En la presente tesis doctoral está dividida en dos partes, una dedicada a la óptica no lineal y en concreto a la generación de segundo armónico (GSA) donde un compuesto se irradia con luz de longitud de onda  y éste es capaz de devolver al medio luz de longitud de onda /2. La otra parte está dedicada al estudio de los complejos de Meisenheimer, que son los intermedios que surgen de la reacción de Substitución Nucleófila Aromática. El nexo de unión de ambas partes son los aluminosilicatos porosos, utilizados en el caso de la óptica no lineal como soportes de procesos porosos y en el caso de los complejos de Meisenheimer como estabilizadores de este tipo de intermedios.En la parte dedicada a la óptica no lineal se realizan tres tipos de estudió de GSA: i) homólogos del verde de Malaquita, ii) p-nitroanilina incorporada en zeolitas y iii) C60. Para el primer estudio se llevó a cabo la síntesis de los homólogos del verde de malaquita y posteriormente se les realizaron los ensayos de GSA en forma de film y sólido microcristalino. En el segundo se estudió la influencia de los canales de la zeolita, con p-nitroanilina incorporada, en la obtención de GSA. En último lugar se realizó el estudió de GSA del C60 incorporado en aluminosilicatos y polímeros.En la segunda parte se llevaron a cabo tres tipos de estudio: i) Estudio del mecanismo de descomposición de un complejo de Meisenheimer activado mediante irradiación y/o O2, ii) Estabilización de un complejo de Meisenheiemer en zeolitas e hidrotalcitas y iii) Estudio del mecanismo de transferencia de hidruro entre un complejo de Meisenheimer y agentes oxidantes aceptores de hidruro. / The present thesis is divided into two different parts. The first part is devoted to non-linear optics and, specifically, to second harmonic generation (SHG). SHG consists in doubling the frequency of light by irradiation of an active medium. The second part of the thesis is dedicated to the study of Meisenheimer complexes, which are the intermediates of the Nucleophylic Aromatic Substitution reaction. The link between both parts is the use of porous aluminosilicates. They were used as matrices for the optical active species in the first part of thesis, and as stabilizers of the Meisenheimer complexes in the second part.The SHG efficiency of three different types of systems were investigated in the first part of the work: i) homologues of malachite green, ii) p-nitroaniline embedded in zeolites, and iii) C60. In the first case, new derivatives of the malachite green dye were synthesized and their SHG properties were investigated in thin films and as a microcristalline solid. Second, the influence of the ordering of p-nitroaniline within zeolites with different degrees of directionality on the SHG efficiencies was studied. Finally, the SHG behavior of C60 embedded in aluminosilicates and linked to polymers was probed.In the second part of thesis devoted to Meisenheimer complexes, the attention was focused on the following points: i) the decomposition mechanism of the complexes induced by light and/or oxygen, ii) the incorporation and stabilization of these species within zeolites and hidrotalcites, and iii) the mechanism of hydride transfer between the Meisenheimer complexes and oxidizing, hydride-acceptor agents.

El treball que es recull en la present tesi ha consistit, en primer lloc, en l'estudi de la reactivitat fotoquímica d'una sèrie de lactones i lactames quirals α,β-insaturades en front d'altres substrats insaturats com ara etilè, acetilè o dietil acetal de cetena així com alquins mono i disubstituits. La finalitat d'aquest estudi era construir derivats ciclobutànics i ciclobutènics enantiomèricament purs altament funcionalitzats mitjançant reaccions de fotocicloaddició [2+2]. Per aquest motiu s'han establert les millors condicions per a dur a terme les reaccions fotoquímiques (temperatura, temps, dissolvent, filtre de llum) i s'ha estudiat la diastereoselectivitat i la regioselectivitat amb la que tenen lloc aquests processos. Un cop optimitzades, les reaccions de fotocicloaddició [2+2] de cloro i fluoro lactones, així com de lactames, a etilè han sigut aplicades en la síntesi diastereoselectiva d'anàlegs ciclobutànics de cloro, fluoro i azanucleòsids amb interès biològic. La metodologia seguida ha permès preparar una amplia família de nous derivats de bases nitrogenades púriques (adenina, hipoxantina i 6-cloropurina) i pirimidíniques (timina). El pas sintètic clau en totes les síntesis ha consistit en una reacció de nucleosidació de Vorbrüggen entre un derivat acetilat i les corresponents bases nitrogenades. Finalment, l'activitat antiviral en front del VIH-1 ha sigut avaluada per a tots els anàlegs ciclobutànics de nucleòsids preparats, obtenint-se una activitat moderada per a un d'ells. / El trabajo recogido en la presente tesis doctoral ha consistido, en primer lugar, en el estudio de la reactividad fotoquímica de una serie de lactonas y lactamas quirales α,β-insaturadas frente a otros sustratos insaturados tales como etileno, acetileno, dietil acetal de cetena así como alquinos mono y disustituidos. La finalidad de este estudio era construir derivados ciclobutánicos y ciclobuténicos enantioméricamente puros altamente funcionarizados mediante reacciones de fotocicloadición [2+2]. Para ello se han establecido las mejores condiciones para llevar a cabo las reacciones fotoquímicas (temperatura, tiempo, disolvente, filtro de luz) y se ha estudiado la diastereoselectividad y la regioselectividad con la que estos procesos tienen lugar. Una vez optimizadas, las reacciones de fotocicloadición [2+2] de cloro y fluoro lactonas, así como de lactamas, a etileno fueron aplicadas en la síntesis diastereoselectiva de análogos ciclobutánicos de cloro, fluoro y azanucleósidos con interés biológico. La metodología seguida ha permitido preparar una amplia familia de nuevos derivados de bases nitrogenadas púricas (adenina, hiopoxantina y 6-cloropurina) y pirimidínicas (timina). El paso sintético clave de todas las síntesis ha consistido en una reacción de nucleosidación de Vorbrüggen entre un derivado acetilado y las correspondientes bases nitrogenadas. Finalmente, la actividad antiviral frente al VIH-1 ha sido evaluada para todos los análogos ciclobutánicos de nucleósidos preparados, obteniéndose una actividad moderada para uno de ellos. / This doctoral thesis is based on the study of the photochemical reactivity of a series of chiral α,β-unsaturated lactones and lactames with other unsaturated compounds such as ethylene, acetylene or diethyl ketene ketal as well as mono and disubstituted alkynes. The goal of this study was the preparation of enantiomerically pure cyclobutane and cyclobutene building blocks by means of [2+2] photocycloaddition reactions. The best experimental conditions (temperature, time, solvent, light filter) as well as the diastereoselectivity and regioselectivity of these processes have been determined. Once optimized, the [2+2] photocycloaddition of chloro and fluoro lactones, as well as lactames, to ethylene have been applied to the diastereoselective synthesis of cyclobutane chloro, fluoro and azanucleoside analogues. The methodology carried out has permitted the preparation of a wide family of new derivatives including purine (adenine, hypoxanthine and 6-chloropurine) and pyrimidine (thymine) nucleobases. The main key synthetic step has been in all cases a Vorbrüggen nucleosidation reaction between an acetylated derivative and the corresponding nucleobase. Finally, the anti-HIV activity of all the cyclobutane nucleoside analogues synthesized has been evaluated, showing one of them a moderate activity.

El peròxid d'hidrogen és una espècie reactiva de l'oxigen que està involucrada en el dany oxidatiu i en la transducció intracelular de senyals. Per tant, és molt important regular la concentració de H2O2 per tal de mantenir la senyalització sense danyar les biomolècules. Les catalases són el principal sistema regulador dels nivells de peròxid d'hidrogen i per això participen en processos imflamatoris, mutagènesi, prevenció de l'apoptosi i estimulació d'un ampli espectre de tumors. Les hemo catalases són enzims que dismuten el peròxid d'hidrogen en aigua i oxigen (2 H2O2 →2 H2O + O2). Estan presents en pràcticament tots els organismes aeròbics i són uns dels enzims més eficients coneguts, amb 106 molècules de H2O2 degradades per segond. Degut a aquest augment excepcional de la velocitat de dismutació del H2O2 respecte als catalitzadors que no són proteïnes, la catalasa va ser un factor clau per reconèixer que els enzims són proteïnes i que tenen especificitat de substrat. S'ha observat que algunes catalases contenen un hemo modificat (hemo d), en comptes del més abundant hemo b (protoporfirina IX de ferro). Malgrat que el cicle catalític d'aquests dos tipus de catalases és el mateix, no es coneix l'efecte de la modificació de l'hemo en l'estructura i configuració electrònica dels intermedis de reacció o en les seves propietats redox i àcid-base. El principal intermedi del cicle catalític és una espècie de ferro de valència alta (Por·+-FeIV=O) anomenada Compost I (Cpd I). El Cpd I reacciona amb una mol·lècula de peròxid d'hidrogen produint aigua i oxigen molecular. Aquesta reacció també és duta a terme per altres hemoproteïnes, però a una velocitat molt méss baixa. La causa d'aquesta disparitat s'ha estudiat durant molts anys, i, tot i que aquesta reacció es coneix des del 1940, el seu mecanisme molecular detallat encara no s'ha clarificat. Aquesta tesi té com a objectiu respondre aquestes preguntes, considerant dues catalases com a prototip: la catalasa de Helicobacter pylori (HPC, que conté hemo b) i la catalasa de Penicillium vitale (PVC, basada en hemo d). Aquest estudi s'ha realitzat utilitzant dinàmica molecular (clàssica i ab initio). La tesi s'ha organitzat de la següent manera. El Capítol I introdueix els enzims a estudiar, les hemo catalases, i presenta els objectius generals d'aquest treball. Els fonaments metodològics s'expliquen al Capítol II. Els Capítols III-VII contenen una breu introducció al problema investigat, seguida d'una descripció i discussió de les simulacions realitzades. En primer lloc (Capítol III), s'ha estudiat l'efecte de la modificació de l'hemo en els intermedis de la catalasa utilitzant models en fase gas. Al Capítol IV, s'ha analitzat l'estructura dels intermedis formats per HPC and PVC i s'ha confirmat l'estat de protonació del Compost II (Cpd II) de catalasa. Al Capítol V s'han investigat els factors que determinen que HPC and PVC formin diferents intermedis (Compost I i Compost I, respectivament). Al Capítol VI, s'ha avaluat la validesa dels arguments utilitzats normalment per predir l'estat de espín de l'oxigen molecular produït per la catalasa. El mecanisme molecular de la reacció de la catalasa s'ha estudiat al Capítol VII. Finalment, el Capítol VIII llista les principals conclusions d'aquesta tesi. Informació addicional sobre les simulations realitzades als Capítols IV-VII es pot trobar als Apèndixs A-D. / Hydrogen peroxide is a reactive oxygen species that is involved in oxidative damage as well as in intracellular redox-sensitive signal transduction. Therefore, a fine balance of the H2O2 concentration is essential for mantaining signaling without damaging biomolecules. Catalases are the primary enzymes regulating these hydrogen peroxide levels and thus they have been implicated as an important factor in inflammation, mutagenesis, prevention of apoptosis and stimulation of a wide spectrum of tumors. Heme catalases are enzymes that decompose hydrogen peroxide into water and oxygen (2 H2O2 →2 H2O + O2). They are present in almost all aerobic organisms and are one of the most efficient enzymes known, with 106 molecules of H2O2 degraded per second. Indeed, because of the exceptional rate enhancement of H2O2 dismutation compared to catalysts that are not proteins, catalase was a key factor in the early recognition that enzymes are proteins and have substrate specificity. It has been shown that some catalases contain a modified heme (heme d) instead of the most abundant heme b (i.e. iron-protoporphyrin IX). Although the reaction cycle performed by the two types of catalases is the same, the effect of the heme modification on the structure and electronic configuration of the reaction intermediates, as well as on their redox and acid-base properties is not known. The principal active species of the catalase reaction cycle is a high valent iron species (Por·+-FeIV=O) named Compound I (Cpd I). Cpd I reacts with a molecule of hydrogen peroxide releasing water and molecular oxygen. This reaction is also performed by other hemeproteins, although at much slower pace. The origin of this disparity has long been sought, and even though the catalase reaction has been known since 1940s, its detailed molecular mechanism has yet to be clarified. The present thesis is aimed at answering these questions, considering two catalases as a test case: Helicobacter pylori catalase (HPC, a heme b-containing catalase) and Penicillium vitale catalase (PVC, based on heme d). This investigation will be performed by means of molecular dynamics (classical and ab initio). The thesis is organized as follows. Chapter I introduces the enzymes under study, heme catalases, and presents the general objectives of this work. The basics of the methodologies used are given in Chapter II. Chapters III-VII contain a brief introduction to the problem investigated, followed by a description and discussion of the simulations performed. First, the effect of the heme modification on catalase intermediates is investigated in Chapter III by using gas phase models. In Chapter IV, we analyze the structure of the intermediates formed by HPC and PVC and ascertain the protonation state of catalase Compound II (Cpd II). The factors determining that HPC and PVC show different oxidized intermediates (i.e. Compound I* and Compound I, respectively) are investigated in Chapter V. In Chapter VI, we assess the validity of the arguments commonly used to predict the spin state of the molecular oxygen released by catalase. The molecular mechanism of the catalase reaction is studied in Chapter VII. Finally, Chapter VIII lists the main conclusions of this work. Additional information on the simulations performed in Chapters IV-VII can be found in Appendixes A-D.

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La presente tesis doctoral está centrada en el diseño y aplicación de nuevas metodologías de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), con especial interés en (i) la obtención de espectros de RMN de protón homonuclearmente desacoplados (denominados “pure shift”) y (ii) la determinación de las constantes de acoplamiento homo- y heteronucleares en medio isotrópico y anisotrópico a través de nuevos experimentos HSQC y HSQMBC. La tesis se presenta como compendio de artículos, los cuales han sido ya publicados en revistas científicas internacionales de reconocido prestigio, de modo que todos los resultados aquí expuestos han sido previamente evaluados y analizados por investigadores expertos en el campo de la RMN y de la química. Durante esta tesis doctoral se han diseñado una gran variedad de nuevos experimentos “pure shift”. La mayoría de ellos están basados en la técnica HOBS (Homodecoupled Band-Selective) mediante la cual es posible obtener espectros “pure shift” con una elevadísima resolución espectral manteniendo la máxima sensibilidad. El método HOBS ha sido incorporado en una gran variedad de experimentos 1D/2D convencionales los cuales han sido aplicados con éxito en la medida simple y precisa de tiempos de relajación T1 y T2 en áreas congestionadas, en la medida de contantes de acoplamiento heteronuclear a partir de multipletes simplificados, en la determinación de pequeñas diferencias de desplazamiento químico en estudios de enantiodiferenciación y en el análisis de mezclas complejas. Por otro lado, la medición y el uso práctico de las constantes de acoplamiento ha sido un importante tema de estudio en el campo de la RMN durante muchos años, pero todavía hay una serie de problemas sin resolver. Durante esta tesis doctoral se han desarrollado nuevos experimentos HSQC y HSQMBC, que permiten llevar a cabo la medida precisa y exacta de las constantes de acoplamientos a través del análisis simple y directo de los picos y sin la necesidad de utilizar complejos post-procesamientos. / The present doctoral thesis is framed within the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy field, more specifically in the design of modern NMR methodologies. The research work carried out is focused on the design and application of new and modern NMR methodologies (i) to perform efficient broadband 1H homodecoupling in 1D/2D NMR experiments and (ii) to accurately determine homo- and heteronuclear coupling constants in isotropic and anisotropic conditions through improved HSQC and HSQMBC-type experiments. The thesis is presented as a compendium of publications, which have been published in prestigious peer-reviewed international scientific journals. Therefore, all the results here exposed have been previously evaluated by expert researchers in the fields of the NMR spectroscopy and chemistry. Several 1H homodecoupled NMR experiments have been developed along this doctoral thesis. Most of them are based on the Homodecoupled Band-Selective (HOBS) experiment through which it is possible to obtain homodecoupled NMR spectra with full sensitivity. HOBS methods offer a powerful and simple way to obtain high-resolved 1D and 2D NMR spectra, as efficiently demonstrated for the accurate, simple and direct measurement of T1/T2 relaxation times in overlapped regions, the determination of heteronuclear coupling constants from simplified multiplets, the determination of very small chemical shift differences with success application in enantiodifferentation studies or the analysis of highly complex mixtures. In addition, the concept of ultra-high-resolution NMR spectroscopy has been tested by combining several resolution-enhanced techniques into a single NMR experiment. On the other hand, for many years the measurement and practical use of coupling constants have been a timely topic but there are still a number of unresolved issues. Along this doctoral thesis a suite of robust HSQC and HSQMBC experiments have been developed which provide accurate and precise measurements of couplings constants through simple and direct analysis of cross-peaks without involving complex post-processing data manipulation.

Los catecoles son compuestos aromáticos presentes en una gran variedad de sistemas naturales. Dada su gran versatilidad a nivel de propiedades fisicoquímicas, adquieren papeles clave en diferentes procesos naturales. Entre otros, los grupos catecol se encuentran en las proteínas adhesivas de los mejillones formando parte de aminoácido L-DOPA, que se considera responsable del extraordinario poder adhesivo de estos organismos en condiciones de extrema humedad. Este fenómeno ha fascinado a los científicos durante décadas y grandes esfuerzos se han destinado a entender e imitar estos sistemas. Otras propiedades de los catecoles, como su capacidad de formar complejos metálicos o su actividad redox, también han sido estudiadas tanto a nivel fundamental como en sistemas aplicados. En la presente tesis nos centramos en la obtención de sistemas de escala nanométrica basados en derivados de catecol y en el estudio de sus propiedades. Para ello, se llevó a cabo un trabajo multidisciplinar que incluye la síntesis de nuevos compuestos orgánicos, la obtención de nanoestructuras y el uso de microscopías y técnicas litográficas. En primer lugar se estudió la influencia de la densidad y orientación de los grupos catecol en las propiedades interfaciales de monocapas autoensambladas (SAMs) con unidades de catecol en el exterior; usando una punta de AFM o mediante la adsorción de nanopartículas magnéticas. Además, se estudió el efecto de la unidad de catecol en el proceso de formación y la estructura final de las monocapas. Por otro lado se llevó a cabo la síntesis de materiales poliméricos nanoestructurados basados en la funcionalidad catecol. Para ello se emplearon tanto metodologías clásicas como la síntesis confinada en pequeños volúmenes en superficie mediante el uso de litografía por escritura directa asistida por AFM. Esta técnica nos permitió fabricar estructuras de polidopamina y partículas de polímeros de coordinación mediante la deposición en superficie de los precursores de estos materiales en forma de gotas en la escala del femtolitro. De esta forma demostramos la viabilidad de la técnica para posicionar materiales funcionales en áreas concretas de una superficie. / Catechols are aromatic derivatives present in a variety of environments in nature. Due to their broad physicochemical versatility, they play pivotal roles in multiple natural processes. Probably their most popular appearance is in the adhesive proteins of mussels in the form of the rare aminoacid L-DOPA, which is considered to be essential for the strong adhesion of mussels to surfaces under high humidity conditions. This phenomenon has fascinated scientists for decades and intensive research has been carried out in order to understand and mimic these systems. Furthermore, other chemical properties of catechols, such as their metal-chelating and redox behaviour have also been addressed for both fundamental understanding and practical application. In this thesis we were interested in the obtention of nanoscale catechol-based systems and the study of their properties. For that, a multidisciplinary work was carried out which included the synthesis of new organic compounds, the preparation of nanostructures and the use of advanced microscopies and lithographic techniques. The role of packing density and orientation of catechol moieties in the interfacial properties of catechol-terminated SAMs was studied at the local scale using an AFM tip or, alternatively, magnetic nanoparticles. The influence that the presence of the catechol ring has on the formation and final structure of SAMs was also addressed. On the other hand, the synthesis of catechol-based polymers in confined volumes was performed using direct-write AFM-assisted lithography. Polydopamine and coordination polymer particles were fabricated directly on surfaces by controlled delivery of their molecular precursors in the shape of femtolitre-sized droplets. With that, we demonstrated the viability of using this technique to place functional amorphous materials on specific areas of surfaces.

La investigación presentada en esta tesis describe la síntesis y caracterización de derivados aniónicos de metalacarboranos y las aplicaciones posteriores. La primera sección de la tesis se centra en la síntesis y caracterización de derivados metilados del cobaltacarboranos. La reacción de alquilación se ha logrado con éxito mediante acoplamiento cruzado entre el vértice BI y un reactivo de Grignard en presencia de [PdCl2(PPh3)2] como catalizador y CuI como cocatalizador. La determinación y la modulación del potencial redox de metalacarboranos con diferentes sustituientes ha sido estudiado con gran interés en nuestro grupo. Por lo tanto, se ha desarrollado con éxito una ruta sintética eficiente para obtener derivados clorados de metalacarboranos y el posterior estudio de las propiedades electroquímicas de los compuestos que se han sintetizado. El E1/2 (MIII/MII, M=Co, Fe) de los aniones B-halogenado y B-metilado de los metalacarboranos que se determinaron experimentalmente por voltametría cíclica indican que cada halógeno (Cl o I) introducido produce un efecto mayor y contrario al que produce el grupo alquilo. Basándose en su E1/2 potencial, ciertos compuestos seleccionados han sido probados como electrolitos en los dispositivos DSSC. Un logro importante reportado en esta tesis fue el aislamiento de diferentes sales de calcio, plata y hierro del cobaltacarboranos [3]- y sus derivados yodados. La posible aplicación de moléculas aniónicas altamente yodadas como agentes de contraste radiopacos para diagnóstico mediante imágenes de rayos X, requiere la síntesis y caracterización de Ca[I4-3]2 y Ca[I8-3]2. Las sales de plata derivadas del cobaltacarborano se han utilizado como precursoras para preparar las correspondientes sales de Fe(II) y Fe(III) que pueden formar nanopartículas magnéticas. La capacidad de los metalocarboranos individuales para el autoensamblaje y el agregado en soluciones acuosas se ha estudiado en los últimos años. Más recientemente, se ha demostrado que pequeños cambios en la estructura molecular de [3]- provocan modificaciones importantes en su comportamiento en disolución. Cuando se trabaja a altas concentraciones, la sustitución de dos BH por dos BI en la estructura de [3]- conduce a una fase liotrópica lamelar, mientras que las vesículas se forman a concentraciones bajas (1-9mM). Hemos preparado, aislado y caracterizado diferentes sales de cobaltacarborano y algunos derivados para los cuales se ha estudiado su comportamiento en D2O a diferentas concentraciones mediante 1H{11B}-RMN y 11B{1H}-RMN. Otro objetivo importante fue la reacción de apertura de anillo de los derivados de metalacarboranos functionalizados con un anillo de dioxano con biomoléculas, tales como vitaminas, ácidos grasos y azúcares a través de una reacción nucleófila. La reacción de yodación de estas biomoléculas con I2 natural, se realizó con éxito y con buenos rendimientos. Hemos diseñado nuevos derivados bioactivos de metalacarboranos que contienen dos posiciones reactivas diferentes: un átomo yodado para ser radiomarcado y una rama de PEG que se une al vector biológico. Las soluciones inyectables de compuestos química y radioquímicamente puras se han obtenido después de las reacciones de radiomarcaje, ya sea con 125I o 124I a través de la reacción de intercambio isotópico empleando un complejo de paladio como catalizador. Posteriormente se han realizado estudios de biodistribucion in vivo mediante Tomografía por Emisión de Positrones (PET) en ratones sanos y una vez confirmada la bioacumulation se estudió para ratones con cáncer de páncreas y pulmón. / The research presented in this thesis describes the synthesis and characterization of anionic metallabis(dicarbollide) derivatives and the posterior applications. The first section of the thesis is focused on the synthesis and characterization of methylated cobaltabis(dicarbollide) derivatives. The alkylation reaction has been successfully accomplished by cross-coupling reaction between the B-I vertex and Grignard reagent in the presence of [PdCl2(PPh3)2] as catalyst and CuI as cocatalyst. The redox potential determination and modulation of differently substituted metallacarboranes is a matter of interest in our group. So, an efficient synthetic pathway to obtain chlorinated metallabis(dicarbollide) derivatives has been successfully developed and the posterior study of electrochemical properties of the compounds has been accomplished. The E1/2 (MIII/MII, M=Co, Fe) for B-halogenated and B-methylated metallabis(dicarbollide) anions were experimentally determined by Cyclic Voltammetry indicating that each halogen atom (Cl or I) produces an opposite and larger effect than each alkyl moiety. Based on their E1/2 potential, selected compounds have been tested as electrolytes in the DSSC devices. An important achievement reported in this thesis was the isolation of different calcium, silver and iron salts of cobaltabis(dicarbollide) [3]- and its iodinated derivatives. The possible application of such highly iodinated anionic molecules as radiopaque contrast agent for X-ray diagnosting imaging, required the synthesis and characterization of Ca[I4-3]2 and Ca[I8-3]2. Silver set of cobaltabis(dicarbollide) derivatives have been used as precursor to prepare the corresponding Fe(II) and Fe(III) salts that can form magnetic nanoparticles. The ability of single metallacarboranes to self-assembly and aggregate in aqueous solutions has been demonstrated in the last few years. More recently, it has been proven that minor changes in the molecular structure of [3]- provoke major modifications in the solution behavior. The substitution of two B-H by two B-I in the structure of [3]- leads to a lamellae lyotropic phase at high concentration, while vesicles are formed at small concentration (1-9mM). We prepared, isolated and characterized a set of different salts of the parent cobaltabis(dicarbollide) and some of its derivatives and we studied by 1H{11B}-NMR and 11B{1H}-NMR in D2O their behavior at different concentrations. Another important goal was the ring opening reaction of the zwitterionic metallabis(dicarbollide) derivatives with biomolecules, such as vitamins, fatty acids and sugars via a nucleophilic reaction. The iodination reaction of this biomolecules with natural I2 was successfully performed in good yields. We have designed new bio-functional metallabis(dicarbollide) derivatives which contain two different reactive sites: a suitable iodinated moiety ready to be radiolabeled and a PEG branch that can carry the vector. Injectable solutions of chemically and radiochemically pure compounds have been obtained after the radiolabelling reactions with either 125I or 124I via palladium catalyzed isotopic exchange reaction. In vivo Positron Emission Tomography (PET) biodistribution studies were performed on healthy mice and also in tumor model.

Esta tesis presenta el diseño, desarrollo tecnológico, caracterización y aplicaciones tanto químicas como biológicas de micro- y nanodispositivos destinados a ser herramientas funcionales en biología celular. Esta línea de investigación es posible gracias a los avances obtenidos en el campo de las Micro- y Nanotecnologías, donde la aplicación de técnicas de miniaturización en la fabricación de sus dispositivos a escala celular es ya una realidad. Estas herramientas son lo suficientemente pequeñas como para etiquetar y permitir el seguimiento de embriones vivos o incluso actuar como sensores permitiendo el estudio de células vivas únicas de forma intra- y extracelular. Además, una de las características más relevantes de las micro- y nanoherramientas presentadas en esta tesis es su capacidad de suspensión, es decir, que estos dispositivos pueden ser liberados de la oblea en la que están fabricados y directamente actuar con las células en su mismo medio y en su misma escala. Estas herramientas presentan diferentes formas, tamaños, materiales y funcionalidades específicas, ya que la combinación de todas estas características o incluso la incorporación de partes nanoestructuradas en un solo dispositivo nos permite la obtención de herramientas multi-funcionales. Por todo ello, las micro- y nanoherramientas presentadas en esta tesis implican un gran número de aplicaciones como sensores y actuadores en biología celular. O incluso en el futuro estos dispositivos podrán ser aplicados en el campo de la nanomedicina como sistemas de diagnosis y drug delivery. / This thesis presents the design, technological development, characterization and chemical and biological applications of micro- and nanodevices which are focused on being functional tools for cell biology. This research is possible thanks to the recent advances in Micro- and Nanotechnologies, where the application of miniaturization techniques at cell scale is already a reality. These tools are small enough to label and track living embryos or even sense and operate in single living cells in an extra- and intracellular way. Furthermore, one of the most relevant new features of the micro- and nanotools presented in this thesis is the capability of being suspended, meaning that these devices can be released from the wafer and directly interact with cells in their same medium and at cell scale. These micro- and nanotools present different shapes, sizes, materials and specific functionalities, as the combination of these features or even the incorporation of nanostructured parts in a single device can let us obtain multi-tasking devices. Summarizing, the extensive capabilities of the presented micro- and nanotools imply a broad number of applications as sensors and actuators in cell biology. Or even in the near future, these devices can be applied in the nanomedicine field as diagnosis and drug delivery systems.

Aquesta tesi doctoral es troba dividida en tres parts corresponents a les tres línees d’investigació que s’ha desenvolupat: (a) Complexos de reni i Ciprofloxacina; (b) Síntesi de radiofàrmacs de 2a generació d’elevada activitat específica; i (c) Estudi de la interacció de les metal·lotioneines de mamífer amb el fragment fac-{M(CO)3} (M =Re, Tc) (a) S’ha provat de descobrir el mecanisme d’actuació del radiofàrmac experimental 99mTc-Ciprofloxacina. L’anàlisi de l’activitat antibacteriana dels compost homòleg amb reni ha demostrat que les propietats antibiòtiques del complex estan lligades al caràcter làbil del seu enllaç. Amb conseqüència, s’ha proposat un mecanisme d’actuació del radiofàrmac que està d’acord amb les dades experimentals tant de la present tesi doctoral com les publicades fins el moment.(b) Els resultats obtinguts han demostrat que és possible l’aplicació de la metodologia proposada, basada en la reacció de transmetal·lació de complexos de zinc poc solubles en aigua. Els elevats valors de puresa radioquímica dels complexos de tecneci-99m sintetitzats, tenint en compte la baixa solubilitat de la biomolècula, demostren la viabilitat del mètode ja que s’aconsegueix disminuir un ordre de magnitud la relació entre biomolècula marcada i no marcada respecte dels mètodes actuals. (c) L’estudi de la interacció de les metal·lotioneïnes MTs amb els fragments carbonil, ha demostrat ser una bona alternativa als mètodes sintètics convencionals emprats avui dia en la preparació d’agents quelants de tecneci. L’obtenció per primer cop de l’estequiometria d’un compost Tc-MTs, obre la porta tant a la preparació de radiofàrmacs mitjançant la fusió de les MTs a altres proteïnes (Tc-MT-Biomolècula) com també a la possibilitat de marcatge i estudi in vivo d’aquestes. / This thesis is divided into three parts corresponding to the three lines of research that has been developed: (a) Ciprofloxacin and rhenium complexes; (b) 2nd Generation Synthesis of radiopharmaceuticals with high specific activity; and (c ) Study of the interaction of mammalian Metallothioneins with fragment fac-{M(CO)3} (M = Re, Tc) (a) It has tried to explore the action mechanism of experimental radiopharmaceutical 99mTc-Ciprofloxacina. Analysis of the antibacterial activity of the homologous rhenium compound has shown that the antibiotic properties of the complex are related to the labile nature of their bond. In consequence, it has been proposed a mechanism of action for the radiopharmaceutical that it is in agreement with the experimental data. (b) The results have shown that it is possible to apply the proposed methodology, based on transmetallation step reaction of zinc complexes poorly soluble in water. The high values of radiochemical purity of technetium-99m complexes synthesized, taking into account the low solubility of the biomolecules, it demonstrate the feasibility of the method, since the relation between labeled and unlabeled biomolecule decrease one order of magnitude compared with the currently methods. (c) The study of the interaction between Metallothioneins MTs and carbonyl fragments has proved a good alternative to the conventional synthetic methods, which are currently used in the preparation of technetium chelating agents. For the first time it has been obtained the stoichiometry of a compound Tc-MTs, opening the door for the preparation of radiopharmaceuticals through the fusion of MT to other proteins (Tc-MT-biomolecules), as well as the possibility of labeled MTs for in vivo studies

Se utilizan diferentes procesos para el tratamiento de las aguas residuales. Sin embargo, estas tecnologías son ineficaces, generan productos secundarios o son demasiado caras. El objetivo principal de esta tesis es la eliminación de diversos contaminantes del agua, incluyendo metales, tintes y productos farmacéuticos mediante dos tecnologías. La primera consiste en un tratamiento físico-químico de adsorción sobre carbón activo preparado a partir de un resido de la industria agroalimentaria. El segundo se trata de un tratamiento biológico con hongos. En cuanto a la adsorción sobre carbón activo, en una primera etapa se consideran aspectos tales como la preparación del adsorbente, su caracterización y el estudio del impacto ambiental asociado a su producción. Para la preparación de carbón activo se realiza la activación química a partir de orujo de oliva, utilizando ácido fosfórico como agente deshidratante. Se varían los parámetros principales del proceso para optimizar las condiciones de la activación. El carbón activo preparado, se caracteriza teniendo en cuenta sus propiedades de adsorción, su estructura química y su morfología. Los resultados muestran que el adsorbente más eficaz es el que se obtiene bajo las siguientes condiciones: una concentración igual a 60% de H3PO4, una relación de impregnación de 1,75, y una temperatura de pirolisis de 450°C. El adsorbente preparado en estas condiciones presenta buenas características en comparación con los que se encuentran en la literatura. Para minimizar el impacto ambiental, ciertas modificaciones podrían incorporarse en el proceso de preparación del adsorbente tales como la recuperación del gas derivado de la etapa de pirolisis y su utilización como fuente de energía, y la recuperación de ácido fosfórico después de lavar el carbón activado. Después de establecer las condiciones óptimas se evalúa la eficiencia del carbón activo para la eliminación de los contaminantes inorgánicos y orgánicos. Para los metales, cogiendo Cu2 + como un modelo, los ensayos de adsorción en columna muestran la alta capacidad del carbón activo para reducir KMnO4 en óxido insoluble de manganeso (MnO2) que impregna la superficie del adsorbente, cuya presencia mejora significativamente los resultados de la adsorción de Cu2+ sobre el carbón activo. En cuanto a los contaminantes orgánicos, el estudio muestra la eficacia del carbón activado para eliminar colorantes de los efluentes sintéticos y reales y productos farmacéuticos de soluciones de compuestos puros y formando parte de una mezcla de fármacos. En la mayoría de los casos los modelos de Langmuir y pseudo-primero orden presentan el mejor ajuste para la isoterma y la cinética, respectivamente. La temperatura afecta la adsorción de colorantes, sin embargo, la variación de pH no tiene ninguna influencia. Al contrario que en la adsorción de los fármacos. En cuanto al proceso biológico adaptado, se ha comprobado el potencial de tres hongos ligninolíticos (Trametes versicolor, Ganoderma lucidum y Irpex lacteus) para la decoloración de un colorante de la industria de curtidos. Los resultados indican que Trametes versicolor es la mejor cepa tanto en términos de extensión y rapidez en la decoloración. Tanto en procesos en discontinuo como en discontinuos repetidos en un reactor fluidizado por pulsos de aire y con reuso de biomasa muestra que la capacidad de decoloración del hongo es del 86-89% y no disminuye durante los discontinuos repetidos a pesar de la baja actividad enzimática detectada. Se ha evidenciado que la lacasa es una enzima involucrada en la biodegradación y que el fenómeno de adsorción que ocurre en la biomasa fúngica. Finalmente, la combinación del tratamiento mediante hongos y la adsorción en adsorbentes de bajo coste puede ser una estrategia adecuada para depurar efluentes complejos. / Different processes are used for the treatment of wastewaters. However, they are either frequently ineffective, or they generate secondary products or worse, they are too expensive. The main objective of this dissertation is the removal of various contaminants in water including metals, dyes and pharmaceuticals products via two environmentally- friendly technologies. The first consists in a physico-chemical treatment- by adsorption on activated carbon prepared from olive-waste cakes. The second is about a biological treatment using white-rot fungi. First, the adsorbent preparation, its characterization and the study of the environmental impact associated with its production are considered. Chemical activation of the feedstock olive-waste cakes, using phosphoric acid as dehydrating agent, is adopted for activated carbon preparation and main process parameters (such as acid concentration, impregnation ratio, temperature of pyrolysis step) are varied to optimize the best conditions. The activated carbon prepared under the optimal conditions is then fully characterized considering its adsorption properties as well as its chemical structure and morphology. The results show that the most efficient adsorbent is that obtained under the following optimal conditions: an acid concentration equal to 60% H3PO4, an impregnation ratio of 1.75, and a pyrolysis temperature of 450 °C. The adsorption characteristics of the adsorbent prepared under such conditions presents good characteristics compared with the previous reports for activated carbon in the literature. To minimize the environmental impact, certain modifications could be incorporated in the process of adsorbent preparation such as recovery of the gas derived from the pyrolysis step, its reuse as an energy source, and the recovery of phosphoric acid after activated carbon washing. After establishing the optimal conditions, the efficiency of the optimal activated carbon for the removal of inorganic and organic pollutants is then evaluated. For heavy metals, considering the adsorption of Cu2+ ions as a model, column adsorption tests show the high capacity of the activated carbon to reduce KMnO4 into insoluble manganese (IV) oxide (MnO2) which impregnated the sorbent surface. The results also indicate that the adsorption of Cu2+ can be significantly improved by the presence of MnO2 fixed on activated carbon. Concerning the organic pollutants, the study shows the effectiveness of the activated carbon to remove dyes from individual and real effluents and pharmaceutical products from single and mixture solutions. Many models are used to understand the adsorption behavior and in the most cases Langmuir and pseudo-second order models present the best fit for the isotherm and kinetics, respectively. Temperature is found to affect the adsorption of dyes, however, the pH variation has no influence. The opposite case is found for drugs adsorption. Regarding the biological process adapted, the potential of three white-rot fungi (WRF) (Trametes versicolor, Ganoderma lucidum and Irpex lacteus) to decolorize the commercial tannery dye − Black Dycem – is investigated in solid and liquid media. The results indicate that Trametes versicolor is the best strain both in terms of extent and rapidity of decolorization. The experiment, performed in single and repeated batches in an air-pulsed bioreactor with biomass reuse of the fungus Trametes versicolor, shows that the decolorization capability of the fungus does not decrease during the repeated batches and the fungus is able to remove 86−89% of the dye despite the low enzyme activity detected. The results also show that the biodegradation mechanism plays a noticeable role in the decolorization process of the dye by means of laccase activity in addition to the adsorption phenomenon occurring on the fungal surface. Finally a combination of fungal treatment and adsorption on low cost adsorbents could be a suitable strategy to remove pollutants from complex effluents.