Estudo teórico de intermediários tetraédricos acidez / basicidade e estereosseletividade enzimáticos

The present work aimed first, the theoretical study of tetrahedral intermediate stability formed from carbonyl addition reactions using the second (MP2) and third (MP3) order Møller–Plesset perturbation theory. Linear correlations between electronic energy difference of reactions with Wiberg Indexes and C-O bond lengths were obtained, and was observed that the stability of adducts formed depends directly of electronic density involved between these atoms. The knowing of electronic parameters of these structures has an important hole due to the large use on reactions that in his course forms this tetrahedral intermediate. Employing the ONIOM (B3LYP:AMBER) methodology, was evaluated the stereoselectivity of a enzymatic reaction between CAL B enzyme and a long chain ester. In this study, were obtained the electronic energies of ground state and intermediate state of transesterification rate-determing step from two possible proquirals faces Re and Si. The objective was study the enantioselectivity of CAL B and rationalizes it using quantum theory of atoms in molecules (QTAIM). A theoretical study employing inorganic compounds was performed using ab initio CBS-QB3 method aiming to find a link between thermodynamic and equilibrium involving acids and bases. The results observed showed an excellent relationship between difference in Gibbs free energy, ΔG of acid dissociation reaction and ΔG of hydrolysis reaction of the corresponding conjugate base. It was also observed, a relationship between ΔG of hydrolysis reaction of conjugate acids and their corresponding atomic radius showing that stability plays an important role in hydrolysis reactions. The importance of solvation in acid/base behavior when compared to theoretical and experimental ΔG´s also was evaluated.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Gas Solubility and Vapor Pressure of Electrolytes Based on Alkylcarbonates Containing Litfsi, Lifap, and LiPF6 Lithium Salt: Measurement and Prediction

Most liquid electrolytes used in commercial lithium-ion batteries are composed by alkylcarbonate mixture containing lithium salt. The decomposition of these solvents by oxidation or reduction during cycling of the cell, induce generation of gases (CO2, CH4, C2H4, CO …) increasing of pressure in the sealed cell, which causes a safety problem [1]. The prior understanding of parameters, such as structure and nature of salt, temperature pressure, concentration, salting effects and solvation parameters, which influence gas solubility and vapor pressure of electrolytes is required to formulate safer and suitable electrolytes especially at high temperature.

We present in this work the CO2, CH4, C2H4, CO solubility in different pure alkyl-carbonate solvents (PC, DMC, EMC, DEC) and their binary or ternary mixtures as well as the effect of temperature and lithium salt LiX (X = LiPF6, LiTFSI or LiFAP) structure and concentration on these properties. Furthermore, in order to understand parameters that influence the choice of the structure of the solvents and their ability to dissolve gas through the addition of a salt, we firstly analyzed experimentally the transport properties (Self diffusion coefficient (D), fluidity (h-1), and conductivity (s) and lithium transport number (tLi) using the Stock-Einstein, and extended Jones-Dole equations [2]. Furthermore, measured data for the of CO2, C2H4, CH4 and CO solubility in pure alkylcarbonates and their mixtures containing LiPF6; LiFAP; LiTFSI salt, are reported as a function of temperature and concentration in salt. Based on experimental solubility data, the Henry’s law constant of gases in these solvents and electrolytes was then deduced and compared with values predicted by using COSMO-RS methodology within COSMOthermX software. From these results, the molar thermodynamic functions of dissolution such as the standard Gibbs energy, the enthalpy, and the entropy, as well as the mixing enthalpy of the solvents and electrolytes with the gases in its hypothetical liquid state were calculated and discussed [3]. Finally, the analysis of the CO2 solubility variations with the salt addition was then evaluated by determining specific ion parameters Hi by using the Setchenov coefficients in solution. This study showed that the gas solubility is entropy driven and can been influenced by the shape, charge density, and size of the anions in lithium salt.

References

[1] S.A. Freunberger, Y. Chen, Z. Peng, J.M. Griffin, L.J. Hardwick, F. Bardé, P. Novák, P.G. Bruce, Journal of the American Chemical Society 133 (2011) 8040-8047.

[2] P. Porion, Y.R. Dougassa, C. Tessier, L. El Ouatani, J. Jacquemin, M. Anouti, Electrochimica Acta 114 (2013) 95-104.

[3] Y.R. Dougassa, C. Tessier, L. El Ouatani, M. Anouti, J. Jacquemin, The Journal of Chemical Thermodynamics 61 (2013) 32-44.

Étude des mécanismes d’extraction lipidique par le peptide mélittine et la protéine BSP1

Les peptides et protéines extracteurs de lipides (PEL) se lient aux membranes lipidiques puis en extraient des lipides en formant de plus petits auto-assemblages, un phénomène qui peut aller jusqu'à la fragmentation des membranes. Dans la nature, cette extraction se produit sur une gamme de cellules et entraîne des conséquences variées, comme la modification de la composition de la membrane et la mort de la cellule. Cette thèse se penche sur l’extraction lipidique, ou fragmentation, induite par le peptide mélittine et la protéine Binder-of-SPerm 1 (BSP1) sur des membranes lipidiques modèles. Pour ce faire, des liposomes de différentes compositions sont préparés et incubés avec la mélittine ou la BSP1. L'association aux membranes est déterminée par la fluorescence intrinsèque des PEL, tandis que l'extraction est caractérisée par une plateforme analytique combinant des tests colorimétriques et des analyses en chromatographie en phase liquide et spectrométrie de masse (LCMS). La mélittine fait partie des peptides antimicrobiens cationiques, un groupe de PEL très répandu chez les organismes vivants. Ces peptides sont intéressants du point du vue médical étant donné leur mode d’action qui vise directement les lipides des membranes. Plusieurs de ceux-ci agissent sur les membranes des bactéries selon le mécanisme dit « en tapis », par lequel ils s’adsorbent à leur surface, forment des pores et ultimement causent leur fragmentation. Dans cette thèse, la mélittine est utilisée comme peptide modèle afin d’étudier le mécanisme par lequel les peptides antimicrobiens cationiques fragmentent les membranes. Les résultats montrent que la fragmentation des membranes de phosphatidylcholines (PC) est réduite par une déméthylation graduelle de leur groupement ammonium. L'analyse du matériel fragmenté révèle que les PC sont préférentiellement extraites des membranes, dû à un enrichissement local en PC autour de la mélittine à l'intérieur de la membrane. De plus, un analogue de la mélittine, dont la majorité des résidus cationiques sont neutralisés, est utilisé pour évaluer le rôle du caractère cationique de la mélittine native. La neutralisation augmente l'affinité du peptide pour les membranes neutres et anioniques, réduit la fragmentation des membranes neutres et augmente la fragmentation des membranes anioniques. Malgré les interactions électrostatiques entre le peptide cationique et les lipides anioniques, aucune spécificité lipidique n'est observée dans l'extraction. La BSP1 est la protéine la plus abondante du liquide séminal bovin et constitue un autre exemple de PEL naturel important. Elle se mélange aux spermatozoïdes lors de l’éjaculation et extrait des lipides de leur membrane, notamment le cholestérol et les phosphatidylcholines. Cette étape cruciale modifie la composition lipidique de la membrane du spermatozoïde, ce qui faciliterait par la suite la fécondation de l’ovule. Cependant, le contact prolongé de la protéine avec les spermatozoïdes endommagerait la semence. Cette thèse cherche donc à approfondir notre compréhension de ce délicat phénomène en étudiant le mécanisme moléculaire par lequel la protéine fragmente les membranes lipidiques. Les résultats des présents travaux permettent de proposer un mécanisme d’extraction lipidique en 3 étapes : 1) L'association à l’interface des membranes; 2) La relocalisation de l’interface vers le cœur lipidique; 3) La fragmentation des membranes. La BSP1 se lie directement à deux PC à l'interface; une quantité suffisante de PC dans les membranes est nécessaire pour permettre l'association et la fragmentation. Cette liaison spécifique ne mène généralement pas à une extraction lipidique sélective. L'impact des insaturations des chaînes lipidiques, de la présence de lysophosphatidylcholines, de phosphatidyléthanolamine, de cholestérol et de lipides anioniques est également évalué. Les présentes observations soulignent la complexe relation entre l'affinité d'un PEL pour une membrane et le niveau de fragmentation qu'il induit. L'importance de la relocalisation des PEL de l'interface vers le cœur hydrophobe des membranes pour permettre leur fragmentation est réitérée. Cette fragmentation semble s'accompagner d'une extraction lipidique préférentielle seulement lorsqu'une séparation de phase est induite au niveau de la membrane, nonobstant les interactions spécifiques PEL-lipide. Les prévalences des structures amphiphiles chez certains PEL, ainsi que de la fragmentation en auto-assemblages discoïdaux sont discutées. Finalement, le rôle des interactions électrostatiques entre les peptides antimicrobiens cationiques et les membranes bactériennes anioniques est nuancé : les résidus chargés diminueraient l'association des peptides aux membranes neutres suite à l'augmentation de leur énergie de solvatation.

Impact of the cation symmetry on the mutual solubilities between water and imidazolium-based ionic liquids

Aiming at the evaluation of the impact of the ionic liquids (ILs) cation symmetry on their phase behaviour, in this work, novel mutual solubilities with water of the symmetric series of [C(n)C(n)im][NTf2] (with n=1-5) were determined and compared with their isomeric forms of the asymmetric [C(n)C(1)im][NTf2] group. While the solubility of isomeric ILs in water was found to be similar, the solubility of water in ILs follows the same trend up to a maximum cation alkyl side chain length. For n >= 4 in [C(n)C(n)im][NTf2] the solubility of water in the asymmetric ILs is slightly higher than that observed in the symmetric counterparts. The thermodynamic properties of solution and solvation derived from the experimental solubility data of ILs in water at infinite dilution, namely the Gibbs energy, enthalpy and entropy were used to evaluate the cation symmetry effect on the ILs solvation. It is shown that the solubility of ILs in water is entropically driven and highly influenced by the cation size. Accordingly, it was found that the ILs solubility in water of both symmetric and asymmetric series depends on their molecular volume. Based on these findings, a linear correlation between the logarithm of the solubility of ILs in water and their molar volume is here proposed for the [NTf2]-based ILs at a fixed temperature.

Computational and experimental study of the behavior of cyano-based ionic liquids in aqueous solution

The solvation of cyano- (CN-) based ionic liquids (ILs) and their capacity to establish hydrogen bonds (H-bonds) with water was studied by means of experimental and computational approaches. Experimentally, water activity data were measured for aqueous solutions of ILs based on 1-butyl-3-methylimidazolium ([BMIM](+)) cation combined with one of the following anions: thiocyanate ([SCN](-)), dicyanamide ([DCA](-)), or tricyanomethanide ([TCM](-)), and of 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate ([EMIM][TCB]). From the latter data, water activity coefficients were estimated showing that [BMIM][SCN] and [BMIM][DCA], unlike [BMIM][TCM] and [EMIM][TCB], are able to establish favorable interactions with water. Computationally, the conductor like screening model for real solvents (COSMO-RS) was used to estimate the water activity coefficients which compare well with the experimental ones. From the COSMO-RS results, it is suggested that the polarity of each ion composing the ILs has a strong effect on the solvation phenomena. Furthermore, classical molecular dynamics (MD) simulations were performed for obtaining an atomic level picture of the local molecular neighborhood of the different species. From the experimental and computational data it is showed that increasing the number of CN groups in the ILs' anions does not enhance their ability to establish H-bonds with water but decreases their polarities, being [BMIM][DCA] and [BMIM][SCN] the ones presenting higher propensity to interact.

Why are some cyano-based ionic liquids better glucose solvents than water?

Among different classes of ionic liquids (ILs), those with cyano-based anions have been of special interest due to their low viscosity and enhanced solvation ability for a large variety of compounds. Experimental results from this work reveal that the solubility of glucose in some of these ionic liquids may be higher than in water – a well-known solvent with enhanced capacity to dissolve mono- and disaccharides. This raises questions on the ability of cyano groups to establish strong hydrogen bonds with carbohydrates and on the optimal number of cyano groups at the IL anion that maximizes the solubility of glucose. In addition to experimental solubility data, these questions are addressed in this study using a combination of density functional theory (DFT) and molecular dynamics (MD) simulations. Through the calculation of the number of hydrogen bonds, coordination numbers, energies of interaction and radial and spatial distribution functions, it was possible to explain the experimental results and to show that the ability to favorably interact with glucose is driven by the polarity of each IL anion, with the optimal anion being dicyanamide.

Multiple sulfur isotope fractionations in inorganic aqueous systems

New constraints on isotope fractionation factors in inorganic aqueous sulfur systems based on theoretical and experimental techniques relevant to studies of the sulfur cycle in modern environments and the geologic rock record are presented in this dissertation. These include theoretical estimations of equilibrium isotope fractionation factors utilizing quantum mechanical software and a water cluster model approach for aqueous sulfur compounds that span the entire range of oxidation state for sulfur. These theoretical calculations generally reproduce the available experimental determinations from the literature and provide new constraints where no others are available. These theoretical calculations illustrate in detail the relationship between sulfur bonding environment and the mass dependence associated with equilibrium isotope exchange reactions involving all four isotopes of sulfur. I additionally highlight the effect of isomers of protonated compounds (compounds with the same chemical formula but different structure, where protons are bound to either sulfur or oxygen atoms) on isotope partitioning in the sulfite (S4+) and sulfoxylate (S2+) systems, both of which are key intermediates in oxidation-reduction processes in the sulfur cycle. I demonstrate that isomers containing the highest degree of coordination around sulfur (where protonation occurs on the sulfur atom) have a strong influence on isotopic fractionation factors, and argue that isomerization phenomenon should be considered in models of the sulfur cycle. Additionally, experimental results of the reaction rates and isotope fractionations associated with the chemical oxidation of aqueous sulfide are presented. Sulfide oxidation is a major process in the global sulfur cycle due largely to the sulfide-producing activity of anaerobic microorganisms in organic-rich marine sediments. These experiments reveal relationships between isotope fractionations and reaction rate as a function of both temperature and trace metal (ferrous iron) catalysis that I interpret in the context of the complex mechanism of sulfide oxidation. I also demonstrate that sulfide oxidation is a process associated with a mass dependence that can be described as not conforming to the mass dependence typically associated with equilibrium isotope exchange. This observation has implications for the inclusion of oxidative processes in environmental- and global-scale models of the sulfur cycle based on the mass balance of all four isotopes of sulfur. The contents of this dissertation provide key reference information on isotopic fractionation factors in aqueous sulfur systems that will have far-reaching applicability to studies of the sulfur cycle in a wide variety of natural settings.

Development of measurement and modeling techniques to quantify atmospheric deposition of persistent, bioaccumulative and toxic chemicals in the Great Lakes

Measurement and modeling techniques were developed to improve over-water gaseous air-water exchange measurements for persistent bioaccumulative and toxic chemicals (PBTs). Analytical methods were applied to atmospheric measurements of hexachlorobenzene (HCB), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs). Additionally, the sampling and analytical methods are well suited to study semivolatile organic compounds (SOCs) in air with applications related to secondary organic aerosol formation, urban, and indoor air quality. A novel gas-phase cleanup method is described for use with thermal desorption methods for analysis of atmospheric SOCs using multicapillary denuders. The cleanup selectively removed hydrogen-bonding chemicals from samples, including much of the background matrix of oxidized organic compounds in ambient air, and thereby improved precision and method detection limits for nonpolar analytes. A model is presented that predicts gas collection efficiency and particle collection artifact for SOCs in multicapillary denuders using polydimethylsiloxane (PDMS) sorbent. An approach is presented to estimate the equilibrium PDMS-gas partition coefficient (Kpdms) from an Abraham solvation parameter model for any SOC. A high flow rate (300 L min-1) multicapillary denuder was designed for measurement of trace atmospheric SOCs. Overall method precision and detection limits were determined using field duplicates and compared to the conventional high-volume sampler method. The high-flow denuder is an alternative to high-volume or passive samplers when separation of gas and particle-associated SOCs upstream of a filter and short sample collection time are advantageous. A Lagrangian internal boundary layer transport exchange (IBLTE) Model is described. The model predicts the near-surface variation in several quantities with fetch in coastal, offshore flow: 1) modification in potential temperature and gas mixing ratio, 2) surface fluxes of sensible heat, water vapor, and trace gases using the NOAA COARE Bulk Algorithm and Gas Transfer Model, 3) vertical gradients in potential temperature and mixing ratio. The model was applied to interpret micrometeorological measurements of air-water exchange flux of HCB and several PCB congeners in Lake Superior. The IBLTE Model can be applied to any scalar, including water vapor, carbon dioxide, dimethyl sulfide, and other scalar quantities of interest with respect to hydrology, climate, and ecosystem science.