Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Synthesis of novel solid materials from carbon dioxide and carbon monoxide

The increase of atmospheric CO2 has been identified as the primary cause for the observed global warming over the past century. The geological and oceanic sequestration of CO2 has issues, such as cost and leakage as well as effects on sea biota. The ideal solution should be the conversion of CO2 into useful materials. However, most processes require high energy input. Therefore, it is necessary to explore novel processes with low energy demands to convert CO2 to useful solid materials. Amorphous carbon nitride and graphone received much attention due to their unusual structures and properties as well as their potential applications. However, to date there has been no attempt to synthesize those solid materials from CO2. Lithium nitride (Li3N) and lithium imide (Li2NH) are important hydrogen storage materials. However, their optical properties and reactivity has not yet studied. This dissertation research is aimed at the synthesis of carbon nitrides and graphone from CO2 and CO via their reaction with Li3N and Li2NH. The research was focused on (1) the evaluation of Li3N and Li2NH properties, (2) thermodynamic analysis of conversion of carbon dioxide and carbon monoxide into carbon nitride and other solid materials, (3) synthesis of carbon nitride from carbon dioxide, and (4) synthesis of graphone from carbon monoxide. First, the properties of Li3N, Li2NH, and LiNH2 were investigated. The X-ray diffraction measurements revealed that heat-treatment at 500°C introduce a phase transformation of β-Li3N to α-Li3N. Furthermore, the UV-visible absorption evaluation showed that the energy gaps of α-Li3N and β-Li3N are 1.81 and 2.14 eV, respectively. The UV-visible absorption measurements also revealed that energy gaps are 3.92 eV for Li2NH and 3.93 eV for LiNH2. This thermodynamic analysis was performed to predict the reactions. It was demonstrated that the reaction between carbon dioxide and lithium nitride is thermodynamically favorable and exothermic, which can generate carbon nitride and lithium cyanamide. Furthermore, the thermodynamic calculation indicated that the reaction between carbon monoxide and lithium imide can produce graphone and lithium cyanamide along with releasing heat. Based on the above thermodynamic analysis, the experiment of CO2 and Li3N reaction and CO and Li2NH were carried out. It was found that the reaction between CO2 and Li3N is very fast and exothermic. The XRD and element analysis revealed that the products are crystal lithium cyanamide and amorphous carbon nitrides with Li2O and Li2CO3. Furthermore, TEM images showed that carbon nitrides possess layer-structure, namely, it is graphene-structured carbon nitride. It was found that the reaction between Li2NH and CO was also exothermic, which produced graphone instead of carbon nitride. The composition and structures of graphone were evaluated by XRD, element analysis, TEM observation, and Raman spectra.

Syntheses and structures of molybdenum and tungsten complexes capable of epoxidaton and copper coordination polymers and dendrimers

We are interested in the syntheses of new complexes and in their characterization by single crystal X-ray diffraction techniques. Once we understand the structures, studies aimed at understanding uses of these complexes in the field of catalytic epoxidation using complexes soluble in water and syntheses of thin films (not assessed) were conducted. The syntheses, characterization and catalytic properties of a series of mononuclear, dinuclear and tetranuclear molybdenum and tungsten oxo complexes are described. The syntheses and structural characterization of two copper coordination polymers with 3,5-dihydroxylbenzoate ligand, and five paddlewheel shaped copper dendrimers coordinated with Fréchet-type dendrons are also detailed. The background of this dissertation is outlined in Chapter 1. Chapter 2 describes the syntheses, and characterization of two new mononuclear molybdenum(VI) and tungsten(VI) oxo complexes, MoO2Cl2(OPPh2CH2OH)2, and WO2Cl2(OPPh2CH2OH)2, bearing hydrophilic phosphine oxide ligand. The catalytic properties of these complexes for the epoxidation of cis-cyclooctene were also studied. Two new dinuclear molybdenum(VI) and tungsten(VI) oxo complexes Mo2O4Cl2[(HOCH2)PhPOO]2, and (CH3O)2(O)W(μ-O)(μ-O2PPh2)2W(O)(CH3O)2, bearing organophosphinate ligand are described in Chapter 3 and 4. Chapter 4 and 5 describes the syntheses and characterization of tetranuclear molybdenum(V) oxo complexes bearing various organophosphinate ligands. The catalytic abilities of these complexes for the epoxidation of cis-cyclooctene in the presence of hydrogen peroxide as oxidant were explored as well. Various spectroscopic methods, such as IR, UV-vis, and NMR are used to characterize the nature of these complexes. Crystal structures of compounds MoO2Cl2(OPPh2CH2OH)2, WO2Cl2(OPPh2CH2OH)2, Mo2O4Cl2[(HOCH2)PhPOO]2, (CH3O)2(O)W(μ-O)(μ-O2PPh2)2W(O)(CH3O)2, and Mo4(µ3-O)4(µ-O2PR2)4O4 (R=Ph, Me, ClCH2, o-C6H4(CH2)2) are also presented. The syntheses, and structural characterization of three copper(II) coordination polymers bearing 3,5-dihydroxybenzoate ligand are described in Chapter 6. Two copper(II) coordination polymers, [Cu2(3,5-dhb)2(pyridine)4]n, and [Cu2(3,5-dhb)4]n were afforded based on different amount of pyridine used in the reaction. The structures of these complexes are further built into 2D or 3D networks via inter or intra hydrogen bonds. The syntheses and structural characterization of the zinc(II) monomer, Zn(3,5-dhb)2(pyridine)2 is also described in this Chapter. Chapter 7 describes the syntheses, and characterization of five dendronized dicopper complexes bearing different generations of Fréchet-type dendrons. The structures of 3,5- bis(benzoyloxl)benzoic acid, 3,5-(PhCOO)2PhCOOH (G1), Cu2(3,5-dhb)4(THF)2, Cu2(G1)4(pyridine)2, and Cu2(G1)4(CH3OH)2 were characterized unambiguously by single X-ray diffraction. In addition, all compounds were characterized by FT-IR, UV-vis spectroscopy and elemental analyses.

Laser-induced transient grating analysis of dynamics of interaction between sensory rhodopsin II D75N and the HtrII transducer.

The interaction between sensory rhodopsin II (SRII) and its transducer HtrII was studied by the time-resolved laser-induced transient grating method using the D75N mutant of SRII, which exhibits minimal visible light absorption changes during its photocycle, but mediates normal phototaxis responses. Flash-induced transient absorption spectra of transducer-free D75N and D75N joined to 120 amino-acid residues of the N-terminal part of the SRII transducer protein HtrII (DeltaHtrII) showed only one spectrally distinct K-like intermediate in their photocycles, but the transient grating method resolved four intermediates (K(1)-K(4)) distinct in their volumes. D75N bound to HtrII exhibited one additional slower kinetic species, which persists after complete recovery of the initial state as assessed by absorption changes in the UV-visible region. The kinetics indicate a conformationally changed form of the transducer portion (designated Tr*), which persists after the photoreceptor returns to the unphotolyzed state. The largest conformational change in the DeltaHtrII portion was found to cause a DeltaHtrII-dependent increase in volume rising in 8 micros in the K(4) state and a drastic decrease in the diffusion coefficient (D) of K(4) relatively to those of the unphotolyzed state and Tr*. The magnitude of the decrease in D indicates a large structural change, presumably in the solvent-exposed HAMP domain of DeltaHtrII, where rearrangement of interacting molecules in the solvent would substantially change friction between the protein and the solvent.

Study of Basic Wood Decay Mechanisms and Their Biotechnological Applications

The overall objective of this thesis was to gain further understanding of the non-enzymatic mechanisms involved in brown-rot wood decay, especially the role of pH, oxalic acid, and low molecular catecholate compounds on the dissolution and reduction of iron, and the formation of reactive oxygen species. Another focus of this study will be the potential application of a biomimetic free radical generating system inspired from fungi wood decay process, especially the non-enzymatic mechanism. The possible pathways of iron uptake and iron redox cycling in non-enzymatic brown-rot decay were investigated in this study. UV-Vis spectroscopy and HPLC were employed to study the kinetics and pathways of the interaction between iron and model catecholate compounds under different pH and chelator/iron molar ratio conditions. Iron chelation and reduction during early non-enzymatic wood decay processes have been studied in this thesis. The results indicate that the effects of the chelator/iron ratio, the pH, and other reaction parameters on the hydroxyl radical generation in a Fenton type system can be determined using ESR spin-trapping techniques. Data also support the hypothesis that superoxide radicals are involved in chelator-mediated Fenton processes. The mechanisms involved in free radical activation of Thermal Mechanical Pulp fibers were investigated. The activation of TMP fibers was evaluated by ESR measurement of free phenoxy radical generation on solid fibers. The results indicate that low molecular weight chelators can improve Fenton reactions, thus in turn stimulating the free radical activation of TMP fibers. A mediated Fenton system was evaluated for decolorization of several types of dyes. The result shows that the Fenton system mediated by a catecholate-type chelator effectively reduced the color of a diluted solution of synthetic dyes after 90 minutes of treatment at room temperature. The results show that compared to a neat Fenton process, the mediated Fenton decolorization process increased the production, and therefore the effective longevity, of hydroxyl radical species to increase the decolorization efficiency.

Diagenetic alteration of organic matter in DSDP Leg 57 Holes

I analyzed Leg 57 sediments organogeochemically and spectroscopically. Organic carbon and extractable organic matter prevail from the Pliocene to the Miocene. Humic acids occur widely from the Pleistocene to the lower Miocene and one portion of the Oligocene. The absence of humic acids in Oligocene and Cretaceous samples suggests that humic acids had changed to kerogen. Visible spectroscopic data reveal that humic acids in this study have a low degree of condensed aromatic-ring system, which is a feature of anaerobic conditions during deposition, and that chlorophyll derivatives that had at first combined with humic acids moved to the solvent- soluble fraction during diagenesis. The elemental compositions of humic acids show high H/C and O/C ratios, which seem appropriate to a stage before transformation to kerogen. The relation between the linewidths and g-values on the electron spin resonance data indicates that the free radicals in humic acids are quite different from those in kerogen. The low spin concentrations of kerogen and the yields of humic acids up to the lower Miocene demonstrate that organic matter in these sediments is immature. The foregoing indicate the necessity to isolate humic acids even in ancient rocks in the study of kerogen.

Efecto de la potencia de la unidad de fotopolimerización y del tiempo de fotoactivación sobre la transmitancia de las resinas reforzadas

Las propiedades ópticas de las resinas reforzadas resultan de vital importancia para el logro de restauraciones estéticas, sobre todo en lo referente a color y traslucidéz de las mismas, así como el mantenimiento de esas propiedades en función del tiempo. Ellas dependen de la composición del material y de su manipulación (tiempo de aplicación de una radiación electromagnética adecuada y la potencia de la unidad de fotopolimerización). Una de las formas de observar el comportamiento de estos materiales ante una radiación electromagnética, luego de polimerizados, es medir la transmitancia. El objetivo de este trabajo fue comparar la transmitancia de las resinas reforzadas polimerizadas con distintos tiempos de exposición a la fuente lumínica y diferentes potencias de la misma. Para ello se emplearon muestras de un mismo material de iguales dimensiones, divididos en dos grupos. La variable del grupo 1 fue el tiempo de exposición a la luz, mientras que la del grupo 2 fue la potencia de la fuente de fotoactivación. Para observar la transmitancia de las muestras fue empleado un espectrofotómetro UV- visible, que relaciona la transmitancia con diferentes longitudes de onda, permitiéndonos comparar curvas que representan el comportamiento del material. Los resultados que fueron observados muestran las coincidencias de las mencionadas curvas en ambos grupos y entre las muestras del mismo grupo, para las longitudes de onda cercanas a la luz visible, no así para las correspondientes a las ultravioletas. Pasado un mes de almacenamiento de las muestras, se observaron algunas diferencias en las lecturas de las curvas.

Optical characterisation of semi-transparent PV modules for building integration

A complete characterisation of PV modules for building integration is needed in order to know their influence on the building’s global energy balance. Specifically, certain characteristic parameters should be obtained for each different PV module suitable for building integrated photovoltaics (BIPV), some by direct or indirect measurements at the laboratory, and others by monitoring the element performance mounted in real operating conditions. In the case of transparent building envelopes it is particularly important to perform an optical and thermal characterization of the PV modules that would be integrated in them. This paper addresses the optical characterization of some commercial thin-film PV modules having different degrees of transparency, suitable for building integration in façades. The approach is based on the measurement of the spectral UV/Vis/NIR reflectance and transmittance of the different considered samples, both at normal incidence and as a function of the angle of incidence. With the obtained results, the total and zoned UV, visible and NIR transmission and reflection values are calculated, enabling the correct characterization of the PV modules integrated in façades and the subsequent evaluation of their impact over the electrical, thermal and lighting performance in a building.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Structure and function in rhodopsin: Packing of the helices in the transmembrane domain and folding to a tertiary structure in the intradiscal domain are coupled*

A previous study of the retinitis pigmentosa mutation L125R and two designed mutations at this site, L125A and L125F, showed that these mutations cause partial or total misfolding of the opsins expressed in COS cells from the corresponding mutant opsin genes. We now report on expression and characterization of the opsins from the following retinitis pigmentosa mutants in the transmembrane domain of rhodopsin that correspond to six of the seven helices: G51A and G51V (helix A), G89D (helix B), A164V (helix D), H211P (helix E), P267L and P267R (helix F), and T297R (helix G). All the mutations caused partial misfolding of the opsins as observed by the UV/visible absorption characteristics and by separation of the expressed opsins into fractions that bound 11-cis-retinal to form the corresponding mutant rhodopsins and those that did not bind 11-cis-retinal. Further, all the mutant rhodopsins prepared from the above mutants, except for G51A, showed strikingly abnormal bleaching behavior with abnormal metarhodopsin II photointermediates. The results show that retinitis pigmentosa mutations in every one of the transmembrane helices can cause misfolding of the opsin. Therefore, on the basis of these and previous results, we conclude that defects in the packing of the transmembrane helices resulting from these mutations are relayed to the intradiscal domain, where they cause misfolding of the opsin by inducing the formation of a disulfide bond other than the native Cys-110—Cys-187 disulfide bond. Thus, there is coupling between packing of the helices in the transmembrane domain and folding to a tertiary structure in the intradiscal domain.

Ferredoxin and ferredoxin–heme maquettes

A 16-amino acid residue peptide derived from a consensus motif of natural ferredoxins incorporates a tetranuclear iron sulfur cluster under physiological conditions. Successful assembly of the [4Fe–4S]2+/1+ cluster within a monomeric peptide was demonstrated using size exclusion chromatography, UV-visible, visible CD, and cryogenic EPR spectroscopies. The robustness of [4Fe–4S]2+/1+ formation was tested using peptides with either the ligating cysteine exchanged for alanine or with the intervening amino acids replaced by glycine. The small size of the peptide allows for modular incorporation into more complex protein structures. In one larger structure, we describe a tetra-α-helix bundle that self-assembles both iron–sulfur clusters and hemes, thereby demonstrating feasibility for the general synthesis of maquettes containing multiple, juxtaposed redox cofactors. This is a motif common to the catalytic sites of native oxidoreductases.

Molecular approaches to smart materials via interface recognition and conformationally switchable cavitands

In this thesis the molecular level design of functional materials and systems is reported. In the first part, tetraphosphonate cavitand (Tiiii) recognition properties towards amino acids are studied both in the solid state, through single crystal X-ray diffraction, and in solution, via NMR and ITC experiments. The complexation ability of these supramolecular receptors is then applied to the detection of biologically remarkable N-methylated amino acids and peptides using complex dynamic emulsions-based sensing platforms. In the second part, a general supramolecular approach for surface decoration with single-molecule magnets (SMMs) is presented. The self-assembly of SMMs is achieved through the formation of a multiple hydrogen bonds architecture (UPy-NaPy complexation). Finally we explore the possibility to impart auxetic behavior to polymeric material through the introduction of conformationally switchable monomers, namely tetraquinoxaline cavitands (QxCav). Their interconversion from a closed vase conformation to an extended kite form is studied first in solution, then in polymeric matrixes via pH and tensile stimuli by UV-Vis spectroscopy.

Spectroscopic, calorimetric, and catalytic evidences of hydrophobicity on Ti-MCM-41 silylated materials for olefin epoxidations

Hydrophobic Ti-MCM-41 samples prepared by post-synthesis silylation treatment demonstrate to be highly active and selective catalysts in olefins epoxidation by using organic hydroperoxides as oxidizing agents in liquid phase reaction systems. Epoxide yields show important enhancements with increased silylation degrees of the Ti-mesoporous samples. Catalytic studies are combined and correlated with spectroscopic techniques (e.g. XRD, XANES, UV-Visible, 29Si MAS-NMR) and calorimetric measurements to better understand the changes in the surface chemistry of Ti-MCM-41 samples due to the post-synthesis silylation treatment and to ascertain the role of these trimethylsilyl groups incorporated in olefin epoxidation. In such manner, the effect of the organic moieties on solids, and both water and glycol molecules contents on the catalytic activity and selectivity are analyzed in detail. Results show that the hydrophobicity level of the samples is responsible for the decrease in water adsorption and, consequently, the negligible formation of the non-desired glycol during the catalytic process. Thus, catalyst deactivation by glycol poisoning of Ti active sites is greatly diminished, this increasing catalyst stability and leading to practically quantitative production of the corresponding epoxide. The extended use of these hydrophobic Ti-MCM-41 catalysts together with organic hydroperoxides for the highly efficient and selective epoxidation of natural terpenes is also exemplified.

Desarrollo de sistemas nano/micro-particulados con aplicación en la fotodegradación selectiva de contaminantes orgánicos en solución

IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA DE ESTUDIO. Las sustancias orgánicas solubles en agua no biodegradables tales como ciertos herbicidas, colorantes industriales y metabolitos de fármacos de uso masivo son una de las principales fuentes de contaminación en aguas subterráneas de zonas agrícolas y en efluentes industriales y domésticos. Las reacciones fotocatalizadas por irradiación UV-visible y sensitizadores orgánicos e inorgánicos son uno de los métodos más económicos y convenientes para la descomposición de contaminantes en subproductos inocuos y/o biodegradables. En muchas aplicaciones es deseable un alto grado de especificidad, efectividad y velocidad de degradación de un dado agente contaminante que se encuentra presente en una mezcla compleja de sustancias orgánicas en solución. En particular son altamente deseables sistemas nano/micro -particulados que formen suspensiones acuosas estables debido a que estas permiten una fácil aplicación y una eficaz acción descontaminante en grandes volúmenes de fluidos. HIPÓTESIS Y PLANTEO DE LOS OBJETIVOS. El objetivo general de este proyecto es desarrollar sistemas nano/micro particulados formados por polímeros de impresión molecular (PIMs) y foto-sensibilizadores (FS). Un PIMs es un polímero especialmente sintetizado para que sea capaz de reconocer específicamente un analito (molécula plantilla) determinado. La actividad de unión específica de los PIMs en conjunto con la capacidad fotocatalizadora de los sensibilizadores pueden ser usadas para lograr la fotodescomposición específica de moléculas “plantilla” (en este caso un dado contaminante) en soluciones conteniendo mezclas complejas de sustancias orgánicas. MATERIALES Y MÉTODOS A UTILIZAR. Se utilizaran técnicas de polimerización en mini-emulsión para sintetizar los sistemas nano/micro PIM-FS para buscar la degradación de ciertos compuestos de interés. Para caracterizar eficiencias, mecanismos y especificidad de foto-degradación en dichos sistemas se utilizan diversas técnicas espectroscópicas (estacionarias y resueltas en el tiempo) y de cromatografía (HPLC y GC). Así mismo, para medir directamente distribuciones de afinidades de unión y eficiencia de foto-degradación se utilizaran técnicas de fluorescencia de molécula/partícula individual. Estas determinaciones permitirán obtener resultados importantes al momento de analizar los factores que afectan la eficiencia de foto-degradación (nano/micro escala), tales como cantidad y ubicación de foto- sensibilizadores en las matrices poliméricas y eficiencia de unión de la plantilla y los productos de degradación al PIM. RESULTADOS ESPERADOS. Los estudios propuestos apuntan a un mejor entendimiento de procesos foto-iniciados en entornos nano/micro-particulados para aplicar dichos conocimientos al diseño de sistemas optimizados para la foto-destrucción selectiva de contaminantes acuosos de relevancia social; tales como herbicidas, residuos industriales, metabolitos de fármacos de uso masivo, etc. IMPORTANCIA DEL PROYECTO. Los sistemas nano/micro-particulados PIM-FS que se propone desarrollar en este proyecto se presentan como candidatos ideales para tratamientos específicos de efluentes industriales y domésticos en los cuales se desea lograr la degradación selectiva de compuestos orgánicos. Los conocimientos adquiridos serán indispensables para construir una plataforma versátil de sistemas foto-catalíticos específicos para la degradación de diversos contaminantes orgánicos de interés social. En lo referente a la formación de recursos humanos, el proyecto propuesto contribuirá en forma directa a la formación de 3 estudiantes de postgrado y 2 estudiantes de grado. En las capacidades institucionales se contribuirá al acondicionamiento del Laboratorio para Microscopía Óptica Avanzada (LMOA) en el Dpto. de Química de la UNRC y al montaje de un sistema de microscopio de fluorescencia que permitirá la aplicación de técnicas avanzadas de espectroscopia de fluorescencia de molecula individual.