Esta tesis es un trabajo interdisciplinario dirigido a la obtención de nuevos nanocompuestos funcionales sintetizados a partir de materiales poliméricos intercambiadores de iones modificados por nanopartículas (NPs) de diferente composición. El desarrollo de nanomateriales es de gran interés en la actualidad dada sus especiales propiedades que difieren de las de la materia a escala macroscópica y que pueden resultar en ventajas tecnológicas. Sin embargo, existe cierta preocupación relativa a la toxicidad de estos. Por ello, en nuestro trabajo hemos desarrollado un nuevo método para la fabricación de nanomateriales con dos niveles de seguridad: la estabilización de las NPs en la matriz polimérica y la retención magnética. Por un lado, la metodología, desarrollada en este trabajo, de Síntesis Intermatricial (Intermatrix Synthesis, IMS) permite controlar el crecimiento y la estabilización de las NPs. Además, permite la obtención de NPs mono- o bicomponentes con estructura núcleo-envoltorio (core-shell). El core de esta estructura puede ser un material económico y/o con alguna propiedad adicional (p.e. magnetismo) y es recubierto con un material funcional específico para la aplicación de interés. El core magnético permite la recuperación de NPs que pudieran liberarse, por ejemplo, en un tratamiento de desinfección evitando así, la posible toxicidad por parte de las NPs. De la misma manera, se podrían recuperar nanocomposites con propiedades catalíticas con el objetivo de reutilizarlos en ciclos catalíticos sucesivos. Así, en este trabajo se ha logrado la optimización de la técnica IMS para la obtención de NPs monocomponentes (Ag, Co, Pd o Fe3O4) y con estructura core-shell (Ag@Co, Ag@Fe3O4 o Pd@Co) estabilizadas en matrices poliméricas de naturaleza diversas (membranas, fibras y resinas) y con diferentes grupos funcionales (sulfónicos, carboxílicos o de sales de amonio). Además, se han caracterizado los diferentes nanocomposites para evaluar sus propiedades. Las técnicas microscópicas (p.e. SEM y TEM) permiten conocer el tamaño y la localización de las NPs dentro del material. Otras técnicas (p.e. ICP-AES, XRD, XANES o SQUID) han permitido obtener información sobre la composición o las propiedades magnéticas de las NPs y nanocomposites. La distribución de las NPs concentrada en la superficie de la matriz es debido al efecto de exclusión de Donnan y a diversos parámetros optimizados. Así, las NPs son máximamente accesibles para las especies a tratar en la aplicación de interés. Por un lado, se ha demostrado y optimizado la actividad catalítica de nanocomposites basados en Pd y Pd@Co para la reacción de acoplamiento cruzado de Suzuki. También, se ha estudiado la aplicación de nanocomposites basados en Ag y con un núcleo magnético como agentes antibacterianos para el tratamiento de aguas obteniendo resultados claramente exitosos. Consideramos que este trabajo aporta y consolida conocimientos de interés relativos a la síntesis de materiales nanocomoposite polímero-metal y evaluación de sus aplicaciones. / This PhD thesis is an interdisciplinary work aimed at obtaining new nanocomposites synthesized from functional ion-exchange polymeric materials modified with nanoparticles (NPs) of different composition. The development of nanomaterials is of great current interest because of their special properties that differ from those of matter on a macroscopic scale and can result in technological advantages. However, there is some concern about the toxicity of those materials. Therefore, in this work we have developed a new method for the manufacture of nanomaterials with two levels of safety: the NPs stabilization in the polymer matrix and their magnetic retention. The Intermatrix Synthesis (IMS), method developed in this work, controls the growth and stabilization of the NPs. It also allows obtaining mono-or bicomponent NPs with core-shell structure. The core component of these structures can be an economic material and/or a material with some additional property of interest (e.g., magnetism). The core is coated with a specific functional material for the corresponding application of interest. Also, the magnetic core allows the recovery of the NPs which could be leached, for example, from a disinfection treatment and, thus, avoiding the possible toxicity from the NPs. Similarly, the recovery of NCs with catalytic properties in order to reuse them in successive catalytic cycles can also take place. Thus, in this work the IMS technique has been optimized for obtaining monocomponent NPs (Ag, Co, Pd or Fe3O4) and bicomponent core-shell NPs (Ag@Co, Ag@Fe3O4 or Pd @Co) stabilized in polymeric matrices of various physical types (films, fibres and resins) containing different functional groups (sulfonic, carboxylic or ammonium salts). Furthermore, we have characterized the different nanocomposites to evaluate their properties. Microscopic techniques (e.g., SEM and TEM) provide information about the size and location of the NPs within the material. Other techniques (e.g., ICP-AES, XRD, XANES or SQUID) have yielded information on the composition and magnetic properties of NPs and nanocomposites. The distribution of the NPs, concentrated on the surface of the matrix, is due to the Donnan-exclusion effect and some other various parameters optimized regarding the synthesis and polymer characteristics. Thus, the NPs are maximally accessible to the species involved in the application of interest. On one hand, the catalytic activity of Pd- and Pd@Co-based nanocomposites for the reaction of Suzuki cross-coupling has been shown and optimized. Also, the application of Ag and magnetic core-based nanocomposites as antibacterial agents for water treatment has been studied obtaining successful results. All in all, we believe this work provides and consolidates knowledge of interest related to polymer-metal nanocomposite materials and the evaluation of their applications.

En aquesta Tesi Doctoral s'ha desenvolupat la tècnica de Síntesi intermatricial (IMS), com a una metodologia factible per la modificació de matrius reactives amb nanopartícules (NPs) basada en les propietats d'intercanvi iònic de la superfície que es vol modificar; com ara: resines intercanviadores iòniques i la innovació en la modificació de nanofilms polimèrics funcionalitzats, nanotubs de carboni (CNTs) i nanodiamantes (NDs). L’efecte dels materials nanoestructutrats sobre el medi ambient és un dels temes més importants a la tecnologia en els darrers anys. A causa del seu alt grau de desenvolupament, producció, difusió i aplicació, les majors preocupacions associades als Nanomaterials (NMs) inclouen: a) l'elevada reactivitat i toxicitat de molts NMs en comparació dels seus anàlegs macroscòpics, b) l'absència de tècniques analítiques òptimes per a la seva determinació en el medi ambient i c) l'absència d'una legislació efectiva que regularitzi els nivells permesos de diversos NMs en sòl, aigua i aire. Per això és primordial la seguretat i estabilitat dels NMs a través de la seva incorporació en els Nanocomposites bifuncionals (BFNCs) La bifuncionalitat dels BFNCs és determinada per les propietats pròpies de la matriu en la qual les NPs metàl·liques (MNPs) són sintetitzades (per exemple polímers d'intercanvi iònic) i per les propietats respectives de les MNPs (magnetisme, activitat bactericida, nanocatlizadores). La modificació superficial de les matrius reactives amb MNPs es porta a terme a través de la IMS acoblada a l'Efecte d'exclusió de Donnan (DEE). D'aquesta manera, els BFNCs preparats amb valor afegit són caracteritzats, les seves propietats són avaluades i es comprova l'estabilitat i la distribució favorable de les MNPs principalment en la superfície dels BFNCs. La IMS inclou diferents possibilitats per a la preparació de MNPs i BFNCs. En una primera etapa es realitza un intercanvi iònic sobre la matriu per fixar els precursors de les NPs. Posteriorment la IMS pot incloure: a) Reducció dels ions a l'utilitzar un agent reductor com NaBH4 o b) precipitació de NMs com quantum dots (QDs) o òxids metàl·lics a l'afegir el contraió respectiu. Sigui quina sigui la ruta que s'empri, els grups funcionals d'intercanvi iònic propis de la matriu són regenerats; de manera que els cicles de IMS poden repetir-se per augmentar el gruix de les MNPs o bé per produir MNPs bimetàl·liques tipus core-shell. Una versió estesa de la IMS és presentada a l'utilitzar el desplaçament galvànic com a precursor per Au- MNPs i AgAu-MNPs a matrius catiòniques, utilitzant MNPs sintetitzades inicialment com nanoplantilles per a la cristal·lització de les noves MNPs mono- o bi- metàl·liques. Un avantatge molt important que aporta la tècnica IMS és la seva gran versatilitat, possibilitant la síntesi de BFNCs amb les propietats desitjades per a les diferents aplicacions: activitat bactericida, magnetisme, catàlisi heterogènia i electroquímica, entre d'altres. / En esta Tesis Doctoral se ha desarrollado la técnica de Síntesis Intermatricial (IMS), como una metodología factible para la modificación de matrices reactivas con Nanoparticulas(NPs) basada en las propiedades de intercambio iónico de la superficie que se desea modificar; tales como: como resinas intercambiadoras iónicas y la innovación en la modificación de nanofilms poliméricos funcionalizados, nanotubos de carbono (CNTs) y nanodiamantes (NDs). El efecto de los materiales nanoestructurados sobre el medio ambiente es uno de los temas más importantes de la tecnología en los últimos años. Dado su alto grado de desarrollo, producción, difusión y aplicación, las mayores preocupaciones asociadas a los Nanomateriales (NMs) incluyen: a) la elevada reactividad y toxicidad de muchos NMs en comparación con sus análogos macroscópicos, b) la ausencia de técnicas analíticas adecuadas para su determinación en el medio ambiente y c) la ausencia de una legislación efectiva que regularice los niveles permitidos de varios NMs en suelo, agua y aire. Por ello es primordial la seguridad y estabilidad de los NMs a través de su incorporación en los Nanocomposites Bifuncionales (BFNCs) La bifuncionalidad de los BFNCs es determinada por las propiedades propias de la matriz en la que las NPs metálicas (MNPs) son sintetizadas (por ejemplo polímeros de intercambio iónicos) y por las propiedades respectivas de las MNPs (magnetismo, actividad bactericida, nanocatlizadores). La modificación superficial de las matrices reactivas con las MNPs se lleva a cabo a través de la IMS acoplada al Efecto de Exclusión de Donnan (DEE). De esta manera, los BFNCs preparados con valor añadido son caracterizados, sus propiedades son evaluadas y se comprueba la estabilidad y la distribución favorable de las MNPs principalmente en la superficie de los BFNCs. La IMS incluye diferentes posibilidades para la preparación de MNPs en BFNCs. En una primera etapa se realiza un intercambio iónico sobre la matriz para fijar los precursores de las NPs. Posteriormente la IMS puede incluir: a) Reducción de los iones al utilizar un agente reductor como NaBH4 o b) precipitación de NMs como quantum dots (QDs) u óxidos metálicos al agregar el contraión respectivo. Sea cual sea la ruta que se siga, los grupos funcionales de intercambio iónico propios de la matriz son regenerados; por lo que los ciclos de IMS pueden repetirse para aumentar el grosor de las MNPs o bien para producir MNPs bimetálicas tipo core-shell. Una versión extendida de la IMS es presentada al utilizar el desplazamiento galvánico como precursor para Au- MNPs y AgAu-MNPs en matrices catiónicas, utilizando MNPs sintetizadas inicialmente como nanoplantillas para la cristalización de las nuevas MNPs mono o bimetálicas. Una ventaja muy importante que aporta la técnica IMS es su gran versatilidad, posibilitando la síntesis de BFNCs con las propiedades deseadas para las diferentes aplicaciones: actividad bactericida, magnetismo, catálisis heterogénea y electroquímica, entre otras. / In this Doctoral Thesis, the Intermatrix Synthesis (IMS) technique has been described as a feasible methodology for the modification of reactive matrices with Nanoparticles (NPs), which is based on the ion exchange properties of the NPs supporting surface, such as ion exchange resins and the innovation of the application of IMS on polymeric nanofilms, carbon nanotubes (CNTs) and nanodiamonds(NDs). The effects of nanostructured materials on the environment are one of the most important issues of technology in recent years. Given their high level of development, production, dissemination and application, the main concerns associated with nanomaterials (NMs) include: a) the high reactivity and toxicity of many NMs compared to their macroscopic analogues, b) the lack of appropriate analytical techniques for their determination in environment and c) the absence of effective legislation to regularize the convenient levels of various NMs in soil, water and air. Therefore, it is a must to ensure the security and stability of NMs through its incorporation into the Bifunctional Nanocomposites (BFNCs) The bifunctionality of BFNCs is determined by the specific properties of the matrix in which the metal NPs (MNPs) are synthesized (for example by ion exchange polymers) and by the respective properties of the MNPs (magnetism, bactericidal, nanocatlizadores). Surface modification of reactive matrices with MNPs is conducted through the IMS coupled to Donnan exclusion effect (DEE). Thus, the added value BFNCs prepared are characterized, their properties are evaluated and stability and the favourable distribution of the MNPs mainly on the surface of BFNCs is verified. The IMS includes different possibilities for the preparation of MNPs on BFNCs. In the first stage ion exchange is performed on the matrix to attach the NPs precursors. Subsequently, the IMS includes: a) Reduction of ions by using a reducing agent such as NaBH4 or b) precipitation of NMs as quantum dots (QDs) or metal oxides by adding the respective counterion. Whichever route is followed, the ion exchange functional groups of the matrix are regenerated; so IMS cycles can be repeated to increase the thickness of the MNPs or to produce bimetallic core-shell type MNPs. An extended version of the IMS is presented as using galvanic replacement for the preparation of Au- MNPs and AgAu-MNPs in cationic matrices using MNPs initially synthesized as nano-templates for crystallization of new mono or bimetallic MNPs. An important advantage provided by the IMS technique is its versatility, allowing the synthesis of BFNCs with the desired properties for different applications: bactericidal activity, magnetism, electrochemistry and heterogeneous catalysis, among others.

Els sistemes de separació mitjançant membranes han guanyat importància com a tècniques de separació enantiomèrica. S'han investigat distintes configuracions de membranes.Per a la separació enantiomèrica de SR-propranolol, fàrmac usat per al tractament d'algunes anomalies cardiovasculars, s'han estudiat diferents transportadors selectius: N-alquil-hidroxiprolines i dialquil tartrats en membranes líquides, i el norbornadiè com a polímer quiral. Malgrat tots aquest sistemes mostraven resultats prometedors, cap d'ells ha estat investigat detalladament. La finalitat d'aquesta tesi ha consistit a desenvolupar i caracteritzar diferents sistemes de membrana per a la separació del fàrmac SR-propranolol. S'han investigat quatre sistemes distints de membranes: membranes líquides suportades (SLM), membranes compòsit activades (ACM), membranes activades quirals (CAM) i membranes basades en polisulfona quiral (CPS). En la majoria dels casos s'ha emprat com a transportador selectiu l'N-hexadecil-L-hidroxiprolina (HHP).L'estudi i la caracterització de cada sistema s'ha dut a terme mitjançant tècniques microscòpiques i experiments de transport usant quatre mòduls de membrana diferents: una cel·la de diàlisi, un mòdul micro espiral , un mòdul que permet el modelatge del transport i un mòdul de filtració frontal. L'estudi del sistema de SLM va permetre elucidar els dos mecanismes de transport implicats en aquest sistema de separació, així com discriminar els principals paràmetres que governen (en termes de flux i selectivitat) el comportament del sistema de membranes. En condicions òptimes de treball (fase de càrrega ajustada a pH 8 i concentració de transportador de C/A = 3) es va detectar un excés enantiomèric del 5.6%. Les membranes compòsit activades, formades per una capa porosa de polisulfona pel·liculada sobre un paper no teixit, i una capa densa superficial de poliamida, foren caracteritzades mitjançant distintes tècniques: microscòpia de força atòmica, transport de soluts, mesures d'angle de contacte, ressonància electrònica d'espí, i microscòpia electrònica d'escombratge. L'ús d'aquestes tècniques complementàries va permetre obtenir informació de la morfologia interna i superficial de les membranes, i alhora va confirmar la presència de transportador a l'interior de les membranes. Tot i així, al ser aplicades per a la separació enantiomèrica de propranolol no es va observar transport enantioselectiu. Les CAM, formades per un capa porosa de polisulfona pel·liculada sobre un paper no teixit, si que van permetre el transport enantioselectiu del fàrmac d'estudi. En aquest cas es va estudiar la influència sobre el sistema de la concentració de transportador selectiu en la membrana i del valor de pH de la solució receptora. L'estudi va revelar la relació entre el flux i la enantioselectivitat i va contribuir a proposar les preferències d'afinitat del transportador vers ambdós enantiòmers del fàrmac propranolol. Els bons resultats van esperonar el desenvolupament d'un nou sistema de membranes CAM emprant didodeciltartrat com a transportador selectiu. La comparació dels dos sistemes de CAM es va dur a terme mitjançant el modelatge del transport ambdós enantiòmers implicats. Els resultats mostraren que el segon sistema posseeix millors propietats per al transport enantioselectiu de propranolol.Per últim es van investigar les membranes basades en polisulfona quiral, que contenen el selector quiral enllaçat covalentment a la matriu polimèrica. La polisulfona fou derivatitzada seguint dues rutes sintètiques distintes, i van obtenir-se dos productes diferents: CPSA i CPSB. Ara bé, sols la CPSA va resultar adequada com a polímer. Les membranes obtingudes a partir de CPSA van ser caracteritzades. L'aplicació d'aquest tipus de membranes van donar lloc a resultats prometedors tan pel que fa al flux com a la enantioselectivitat, i van permetre confirmar la major afinitat del selector per a l'enantiòmer S-propranolol. En aquest cas, quan es va incorporant la quantitat més gran possible de transportador en la membrana es va obtenir un factor de separació de 1,1a les 96h d'experimentació. / Membrane systems have been gaining importance as enatioseparation techniques.Various membrane configurations, have been proposed to attain enantioseparation. Liquid membrane processes were firstly proposed, however they exhibit a rapid selectivity decrease with operating time and show low stability and short lifetime when tested under industrial separation conditions. Therefore, solid polymeric membranes have also been developed. For the case of SR-propranolol, a β-blocking drug used for treating certain cardiovascular anomalies different enantioselective carriers have been studied. N-n-alkyl-hydroxyprolines, and dialkyl tartrate were used in liquid membrane configurations, and norbornadiene was considered as chiral polymer. Although all these membrane systems showed promising results, none of them was investigated in detail. The purpose of the present work was the characterisation and development of membrane systems for the enantioselective separation of SR-propranolol. Four different membrane systems, based in supported liquid membranes (SLM), activated composite membranes (ACM), chiral activated membranes (CAM) and chiral polysulfone (CPS) membranes, have been investigated. In most of them, N-hexadecyl-L-hydroxyproline (HHP) was applied as chiral carrier.The study and characterization of each membrane type was carried out using microscopy techniques and transport experiments. The latest were conducted with four different membrane modules: a dialysis cell, a micro spiral module, a module capable of well-defining hydrodynamics conditions for transport modelling and a dead-end filtration module. The study of SLM, permitted the elucidation of the two transport mechanisms involved in these separation systems and allowed discriminating the principal parameters governing the performance of the membrane system, either in terms of flux as in terms of selectivity. Under operating conditions showing the best performance results (feed at pH 8, and carrier concentration up to C/A = 3) a 5.6% of enantiomeric excess was reached. Activated composite membranes (ACM) consisted of a porous polysulfone support casted on a none-woven fabric, with a top dense polyamide layer. ACM were characterized by different techniques, such as atomic force microscopy, solute transport, contact angle measurements, electron spin resonance, and scanning electron microscopy. The use of all these complementary techniques provided an extensive and concise description of ACM internal and surface morphology, together with the confirmation of the presence of the chiral carrier inside the membranes. However, when applied to the enantioseparation of propranolol enantioselectivity was not observed. CAM consisted in a porous polysulfone film, also casted on a non-woven fabric. This membrane type permitted the enantioselective transport of propranolol across the membranes. In that case, the influence of carrier concentration in the membrane as well as the striping phase pH were studied. These studies revealed the relationship between transport rate and enantioselectivity and contributed to propose the affinity preferences of the carrier by the two enantiomers. The good results obtained, motivated the development of another CAM system containing the chiral carrier didodecyltartrate. The comparison of the two equivalent systems was carried out by conveniently modelling the transport of both propranolol enantiomers. Results showed that the last system possesses better properties for the enantioseparation of propranolol.The last type of polymeric membranes assayed were based in chiral polysulfones CPS, containing the chiral carrier covalently bonded to the polysulfone polymeric structure. PS was chiraly derivatised following two different sysnthetic routes, and two corresponding chiral polysulfones were obtained, namely CPSA and CPSB. However when preparing the membranes, only CPSA was suitable as polymer. CPS membranes, obtained from CPSA were prepared and characterised. The application of these polymeric membranes showed promising results regarding both the transport rate and enantioselectivity, and confirmed the higher affinity of the carrier by the S-propranolol enantiomer. In that case, with membranes containing the highest CPSA amount, a separation factor of 1.1 was encountered at 96h of experiment.

No description available.

La utilització de la química computacional com una eina addicional en l'estudi de mecanismes de reacció està esdevenint una pràctica cada cop més habitual. Aquesta tècnica es pot utilitzar per determinar el mecanisme d'una reacció per a la qual no es tenen prou dades experimentals, però també per donar suport o descartar un mecanisme concret. En aquesta tesi es presenten tres treballs que exemplifiquen cadascuna d'aquestes situacions. Per una banda s'ha estudiat el mecanisme d'isomerització d'al·lilamina a enamina catalitzat pel complex [(BINAP)Rh]+. Amb aquest estudi es descarta el mecanisme N-triggered proposat per Noyori i col·laboradors, i es proposa un nou mecanisme al·lílic que a diferència de l'anterior esta d'acord amb les dades experimentals. Per altra banda s'ha estudiat el mecanisme de la reacció del complex [(dppp)2Pt2H3]+ amb tiofè. Aquest estudi ha permès determinar perquè en aquesta reacció addicionalment al trencament del enllaç C-S que dóna al complex [(dppp)Pt(SC4H4-C,S)], es forma el complex [(dppp)2Pt2(μ-SC4H5-C,S)], producte de l'activació C-S i parcial hidrogenació del tiofè, observat per primera vegada amb aquest sistema. Finalment s'ha realitzat l'estudi teòric dels mecanismes cíclic i obert proposats pel procés de transmetal·lació en la reacció de Stille utilitzant [L2Pd(Ph)(X)] (L=PH3, AsH3) i Me2SnCH=CH2 com a reactius, i THF i clorobenzè com a solvent. Aquest estudi ha permès donar més detall als mecanismes proposats experimentalment i racionalitzar en quins casos la reacció anirà per un mecanisme cíclic i obert. / The application of Computational Chemistry as an additional tool in the study of reaction mechanisms is becoming a common practice. This technique can be used to determine reaction mechanisms when experimental evidence is not sufficient, or to support or rule out a specific mechanism. This thesis encloses three works that exemplify each of those situations. The isomerization of allylamines to enamines catalyzed by [(BINAP)Rh]+ has been studied. In this study the N-triggered mechanism proposed by Noyori and co-workers is ruled out by an allylic alternative more consistent with the experimental data. The C-S bond activation of thiophene by [(dppp)2Pt2H3]+ has been also studied. This reaction gives the mononuclear [(dppp)Pt(SC4H4-C,S)] metallacycle by activation of the thiophenic C-S bond exclusively, and the dinuclear [(dppp)2Pt2(μ SC4H5-C,S)]ClO4 complex by activation of the C-S bond and partial hydrogenation of thiophene. On the basis of our results we propose a plausible mechanism for the whole process. Finally, we also studied the cyclic and open mechanisms proposed for the transmetallation step in the Stille Cross-Coupling reaction, considering [L2Pd(Ph)(X)] (L=PH3, AsH3; X=Br,OTf) and Me2SnCH=CH2 as reactants, and THF and chlorobenzene as solvents. The mechanistic insight obtained in this study allows to rationalize in which experimental conditions one of those mechanisms (cyclic or open) will be preferred.

No description available.

En l’última dècada, el camp de la catàlisi homogènia amb complexos d’or ha experimentat un creixement exponencial degut principalment a la seva capacitat per catalitzar reaccions orgàniques via l’activació d’enllaços múltiples de carboni. Malgrat la rellevància d’aquestes reaccions, el seu funcionament, o més concretament el seu mecanisme és encara poc conegut. La causa principal resideix en que generalment són reaccions molt ràpides on és difícil caracteritzar intermedis de reacció, i per tant, les evidències experimentals que aporten informació de com evolucionen aquestes reaccions són escasses. En aquest context, aquesta tesi s’ha centrat en l’estudi dels mecanismes d’una sèrie de reaccions catalitzades per complexos d’or: cicloaddicions entre al·lens i diens, i oxidacions d’alquins terminals via la transferència d’un àtom d’oxigen d’un grup X-O. Aquests estudis s’han realitzat mitjançant l’ús de càlculs de la mecànica quàntica i en estreta col·laboració amb els grups experimentals que les han desenvolupat al laboratori. Per a les reaccions de cicloaddició intramoleculars d’al·lè-diens s’han investigat els mecanismes per a la formació dels productes de cicloaddició (4+3) i (4+2) emprant complexos d’or(I) i platí(II) com a catalitzadors. Els resultats obtinguts han permès identificar que ambdós mecanismes transcorren a través de la formació d’un intermedi heptacíclic producte d’una cicloaddició [4C+3C], i analitzar els efectes del catalitzador en la selectivitat d’un mecanisme en front de l’altre. També s’ha observat que els substituents en la posició terminal de l’al·lè provoquen unes diferències notables en el mecanisme. L’estudi per a les reaccions de cicloaddició intermoleculars entre al·lens i diens ha demostrat que el producte de cicloaddició (4+2) es pot obtenir via diferents mecanismes, cicloaddicions concertades ([4C+3C] o [4C+2C]) o per etapes, en funció de la disposició relativa entre els dos reactius, els substituents en el diè i la seva conformació (s-cis o s-trans). Amb el diè en la conformació s-trans s’han obtingut dos mecanisme de cicloaddició per etapes competitius per a la formació dels productes de cicloaddició (4+2) i (2+2). L’estudi destaca que modificant el lligand del catalitzador es pot afavorir un o altre producte de reacció. En el cas de les reaccions d’oxidació d’alquins terminals s’han investigat les reaccions on el grup X-O és un sulfòxid o un N-òxid. Per a la reacció d’oxiarilació entre un arilsulfòxid i un alquí terminal l’estudi ha permès determinar que per a les dues versions, intra- i intermolecular, el mecanisme transcorre a través d’un procés de reagrupament sigmatròpic [3,3’], en discrepància amb la proposta que existia a la bibliografia a través d’un intermedi del tipus carbè/carbocatió d’or. Aquest procés concertat està d’acord amb la regioselectivitat observada en el procés d’arilació, sempre en la posició orto del tiofenil. El mecanisme per a la reacció amb un grup N-òxid transcorre també via un procés concertat amb un cicle de sis membres en l’estat de transició. Per a aquesta reacció s’havia proposat un mecanismes per etapes via un intermedi carbè/carbocatió d’or, aquest mecanisme s’ha analitzat però tots els intents han estat infructuosos. A més, s’ha trobat un mecanisme alternatiu a través d’una espècie diradical, que tot i ser menys favorable que la via concertada, no es pot descartar ja que les diferències d’energia no són prou importants. Per tant, l’estudi permet concloure que les reaccions d’oxidació d’un alquí terminal amb un grup X-O transcorren via un procés concertat sense que intermedis carbè/carbocatió d’or formin part del camí de reacció. En conjunt, els resultats obtinguts en aquesta tesi demostren que els mètodes computacionals són una eina molt útil per estudiar mecanismes de reacció en l’àrea de la catàlisi homogènia amb metalls de transició. / In the last decade, the field of homogeneous catalysis with gold complexes has experienced exponential growth mainly due to their ability to catalyze organic reactions via carbon multiple bond activation. Despite the importance of these reactions, its operation, or more specifically its mechanism is still little known. The main cause lies in that these reactions are generally very fast and the characterization of reaction intermediates is difficult, hence experimental evidences, that provide information on how these reactions evolve, are rare. In this context, this thesis has focused on the study of the mechanisms for a series of reactions catalyzed by gold complexes: cycloadditions between allenes and dienes, and terminal alkynes oxidations via oxygen-transfer from a X-O group. These studies have been carried out using quantum mechanic calculations and in close collaboration with experimental groups that have developed them in the laboratory. The mechanism for the (4+3) and (4+2) cycloaddition products have been investigated for the intramolecular cycloadditions of allenedienes catalyzed by gold(I) and platinum(II) complexes. The results have made it possible to identify that both mechanisms are set through the formation of a heptacyclic intermediate, product of a [4C+3C] cycloaddition, and to analyze the effects of catalyst in the selectivity of each pathway. It has also been observed that the substituents in the terminal allene position induce notable differences on the mechanism. The study on the intermolecular cycloaddition reactions between allenes and dienes has shown that the (4+2) cycloaddition product can be obtained via different mechanisms, concerted ([4C+3C] or [4C+2C]) or stepwise cycloadditions, depending on the relative arrangement of both substrates, the diene substituents and its conformation (s-cis and s-trans). The reaction with s-trans diene can evolve through two competitive stepwise cycloaddition pathways obtaining (4+2) or (2+2) cycloaddition products. The study shows that, by modifying the catalyst's ligand, one or the other reaction mechanism can be favored. For the oxidative reactions of terminal alkynes, the particular cases where the X-O group is a sulfoxide or N-oxide have been investigated. The study of the oxyarylation reaction between a terminal alkyne and an arylsulfoxide has allowed to determine that for both versions intra- and intermolecular, the mechanism run through a [3,3’] sigmatropic rearrangement process. These results are in disagree with the previous mechanism on the bibliography, that proposed a type of gold carbene/carbocation intermediate. Moreover, the concerted mechanism is accorded with the regioselectivity observed in the arylation process, always in the tiofenil ortho-position. The reaction mechanism for the N-oxide group evolves also through a concerted process with a six member cycle. For this reaction was also previously proposed a stepwise mechanism involving a gold carbene/carbocation intermediate, this mechanism was investigated but all the attempts were unsuccessful. In addition, it has found an alternative mechanism through a diradical species; despite this alternative pathway is less favored than the concerted one, it cannot be ruled out due to the energy differences are not important enough. Therefore, the study allows concluding that oxidation reactions of terminal alkynes with a X-O group takes place via a concerted process without presence of gold carbene/carbocation intermediates on the reaction path. To sum up, the results obtained in this thesis demonstrate that computational methods are a very useful tool for studying reaction mechanisms in the field of homogeneous catalysis with transition metals.

Los tensoactivos aniónicos y los tensoactivos no iónicos son compuestos ampliamente usados en procesos industriales y en el ámbito doméstico, siendo después introducidos en las aguas naturales a través de vertidos municipales o industriales. Aunque la legislación actual no permite la comercialización de tensoactivos con una biodegradabilidad inferior al 90%, la continuada presencia de estos compuestos en el medio ambiente tiene efectos tóxicos sobre los organismos acuáticos y provoca una disminución de la capacidad auto depuradora de las aguas superficiales. Consecuentemente, el desarrollo de nuevos métodos que permitan la determinación de tensoactivos en el medioambiente ha despertado un gran interés en el ámbito científico en los últimos años.El objetivo de la presente Tesis Doctoral ha sido el desarrollo de analizadores automáticos que para la determinación on-line de tensoactivos aniónicos y no iónicos a niveles bajos de concentración en aguas superficiales. Los analizadores estan basados en sistemas automatizados de Análisis por Inyección en Flujo (FIA) que utilizan electrodos selectivos de iones (ESIs) como sensores potenciométricos. Los ESIs de tensoactivos aniónicos empleados son del tipo all-solid-state (estado sólido) de configuración tubular para su perfecta integración en los sistemas con una membrana plastificada de PVC. Debido a la baja especificidad de los electrodos, su uso directo para muestras ambientales es limitado. Así, los sistemas incluyen un procedimiento de Extracción en Fase Sólida (SPE) para la preconcentración y purificación on-line de los analitos, que se ha integrado y optimizado en el sistema. Además, la utilización de modelos matemáticos de ajustes no lineales para la interpolación de muestras pertenecientes en la región subnernstiana permiten llegar a los límites de detección requeridos para sistemas ambientales.Los sistemas FIA se han aplicado en primer lugar para la determinación de diferentes patrones de tensoactivos. Así mismo, se estudiaron iones potencialmente interferentes como cloruro, nitrato y otros compuestos habituales en las aguas para verificar su grado de interferencia en la respuesta del sistema. Finalmente, los sistemas FIA se han utilizado para la determinación total de tensoactivos aniónicos y tensoactivos no iónicos en agua de río y depuradoras, y se han validado con los métodos estándares que se aplican para estos compuestos a nivel ambiental. Las muestras utilizadas para las validaciones procedían de diferentes puntos del río Llobregat (Barcelona, España).En el caso de los tensoactivos aniónicos, el electrodo indicador utilizado es un electrodo de estado sólido con una membrana de PVC selectiva a tensoactivos aniónicos que emplea una sal de amonio cuaternaria de dodecilbencensulfonato, como par iónico responsable de la selectividad. Éstos presentan una respuesta general a la familia de tensoactivos aniónicos con un límite inferior de respuesta lineal del orden de 10-5 M, cuando se usan en determinaciones directas. En cambio se pueden detectar concentraciones hasta 10-7 M (0.03 ppm) de laurilsulfato sódico (SDS), que se encuadran en la región de respuesta no lineal, cuando se preconcentran 3 mL de muestra y se eluyen con 50 mL de una solución de acetonitrilo/agua al 75% (v/v). La precisión del sistema es del 2% cuando una muestra de 10-6 M es analizada 31 veces, y la frecuencia de muestreo es 10 h-1.El sistema FIA con preconcentración on-line para la medida de tensoactivos aniónicos ha sido validado con el método más empleado para análisis de muestras ambientales, que es el Método de las Sustancias Activas al Azul de Metileno (MBAS), debido a su elevada simplicidad y sensibilidad. Los resultados obtenidos, comparados estadísticamente a un nivel de confianza del 95%, han demostrado que no existen diferencias entre ambos métodos Para la determinación de los tensoactivos no iónicos del tipo polietoxilados se desarrollaron y optimizaron electrodos selectivos all-solid-state con una membrana polimérica de PVC compuesta por o-nitrophenyloctyl ether como plastificante, y una sal de tetrafenillborato del complejo formado entre el ión bario y un NIS polyetoxilado. Estos sensores son sensibles a NIS de cadenas formadas entre 6 y 18 unidades etoxiladas, las cuales son las especies más predominantes entre los tensoactivos no iónicos. El sistema FIA con preconcentración on-line para tensoactivos no iónicos ha demostrado mejorar el límite de detección del sistema directo, disminuyéndolo de 1x10-4 a 3x10-6 M cuando se utiliza un volumen de preconcentración de 40 ml y 200 ml de acetonitrilo (75% en agua) como eluyente. La precisión del sistema se estimó como 4% de RSD (n=25) analizando con un volumen de preconcentración 10 ml un nonilfenol etoxilado de cadena etoxilada compuesta por 12 unidades de concentración 1x10-6 M (0.7 ppm). Finalmente el sistema fue validado con el método Espectroscopía de Masas con modo de ionización Electrospray, comparando con buen grado de correlación los resultados obtenidos por ambos métodos al analizar muestras ambientales.La presente Tesis Doctoral concluye que es posible el desarrollo de analizadores para la monitorización de tensoactivos aniónicos y tensoactivos no iónicos como sistemas de alerta ambientales. / Surfactants are a relevant class of organic compounds, which are widely employed, and so expelled to natural water reservoirs. Anionic surfactants and nonionic surfactants (NIS) are the most used due to their great applicability in domestic and industrial fields. Nowadays, environmental legislation does not permit surfactant products with less than 90% biodegradability to be marketed. Even so, their continued presence in the environment causes toxic fate in aquatic organisms, distortion of the ionic transport in invertebrate animals and a decrease of the self-purification capability of surface waters. Studies have shown that the biodegraded metabolites of some types of nonionic surfactants (NIS) are more persistent and toxic in the environment than their parent compounds such as the oestrogenic performance of nonylphenol. Thus, the determination of surfactants in environmental samples is of great interest, after maximum priority pollutants such as pesticides or polychlorobiphenyls.Therefore, the aim of this work is the development of analysers based on automated flow injection analysis (FIA) system for the determination of low levels of anionic and nonionic surfactants in river and waste water. The systems use specially constructed tubular flow-through ion-selective electrodes (ISEs) as potentiometric sensors of the all-solid state type with plasticized PVC membrane. However, their limited specificity hampers their direct use with environmental samples. Consequently, the FIA systems include a solid-phase extraction (SPE) procedure for purification and preconcentration of analytes. Moreover, the points related to the low detection limits required for the environmental application were further improved when working in the subnernstian region using a nonlinear model.The FIA systems were first applied to the determination of different types of anionic and nonionic surfactant standards. Potentially interfering substances such as chloride, nitrate and other surfactants were checked to verify that they did not interfere on the response of the different systems.Once the proposed methods showed to be suitable for the determination of different surfactant standards, they were applied to surface water samples. On different days, different series of samples were simultaneously analyzed with both the proposed FIA system and a specific standard in order to compare different procedures. The samples were collected from different points of the Llobregat river basin (Barcelona, Spain).The plasticized membrane of the anionic surfactant ISEs employ a quaternarium ammonium salt of dodecylbenzene sulfonate as the ion pair reponsible for selectivity. They show a general response to anionic surfactants with a lower limit of linear response of ca. 10-5 M, when used in direct determinations. Concentrations of ca. 10-7 M (0.03 ppm) of sodium dodecylsulfate could be detected in the nonlinear response region when 3 mL of sample was preconcentrated and eluted with 50 mL of a 75% acetonitrile/water (v/v) solution. Precision was 2% RSD (n=31) for a 1·10-6 M sodium dodecylsulfate standard solution and the sample throughput was 10 h-1. The FIA system was then used for the determination of total anionic surfactants in river and wastewater. It was compared to the Methylene Blue Active Substances (MBAS) spectrophotometric method, which is the widely accepted method for the analysis of anionic surfactants in environmental samples due to its high sensitivity and simplicity but questionable specificity. The results compared using statistical tests at 95% confidence level showed that no significant differences are found when a paired Student's t-test was applied to the data.Concerning the global determination of nonionic surfactants (NIS) of the polyethoxylate type, all-solid-state electrodes developed and optimised in batch studies were used as detectors. Their main membrane components were poly(vinyl)chloride (PVC) as polymeric matrix, o-nitrophenyloctyl ether as plasticizer and the electroactive component, which is formed by the tetraphenylborate salt of the complex between the barium ion and a polyethoxylate NIS. These are sensitive to NIS with an hydrophilic chain between 6 and 18 ethoxylate units, which are predominant species in the environment. The on-line preconcentration procedure improved the detection limit of the direct system, decreasing it from 1x10-4 to 3x10-6 M by use of a preconcentration volume of 40 ml and 200 ml of 75% acetonitrile in water as the eluent. Precision was estimated as 4% RSD (n=25) for a 1x10-6 M (0.7 ppm) nonylphenol polyethoxylate with 12 ethoxylate units when 10 ml of sample are preconcentrated. Finally, the on-line preconcentration system was applied for the total NIS determination in environmental samples and the validation of the FIA system was done with the Electrospray-Mass Spectrometry method with good results. (volumen de preconcentración 10 ml)Both validations showed the possibility to develop analysers for the monitoring of anionic and nonionic surfactants as alert environmental systems.

El color juega un papel importante en nuestra vida diaria y no solo desde un punto de vista estético. Existe un gran mercado centrado en las aplicaciones tecnológicas derivadas del color, el cual engloba desde sus usos clásicos en colorantes y pigmentos hasta monitores, LEDs, almacenamiento óptico de datos y optoelectrónica, entre otros. En particular, la comunidad de materiales inteligentes ha dedicado especial atención al desarrollo de sistemas capaces de presentar una variación de color reversible al aplicar estímulos externos y a los cambios derivados en otras propiedades físicas, lo que se denomina cromismo. En esta tesis nos hemos interesados particularmente en colorantes orgánicos que exhiban propiedades fotocrómicas y termocrómicas, es decir, cambios de color inducidos por exposición a la luz o variaciones de temperatura. Estos compuestos poseen una gran variedad de aplicaciones potenciales; sin embargo no pueden ser aplicados directamente ya que en muchos casos sus propiedades crómicas características en disolución se ven modificadas, ralentizadas o inhibidas cuando son introducidos en materiales sólidos. El objetivo de esta tesis es proponer y explorar una nueva metodología capaz de solventar estos inconvenientes y permitir la transferencia directa de las propiedades fotocrómicas y termocrómicas observadas en disolución al estado sólido. Básicamente, nuestra aproximación consiste en la encapsulación de compuestos foto- y termocrómicos en el interior de cápsulas poliméricas con núcleos líquidos, capaces de preservar el comportamiento crómico característico en solución y ofrecer la posibilidad de introducir estos sistemas en matrices sólidas en las cuales el cambio del color se vería inhibido de ser incorporados de forma directa. Aplicando la aproximación propuesta, tres tipos diferentes de materiales fotoactivos han sido desarrollados a lo largo de esta tesis: (i) recubrimientos fotocrómicos de respuesta rápida con fines fotoprotectores, (ii) materiales sólidos termocrómicos basados en tautoméros de valencia, (iii) y sistemas sólidos basados en fluoróforos termosensibles capaces de emitir luz blanca sintonizable. / Colour plays an important role in our everyday live and not only from an aesthetic point of view. There is a big market centred in technological applications derived from chromic phenomena and colour science, encompassing from the classical commercial uses of dyes and pigments to visual displays, light emitting diodes, optical data storage and optoelectronics, among others. Particularly, the smart materials community has paid special attention to systems exhibiting a reversible colour change upon application of external stimuli and the variations that this induces in other physical properties- namely, chromism. In this thesis we have been particularly interested in photochromic and thermochromic organic dyes whose colour-tunability is induced by light irradiation and heat, respectively. These compounds present a wide range of potential applications; however, their usage is not straightforward since in many cases the well-established chromic properties of these species in solution are modified, slowed down or prevented when applied in solid materials. The aim of this thesis is to propose and explore a novel methodology to address this issue and allow the direct transfer of photo- and thermochromic properties from solution to the solid state. Basically, it consists in the encapsulation of the photo- and thermochromic compounds of interest inside liquid-filled polymeric capsules, which should preserve their solution-like chromic behaviour and offer the possibility to introduce these systems into any type of matrix that would restrain their colour tunability when directly incorporated. As proof of concepts of this strategy, three specific types of photoactive systems have been developed along this thesis: (i) fast-responsive photochromic coatings for photoprotective purposes, (ii) solid thermochromic materials made of valence tautomers, and (iii) white-light colour-tunable materials based on thermoresponsive fluorophores.

Gene therapy has potential therapeutic applications for the treatment of many diseases like cancer, monogenetic diseases, vascular disease, among others. Although the majority of protocols in gene therapy employ viral vectors due to their high transfection efficiency, increasing concerns about their immunological response prompts the development of safe and effective non-viral delivery systems. Poly(β-aminoester)s (pBAEs) are promising non-viral vectors due to their polyester nature results in an attractive biocompatible profile due to their high biodegradability and reduced toxicity. Here we present a novel family of pBAEs, which incorporate terminal oligopeptides, capable of condensing both DNA and siRNA into particles with nanometric size. Firstly, in vitro experiments were performed to evaluate the ability of this new pBAEs to efficient delivery both DNA and siRNA, for up- and down-regulation of a target gene, respectively. Results demonstrated that the oligopeptide incorporation at the termini of pBAEs improved transfection efficiency and biocompatibility when compared to basic pBAEs and commercially available transfection agents. Moreover, nanoparticles prepared with this new family of pBAEs showed different intracellular localization, such as perinuclear or cytoplasmatic, depending on the oligopeptide composition. In addition, specific formulation of pBAEs showed different transfection efficiency depending on the cell line, which revealed that chemical composition of the oligopeptides have a deep effect on transfection. Secondly, siRNA-pBAEs nanoparticles were succesfullly incorporated into hydrogel scaffold for local and sustained release of siRNA. Release studies demonstrated that siRNA was sustainably released due to nanoparticle stabilization within the hydrogel. Finally, in vivo results demonstrated that the local delivery system proposed here was able to silence luciferase expression, in a murine breast cancer model, over a long period of time achieving higher silencing efficiency than a commercial in vivo transfection agent. / La terapia génica presenta potenciales aplicaciones terapéuticas para el tratamiento de muchas enfermedades como el cáncer, enfermedades monogénicas, enfermedad vascular, entre otras. Aunque la mayoría de protocolos de terapia génica empleen vectores virales, debido a su alta eficacia de transfección, crecientes preocupaciones debido a su activación de respuesta inmunológica motivan al desarrollo de sistemas de transportes no virales que sean seguros y eficaces. Poli(β-aminoestere)s (pBAEs) son prometedores vectores no virales debido a que su naturaleza de poliéster resulta en un atractivo perfil de biocompatibilidad debido a su alta biodegradabilidad y baja toxicidad. Este trabajo desarrolla una nueva familia de pBAEs, los cuales presentan oligopéptidos terminales, capaces de condensar tanto ADN como siRNA en partículas de tamaño nanométrico. En primer lugar, se realizan experimentos in vitro para evaluar la habilidad de estos nuevos pBAEs para transportar eficazmente tanto DNA como siRNA, para incrementar o disminuir la regulación del gen de interés, respectivamente. Los resultados demuestran que la incorporación de oligopéptidos en las zonas terminales de pBAEs mejoran la eficacia de transfección y la biocompatibilidad, cuando se comparan con pBAEs sin modificar y agentes de transfección disponibles comercialmente. Además, las nanopartículas preparadas con esta nueva familia de pBAEs muestran diferente localización intracelular, como perinuclear o citoplasmática, dependiendo de la composición oligopeptídica. Asimismo, las formulaciones específicas de pBAEs muestran diferentes eficiencias de transfección dependiendo de la línea celular, lo que demuestra que la composición química de los oligopéptidos tiene una gran influencia en la transfección. En segundo lugar, se demuestra la capacidad de encapsular las nanopartículas preparadas con siRNA y pBAEs en un hidrogel adhesivo con la idea de lograr una liberación local y prolongado de siRNA. Los estudios de liberación realizados demuestran que el siRNA se libera de manera prolongada debido a la estabilización de las nanopartículas en el hidrogel. Finalmente, la aplicación del hidrogel dopado con nanopartículas in vivo demuestra que el sistema local de liberación propuesto en este trabajo es de silenciar la expresión de la luciferasa, en un modelo de cáncer de mama murino, durante un largo período tiempo consiguiendo mejores eficacias de silenciamiento que un agente comercial de transfección in vivo. / La teràpia gènica té potencials aplicacions terapèutiques per el tractament de moltes malalties com el càncer, malalties monogenètiques, malalties vascular, entre altres. Encara que la majoria de protocols de teràpia gènica utilitzin vectors virals, degut a la seva alta eficàcia de transfecció, creixents preocupacions per la seva activació de resposta immunològica motiven al desenvolupament de sistemes de transports no virals que siguin segurs i eficaços. Els Poli(β-aminoester)s (pBAEs) són prometedors vectors no virals ja que la seva naturalesa de polièster resulta en un atractiu perfil de biocompatibilitat per la seva alta biodegradabilitat i baixa toxicitat. Aquest treball desenvolupa una nova família de pBAEs, els quals presenten oligopèptids terminals, capaços de condensar tant ADN com siRNA en partícules de mida nanomètrica. En primer lloc, es realitzen experiments in vitro per tal d'avaluar l'habilitat d’aquests nous pBAEs per transportar eficaçment tant DNA com siRNA, per incrementar o disminuir la regulació del gen d'interès, respectivament. Els resultats demostren que la incorporació de oligopèptids a les zones terminals de pBAEs milloren l'eficàcia de transfecció i la biocompatibilitat, quan es comparen amb pBAEs sense modificar i agents de transfecció disponibles comercialment. A més, les nanopartícules preparades amb aquesta nova família de pBAEs mostren diferent localització intracel • lular, com ara perinuclear o citoplasmàtica, depenent de la composició oligopeptídica. Així mateix, les formulacions específiques de pBAEs mostren diferents eficiències de transfecció depenent de la línia cel • lular, la qual cosa demostra que la composició química dels oligopèptids té una gran influència a la transfecció. En segon lloc, es demostra la capacitat d’encapsular les nanopartícules preparades amb siRNA i pBAEs en un hidrogel adhesiu amb l’idea d’assolir un alliberament local i prolongat de siRNA. Els estudis d'alliberament realitzats demostren que el siRNA s’allibera de manera perllongada a causa de l'estabilització de les nanopartícules en el hidrogel. Finalment, l’aplicació de l’hidrogel dopat amb les nanopartícules in vivo demostra que el sistema local d'alliberament proposat en aquest treball és de silenciar l'expressió de la luciferasa, en un model de càncer de mama murí, durant un llarg període de temps aconseguint millors eficàcies de silenciament que un agent comercial de transfecció in vivo.