Managanese and dicopper complexes for bioinspired oxidation reactions: catalytic and mechanistic studies on C-H and C=C oxidations

Enzymes are high-weight molecules which catalyze most of the metabolic processes in living organisms. Very often, these proteins contain one or more 1st row transition metal ions in their active center (Fe, Cu, Co, Mn, Zn, etc.), and are known as metalloenzymes or metalloproteins. Among these, metalloenzymes that activate molecular oxygen and use it as terminal oxidant stand out because of the wide range of catalyzed reactions and their exquisite selectivity. In this PhD dissertation we develop low-weight synthetic bioinspired complexes that can mimic structural and/or functional features of the active center of oxigenases. In the first part, we describe the use of unsymmetric dinuclear Cu complexes which are capable of performing the oxidation of phenols and phenolates in a analogous manner of the tyrosinase protein. In the second part, we describe the use of mononuclear manganese complexes in the oxidation of alcanes and alquenes.

Nanopartícules metàl·liques estabilitzades en materials híbrids orgànico-inorgànics. Aplicacions en catàlisi

En el present treball de recerca s’ha reproduït la síntesi de nanopartícules de Rh i Ru estabilitzades en el material híbrid orgànico-inorgànic altament fluorat i s’han realitzat estudis de l’activitat catalítica en les reaccions d’hidrogenacions d’arens i hidròlisi de nitrils respectivament. S’han sintetitzat per primera vegada nanopartícules d’Ir i Os estabilitzades per el material. S’ha assajat l’activitat catàlitica de les nanopartícules d’Ir en la reacció d’alquilació d’amines amb alcohols i la de les nanopartícules d’Os en l’oxidació aeròbica de l’alcohol benzílic i de l’estirè. S’ha sintetitzat un nou monòmer, que mitjançant processos sol-gel ha donat lloc a diversos materials híbrids orgànico-inorgànics i s’han sintetitzat nanopartícules d’Au estabilitzades.

Macrocicles nitrogenats contenint unitats de ferrocè i llurs complexos de Pal·ladi(0). Estudi estructural i aplicacions en catàlisi

La present tesi doctoral s'ha basat en la caracterització estructural i en l'estudi de les propietats catalítiques de nous complexos de pal·ladi(0) amb lligands olefínics contenint unitats de ferrocè. En una primera fase s'ha desenvolupat la síntesi d'estructures de tipus (E, E, E)-1,6,11-trisarilsulfonil-1,6,11-triazaciclopentadeca-3,8,13-triè contenint des d'una fins a tres unitats de ferrocè i s'ha estudiat la seva complexació amb pal·ladi(0). Mitjançant estudis electroquímics s'ha avaluat la seva possible aplicació en el reconeixement molecular electroquímic. Encara que aquest tipus d'estructures no han resultat vàlides per aquest tipus de processos de reconeixement, l'estudi electroquímic ha permès determinar que la presència del grup ferrocenil influeix en les propietats redox del metall complexat. S'ha descrit també l'obtenció de macrocicles pentaolefínics anàlegs de 25 membres contenint unitats de ferrocè i s'ha estudiat paral·lelament la seva complexació amb pal·ladi(0).En una segona part del treball s'han avaluat les propietats catalítiques del complex (E, E, E)-6,11-bis[(p-metilfenil)sulfonil]-1-ferrocenilsulfonil-1,6,11-triazaciclopentadeca-3,8,13-trièpal·ladi(0), en reaccions clàssicament catalitzades per pal·ladi tals com l'acoblament creuat de Suzuki o la reacció de Heck, i s'ha pogut determinar que és un catalitzador actiu en aquest tipus de reaccions, essent a més possible, la seva recuperació i reutilització. En el cas concret de la reacció de Heck s'han emprat sals de diazoni com a agents arilants i cal destacar que s'ha descrit el primer sistema catalític recuperable i reutilitzable per aquest tipus de reaccions. Mitjançant espectrometria de masses amb ionització per electrospray ha estat possible determinar el rol mecanístic del nostre complex de pal·ladi en la reacció de Heck amb sals de diazoni.Finalment, en una tercera part estructural del treball s'ha estudiat el comportament espectroscòpic dels complexos de pal·ladi(0) anteriorment mencionats, contenint des de tres unitats aríliques iguals fins a tres unitats aríliques diferents. Mitjançant RMN i difracció de raigs-X s'ha determinat que la complexitat estereoquímica dels complexos deriva dels isòmers que es poden formar mitjançant complexació del metall amb cada una de les cares dels tres dobles enllaços continguts a l'estructura.

Síntesi i Caracterització de Nous Complexos de Ruteni contenint Lligands Quirals. Aplicacions en Catàlisi Asimètrica

La Tesis describe una serie de complejos de Rutenio conteniendo ligandos quirales y su aplicación en catálisis asimétrica. Por un lado se describe el complejo [RuCl(bpea)((S)-BINAP)](BF4), donde (S)-BINAP es una difosfina quiral y bpea un ligando N-tridentado. Su aplicación en catálisis de hidrogenación asimétrica de sustratos olefínicos y carbonílicos, tanto en fase homogénea como heterogénea (tras inmovilización sobre soportes alumino-fosfato), ha mostrado excelentes resultados de conversión y excesos enantioméricos. Aparte, se ha desarrollado una familia de complejos con fórmula [Ru(T)(B)X], donde T representa un ligando tri-N-dentado, B una di-oxazolina quiral y X es Cl o H2O. Se ha estudiado la actividad catalítica de los aquocomplejos con T = tpm en epoxidaciones, determinándose la influencia de los sustituyentes en B sobre el rendimiento y la quimioselectividad, favorecidos por interacciones de tipo π-stacking. El uso de otros ligandos tridentados ha llevado a su rotura, habiéndose caracterizado sin embargo los correspondientes complejos

Síntesi i estructura de lligands hexaazamacrocíclics i dels seus complexos de Zn. Estudis de catàlisi i de fenòmens de reconeixement molecular amb substrats aniònics

Es realitza una breu introducció a la Química Supramolecular, la qual estudia les estructures i funcions de les associacions que resulten de la unió d'espècies moleculars a través d'enllaços intermoleculars, no covalents. El reconeixement molecular, reactivitat i transport són les funcions bàsiques de les espècies supramoleculars. El present treball tracta de la química supramolecular d'anions i del potential efecte catalític de complexos de Zinc amb lligands hexaazamacrocilics en reaccions de hidròlisis d'esters de fosfat. Els lligands descrits en aquest treball són lligands macrocíclics hexadentats formats per amines secundàries o terciàries enllaçades a cadenes alquíliques de dos o tres àtoms de carbonis formant dos braços, que estan unides per un espaiador, El conjunt de lligands que s'estudien permeten estudiar els diferents factors, geomètrics, electrònics i estèrics que controlen els fenòmens de reconeixement molecular. El treball descriu en detall els procediments de síntesi i la caracterització d'aquest conjunt de lligands. S'ha realitzat un estudi sistemàtic dels diferents factors que afecten als fenòmens de reconeixement molecular entre lligands macrocíclics (L), descrits anteriorment i substrats aniònics (S): fosfats, polifosfats i dicarboxilats. Els estudis s'han realitzat tant en dissolució aquosa, a partir de mesures potenciomètriques, com en estat sòlid per difracció de Raig-X a partir de la obtenció de les estructures cristal·lines dels complexos. La força de l'enllaç en els complexos ternaris H:L:S es racionalitza en termes d'enllaç per pont d'hidrogen, interaccions electrostàtiques i interaccions per -Stacking. Així mateix es racionalitza la importància de les dimensions i forma de la cavitat en el grau d'interacció. Actualment hi ha un gran interès en l'estudi del paper que juguen els ions metàl·lics en el centre actiu dels metal·loenzims hidrolítics tal com la carboxipeptidasa, que catalitza la hidròlisi d'aminoàcids C-terminals de substrats polipeptídics, l'anhidrasa carbònica, que catalitza la reacció d'hidratació del CO2 per donar hidrogencarbonat, la fosfatasa alcalina, que actua catalitzant la hidròlisi no específica de monoesters de fosfats a pH alcalí. El Zn(II) és un metall que es troba sovint formant part dels centres actius dels metal·loenzims i és el segon element de transició més abundant en els organismes vius. Per aquest motiu són útils els models sintètics que puguin actuar com a mimetitzadors de reaccions bioinorgàniques en les que els metal·loenzims juguen un paper com a catalitzadors. Els models sintètics són complexos de metalls de transició formats per un lligand o lligands en el seu entorn de coordinació més immediat que tinguin efectes electrònics i estèrics els més similar possible als que es produeixen en el centre actiu dels enzims. Donat la importància dels complexos de Zn(II) com a models biomimètics de metal·loenzims hidrolítics, s'han sintetitzat i caracteritzat complexos dinuclears de Zn(II) amb lligands hexaazamacrocíclics descrits anteriorment. S'ha realitzat un estudi de la seva activitat catalítica en la hidròlisi d'un ester activat, l'acetat de p-nitrofenil, un substrat característic que s'utilitza per analitzar l'activitat catalítica dels models biomimètics.

Detección y categorización de objetos invariante y multivista en imágenes digitales mediante visión artificial bioinspirada.

344 p.

Informe de l'estada de tres mesos: beca 2005-00170

Estudi elaborat a partir d’una estada a la Universitá degli Studi di Roma “La Sapienza”, entre el 15 de setembre i el 15 de desembre del 2005. Utilitzant un nou tipus de macrocicles nitrogenats de 15 baules amb dobles i/o triples enllaços a la seva estructura, es fan proves per tal de funcionalitzar-los aplicant la química d’hidroarilació sota catàlisi per pal.ladi amb la finalitat d’obtenir macrocicles amb un doble enllaç substituït a l’estructura. Paral·lelament, en un segon projecte, s’estudia l’acoblament d’ortoidofenols amb alcohols propargílics - reacció de Sonogashira - sota catàlisi per pal·ladi.

Screening of highly modular sugar-based ligand libraries in the enantioselective C-C coupling reactions

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of Nottingham, Gran Bretanya, entre març i abril del 2007. Aquest treball s’ha centrat en l’aplicació de compostos derivats de la D-(+)-glucosa, de la D-(+)-fructosa i la D-galactosa com a lligands de catalitzadors homogenis quirals en dos reaccions asimètriques: addició 1,2 a aldehids catalitzada per níquel i addició 1,4 conjugada catalitzada per coure.(veure figura adjunta al final del document). En primer lloc, s’ha estudiat l’aplicació dels compostos L1-L6 a les reaccions d’addició 1,2 a aldehids catalitzades per níquel. S’ha observat que la selectivitat del procés depèn principalment del grup funcional unit a l’esquelet del lligand, de les propietats estèriques del substituent en la funció oxazolina i de l’estructura del substrat. S’ha obtingut fins a un 59% d’excés enantiomèric utilitzant el precursor de catalitzador que conté el lligand L3a. En segon lloc, aquest treball descriu l’aplicació de les tres famílies de compostos (L1-L11) com a lligands en la reacció d’addició 1,4 catalitzada per coure de compostos organometàl•lics a diferents enones amb diferents propietats estèriques. L’ús de les llibreries de compostos fosfit-oxazolina (L1-L5) i fosfit-fosforamidit (L6) han proporcionat bones enantioselectivitats (fins a 80%) en l’addició de reactius de trialquilalumini a diferents enones. En canvi, la llibreria de compostos monofosfit (L7-L11) ha mostrat bones activitats però enantioselectivitats fins a 57%.

Aplicación de ligandotecas quirales para la hidrogenación asimétrica de olefinas y iminas mediante técnicas combinatorias

Proyecto de investigación realizado a partir de una estancia en la Uppsala University entre octubre y noviembre del 2007. El proyecto se ha centrado en la utilización de métodos combinatorios para el cribado de ligandotecas quirales para la hidrogenación asimétrica de olefinas no funcionalizadas y iminas. Concretamente, se han cribado cuatro ligandotecas utilizando un multireactor de 12 reactores independientes con controlador de temperatura, agitación y presión. Este equipo permitió la toma y análisis de las muestras de forma automática por cromatrografía. Las ligandotecas contemplaban una variación sistemática de varios parámetros estructurales y/o electrónicos (módulos), que permitieron correlacionar las variaciones en los módulos con los cambios de actividad y selectividad del catalizador. Esto llevó a optimizar los modulos del ligando y la obtención de resultados excelentes en la hidrogenació asimétrica de diferentes olefinas no funcionalizadas. Los resultados superan a los mejores descritos en la bibliografía en esta reacción con la ventaja añadida del uso de ligandos de bajo coste y fáciles de sintetizar. Este trabajo representa la primera aplicación de ligandos fosfito para hidrogenación asimétrica.

Síntesi i caracterització de complexos polipiridílics de ruteni com a catalitzadors de la reacció d'oxidació de l'aigua

Aquest treball constitueix un estudi sobre els complexos polipiridílics de ruteni i les seves aplicacions en catàlisis oxidativa. Concretament es centren en la reacció d’oxidació de l’aigua per produir oxigen molecular (tot i que també poden ser utilitzats de manera eficient sobre altres substrats). Recull, per tant, la síntesi i caracterització d’alguns lligands nitrogenats tridentats de caràcter facial i/o meridional, així com la seva complexació amb Ru.

Estudis estructurals dels canvis conformacionals de les E3 ubiquitin lligases per RMN

L'estudi a nivell molecular de la ruta de senyalització activada per TGF-B té un impacte notable en el panorama actual donada la seva implicació en processos autoimmunitaris i carcinogènics. D'altra banda, l'elucidació a nivell estructural dels mecanismes moleculars que permeten a les ubiquitin lligases de tipus E3 marcar específicament llurs dianes per a la degradació proteosòmica - entre d'altres - resulta fonamental donada la seva importància pel que fa al control sobre el turnover proteic a nivell intracel•lular. En aquest projecte es pretén elucidar els mecanismes d'activació i catlàlisi de les ubiquitin lligases E3 tipus HECT Smurf1 i Nedd4L al mateix temps que se n'estudia la implicació en la regulació dels agents missatgers de la ruta del TGF-B. Així, la tasca es divideix en tres sub-projectes els quals se centren en a) l'estudi de la interacció d'aquestes lligases amb llurs dianes; b) l'elucidació del mecanisme d'activació i c) del de catàlisi d'aquests enzims. Per tal d'assolir aquests objectius ens servim principalment dels avantatges que ens aporta la Ressonància Magnètica Nuclear i altres tècniques biofísiques, principalment la ITC. Durant el temps que he gaudit de la beca FI, m'he centrat principalment en la preparació de pèptids per SPPS, llur purificació per HPLC i caracterització per MS i RMN. Aquests pèptids representen diferents patrons de fosforilació de certes dianes de les lligases esmentades, de manera que han estat emprats per a l'estudi d'interaccions proteïna-proteïna per ITC i RMN. M'he iniciat doncs en l'ús d'aquestes tècniques. D'altra banda, també he preparat mostres protèiques mitjançant l'ús de sistemes d'expressió bacterians basats en E.coli, incloent l'amplificació i clonació del gen que codifica per la proteïna d'interés així com la seva expressió, purificació i caracterització per MS i RMN.

Síntesi catalítica de nanofibres de carboni a baixa temperatura

La finalitat d'aquest projecte és l'adquisició d'un nou coneixement científic i tecnològic que permeti desenvolupar nous materials a partir de la producció de nanofibres de carboni, que responguin a necessitats de diferents sectors tecnològics i millorin les propietats mecàniques, elèctriques i tèrmiques dels materials existents. En tant això, l’objectiu d’aquest projecte és obtenir una sèrie de mostres de diferents nanofibres de carboni amb propietats controlades. Aquestes estaran generades a partir de diferents paràmetres, com són la temperatura, el temps, el tipus de catalitzador, el tipus de preparació d’aquest i l’aplicació d’un camp magnètic. Un altre dels objectius és realitzar una purificació de les mostres obtingudes. Com també crear diferents compòsits a partir d’una matriu polimèrica termoplàstica d’acrilonitril butadiè estirè (ABS) i nanofibres de carboni, tant purificades com sense purificar, per finalment estudiar les conductivitats elèctriques i tèrmiques dels compòsits elaborats. En aquest estudi s’han emprat materials accessibles comercialment, amb la finalitat d'agilitzar la fase experimental i aconseguir sistemes més fàcilment reproduïbles.

Funcionalització regioselectiva d'una cetona amb metal·lacarborans polianiònics

L’ús de metal·lacarborans en la síntesi de compostos polianiònics amb un alt contingut en bor i amb bons rendiments és un tema d’alt interès i estudi al grup de Síntesi Inorgànica i Catàlisi de l’ICMAB. Els metal·lacarborans presenten diverses aplicacions innovadores com la BNCT (Boron Neutron Capture Therapy),1 tractament d’aigües residuals,2 activitats catalítiques3 i com a agents dopants de membranes polimèriques conductores.4 Amb la perspectiva d’emprar clústers de bor per materials moleculars funcionalitzats, hem iniciat una investigació que busca la síntesi de productes híbrids amb múltiples elements electroactius (metal·lacarborans) i el grup funcional carbonil, que gràcies a la seva reactivitat coneguda ens permetrà aplicar les molècules sintetitzades a futures reaccions i aplicacions. Una de les condicions inicials plantejades en aquesta investigació és l’ús de productes químics assequibles i de gran disponibilitat, per tal de poder assegurar l’obtenció de precursors per a futures aplicacions amb bons rendiments i ràpids de sintetitzar. Per assolir aquest objectiu es van iniciar les investigacions amb la cetona més simple coneguda, l’acetona (CH3-CO-CH3) (pKa = 19.3) com a producte de partida. A partir de la reacció d’aquesta amb una base forta no nucleòfila es genera CH3-COCH2 (-). Si s’aconsegueix prevenir o minimitzar la reacció d’addició aldòlica, l’anió CH3- CO-CH2 (-) pot atacar nucleofílicament al carboni contigu al catió oxoni5 de la molècula de cobaltabisdicarballur dioxanat (cosà dioxanat), [3,3’-Co(8-(OCH2CH2)2-1,2- C2B9H10)(1’,2’-C2B9H11)], generant un derivat del cosà dioxanat que conté un grup carbonil. Aquest procediment pot ser repetit per introduir diverses unitats de metal·lacarborans (cosà, fesà, etc.), tot i que aquest procés presenta una gran dispersió de subproductes, fet que fa baixar el rendiment global i li resta interès. Un procediment molt més efectiu i que dóna un control de la regioselectivitat molt major dels centres electroactius incorporats és la síntesi acetoacètica (pKa H intercarbonílic = 10.7). Múltiples molècules homo i hetero polianiòniques amb metal·lacarborans han estat sintetitzades amb èxit en aquest treball, amb un control regioselectiu molt precís mitjançant aquest mètode sintètic, i caracteritzades per mètodes electroquímics.

Bis-sulfonamides quirals amb simetria C2 com a possibles organocatalitzadors per a l'addició estereoselectiva de nucleòfils a cations N-acilimini

En aquest treball s’ha plantejat estudiar la capacitat de diferents bissulfonamides per promoure, actuant com a àcids Brønsted, l’addició estereoselectiva d’un grup al·lil o un indole a un catió acilimini. Per això, s’han sintetitzat diversos tipus de bis-sulfonamides amb simetria C2, en forma enantiopura, i preparat precursors genèrics de cations N-acilimini. S’han dut a terme reaccions d’al·lilació i d’addició d’indole en diferents condicions i amb les diferents sulfonamides. Es va estudiar la possible estereoselectivitat dels productes d’addició, però en cap cas la presència de les bis-sulfonamides sintetitzades en la reacció ha afectat a l’estereoselectivitat de les addicions.

Nanopartícul·les core-shell estabilitzades en polímer amb propietats calítiques i bactericides medioambientalment segure

Aquest projecte de doctorat és un treball interdisciplinari adreçat a l’obtenció de nous nanocompòsits (NCs) funcionals sintetitzats a partir de materials polimèrics bescanviadors d’ions que són modificats amb nanopartícules metàl•liques (NPMs) de diferent composició. Els materials desenvolupats s’avaluen en funció de dues possibles aplicacions: 1) com a catalitzadors de reaccions orgàniques d’interès actual (NCs basats en pal•ladi) i, 2) la seva dedicació a aplicacions bactericides en el tractament d’aigües domèstiques o industrials (NCs basats en plata). El desenvolupament de nanomaterials és de gran interès a l’actualitat donades les seves especials propietats, l’aprofitament de les quals és la força impulsora per a la fabricació de nous NCs. Les nanopartícules metàl•liques estabilitzades en polímer (Polymer Stabilized Metal Nanoparticles, PSNPM) s’han preparat mitjançant la tècnica in-situ de síntesi intermatricial (Inter-matrix synthesis, IMS) que consisteix en la càrrega seqüencial dels grups funcionals de les matrius polimèriques amb ions metàl•lics, i la seva posterior reducció química dins de la matriu polimèrica de bescanvi iònic. L’estabilització en matrius polimèriques evita l’agregació entre elles (self-aggreagtion), un dels principals problemes coneguts de les NPs. Pel desenvolupament d’aquesta metodologia, s’han emprat diferents tipus de matrius polimèriques de bescanvi iònic: membrana Sulfonated PolyEtherEtherKetone, SPEEK, així com fibres sintètiques basades en polypropilè amb diferents tipus de grups funcionals, que ens permeten el seu ús com a filtres en la desinfecció de solucions aquoses o com a material catalitzador. Durant el projecte s’ha anat avançant en l’optimització del material nanocomposite final per a les aplicacions d’interès, en quant activitat i funcionalitat de les nanopartícules i estabilitat del nanocomposite. Així, s’ha optimitzat la síntesi de NPs estabilitzades en resines de bescanvi iònic, realitzant un screening de diferents tipus de resines i la seva avaluació en aplicacions industrials d’interès.