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BEIJING 北京 Biochemistry Professor, Universidade de São Paulo Advisor, Scien?fic Directorate, FAPESP VicePresident, Brazilian Academy of Sciences 1 Specific Ion Effects on Micelles: The case of trifluoromethane sulfonate, proper?es and applica?ons HERNAN CHAIMOVICH

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BEIJING  北京  

Biochemistry    Professor,  Universidade  de  São  Paulo  Advisor,  Scien?fic  Directorate,  FAPESP  Vice-­‐President,  Brazilian  Academy  of  Sciences    

1  

Specific  Ion  Effects  on  Micelles:  The  case  of  trifluoromethane  sulfonate,  proper?es  and  applica?ons  

HERNAN  CHAIMOVICH  

BEIJING  北京  

OUTLINE  

Ø Introduc+on    Surfactants,  aggregates  and  specific  ion  effects  

Ø Trifluoromethane  sulfonate  (Triflate),  a  par+cular  counterion  

Ø Applica+ons  

BEIJING  北京  

Surfactants  and  micelles  

•  Surfactants:  molecules  with  hydrophobic  and  hydrophilic  groups;  –  ZwiEerionic,  ionic,  non-­‐ionic;  

•  Micelle:  aggregate  formed  by  self-­‐assembly  of  surfactants.  

Dodecyltrimethylammonium  (DTA)  +  X-­‐  

X-­‐  

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Ionic  micelle  forma+on  

•  Hydrophobic  effect:  –  Hydrophobic  moie+es  aggregate  spontaneously  libera+ng  water  molecules;  

•  Aggrega+on  leads  to  electrosta+c  headgroup  repulsion;  

•  Compensated  by  counterion  condensa+on.  

A  delicate  balance  

BEIJING  北京  

Specific  ion  effects  in  micelles  •  Ionic  Micellar  proper+es  are  exquisitely  modulated  by  the  nature  of  the  counterion:  –  KraQ  temperature;  –  Cri+cal  micellar  concentra+on  

(cmc);  –  Degree  of  counteiron  

dissocia+on  (α);  –  Aggrega+on  number  (Nagg);  –  Shape.  

DTAB  

DTAC  

BEIJING  北京  

Micellar  structure  

•  Micellar  growth  leads  to  different  structures:  –  Growth  depends  on  the  nature  

of  the  counterion;  [surfactant],  etc;  

•  Generally:  –  Inorganic  counterions  produce  

spherical  micelles  with  low  Nagg;  –  Organic  C.I.:  rod-­‐like  micelles  

with  high  Nagg;  

•  At  the  limit  Nagg  →  ∞  :  phase  separa+on.  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2011, 27, 4319.

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Sphere-­‐to-­‐Rod  Transi+on  (StRT)  

•  StRT  is  observed  with  several  aroma+c  C.I.;  

•  C.I.  inser+on  into  micellar  core;  

•  StRT  ion-­‐pairing  and  dehydra+on  are  correlated.  

Geng, Y, et al, Langmuir, 2005, 21, 562. ROMSTED,  CHAIMOVICH,  and  coworkers  Langmuir,  v.  21,  p.  562-­‐569,  2005.  

BEIJING  北京  

Triflate:  a  special  anion  

•  -­‐SO3  group  highly  charged;  

•  -­‐CF3  is  dehydrated;  

•  Under  some  condi+ons,  Tf-­‐  forms  ion-­‐pairs  with  ca+ons.  

Atom   C   F   S   O  

Par+al  Charge   0.31   -­‐0.09   0.97   -­‐0.67  

CF

F

F

S O-

O

O

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 10037.

Gejji, SP, et al, JPCA, 1997, 101, 5678.

BEIJING  北京  

Tf-­‐  is  surface  ac+ve  

•  NaTf  decreases  the  surface  tension  of  water  more  than  any  other  inorganic  salt;  

•  Tf-­‐  is  oriented  at  the  air/water  interface  in  molecular  dynamics  (MD)  simula+ons.  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2014, 30, 1239.

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Micelles  of  DTATf  possess  unusual  proper+es  

•  High  Nagg;  

•  Non-­‐spherical;  

•  High  TK  and  low  cmc;  

•  Anions  with  similar  structure  to  that  of  Tf-­‐  induce  different  effects  on  DTA  aggregates.  

Property   DTAC   DTAMs   DTAB   DTATFA   DTATf  

TK  /  °C   ~  0   0   0   -­‐   37  

cmc  /  10-­‐3  M   22,7   23,9   16,9   10   5  

Nagg   42   43   45   71   263  

α 0,49   0,3   0,29   0,15   0,1  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 4193.

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MD  simula+ons  substan+ates  shape  and  high  aggrega+on  number    of  DTATf  

•  Ini+al  shape:  bilayers  with  exposed  edges;  

•  130  DTATf  in  13  nm-­‐edge  cube;  

•  Rim  forma+on.  

Simulação  MD  DTATf  130  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 4193.

BEIJING  北京  

DTAB  aggregate  with  130  monomers  is  unstable  

•  Tf-­‐  were  replace  by  Br-­‐;  

•  At  0.6  ns:  shape  change;  

•  At  1.5  ns:  first  micellar  division;  

•  At  3  ns:  second  micellar  division.  

MD  de  DTAB  com  130  monomeros  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 4193.

BEIJING  北京  

MD  reproduced  the  high  affinity  of  Tf-­‐  to  DTA  interface  

•  High  life+mes  of  Tf-­‐  at  the  micellar  interface;  

•  Micellar  shape  affects  α.  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2014, 30, 1239.

DTAX   Nagg   αexp   αMD   tsimula+on  

Tf   130   0,10   0,11   35  ns  

Tf   50   0,10   0,13   100  ns  

Br   50   0,32   0,39   100  ns  

BEIJING  北京  

DTATf  micelles  are  discoidal  

•  Finite  bicelle  model  provided  the  best  fit  to  SAXS  curves  of  DTATf  aggregates;  

•  The  thickness  of  the  core  suggests  interdigita+on  of  chains.  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 4193.

model Rshell  /  Å Rcore  /  Å ρshell  /  e/Å3 ρcore  /  e/Å3 sized  /  Å bicelle 6.0 9.2 0.43 0.30 54  ±  20

infinite  lamella 6.0 8.0 0.40 0.29 ∞ sphere 4.0 15.8 0.40 0.28 -­‐

cyllinder 9.9 8.6 0.43 0.29 756

BEIJING  北京  

DTATf  aggregates  are  ordered,  packed  and  dehydrated  

•  NMR  showed:  –  Ion-­‐exchange  (Br-­‐/Tf-­‐)  at  the  DTA  interface;  –  High  order  along  DTA’s  chain;  

•  EPR  probes  showed:  –  Higher  rota+onal  correla+on  +mes  of  

probes  inside  DTATf  aggregates;  –  Smaller  hyperfine  coupling  of  probes  in  

DTATf  (smaller  hydra+on).  

DTAX  Order  Parameter  

HP   HG   H12  

Ms   0,04   0,28   0,12  

Br   0,05   0,32   0,12  

Tf   0,24   0,47   0,18  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 4193.

BEIJING  北京  

DTA’s  chain  is  less  mobile  in  DTATf  aggregates  

•  Reorienta+onal  correla+on  func+on  of  DTA’s  chain  decays  slower  in  DTATf  than  that  in  DTAB.  

System A τ1  /  ps τ2  /  ps τr  /  ps DTAB 0.695  ±  0.002 144  ±  1 1066  ±  7 425  ±  10 DTATf 0.600  ±  0.002 199  ±  1 1203  ±  4 600  ±  10

●  DTAB  ■ DTATf - Fit  

𝐶↓𝑡−𝑝 (𝑡)=𝐴𝑒↑−𝑡/ 𝜏↓1  +(1−𝐴) 𝑒↑−𝑡/ 𝜏↓2    𝜏↓𝑟 =∫0↑∞▒𝐶↓𝑡−𝑝 (𝑡)  𝑑𝑡   

Lima, FS, et al, Langmuir, 2014, 30, 1239.

BEIJING  北京  

DTATf  aggregate  is  ordered  and  dehydrated  in  MD  simula+ons  

•  RDF  between  the  center  of  mass  of  the  micelle  and:  –  DTA’s  headgroup:  smaller  

width  in  DTATf  (smaller  fluctua+ons);  

–  C.I.:  Tf-­‐  penetrates  into  the  hydrophobic  core  of  DTATf;  

•  DTA  in  DTATf  micelle  has  fewer  contacts  with  water.  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2014, 30, 1239.

BEIJING  北京  

Hydra+on  and  C.I.  dynamics  at  DTATf  interface  probed  by  dielectric  relaxa+on  spectroscopy  

•  DTATf  DR  spectra  shows  low  Tf-­‐  mobility  at  the  micellar  interface;  

•  Less  water  molecules  were  affected  in  DTATf  than  in  DTAB  solu+ons;  

•  MD  simula+ons  support  these  findings.  

Surfactant   Zib   Zs   Zt  DTAC   9,8   29,3   39,1  DTAB   9,1   16,2   25,3  DTAMs   7,3   19,6   26,9  DTATf   11,3   -­‐   11,3  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2013, 29, 10037.

BEIJING  北京  

MD  simula+ons  show  high  interac+on  energies  between  Tf-­‐  and  DTA  

•  DTA/Tf-­‐  interac+ons  are  more  than  2.5  +mes  that  of  DTA/Br-­‐;  

•  High  electrosta+c  interac+on  of  DTA/Tf-­‐  suggests  ion-­‐pairing;  

•  Considerable  energe+c  contribu+on  from  –CF3/surfactant’s  tail.  

Interac?on  

%𝑬↓𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍↑𝑫𝑻𝑨−𝑿   

%𝑬↓𝑪𝒐𝒖𝒍↑𝑫𝑻𝑨−𝑿   

%𝑬↓𝑳𝑱↑𝑫𝑻𝑨−𝑿   

LJ  (-­‐CF3  –  cauda)   5,95   -­‐   27,71  Elec  (-­‐CF3  –  cauda)   0   0,00   -­‐  

LJ  (-­‐CF3  –  CP)   2,72   -­‐   12,64  Elec  (-­‐CF3  –  CP)   7,12   9,07   -­‐  LJ  (-­‐SO3  –  CP)   6,11   -­‐   28,45  Elec  (-­‐SO3  –  CP)   71,40   90,93   -­‐  LJ  (-­‐SO3  –  cauda)   6,70   -­‐   31,19  Elec  (-­‐SO3  –  cauda)   0   0,00   -­‐  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2014, 30, 1239.

BEIJING  北京  

DTA/Tf-­‐  Interac+ons  induces  C.I.  orienta+on  at  the  micellar  interface    

•  At  the  micellar  interface,  Tf-­‐  exposes  the  –CF3  group  to  the  core;  

•  No  specific  orienta+on  of  Tf-­‐  is  found  at  high  distances  from  the  micelle.  

Lima, FS, et al, Langmuir, 2014, 30, 1239.

BEIJING  北京  

A  closer  look  at  the  DTATf  interface  

•  Low  Tf-­‐  exit  rate  from  the  micellar  interface;  

•  Low  fluctua+ons  of  Tf-­‐  and  headgroups  at  the  interface;  

•  Tf-­‐  and  headgroup  are  close.  

MD  da  interface  de  DTATf  

BEIJING  北京  

Added  NaTf  increases  the  Nagg  of  DTATf  aggregates  and  decreases  α  

•  Nagg  of  DTATf  increased  with  [NaTf]  to  finite  values;  

•  Nagg  increase  is  accompanied  by  dehydra+on;  

•  Micellar  α  is  lowered.  

[DTATf]  /  M  [NaTf]  /  M  

0   0.015   0.030  0.03   136  ±  2   224  ±  6   350  ±  13  0.045   162  ±  3   224  ±  6   365  ±  9  0.06   187  ±  5   250  ±  9   373  ±  14  0.08   212  ±  3   269  ±  8   404  ±  15  0.10   263  ±  10   263  ±  9   412  ±  5  

BEIJING  北京  

NaTf  addi+on  uppon  DTATf  solu+ons  leads  to  Nagg  increase  and  α  decrease  

•  A  maximum  in  viscosity  of  DTATf  x  [NaTf]  is  observed;  

•  Viscosity  decay  suggests  surface  charge  lowering.  

0.1  0.08  

0.06  

0.03  0.015  0.006  

BEIJING  北京  

Further  NaTf  addi+on  upon  DTATf  leads  to  phase  separa+on  

•  0.05  M  NaTf  induces  phase  separa+on  in  DTATf  solu+ons;  –  One  is  a  surfactant-­‐rich  phase,  

and  the  other  is  a  surfactant-­‐poor  phase;  

•  The  number  of  phases  is  a  func+on  of  temperature.  

Filme  da  separação  de  fase  

BEIJING  北京  

Summary  

•  DTATf  forms  dehydrated  disk-­‐like  micelles;  •  The  aggregates  possess  low  α;  •  High  packing  and  order  of  micellized  monomers;  •  Micellar  proper+es  are  reproduced  in  MD  simula+ons;  

•  Specific  Tf-­‐/DTA  interac+ons  rules  the  micellar  proper+es;  

•  Applica+ons?  

BEIJING  北京  

Proper+es  of  DNA-­‐surfactant  gel  par+cles  can  be  modulated  by  the  surfactant’s  C.I.  

•  Added  drop  of  DNA  solu+ons  to  surfactant  solu+ons  leads  to  gel  par+cle  forma+on;  

•  Par+cle’s  hydrophobicity  or  hydrophilicity  depends  upon  the  surfactant’s  C.I..  

BEIJING  北京  

Haemoly+c  effects  of  the  gel  par+cles  depends  upon  the  nature  of  the  C.I.  

•  Haemoly+c  effect  of  gel  par+cles  depends  upon  the  C.I.;  

•  The  haemolysis  kine+cs  also  depends  on  C.I..  

BEIJING  北京  

Flat  gold  nanopar+cles  are  obtained  in  DTATf  

•  AuCl4-­‐  +  ascorbic  acid  in  DTATf  generates  nanodisks;  

•  The  reac+on  is  fast  and  go  without  pre-­‐formed  nanopar+cles  (seeds);  

•  Par+cle’s  diameter/thickness  can  be  controlled.  

BEIJING  北京  

Choice  of  surfactant’s  C.I.  enables  kine+c  and  growth  

control  •  These  results  suggests  a  new  model  of  gold  nanopar+cle  growth  in  micellar  media;  

•  Micellar  proper+es  are  fundamental  for  guiding  the  growth  and  geometry  of  nanopar+cles.  

BEIJING  北京  Hernan  Chaimovich  CHBC-­‐  Fapesp   30  

The  end  

BEIJING  北京  

Procurar campo de força  para as moléculas

Criar arquivo contendo os parâmetros de  interação de cada átomo do sistema

Montar estrutura inicial com a quantidade  de moléculas, criando interface “ar”/água    (matriz com x0, y0, z0 de cada átomo)      (Packmol)

 Criar arquivo contendo os parâmetros de    minimização de energia (energia alvo e número máximo de passos)

Arquivo com novas posições dos átomos  (x1,y1,z1)

Criar arquivo contendo os parâmetros para  equilíbrio NVT do sistema    (∆t, T, integrador, etc)

Rodar minimização de energia (sem velocidades!)  Daqui para baixo tudo no GROMACS

Arquivo com novas posições dos átomos              e velocidades            (x3,y3,z3, vx3, vy3, vz3)            Rodar simulação NVT            Arquivos com posições, velocidades  e energias a cada 1000*∆t da simulação              Extrair informações    Valores de a, mobilidade de monômeros,    hidratação, energias de interação, etc

1) Minimização

2) Equilíbrio NVT

Criar arquivo contendo os parâmetros para  simulação do sistema    (∆t, T, integrador, etc)          3) Simulação                                        4) Análise

MD de INTERFACE      

 Desenhar moléculas de DTA e íons    (ChemDraw)

 Rodar equilíbrio NVT Velocidades geradas por Maxwell-Boltzmann

BEIJING  北京  

   Procurar campo de força      para as moléculas          Criar arquivo contendo os parâmetros de  interação de cada átomo do sistema

 Criar arquivo contendo os parâmetros de    minimização de energia (energia alvo e número máximo de passos)

Arquivo com novas posições dos átomos  (x1,y1,z1) Criar arquivo contendo os parâmetros para  equilíbrio NVT do sistema    (∆t, T, integrador, etc)

Rodar minimização de energia (sem velocidades!)  Daqui para baixo tudo no GROMACS

 Rodar equilíbrio NVT Velocidades geradas por Maxwell-Boltzmann

Arquivo com novas posições dos átomos                e velocidades              (x2,y2,z2, vx2, vy2, vz2)              Rodar equilíbrio NPT      Arquivo com novas posições dos átomos                e velocidades              (x3,y3,z3, vx3, vy3, vz3)                Rodar simulação            Arquivos com posições, velocidades  e energias a cada 1000*∆t da simulação              Extrair informações    Valores de a, mobilidade de monômeros,    hidratação, energias de interação, etc

1) Minimização

2) Equilíbrio NVT

Criar arquivo contendo os parâmetros para    equilíbrio NPT do sistema  (∆t, T, pressão, integrador, etc)              3) Equilíbrio NPT      

Criar arquivo contendo os parâmetros para      simulação do sistema  (∆t, T, pressão, integrador, etc)              4) Simulação                                            5) Análise

MD de MICELAS      

       Desenhar moléculas de DTA e íons          (ChemDraw)        Montar estrutura inicial com a quantidade    de moléculas e na geometria desejada      (matriz com x0, y0, z0 de cada átomo)            (Packmol)