La fabricación ascendente de nanoestructuras supramoleculares definidas es clave para el desarrollo de nuevos materiales funcionales basados en sistemas autoensamblados. En este marco, los liposomas son algunos de los nanoobjetos autoensamblados más estudiados desde su descubrimiento fortuito en 1964. Estos sistemas se describen como vesículas, formadas por fosfolípidos, compuestas de una o más bicapas lipídicas concéntricas que rodean compartimentos acuosos. Los liposomas están ampliamente reconocidos como portadores farmacéuticos debido a su biocompatibilidad, biodegradabilidad y baja toxicidad. Actualmente estas nanoestructuras se utilizan en uso clínico para una variedad de indicaciones contra el cáncer, enfermedades inflamatorias y dermatológicas, y en diversos tipos de vacunas. A pesar de su versatilidad y biocompatibilidad, el traslado a uso clínico de formulaciones liposomales está obstaculizado por la tendencia a agregación que tienen estos sistemas lipídicos autoensamblados y por su bajo grado de homogeneidad estructural, atributos críticos de calidad con un alto impacto en las propiedades farmacológicas. Los liposomas corresponden a estados metaestables cinéticamente atrapados, que se forman por el aporte de energía externa a una fase lamelar plana (por ejemplo, sonicación o filtración mecánica). La estabilidad de estas estructuras está cinéticamente limitada debido a que sus componentes lipídicos son muy insolubles, y por lo tanto, las fase lamelar plana colapsada es el estado de equilibrio de la agregación. Además, los liposomas sufren alteraciones químicas y físicas, que acortan su vida útil y limitan, como consecuencia, la estabilidad y las condiciones de almacenamiento de los fármacos. Debido a estas condiciones especiales de preparación y almacenamiento, junto con el elevado precio de los fosfolípidos, existe un gran interés en la búsqueda de nuevos componentes que se autoensamblen en vesículas estables y que cumplan los estándares de calidad requeridos en formulaciones farmacéuticas. El uso de surfactantes, como moléculas sustitutas más económicas y más estables que los fosfolípidos, ha surgido como una opción muy interesante para la producción industrial de los sistemas vesiculares en aplicaciones farmacéuticas y cosméticas. Además, se ha demostrado que el uso de colesterol en muchas formulaciones vesiculares, ayuda a modular la fluidez de la bicapa, reducir las fugas y mejorar la eficiencia de encapsulación (EE) de los fármacos. Por lo tanto, en la búsqueda de nuevas formulaciones de vesículas estables no liposomales, es muy interesante la formación de vesículas basadas en colesterol. En este marco, el grupo Nanomol descubrió la formación de unas nuevas nanovesículas utilizando mezclas acuosas de colesterol y bromuro de hexadeciltrimetilamonio (CTAB), un surfactante catiónico. Esta formación vesicular se logró mediante una tecnología basada en fluidos comprimidos, el método DELOS-SUSP. Es importante destacar que ninguno de los componentes individuales que forman estas nuevas nanovesículas se autoensamblan para formar estructuras vesiculares, ya que en agua los esteroles insolubles forman cristales y los surfactantes de amonio cuaternario forman micelas. En vista de la alta estabilidad que estas vesículas supramoleculares basadas en colesterol mostraron, esta Tesis se ha dedicado al estudio profundo del fenómeno de autoensamblaje y del comportamiento de fases relacionado con estas nuevas nanoestructuras. Hemos reportado la capacidad de surfactantes iónicos y colesterol para autoensamblarse conjuntamente formando en medios acuosos bicapas cerradas, que hemos nombrado quatsomes. Hemos investigado estas nanovesículas no liposomales a diferentes niveles, desde su formación hasta sus aplicaciones. Además, hemos estudiado la formación de otras estructuras supramoleculares basadas en colesterol, con morfología no vesicular, por el proceso DELOS-SUSP. Por lo tanto, esta Tesis contribuye a mejorar el conocimiento de las organizaciones supramoleculares basadas en colesterol y demuestra el enorme potencial de las metodologías basadas en fluidos comprimidos para la producción de nanoestructuras coloidales autoensambladas estables con un alto contenido de colesterol. / The bottom-up fabrication of defined supramolecular nanostructures is key to the development of novel functional materials based on self-assembling systems. In this regard, liposomes are among the most studied self-assembled nanoobjects since their serendipitous discovery in 1964. They are defined as phospholipid vesicles consisting of one or more concentric lipid bilayers surrounding aqueous compartments. Liposomes are well recognized as pharmaceutical carriers because of their biocompatibility, biodegradability and low toxicity. They constitute one of the most successfully translated delivery systems that are currently in clinical use for a variety of indications against cancer, inflammatory and dermatological diseases, and in various types of vaccines. Despite their versatility and biocompatibility, the translation to the clinic of liposomal formulations could be hindered by the tendency of these lipid self-assemblies to aggregate and by their low degree of structural homogeneity, which are critical quality attributes with a major impact on the pharmacological properties. Liposomes correspond to metastable kinetically trapped states, which are formed by the input of external energy on a planar lamellar phase (e.g., sonication or mechanical filtration). The stability of these structures is kinetically limited because their lipid building blocks are highly insoluble, and therefore, the collapsed planar lamellar is the equilibrium state of aggregation. Additionally, liposomes suffer chemical and physical alterations, which shorten their shelf-life and limit, as a consequence, drug stability and conditions of storage. Due to these special conditions of preparation and storage together with the elevated price of phospholipids, there is a great interest in finding nonphospholipid building blocks or tectons, which self-assemble into stable vesicles and which satisfy the quality standards required in pharmaceutical formulations. The use of surfactants as cheaper and more stable substitutive molecules than phospholipids has emerged as a really interesting choice for the industrial production of vesicular systems in pharmaceutical and cosmetic applications. Besides, it has been proved that the use of cholesterol in many vesicle formulations helps to modulate the bilayer fluidity, to reduce the leakage, and to enhance the encapsulation efficiency (EE) of drugs. Therefore in the finding of stable non-liposomal vesicle-like assemblies, it is considerably interesting the formation of cholesterol-based supramolecular vesicles. Within this framework, Nanomol group discovered the formation of novel stable non-liposomal nanovesicles using aqueous mixtures of cholesterol and hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), a cationic surfactant. This vesicle formation was achieved by a compressed fluid (CF)-based technology, the DELOS-SUSP method. It is noteworthy that none of the individual components of these novel nanovesicles self-assemble to form vesicular structures, since in water the insoluble sterol species form crystals and quaternary ammonium surfactants form micelles. In view of the high stability that these cholesterol-based supramolecular vesicles exhibited, this Thesis has been devoted to deep study the self-assembling phenomena and phase behavior related to these new nanostructures. We have reported on the ability of ionic surfactants and cholesterol to self-assemble forming stable amphiphilic building-blocks with the appropriate structural characteristics to form, in aqueous phases, closed bilayers, which we named quatsomes. We have investigated these novel non-liposomal nanovesicles at different levels, from their formation up to their applications. Furthermore, we have also studied the formation of other cholesterol-based supramolecular assemblies with non-vesicular morphology by the DELOS-SUSP process. This Thesis therefore contributes to improve the knowledge about cholesterol-based supramolecular assemblies and demonstrates the enormous potential of CF-based methodologies for the production of stable self-assembled colloidal nanostructures with high content of cholesterol.

El objetivo general del trabajo presentado es investigar nuevas metodologías para la síntesis de: a) nectrisina, un inhibidor de α-glucosidasas y α-mannosidasas, b) del fragmento oligosacarídico del antibiótico AT2433-A1, un antibiótico utilizado en el tratamiento de numerosos tipos de cánceres y, c) de análogos del cidofovir o HPMPC, nucleósido acíclico que incorpora una unidad de fosfonato, y que se utiliza en el tratamiento del citomegalovirus (CMV) en pacientes con SIDA. Síntesis enantioselectiva de nectrisina Retrosintéticamente la síntesis de la nectrisina puede llevarse a cabo por ciclación del aminoaldehído 2 (R4=CHO), el cual puede proceder del alqueno trans 3 mediante una reacción de dihidroxilación estereoselectiva. La síntesis de 3 puede llevarse a cabo a partir de 4 mediante elongación de la cadena utilizando la reacción de metatesis cruzada catalizada por rutenio. Finalmente, el intermedio clave 4 procede de una aminación alílica asimétrica catalizada por Pd del monepóxido de butadieno racémico 5, reacción ya descrita por Trost. La aminación alílica asimétrica del monepóxido de butadieno racémico catalizada por Pd (η3-C3H5)PdCl/DACH-naftilo transcurrió con elevado rendimiento y enantioselectividad para dar el compuesto 4. La elongación de la cadena de 4 se realizó mediante una metatesis cruzada catalizada por el catalizador de Grubbs-Hoveyda con diferentes alquenos como acroleína, 2-vinil-1,3-dioxolano, y con acrilato de etilo. Sólo en este último caso se obtuvieron resultados relevantes del compuesto 3 (R4=COOEt) como para continuar la síntesis. La reacción de dihidroxilación estereoselectiva del alqueno trans 3 (R4=COOEt) condujo al diol deseado 2 (R4=COOEt) con buena selectividad utilizando OsO4/TMEDA. La hidrólisis del benzoato con LiOH y la ciclación in situ condujo a la lactama, a partir de la cual se siguió una secuencia sintética descrita en la bibliografía, consistente en la sililación de los grupos hidroxilo, protección del grupo amino en forma de terc-butil carbamato, reducción del carbonilo y eliminación con desprotección concomitante de los grupo sililo para dar la imina, que en nuestras manos no logró llevarse a fin debido a problemas en la última etapa de eliminación para dar la imina. Síntesis enantioselectiva de análogos de Cidofovir HPMPC La síntesis de los análogos del cidofovir se planteó siguiendo un esquema sintético similar al de la nectrisina, en el que la síntesis del intermedio 7 se llevó a cabo mediante la aminación alílica asimétrica del monoepóxido del butadieno y posterior reacción de metátesis cruzada como pasos clave. En primer lugar se realizó la aminación alílica asimétrica catalizada por Pd (η3-C3H5)PdCl/DACH-naftil del monepóxido de butadieno racémico, con adenina y citosina la cual se optimizó hasta conseguir rendimientos y excesos enantioméricos superiores al 90%. Seguidamente se optimizó la reacción de metátesis cruzada de los compuestos obtenidos (6) con un alil fosfonato convenientemente protegido, obteniendo 7 con buen rendimiento. La síntesis de los análogos de cidofovir insaturados 8 y 9 se completó tras la desprotección de todos los grupos protectores con TMSBr. La síntesis del derivado saturado 10 se realizó mediante la hydrogenación (3 bares de hidrógeno, Pd/C durante 5h) y la eliminación de los grupos protectores. Síntesis enantioselectiva del fragmento oligosacarídico del antibiótico AT2433-A1 La retrosíntesis de 18 se planteó por ciclación electrófila inducida por yodo de 15, donde X debiera ser un grupo activador del doble enlace que a su vez se pudiera comportar como grupo saliente en la subsiguiente reacción de glicosilación a partir de 15. La síntesis del intermedio 15 se planteó por diferentes procedimientos y en particular a partir del sulfato 14, el cual provendría del diol 13, que a su vez provendría de la dihidroxilación de 12. El compuesto 12 debería poder obtenerse a partir de 5 por la secuencia clásica de DYKAT y metatesis cruzada. Así, a partir del compuesto 11 (R=Boc) se realizó la metatesis cruzada con diferentes alquenos y en particular con el alil fenil tioéter. Las limitaciones se encontraron en la reacción de dihidroxilación, ya que en casi todos los casos ensayados se produjo la oxidación del azufre, lo que conduciría al cambio de la selectividad en posteriores etapas como la ciclación. Se consiguió evitar la oxidación utilizando ligandos quirales en la dihidroxilación, pero con rendimientos muy bajos no compatibles con un esquema de síntesis por etapas. / The present thesis deals with the development of methodology for the syntheses of several organic molecules that were selected by their interesting biological properties: the antibiotic AT2433-A1, the glycosidase inhibidor nectrisine and analogs of the anti-viral Cidofovir (Figure 1.1) . Although apparently structurally unrelated, they were envisaged to be synthesized through common high-efficient key steps that involve metal-catalyzed process. Enantioselective Synthesis of nectrisine We explore an enantioselective synthesis of nectrisine based on Pd-catalyzed asymmetric allylic amination, cross-metathesis and dihydroxylation as key steps. Scheme 1 shows the retrosynthesis proposed, where the key synthon is the allylamine 4 which is obtained in high enantiomeric purity by a deracemization process using Pd/DACH as a catalytic system. Cross-metathesis will allow increasing the chain length, and at the same time would provide the aldehyde functionality necessary for formation of the cyclic imine moiety in the final nectrisine. Besides, configuration of double bond resulting from cross-metathesis must be E in order to provide the correct configuration of hydroxyl groups in 2 after the dihydroxylation reaction. The stereoselectivity of this reaction will be controlled by the stereocenter in the molecule, which could be also be enhanced by chiral ligands in a matched double stereodifferentiation process. The asymmetric allylic amination from racemic butadiene monoepoxide using (η3-C3H5)PdCl/DACH-naphtyl system and t-Butyl-benzoyl-imido carboxylate as a N-nucleophile proceeded with excellent yield (98%) and enantioselectivity (97%) to obtain the chiral allylic amine synthon 4. Elongation of the chain of the key chiral allylic imide with ethyl acrylate through cross metathesis using Hoveyda-Grubbs catalyst (5 mol %), proceeded quatitatively to obtain the trans alkene intermediates 3. The installation of the syn diol moiety via dihydroxylation of the alkene proceeded with high yield and good diastereoselectivity with OsO4/TMEDA. Hydrolysis of benzoate group in 2 with LiOH and in situ cyclization led to the lactam. Whose hydroxyl functionalities were fully protected by treatment with TBSCl. Subsequent protection with di-t-butyl dicarbonate (Boc) 2O and Et3N in CH2Cl2 gave desired product in 50% yield. The increased carbonyl electrophilicity resulting from NBoc protection should facilitate the smooth reduction of the lactam, which proceeded by reaction with Super Hydride® at −78°C to give lactol. Enantioselective Synthesis of Cidofovir Analogues In this context, the retrosynthetic proposal is shown in Scheme 2. Cidofovir (HPMPC) analogues could be obtained by double bond reduction of product 7 followed by protecting group cleavage on compound 11. Compound 7 in turn can be synthesized from compound 6 via chain elongation mediated by cross-metathesis reaction. Lastly, chiral synthon 6 could be obtained by a palladium-catalyzed dynamic kinetic asymmetric transformation (DYKAT) from racemic butadiene monoepoxide (5). The asymmetric allylic amination of racemic butadiene monoepoxide with cytosine as N-nucleophile was carried out with (η3-C3H5)PdCl/DACH-naphtyl system to obtain chiral allylic cytosine in 85% yield and 72% ee. The reaction was successfully expanded to other pyrimidine and purine bases, among which adenine afforded chiral allyl adenine in 90% yield and 92% ee. Chain elongation via Ru-cross metathesis of key allylic nucleobases and diethyl allylphosphonate with second generation Grubbs catalyst (5 mol%), produced desired compounds in 92% and 90% yield, respectively. Deprotection of all protecting groups with TMSBr afforded the desired unsaturated acyclic nucleosides 8 and 9 in good yields. Hydrogenation with (H2, /Pd/C) at 3 bar rendered the saturated Cidifovir analogues 10. Approaches to the Enantioselective Synthesis of AT2433-A1 The objective of this work was to explore a new enantioselective method to obtain AT2433-A1 with special focus on the synthesis of the 2, 4-dideoxy-4-amino-xyloside moiety. The retrosynthetic proposal is shown in Scheme 5.6. The aminodeoxysugar (19) could be obtained from 16 by eletrophile-induced cyclization. A key point is the selection of group X, since it must control the regioselectivity of the cyclization to an endo-mode and eventually must behave as a leaving group in a future glycosylation reaction. Amino alcohol 16 could be prepared from allylic amine 13 by dihydroxylation, sulphate formation and elimination. Compound 13 can be synthesized from allyl amine 12 via chain elongation mediated by cross-metathesis reaction. Lastly, chiral allyl amine 12 could be obtained, similarly to the previous chapters, by a palladium-catalyzed dynamic kinetic asymmetric transformation (DYKAT) from the racemic butadiene monoepoxide 5. On the other hand, the intermediate 15 could be also obtained by addition to the Garner aldehyde (18) followed by deprotection of the protecting groups in 17. The asymmetric allylic amination from racemic butadiene monoepoxide using (η3-C3H5)PdCl/DACH-naphtyl system and imide as a nitrogen nucleophile proceeded with good yield (96%) and enantioselectivity (90%). Chain elongation of key chiral allylic amine 12 was carried out by cross metathesis with allyl phenyl sulphide with Hoveyda-Grubbs catalyst (5 mol%) to obtain the corresponding trans alkene 13 in 80% yield. The installation of the diol moiety with OsO4 was unsuccesful, due to the competitive oxidation of sulfur, preventing the completion of the synthesis.

Aquesta tesi es basa en l’estudi de l’auto-assemblatge de porfirines quirals i la utilització d’aquests cromòfors en l’organització de molècules orgàniques de manera quiral. Les porfirines i els seus derivats son colorants – uns d’ells naturals - formats per quatre anells pirròlics units entre si per un enllaç metilè i les quals formen part d’una família de cromòfors cíclics. Les porfirines estan presents a la natura i juguen un paper important in diferents processos en sistemes biològics, especialment aquells de transport d’electrons or com a captadors de llum. És important remarcar que tots aquests macrocicles posseeixen un ambient quiralt provinent de l’auto-assemblatge a traves de d’enllaços no-covalents tal com ponts d’hidrogen, interaccions febles de van der Waals, interaccions π-π i enllaços de coordinació mitjançant un centre metàl·lic. L’estudi de l’auto-assemblatge de porfirines i metal·loporfirines ha rebut un gran interès els darrers anys degut a les propietats òptiques, elèctriques i magnètiques que aquests cromòfors presenten. És per aquest motiu, que aquests pigments naturals puguin ser utilitzats en múltiples aplicacions en camps de la nanoelectrònica, celes fotovoltaiques o com a transistors d’efecte de camp orgànic (OFETs). Les porfirines i metal·loporfirines estudiades en aquest treball contenen en la seva estructura diferents grups capaços de dirigir l’auto-assemblatge. A més a més, la presència de de l’ió zinc (II) enllaçat a l’interior de l’anell porfirínic pot també influir en l’organització de l’agregat, ja que el zinc presenta una gran tendència a coordinar-se amb lligants axials que continguin àtoms d’oxigen, sofre o nitrogen en la seva estructura. És important destacar, l’important rol del grup quiral en els substituents de l’anell de porfirina, ja que el nombre i posició dels centres esterogènics afecten directament en la transferència de quiralitat des de nivell molecular al sistema supramolecular. Tenint totes aquestes consideracions en ment, el disseny d’estructures supramolecular quirals basades en porfirines ha estat dut a terme per tal de determinar la influència de la quiralitat en la morfologia dels agregats i per tant la influencia de l’organització quiral de les estructures supramoleculars en l’eficiència del transport de càrrega per a futures aplicacions. S’ha pogut observar en els estudis d’auto-assemblatge d’una família de metal·loporfirnes amb grups amida quirals i grups piridina en dissolució i en estat sòlit la influència del nombre i posició dels diferents grups en l’activitat òptica dels agregats i en la seva morfologia. S’ha determinat que els agregats s’han format mitjançant la coordinació d’un grup piridina amb el zinc (II) metàl·lic. S’ha estudiat l’auto-assemblatge d’una molècula simètrica C3 basada en porfirines quirals en diferents dissolvents de diferents polaritats i la morfologia dels agregats formats quan aquests son dipositats sobre una superfície de grafit o mica. Finalment, l’organització supramolecular d’un complex format per una metal·loporfirna quiral i un bloc copolímer s’ha estudiat en dissolució, observant-se mitjançant CD una transferència de la quiralitat des de la porfirina lliure al complex. / This thesis focuses on the self-assembly studies of chiral porphyrins and the use of these chromophores to drive the organization optically active molecular materials. Porphyrins and their derivatives are pigments – some found in natural systems - that are made up of four pyrrolic units linked by methine bridges and they form part of an important class of cyclic chromophores. Porphyrins are present in nature developing important processes in biological systems, especially in electron transport or light harvesting systems. It is important to emphasize that these macrocycles have chiral environment arising from self-organization through non-covalent interactions such as hydrogen-bonding, van der Waals interactions, π-π interactions and metal coordination. The study of the self-assembly of porphyrins and metalloporphyrins has received great attention in recent years because of their optical, electronic and magnetic properties that make these chromophores suitable for a broad range of potential applications such as nanoelectronic devices, solar cells or organic field-effect transistors (OFETs). The porphyrins and metalloporphyrins studied in this work contain in their structures different moieties capable to direct the self-assembly. Moreover, the presence of a zinc (II) metal ion in the core of the chromophoric ring can influence in their organization due to its ability to coordinate with oxygen, nitrogen and sulfur containing derivatives. The important role of the chiral group in the periphery of the porphyrin ring is noteworthy. Therefore, the number and position of the stereogenic centers directly affect the chiral transfer from molecular level to supramolecular systems. Bearing these considerations in mind, the design of chiral supramolecular systems based on porphyrins has been carried out in order to determine the influence of chirality in the hierarchy morphology of the aggregates and in consequence the influence of the chiral organization in the efficiency for further applications. The self-assembly studies in solution and in the solid state of a family of metalloporphyrins which contain in their structure chiral amide groups and pyridyl groups show the influence in the constitution in their optical activity and morphology of the aggregates, all of them formed as a main interaction the coordination between the pyridyl unit with the zinc (II) metal ion. The self-assembly of a C3 symmetric molecule based on chiral porphyrins has been studied by CD in different solvents and the morphology of the aggregates by AFM after be deposited on HOPG and mica. Finally, the supramolecular organization of a chiral metalloporphyrin-block copolymer complex has been studied in solution. Moreover, the CD studies suggested chirality transfer from chiral metalloporphyrin to the superstructure of the complex.

El objetivo principal de esta tesis fue la implementación dentro del código SIESTA de dos métodos de primeros principios para el estudio de excitaciones electrónicas en moléculas y sólidos extendidos. Los métodos son la aproximación GW y el ’constrained’ DFT. Los métodos fueron implementados usando bases de orbitales extrictamente localizados generadas por SIESTA. El uso de este tipo de orbitales abre la posibilidad de estudiar sistemas que contienen miles de átomos. La aproximación GW es un método derivado de la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos para la funcin de Green de una partícula, que se usa para el cálculo de las energías de excitación de quasipart ículas. En este trabajo, se implementó el método propuesto por F. Giustino et al. [3], que solo requiere el uso de los estados electrónicos ocupados para calcular los ingredientes de esta aproximación: la función de Green y el potencial de Coulomb apantallado. En método de ’constrained’ DFT se impone una ligadura sobre la densidad electrnica del sistema a través de un potencial apropiado. En esta tesis se implementó una versión modificada de la aproximación propuesta por Q. Wu and T. Van Voorhis [4] para encontrar el potencial de ’constraining’ de manera eficiente. El método se extendió para el caso de sistemas periódicos. Como una aplicación del método, se estudiaron procesos de transferencia de carga en el conductor oránico TTF-TCNQ. Una aplicación interesante de los métodos implementados es el estudio de los procesos electrónicos que tienen lugar en las celdas solares y dispositivos fotovoltaicos. El material ms ampliamente usado en la fabriacin de estos dispositivos es el TiO2 en fase anatase dopada con impurezas de nitrógeno o sensibilizada con colorantes orgánicos. Como un paso previo al estudio de las excitaciones electrnicas de este material, se caracterizaron sus propiedades electrónicas, estructurales, t y vibracionales usando la teoría DFT. Además, se estudiaroon las energías ’binding’ de los niveles de core de las diferentes especies químicas. / The main aim of this thesis is the implementation in the SIESTA code (a widely used academic computational program based on the density functional theory DFT for the simulation of materials) [1, 2] of two powerful methods for the study of electronic excitations in molecules and extended solids. The methods are the so-called constrained density functional theory (CDFT) and the GW approximation and they are implemented within the strictly localized orbital formalism as defined in SIESTA. The use of local bases opens the possibility of calculating electronic excitations in systems containing thousands of atoms. The GW approximation is a powerful method derived from manybody perturbation theory for the one-particle Green function to calculate quasiparticle excitation energies. We implement the approach proposed by F. Giustino et al. [3] that only requires the use of the occupied electronic states to compute the Green function and screened Coulomb interaction, and from which one constructs the self-energy operator, . In this approach, the Green function is approximated to that of a non-interacting electron system and calculated using a inhomogeneous linear system, while the dynamically screened potential is calculated through the self-consistent linear-response Sternheimer equation. Since the original equations were stated within the plane waves formalism, here we rewrite these equations for basis sets of strictly localized orbitals. As an application of our approach for the dynamically screened potential, we calculate the dielectric function of several insulating and semiconducting materials: LiCl, diamond, silicon and germanium, comparing our results with plane-waves calculations. In the constrained density functional theory, we impose a constraint upon the electronic density of a system through an appropriate potential (called constraining potential) to obtain a neutral excitation. We implement a modified version of the approach proposed by Q.Wu and T. Van Voorhis [4, 5, 6] to find the constraining potential efficiently. Moreover, we extend the method for the case of periodic solids. As an application of our CDFT method, we study the charge transfer between the TTF and TCNQ molecules in the TTF-TCNQ conducting organic salt, where it has been suggested from XPS experiments that the charge transfer process is dynamic, leading to the coexistence of TTF0-TCNQ0 and TTF1+-TCNQ1− charge states [7, 8]. An interesting potential application of our implemented methods is the study of electronic excitations in semiconductor-based solar cells and photovoltaic devices to the efficient design and fabrication of such devices [9, 10, 11]. One of the most extensively used materials for the fabrication of these devices is the anatase TiO2 whether doped with nitrogen impurities or sensitized with dye molecules. Using the DFT machinery we characterize this material as the first step before the calculation of their electronic excitations. We study native defects: oxygen vacancies and interstitial titanium, and nitrogen impurities at interstitial or substitutional position in the anatase matrix. The electronic, structural and thermodynamic properties of all these point defects with different charge states were calculated. Moreover, we study the lattice dynamic of defective anatase in order to determine how defects affect the vibrational modes of pristine anatase and what are the new features arising from defects. We calculate the binding energy shifts of the N 1s, O 1s and Ti 3p core levels to contribute to the full characterization of the defects. Our results of lattice dynamic and core level binding energy shifts are compared with experimental data from Raman and XPS spectroscopy, respectively.

Esta tesis doctoral trata sobre la síntesis, y el estudio de la actividad catalítica de partículas de oro de tamaño inferior a 2 nm, nanoclústers de oro. El interés proviene de la actividad catalítica a temperatura ambiente que tiene el oro cuando las dimensiones son inferiores a aproximadamente los 5 nm. En esta tesis se desarrollan dos métodos de síntesis que permiten obtener clústeres de oro estables con un tamaño de partícula bien definido. En un método se sintetizan nanoclústeres de oro de tamaño inferior a 2 nm, los cuales son posteriormente depositados sobre un soporte. En cambio, el otro método consiste en sintetizar los nanoclústeres de oro directamente sobre el soporte seleccionado. Con este ultimo método, se puede modificar el tamaño de los clústeres de oro alterando la cantidad de precursor de oro durante el proceso de síntesis. De esta manera se puede obtener desde una dispersión uniforme de átomos de oro aislados, clústeres de Au de 2 nm o nanopartículas de más de 10 nm en la superficie del material de soporte. Los catalizadores sintetizados han sido caracterizados mediante distintas técnicas físico químicas: HRTEM, SEM, AFM, XPS and XAS. Además también se ha estudiado la actividad catalítica para la oxidación de CO y materiales carbonosos. Finalmente, se ha relacionado el tamaño de partícula con la actividad catalítica del material. / This doctoral thesis is about the synthesis and the catalytic activity study of gold particles with a diameter lower than 2 nm, gold nanoclusters. The interest is due to the catalytic activity that gold has at room temperature when its size is less than approximately 5 nm. In this thesis, two distinct synthesis’ methods that allow stable gold clusters with a well defined particle size to be obtained have been developed. In one method, gold clusters with a narrow size distribution and a particle diameter less than 2 nm are firstly synthesised and then deposited on a support. In the other method, gold clusters are directly synthesised on the selected support. In the latter method, the size of gold can be easily varied by simply altering the gold precursor quantity during the synthesis process. Thus, uniformly dispersed isolated gold atoms, 2 nm Au clusters or nanoparticles larger than 10 nm can be obtained on the material support surface. The synthesised catalysts were characterised using distinct physico-chemical techniques: HRTEM, SEM, AFM, XPS and XAS. Additionally, their catalytic activity was investigated for the oxidation of CO and carbonaceous materials. Finally, the particle size was related with the catalytic activity of the material.

La present tesis doctoral està basada en el desenvolupament de noves metodologies de RMN per la mesura de constants d’acoblament homo- i heteronuclears en molècules petites. La tesi es presenta com a compendi de publicacions d’articles de recerca que han estat publicats en diferents revistes científiques. El punt de partida està basat en l’experiència i coneixement previ del nostre grup de recerca en aquest camp. S’ha pres com a referència principal l’experiment selHSQMBC, al qual s’hi han implementat noves funcions per tal de dissenyar un conjunt de noves metodologies capaces de resoldre els principals problemes que afecten aquest tipus de mesures. En la majoria de casos s’ha utilitzat la metodologia IPAP per tal d’aconseguir una mesura més exacte. A la vegada, el patró E.COSY, així com el concepte de espectroscòpia J-resolt, s’han implementat conjuntament amb la metodologia IPAP per tal d’obtenir una mesura simultània de diferents constants d’acoblament en un sol experiment de RMN. Tanmateix, també es descriuen nous avenços en la mesura de constants d’acoblament protó-carboni a un enllaç, així com constants d’acoblament protó-protó a dos enllaços en grups metilens diastereotòpics. Cada nou experiment s’analitza des d’un punt de vista metodològic alhora que s’avalua la seva aplicabilitat. La tesi s’ha dividit en cinc apartats. En el primer d’ells es fa una introducció general per situar el lector. Al segon capítol es descriuen els objectius principals. El tercer capítol, i més rellevant, conté les diferents publicacions presentades com a resultats i discussió. El quart capítol conté dos apèndixs diferents que no s’han pogut incloure com a publicacions degut a que encara es troben en preparació. Finalment, l’últim capítol conté les conclusions generals del treball. / The present doctoral thesis is focused on the development of modern NMR methodologies for the measurement of homo- and heteronuclear coupling constants in small molecules. The thesis is presented as a compendium of publications that have been published in different scientific journals as original research papers. The starting point was the previous experience and knowledge of our research group. Taking as a reference the selHSQMBC experiment, several new features have been implemented in order to design a complete set of different methodologies that allow us to overcome some of the most typical drawbacks regarding such measurements. In most of the cases the IPAP methodology is used to achieve an accurate measurement. A spin-state selective technique like the E.COSY pattern, as well as the concept of J-resolved spectroscopy, are implemented in conjunction with the IPAP methodology to obtain simultaneous measurement of several coupling constants in a single-shot NMR experiment. Moreover, advances in the measurement of one-bond proton-carbon and germinal proton-proton coupling constants in diastereotopic methylene groups are also presented. Each new experiment is theoretically discussed from a methodological point of view and an assessment on its application is also performed. The thesis is divided in five chapters. In the first one a general introduction is presented in order to situate the reader. In the second chapter main objectives of the thesis are described. The third section is the main chapter which collects all the publications presented as results and discussion. The fourth chapter contains two different appendixes with the results that could not be included as original research papers because they are still in preparation. Finally, last chapter contains general conclusions of the work.

Aquesta tesi es centra en l'estudi teòric dels processos involucrats en l'oxidació del sulfur de dimetil a la troposfera i les conseqüències que els productes que es formen en aquest procés poden tenir en l'atmosfera. La importància d'aquesta molècula radica en el fet què els principals productes de la seva oxidació (els àcids sulfúric i metanosulfònic) poden estar relacionats amb els processos de formació de núvols. S'ha proposat que aquests àcids poden afavorir la formació de núvols a la troposfera, fet que faria disminuir la radiació solar que arriba a la Terra, fins al punt de poder contrarestar l'escalfament global del planeta. Tenint en compte que el sulfur de dimetil és el principal compost de sofre d'origen natural a la troposfera, podríem estar davant d'un procés d'autoregulació de la temperatura del planeta. Així doncs, l'estudi de les reaccions químiques que condueixen des del sulfur de dimetil fins als corresponents àcids és d'especial interès des del punt de vista de la química atmosfèrica. A més, aquestes reaccions presenten característiques que també les fan atractives des del punt de vista de la química teòrica. / Esta tesis se centra en el estudio teórico de los procesos involucrados en la oxidación del sulfuro de dimetilo en la troposfera y las consecuencias que los productos que se forman en este proceso pueden tener en la atmósfera. La importancia de esta molécula radica en el hecho que los principales productos de su oxidación (los ácidos sulfúrico y metanosulfónico) pueden estar relacionados con los procesos de formación de nubes. Se ha propuesto que estos ácidos pueden favorecer la formación de nubes en la troposfera, cosa que haría disminuir la radiación solar que llega a la Tierra, hasta el punto de poder contrarrestar el calentamiento global del planeta. Teniendo en cuenta que el sulfuro de dimetilo es el principal compuesto de azufre de origen natural en la troposfera, podríamos estar delante de un proceso de auto-regulación de la temperatura del planeta. Así pues, el estudio de las reacciones químicas que conducen desde el sulfuro de dimetilo hasta los correspondientes ácidos es de especial interés desde el punto de vista de la química atmosférica. Además, estas reacciones presentan características que también las hacen atractivas desde el punto de vista de la química teórica. / This thesis focus on the theoretical study of the processes related to the dimethyl sulfide (DMS) oxidation in the troposphere, and the possible consequences related to the products formed along thas process. The importance of this molecule lies in its main oxidation products (sulfuric and methanosulfonic acids), which can act as cloud condensation nuclei (CCN). It has been proposed that the presence of those acids may enhance the presence of clouds in the troposphere, which in turn would reduce the solar radiation arriving into the Earth, counteracting in this way the global warming. Taking into account that DMS is the main biogenic sulfur¬containing compound, this could be a self temperature regulation process. Therefore, studying the chemical reactions from DMS to the corresponding acids is specially interesting from an atmospheric chemistry point of view. Furthermore, these reactions show characteristics which make them very attractive also for a theoretical chemist.

En el present treball s’han sintetitzat una sèrie de triarilfosfines amb característiques π àcides que han estat caracteritzades i avaluades com a lligands en diferents processos catalitzats per complexos de metalls de transició. Les fosfines sintetitzades incorporen al menys un grup trifluorometil en la seva estructura i es poden dividir en dos grups: fosfines neutres i fosfines iòniques amb grups sulfonats. Les fosfines sulfonades sintetitzades presenten solubilitat en aigua i s’han avaluat en processos catalítics bifàsics líquid-líquid, per tal de poder separar fàcilment els productes de la reacció per decantació i reutilitzar el catalitzador en reaccions de reciclatge. Les propietats electròniques de les fosfines neutres s’han investigat mitjançant la freqüència de vibració del lligand CO de nous complexos d’iridi tipus [IrCl(CO)(L)2] (L = fosfina). Els resultats indiquen que les característiques π-àcides de les fosfines augmenten amb el nombre de substituents trifluorometil, excepte per les fosfines orto trifluorometilades, on una assistència a llarga distància d’algun àtom de fluor al centre metàl·lic proporciona una densitat electrònica extra, que compensa l’efecte inductiu dels grups trifluorometils. La capacitat σ-donadora de les fosfines sulfonades s’ha determinat mitjançant la constant d’acoblament JP-Se per RMN, dels corresponents seleniürs. Totes les fosfines sulfonades que contenen grups CF3 són menys bàsiques que les corresponents fosfines sense grups trifluorometil. La presència de grups CF3 en l’estructura de les fosfines sulfonades incrementen la seva resistència front a l’oxidació, si es comparen amb les fosfines sense grups trifluorometil. A més, el caràcter ambifílic dels lligands provoca la formació de superestructures en disssolució aquosa, com micel·les o vesícules, que han estat observades per microscòpia electrònica Les fosfines sintetitzades s’han avaluat com a lligands en processos catalítics: carbonilació (metoxicarbonilació, hidroxicarbonilació i hidroformilació), reducció (hidrogenació i transferència d’hidrogen de dobles enllaços) i acoblaments carboni carboni (Suzuki-Miyara i Tsuji-Trost). D’entre totes les reaccions assajades, la hidroformilació de substrats polars és la reacció on les noves fosfines sintetitzades presenten una millora substancial respecte les fosfines sulfonades prèviament descrites, pel que fa a la velocitat de les reaccions. A més, les fosfines sulfonades trifluorometilades permeten reciclar el catalitzador mitjançant sistemes bifàsics. / In the present work, a new series of triarylphosphines with strong π-acidic character have been synthesized and fully characterized. They have also been tested as ligands in different processes catalyzed by transition metal complexes. These phosphines contain at least one trifluoromethyl group in its structure and they can be divided in two different groups: neutral phosphines and ionic phosphines with sulfonated substituents. The sulfonated phosphines are water soluble and they have been tested in biphasic liquid-liquid processes, in order to separate the reaction products by decantation and to reuse the catalyst in recycling experiments. The electronic properties of the neutral phosphines has been investigated by analyzing the CO stretching frequency of a series of new complexes [IrCl(CO)L2] (L = phosphine). These results show that the π-acidic properties of phosphines increases with the number CF3 substituents in the aril rings, except for the o-trifluoromethylated phosphines, where a fluorine long distance assistance provides the metal with extra electronic density, that compensate the inductive effect of the CF3 groups. The σ-donating ability of sulfonated phosphines has been assessed by measuring the NMR JP Se coupling constant of the corresponding phosphine selenides. All sulfonated phosphines containing CF3 substituents show to be less basic than the equivalent phosphines without this substituent. The presence of CF3 groups in sulfonated phosphines significantly increases their resistance towards oxidation when compared with the equivalent phosphines. Furthermore, the amphiphilic character of these phosphines leads to the formation of superstructures in their aqueous solutions, such as micelles and vesicles, that have been observed by electronic microscopy. The synthesized phosphines have been evaluated as ligands in different catalytic processes: carbonylation (methoxycarbonylation, hydroxycarbonylation and hydroformylation); reduction (hydrogenation and hydrogen transfer of double bonds); C-C coupling reactions (Suzuki-Miyaura and Tsuji-Trost reactions). Among all reactions essayed, the hydroformylation of polar substrates is the reaction where the new phosphines here synthesized show a clear advantage over the previously described sulfonated phosphines, because the increase in the reaction rate. Furthermore, in these processes, the trifluoromethylated sulfonated phosphines allow the recycling of the catalyst by using a biphasic system.

L’energia solar transforma la llum del Sol en electricitat i és una de les energies renovables més encoratjadores: no produeix CO2 i és una energía de baix cost alternativa a les fonts fòssils. Entre els diferents dispositius fotovoltaics, els de tercera generació, excitonic solar cells (XSCs), entre els quals inclouen: orgànic, híbrid i dye-sensitized solar cells, són prometedors per aconseguir els tres principals criteris per la seva comercialització: alta eficiencia, baix cost i la possibilitat de ser fabricats amb mètodes simples i escalables. L’aplicació de ZnO en XSCs s’ha incrementat en els últims anys degut a les seves similaritats amb l’ òxid semiconductor més utilitzat i estudiat, el TiO2. El ZnO presenta un valor de band gap i la banda de conducció similars i també és més alta la mobilitat dels electrons comparat amb el TiO2. Es pot sintetitzar de moltes formes diferents amb tècniques senzilles i escalables. I en concret, l’aplicació de nanoestructures verticals de ZnO s’ha estudiat per millorar el contacte entre els materials donador i acceptor d’electrons en cel·les solar orgàniques (OSCs), o millorar la injecció d’electrons en cel·les solars Dye-sensitized (DSCs). El treball d’aquesta tesis s ’enfoca en la preparació i caracterització de nanostructures de ZnO: nanorods (NR), nanotrees (NTr) i core-shells (CS) i la seva aplicación en DSCs i OSCs. L’optimització de tots els paràmetres de les cel·les solars per millorar l’eficiència també es presenta en aquest treball. / Solar energy converts the sunlight into electricity and is one of the most encouraging renewable, CO2-free and low cost alternative energy source to fossil fuels. Among the different photovoltaic devices the third-generation excitonic solar cells (XSCs), which include organic, hybrid and dye-sensitized solar cells, are promising devices for the achievement of the three main criteria that would lead to large scale commercialization: high efficiency, low cost and the possibility to apply simple and scalable fabrication techniques. The application of ZnO in XSCs has been rising over the last few years due to its similarities with the most studied semiconductor oxide, TiO2. ZnO presents comparable band gap values and conduction band position as well as higher electron mobility than TiO2. It can be synthesized in a wide variety of nanoforms applying straight forward and scalable synthesis methodologies. Specially, the application of vertically-aligned ZnO nanostructures it is thought to improve contact between the donor and acceptor material in organic solar cells (OSC), or improve electron injection in Dye sensitized solar cells (DSCs). The present thesis focuses on the preparation and characterization of ZnO nanostructures: nanorods (NR), nanotrees (NTr) and core-shells (CS) and their application in DSCs and OSCs. The optimization of the solar cell parameters to enhance its performance is also presented here.

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