Formación de micelas, microemulsiones y vesículas por autoagregación de líquidos iónicos

Resumo

Esta tesis describe los principales tipos de sistemas coloidales por autoagregación englobados en el campo de los surfactantes basados en líquidos iónicos. En el capítulo 1 se da una breve introducción de los sistemas coloidales y los surfactantes líquidos iónicos (ILs). Además, se revisa en este capítulo un exhaustivo informe bibliográfico sobre micelas y microemulsiones basadas en ILs además de sobre vesículas cataniónicas En el capítulo 2 se relata la caracterización del comportamiento de agregación del líquido iónico cloruro de 1,3-didecil-2-metilimidazolio en disolución acuosa, buscando su concentración micelar crítica de aproximadamente 0.4 -0.5 mM (dependiendo de la técnica utilizada). Este valor es menor que el valor de un surfactante con el mismo grupo de cabeza y una cadena simple o de un surfactante géminis similar. Se ha obtenido un segundo punto de ruptura, a una concentración de 20-30 mM, designado como cmc2, como consecuencia de un cambio en la forma y tamaño de las micelas de esférica a cilíndricas. Finalmente, a una concentración aún mayor de líquido iónico se detecta una tercera evolución estructural, dónde a partir de micelas cilíndricas se forman agregados bicapa. Estos dominios bicapa aparecen como una dispersión de una fase lamelar de mayor concentración en la fase micelar, lo que indica una coexistencia de micelas y bicapas (región de dos fases). La capacidad de este líquido iónico para formar micelas de diferentes tipos o formas se tuvo en cuenta en el estudio de la cinética de la reacción de solvólisis de cloruro de 4-metoxibencenosulfonilo. En el capítulo 3 se utilizan ILs formados por un catión derivado de un imidazolio del tipo [Cnmim+] este anillo imidazolio tiene un protón ligeramente ácido en la posición C(2) (ver esquema 3.2) y como consecuencia tiene lugar la reacción intercambio iónico H-D cuando están disueltos en D2O. Sin embargo, cuando los valores de n son altos (12, 14) o cuando el anión que los acompaña tiene una larga cadena hidrocarbonada como puede ser en el caso del dodecil sulfato (C12SO4-) surge el fenómeno de la autoagregación formando micelas que influye de manera directa en la velocidad de esta reacción de intercambio. Cuando la micela está formada por el catión (el anillo de imidazolio) existe una catálisis de la reacción de intercambio H-D a concentraciones cercanas a la cmc y luego una inhibición. La explicación a esto viene dada por la favorable interacción electrostática cuando se aproximan los aniones DO- a la capa de Stern de la micela catiónica, pero a altas concentraciones de IL habrá también una mayor concentración de contraiones (aniones) cerca de la micela provocarán la inhibición de la reacción de intercambio. En el caso de las micelas aniónicas, es electrostáticamente desfavorable el acercamiento de los DO- a una capa de Stern negativa, lo que resulta de una inhibición de la reacción de intercambio H-D. No es posible una interpretación cuantitativa de los resultados experimentales en base al modelo de la pseudofase micelar debido a las variaciones de pH en la capa de Stern de las micelas de IL. En el capítulo 4 se analiza el comportamiento de los espectros de absorción del MO en presencia de surfactantes derivados de líquidos iónicos obtuvimos diferentes comportamientos. Por un lado, con los surfactantes catiónicos, en los cuales el anillo imidazolio es el implicado en la formación de la micela, el MO interacciona fuerte con los monómeros de surfactante para formar vesículas antes de la concentración micelar crítica de los surfactantes. A concentraciones altas de surfactante esta interacción se rompe permitiendo la autoagregación del surfactante en micelas y la consiguiente introducción del MO en la interfase micelar. En el caso de los surfactantes catiónicos, en unos casos se obtuvo el comportamiento esperado, en el que una vez formada las micelas el MO se introduce en un entorno de menor polaridad. Pero en los casos del [C4mim][C10SO4] y [C4mim][C12SO4], se comprobó que el anillo imidazolio creaba un microentorno ácido capaz de llevar al MO a su forma protonada. En el capítulo 5 se describe la caracterización por distintas técnicas experimentales de microemulsiones basadas en líquidos iónicos, en concreto, del sistema ternario [C4mim][OT]/isooctano/agua desarrollando de este modo su diagrama ternario comparándolo con su homólogo, el sistema AOT/isooctano/agua. También han sido caracterizados los sistemas binarios AOT/agua y [C4mim][OT]/agua determinando la formación de agregados micelares en ambos sistemas que evolucionaban, con el aumento de la concentración de surfactante, a vesículas y a micelas cilíndricas respectivamente. También se ha demostrado que las microemulsiones formadas por el sistema [C4mim][OT]/isooctano/agua poseen una región más amplia de estabilidad termodinámica con respecto al sistema AOT/isooctano/agua. Ambos sistemas han sido estudiados mediante espectroscopía de fluorescencia y de1H-RMN. Capítulo 6 Han sido sintetizados los surfactantes cataniónicos [Cnmim] [C12SO4] (n=4, 6 y 8) y se ha observado el comportamiento de autoagregación en disolución acuosa, obteniendo agregados micelares con los surfactantes [C4mim][C12SO4] y [C6mim][C12SO4] y vesículas en el caso del [C8mim][C12SO4]. Además, se han estudiado las mezclas cataniónicas formadas por la mezcla de distintos bromuros de alquilimidazolio con AOT, que dan lugar a la formación de vesículas. En una primera parte se han caracterizado las micelas formadas por los surfactantes cataniónicos [C4mim][C12SO4] y [C6mim][C12SO4] obteniendo su cmc mediante distintas técnicas como medidas de conductividad, espectrofluorimetría y RMN. También se ha estudiado la reacción de hidrólisis del MBSC, en presencia de micelas formadas por el surfactante [C4mim][C12SO4]. En segundo lugar, han sido caracterizadas las vesículas formadas por el surfactante cataniónico [C8mim][C12SO4] obteniendo su cvc por distintas técnicas además de confirmar la existencia de vesículas por cryo-TEM. Se han propuesto dos modelos de separación de carga en la formación de las vesículas, uno en el cual el catión del surfactante actúa mayormente como contraión y ambas caras de la vesícula son negativas, y otro proponiendo una separación asimétrica de las cargas obteniendo vesículas con carga superficial exterior negativa y cara superficial interior positiva. Tras el estudio de la difusión del litio a través de las vesículas y de un ensayo de la precipitación del AgCl, se ha podido confirmar que las vesículas formadas de forma espontánea por el [C8mim][C12SO4] en disolución acuosa se forman mediante el modelo de distribución asimétrica de cargas, es decir, su carga superficial exterior es negativa y su carga superficial interior es positiva. Finalmente, se han caracterizado las mezclas equimolares de bromuros de alquilmetilimidazolio y AOT en disolución acuosa obteniendo su concentración de agregación crítica mediante espectroscopía de fluorescencia utilizando la sonda Pireno. Además, se han medido su tamaño y el potencial Z mediante DLS corroborando la formación de vesículas con carga superficial positiva. Capítulo 7 Tanto la SsoSSB como la helicasa XPD son proteínas que juegan un papel muy importante en la reparación de nucleótidos por escisión, por ello es necesario el desarrollo de un método que permita conocer la dinámica de asociación y disociación (SsoSSB) y la dinámica de asociación y “apertura” (XPD) con el ADN. Mediante FRET hemos desarrollado métodos que permiten monitorizar y cuantificar los distintos procesos a tiempo real. También permite determinar qué factores hacen que varíe su afinidad por el ADN y que residuos están implicados en la formación del complejo proteína-sustrato. El objetivo principal de nuestro estudio era desarrollar métodos para el análisis en tiempo real de los procesos de protección de ADN por la SSB y de apertura de la doble hélice mediada por la XPD. En el caso de la SSB demostramos la presencia de una serie de procesos fotofisicos (quenching, PIFE, FRET) que permiten diferenciar los procesos de asociación de uno y dos monómeros de SSB. Al nivel de moléculas individuales esto nos permite observar y asignar cada proceso dinámico de asociación y disociación, y extraer las correspondientes constantes cinéticas. En el caso de la XPD, la variación observada de la velocidad de apertura con la concentración de proteína y con la concentración de ATP/Mg permite asignar el descenso observado en el FRET como resultado de la separación de las dos hebras. Los protocolos desarrollados durante mi estancia constituyen una herramienta muy útil para el estudio de ambas proteínas y se usan rutinariamente en la escuela de biología para estudiar los procesos NER.