balance above 320 K where the effect of TMAO on solvent-excluded volume is smaller. We furthermore find that the effective attraction between dissolved methane solutes increases with the increasing TMAO concentration. This observation correlates with a reduction in the methane solubility below 320 K but with an increase in methane solubility at higher temperatures.
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