Baterías y supercondensadores son dos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía con mecanismos y prestaciones complementarios. Las baterías, con mecanismos de reacciones redox faradaicas presentan alta densidad de energía y baja densidad de potencia mientras que el mecanismo electrostático de los supercondensadores (doble capa eléctrica) les confiere una alta densidad de potencia con densidad de energía limitada. El diseño de materiales y electrodos híbridos que combinen ambos mecanismos es una vía para la mejora simultánea de energía y potencia en un mismo dispositivo. En este trabajo hemos explorado la síntesis, propiedades y aplicación de materiales híbridos basados en tres tipos de nanocarbones (carbón activado, AC; nanotubos de carbono multipared, MWNT’s y óxido de grafeno reducido, RGO) con tres polioxometalatos electroactivos con la estructura de Keggin (ácido fosfomolíbdico H3PMo12O40, ácido fosfovolfrámico H3PW12O40 y ácido silicovolfrámico H4SiW12O40). Los carbones aportan una matriz conductora con capacidad de almacenamiento de carga de tipo capacitivo (doble capa) mientras que los clústeres inorgánicos aportan su electroactividad molecular de tipo faradaico. Nuestro trabajo ha permitido confirmar la hipótesis de trabajo inicial, es decir, que es posible llevar a cabo la síntesis de todas las distintas combinaciones de híbridos, dando lugar a materiales en los que los polioxometalatos se integran de forma permanente, si bien la incorporación de polioxometalatos alcanza concentraciones máximas distintas para cada carbón, en el orden AC > RGO > MWNT’s. Cabe destacar que los mecanismos de incorporación de los polioxometalatos (POM’s) varían dependiendo del tipo de nanocarbón usado de matriz. Mientras en los AC los POM’s se incorporan por fisisorción en microporos de tamaño adecuado, en el caso del RGO los POM’s se anclan mediante interacciones de tipo químico con los grupos polares oxigenados del carbón. La caracterización de los materiales híbridos preparados incluyó termogravimetría (ATG) estudio de la estructura (DRX) y microestructura (SEM, TEM), isotermas de adsorción, espectroscopías (FTIR, XPS, Raman en el caso del RGO), así como una sistemática caracterización electroquímica (CV, cronopotenciometría para ciclos de carga-descarga) en celdas de tres y de dos electrodos (dispositivos supercondensadores simétricos). La mayor parte de los materiales estudiados dio lugar a electrodos con una combinación sinérgica de propiedades que incluyen una mayor densidad de energía y de potencia por unidad de volumen para los híbridos, en comparación con los nanocarbones correspondientes, con un rango accesible de potencial aumentado para el caso de los polioxovolframatos y capaces de ser sometidos a ciclos repetidos de carga y descarga de hasta decenas de miles de ciclos, con una ciclabilidad también mejorada respecto de los materiales de carbón en las mismas condiciones de ciclado. Nuestro trabajo muestra por tanto una vía hacia la mejora de las propiedades de almacenamiento de energía eléctrica mediante la hibridación de los materiales de electrodo que combinen componentes faradaicos con capacitivos ejemplificándolo con el uso de polioxometalatos y carbones que suponen una doble combinación sinérgica gracias a la combinación faradaica-capacitiva y a la contribución de los carbones como matrices conductoras que hacen posible el aprovechamiento de la electroactividad de estos clústeres moleculares. / Batteries and supercapacitors are two types of energy storage devices with complementary working mechanisms and performances. Batteries feature a storage mechanism based on faradaic redox reactions and present high energy densities but low power densities. On the other hand, the electrostatic mechanism of double-layer supercapacitors provides high power densities but low energy densities. The design of hybrid electrode materials combining both mechanisms could be a practical way to improve simultaneously energy and power in one. In this work we have explored the synthesis, properties and application of hybrid materials based on three types of nanocarbons (Activated Carbon, AC; Multiwalled Carbon nanotubes, MWNTs; and Reduced Graphene Oxide, RGO) with three electroactive polyoxometalates (POMs) with the well-known Keggin structure (phosphomolybdic acid H3PMo12O40, phosphotungstic acid H3PW12O40 and silicotungstic acid H4SiW12O40). Carbons provide a conducting matrix with capacitive energy storage capabilities (double-layer) whereas the inorganic clusters provide their molecular faradaic electroactivity. Our work has confirmed our initial working hypothesis, namely, that it was possible to synthesize all different hybrid combinations, leading to materials in which polyoxometalates are permanently integrated in each of the carbon matrices. The incorporation of POMs takes place though through different mechanisms and reaching maximum POMs concentration which are different for each carbon, following the order AC > RGO > MWNTs. Thus, in AC matrices, POMs are bound by physisorption processes in suitably sized micropores, whereas in RGO, POMs are anchored by chemical interactions with polar oxygenated groups present in the carbon. All the hybrid materials prepared were characterized by TGA, XRD, SEM, TEM, adsorption isotherms, spectroscopies (FTIR, XPS, Raman for RGO materials), as well as with systematic electrochemical studies (CV, charge-discharge cronopotentiometry) on threeelectrode and two-electrode cells (symmetrical supercapacitor devices). Most of the materials studied led to electrodes with a synergic combination of properties, including improved energy and power densities per unit volume in comparison with the parent nanocarbons, with an enhanced voltage range in the case of the polyoxotungstates and able to stand repeated charge-discharge cycles of up to tens of thousands (104 ) of cycles, much improved with respect to the pristine carbon matrices under the same cycling conditions. Thus, our work has shown a way towards improving energy storage properties through the hybridization of electrode materials combining faradaic and capacitive components. We have shown the possibilities of this approach using polyoxometalates and nanocarbons as case examples that in fact provide a double synergy, by combining faradaic and capacitive storage and by providing a conducting matrix (carbons) which makes possible the harnessing of the electroactivity of these molecular clusters.

La hidrogenació catalítica de nitrils i dinitrils és un dels mètodes industrials més utilitzats per a la síntesi d'una gran varietat d'amines. Entre aquests processos sobresurt la hidrogenació de 1,6-hexandinitril (adiponitril) per a l'obtenció de 1,6-hexandiamina (utilitzada com a comonòmer en la fabricació de Nylon-6,6) i per a l'obtenció de 6-aminohexannitril que s'utilitza per obtenir la caprolactama (utilitzada en la fabricació de Nylon-6). L'interès d'aquest procés a nivell industrial queda confirmat pel gran nombre de patents d'àmbit mundial registrades en els últims anys i totes elles de grans indústries químiques com BASF, Rhodia, Du Pont, DSM, etc.Donat que la selectivitat en la reacció de hidrogenació de dinitrils sembla està relacionada amb la morfologia i la basicitat dels catalitzadors, l'objectiu general d'aquest treball es centra en l'estudi de nous sistemes catalítics de níquel-magnèsia de morfologia octaèdrica i basicitat moderada, que ens permetin obtenir de forma selectiva: monoamina i/o diamina des de dinitrils, minimitzant la formació de productes de condensació i restes grafítiques responsables de la desactivació dels catalitzadors.En el desenvolupament d'aquest treball s'han plantejat els següents objectius parcials.1.- Síntesi i caracterització de precursors mixtes NiO-MgO amb partícules homogènies de morfologia octaèdrica, a partir de la descomposició de nitrat de níquel hexahidrat i utilitzant magnèsia de diferents procedències amb el fi de controlar la basicitat dels sistemes.S'han buscat varies vies sintètiques per obtenir de forma reproduïble precursors NiO-MgO de morfologia i mida de partícula desitjats. Així mateix s'han estudiat els factors que afecten l'estructura i les propietats superficials així com, la reducibilitat dels sistemes NiO-MgO.2.- Obtenció i caracterització de catalitzadors níquel-magnèsia. Estudis de l'activitat catalítica en la hidrogenació de dinitrils en fase vapor i a pressió atmosfèrica. Comparació amb catalitzadors de níquel màssics.S'han realitzat proves d'activitat catalítica per un dinitril model com el 1,4-butandinitril (succinonitril). Els millors sistemes catalítics han estat utilitzats posteriorment per a la hidrogenació d'un dinitril de major interès industrial, el 1,6-hexandinitril (adiponitril). Aquests resultats d'activitat van ésser comparats amb els obtinguts per un catalitzador comercial d'ampli utilització, el Ni-Raney.Els catalitzadors Ni-MgO, màssics Ni i Ni-Raney han estat sotmesos a un estudi de la seva evolució durant un llarg temps de reacció amb l'objectiu de correlacionar l'activitat i la vida activa de cada catalitzador amb les modificacions estructurals observades després de la reacció.De l'obtenció i caracterització dels precursors i catalitzadors Ni-MgO i la seva aplicació en la hidrogenació de dinitrils es conclou. La descomposició controlada de níquel hexahidrat per obtenir com única fase Ni3(NO3)2(OH)4 es una forma de preparar, després del procés de calcinació sistemes NiO-MgO de mida de partícula homogènia i morfologia octaèdrica. És possible sintetitzar sistemes NiO/MgO amb diferents característiques superficials i amb diferents graus d'interacció entre les fases òxid de níquel i magnèsia. La formació d'una solució sòlida entre els òxids NiO i MgO condueix a una forta interacció entre aquestes fases. Al augmentar la interacció entre les fases, la magnèsia inhibeix en major mesura la reducció de l'òxid de níquel. No obstant també condueix, durant el procés de reducció, a una menor sinterització de la fase metàl·lica, amb el que s'obtenen àrees metàl·liques elevades i mides de partícula semblants a un Ni-Raney comercial.Quan menor és la interacció entre las fases NiO-MgO, més definida està la morfologia octaèdrica. és possible obtenir de forma selectiva 6-aminohexannitril (80%) y 1,6-hexandiamina (100%), utilitzant catalitzadors de Ni-MgO. Aquests catalitzadors ens permeten obtenir de forma selectiva i durant un llarg període de temps el producte de major interès, el 6-aminohexannitril. La elevada selectivitat vers la formació de 6-aminohexannitril està relacionada amb la presencia de morfologia octaèdrica en els catalitzadors. No obstant, és important optimitzar les condicions de reacció per minimitzar les pèrdues d'àrea metàl·lica i així augmentar la vida del catalitzador. / La hidrogenación catalítica de nitrilos y dinitrilos es uno de los métodos industriales más utilizados para la síntesis de una gran variedad de aminas. De entre estos procesos cabe destacar la hidrogenación del 1,6-hexanodinitrilo (adiponitrilo) para obtener 1,6-hexanodiamina (utilizada como comonómero en la fabricación del Nylon-6,6) y para obtener 6-aminohexanonitrilo que sirve para obtener la caprolactama, (utilizada en la fabricación del Nylon-6). El interés de estos procesos a nivel industrial queda claramente confirmado por el gran número de patentes registradas de ámbito mundial en los últimos años y todas ellas pertenecientes a grandes industrias químicas como BASF, Rhodia, Du Pont, DSM, etc.Dado que la selectividad en la reacción de hidrogenación de dinitrilos parece estar relacionada con la morfología y basicidad de los catalizadores, el objetivo general de este trabajo se centra en el estudio de nuevos sistemas catalíticos de níquel-magnesia con morfología octaédrica y basicidad moderada, que nos permitan obtener de forma selectiva: monoamina y/o diamina, a partir de dinitrilos, minimizando la formación de productos de condensación y restos grafíticos responsables de la desactivación de los catalizadores.En el desarrollo de este trabajo se han planteado los siguientes objetivos parciales. 1.- Síntesis y caracterización de precursores mixtos NiO-MgO con partículas homogéneas de morfología octaédrica, a partir de la descomposición de nitrato de níquel hexahidrato y utilizando magnesia de diferentes procedencias con el fin de controlar la basicidad de los sistemas.Se han buscado varias vías sintéticas para obtener de forma reproducible precursores NiO-MgO de morfología y tamaño de partícula deseados. Asimismo se han estudiado los factores que afectan la estructura y las propiedades superficiales así como, la reducibilidad en los sistemas NiO-MgO.2.- Obtención y caracterización de los catalizadores níquel-magnesia. Estudios de la actividad catalítica en la hidrogenación de dinitrilos en fase vapor y a presión atmosférica. Comparación con catalizadores de níquel como único componente.Se han realizado pruebas de actividad catalítica para un dinitrilo modelo como el 1,4-butanodinitrilo (succinonitrilo). Los mejores sistemas catalíticos han sido utilizados posteriormente para la hidrogenación del dinitrilo de mayor interés industrial, el 1,6-hexanodinitrilo (adiponitrilo). Estos resultados de actividad fueron comparados con los obtenidos por un catalizador comercial ampliamente utilizado, el Ni-Raney. Los catalizadores Ni-MgO, Ni y Ni-Raney han sido sometidos a un estudio de su evolución durante un largo tiempo de reacción con el fin de correlacionar la actividad y vida activa de cada catalizador con las modificaciones estructurales observadas después de la reacción.De la obtención y caracterización de los precursores y catalizadores Ni-MgO y su aplicación en la hidrogenación de dinitrilos se ha concluido:La descomposición controlada de nitrato de níquel hexahidrato para obtener como única fase Ni3(NO3)2(OH)4, es una forma de preparar, tras el proceso de calcinación sistemas NiO-MgO de tamaño de partícula homogéneo y morfología octaédrica. Así es posible sintetizar sistemas NiO/MgO con diferentes características superficiales y con diferentes grados de interacción entre las fases óxido de níquel y magnesia.  La formación de una solución sólida entre los óxidos NiO y MgO conduce a un una fuerte interacción entre estas fases. Al aumentar la interacción entre las fases, la magnesia inhibe en mayor medida la reducción del óxido de níquel aunque también conduce, durante el proceso de reducción, a una menor sinterización de la fase metálica, con lo que se obtienen áreas metálicas elevadas y tamaños de partícula parecidos a un Ni-Raney comercial. Cuanto menor es la interacción entre las fases NiO-MgO, más definida está la morfología octaédrica. Es posible obtener de forma selectiva 6-aminohexanonitrilo (80%) y 1,6-hexanodiamina (100%), utilizando catalizadores de Ni-MgO. Estos catalizadores nos permiten obtener de forma selectiva y durante un largo periodo de tiempo el producto de mayor interés el 6-aminohexanonitrilo. La elevada selectividad hacia la formación de 6-aminohexanonitrilo está relacionada con la presencia de morfología octaédrica en los catalizadores. No obstante, es importante optimizar las condiciones de reacción para minimizar las perdidas de área metálica y así aumentar la vida del catalizador. / Hydrogenation of nitriles is one of the most widely used methods to obtain amines commercially. One interesting industrial process is the hydrogenation of 1,6-hexanedinitrile (adiponitrile) to obtain 1,6-hexanediamine which is used as a precursor in the preparation of Nylon-6,6, and also to obtain 6-aminohexanenitrile, which is used in the preparation of caprolactam (precursor to Nylon-6). The industrial interest of these processes is clearly confirmed by the great number of registered world patents in the last years, all supported by chemical industries such as BASF, Rhodia, Du Pont, DSM, etc.The selectivity in the hydrogenation of dinitriles seems to be related to the morphology and basicity of the catalysts. The aim of this work is the study of new catalytic systems of nickel-magnesia with octahedral morphology and moderate basicity that allow us to obtain selectively from dinitriles: monoamine and/or diamine, decreasing the formation of condensation products and graphitic residual which are responsible for catalyst deactivation.In order to carry out this work the following partial objectives have been developed.1.- Synthesis and characterization of NiO-MgO samples with homogeneous particles of octahedral morphology, from the decomposition of nickel nitrate hexahidrate and using different sources of magnesia with the purpose of controlling the basicity of the final systems. To obtain NiO-MgO with the desired particle size and morphology, different preparative paths have been designed. Also, the factors that affect the structure and the surface properties as well as the reducibility of the NiO-MgO systems, have been studied.2.- Preparation and characterization of nickel-magnesia catalysts. Studies of the catalytic activity for the dinitrile hydrogenation in the gas phase at atmospheric pressure. Comparison with bulk nickel catalysts.Tests of catalytic activity for a model dinitrile as the 1,4-butanodinitrile (succinonitrile) have been carried out. The best catalytic systems have been later used for the hydrogenation of 1,6-hexanedinitrile (adiponitrile) which is a dinitrile with more industrial interest. These activity results were compared with those obtained for an usual industrial hydrogenation catalyst, Raney-Ni. The Ni-MgO systems, bulk Ni and Raney-Ni catalysts have been subjected to a study of their evolution during a long time of reaction in order to correlate the activity and lifetime of each catalyst with the structural modifications observed after reaction.The preparation and characterization of the catalytic precursors and their corresponding catalysts, as well as their application to the dinitriles hydrogenation allow us to make the following conclusions: The controlled decomposition of nickel nitrate hexahidrate to obtain Ni3(NO3)2(OH)4 as a single phase is a way to prepare, after calcination, NiO-MgO systems with homogeneous particle size and octahedral morphology. It is possible to synthesize NiO/MgO systems with different surface characteristics and also with different interaction degrees between the nickel oxide and magnesia phases. The formation of a NiO-MgO solid solution leads to a strong interaction between the oxides. When this interaction increases, the reduction of nickel oxide decreases. However, during the reduction process of this solid solution phase there is also a lower sintering effect and, therefore, higher metallic areas and similar particle sizes that those obtained by using a Raney-Ni commercial catalyst, are obtained.  Octahedral morphology seems to be favoured when there is a lower interaction between the NiO-MgO phases. It is possible to obtain selectively 6-aminohexanenitrile (80%) and 1,6-hexanediamine (100%) by using Ni-MgO catalysts. Ni-MgO catalysts allow us to obtain selectively and during a long period of time the product of more interest, 6-aminohexanonitrile. This high selectivity towards 6-aminohexanenitrile is related to the presence of octahedral morphology. However, a key point will be to choose the optimum reaction conditions in order to obtain the desired products, maintaining the maximum surface and metallic area values.

El objetivo de este trabajo se centró en la síntesis de nuevos catalizadores homogéneos de paladio para la reacción de copolimerización de monóxido de carbono con estireno. El interés de esta reacción catalítica radica en las propiedades de los copolímeros a que da lugar, que son termoplásticos bio- y fotodegradables. La ventaja de usar catalizadores homogéneos para la copolimerización, respecto a la polimerización radicalaria, es que en los copolímeros obtenidos las moléculas de monóxido de carbono y estireno se encuentran insertadas de una manera perfectamente alternada y regular. Para ello la utilización de precursores organometálicos de paladio(II) que posean un ligando quelato, ha sido descrita como la mejor forma de obtener sistemas activos.La influencia de la naturaleza del ligando quelato en la actividad del precursor catalítico, en especial la de sus átomos dadores, ha llevado a la elección de ligandos bidentados nitrógeno- y azufre-dadores para la realización de este trabajo. Así se ha escogido una serie de ligandos ditioéter, previamente utilizados en otros procesos catalíticos, así como ligandos piridina-pirazol y pirimidina-pirazol para estudiar su efecto sobre el metal y sobre la actividad del catalizador en la reacción de copolimerización. Además con el objeto de hacer un estudio sistemático de la influencia del ligando se ha diseñado y sintetizado una nueva familia de ligandos nitrógeno-dadores piridina-imidazolina de simetría C1. Estos nuevos ligandos piridina-imidazolina poseen la ventaja de ser fácilmente modificables, dando lugar a series de ligandos con variaciones estructurales sistemáticas.La coordinación de todos estos ligandos a paladio ha dado lugar a nuevos complejos neutros de fórmula [PdClMe(L-L)] y catiónicos de fórmula [PdMe(NCMe)(L-L)][X]. El análisis de la estereoquímica de los nuevos complejos sintetizados se realizó por RMN, observándose claras diferencias en función de ligando utilizado. Asimismo en algunos de los casos la obtención de monocristales ha hecho posible el análisis de la estructura en estado sólido de algunos de estos complejos, mediante difracción de rayos-X. La utilización de los complejos catiónicos de fórmula [PdMe(NCMe)(L-L)][BAr'4] como precursores de catalizador para la reacción de copolimerización ha dado lugar a la obtención de sistemas activos, de los que pueden extraerse las siguientes conclusiones:Los complejos de paladio que contienen ligandos ditioéteres son activos como precursores de catalizador para la reacción de copolimerización de 4-tert-butilestireno con monóxido de carbono, como se explica en el Capítulo 3. Sin embargo, los complejos son poco estables en atmósfera de CO, reduciéndose a paladio metálico. Los copolímeros obtenidos con estos catalizadores presentan microestructuras muy variables dependiendo del ligando azufre-dador utilizado. Se han podido obtener copolímeros isotácticos escogiendo el ligando ditioéter con la rigidez del esqueleto y con el tamaño de quelato apropiados, concretamente con el ligando (-)-deguspri.El Capítulo 4 describe la síntesis de nuevos complejos catiónicos de Pd(II) que contienen ligandos nitrógeno-dadores derivados del pirazol. La utilización de estos ligandos planos lleva a la obtención de complejos muy activos en la reacción de copolimerización, debido a sus propiedades estéricas y electrónicas. El estudio de la actividad de los precursores catalíticos y del peso molecular de los copolímeros obtenidos, en función del tiempo de reacción ponen de manifiesto que se trata de sistemas de polimerización "living". Los polímeros obtenidos son, en todos los casos, de elevado peso molecular y sindiotácticos.La síntesis de los nuevos ligandos nitrógeno-dadores derivados de la imidazolina, que poseen variaciones estructurales sistemáticas, se presenta en el Capítulo 5. La coordinación de estos ligandos a paladio ha dado lugar a complejos neutros [PdClMe(N-N')] que presentan la misma estereoquímica independientemente del ligando utilizado. Algunos de estos complejos han sido analizados en estado sólido por difracción de rayos-X.Se han observado diferencias en las distancias de coordinación del ligando al metal, en función del substituyente que posea la imidazolina en el nitrógeno amínico. Los complejos catiónicos sintetizados presentan, en disolución, notables diferencias estereoquímicas en función de la basicidad de los ligandos nitrógeno-dador utilizados. Así pues se han obtenido selectivamente estereoisómeros en función del ligando utilizado. La actividad de estos complejos catiónicos como precursores catalíticos para la reacción de copolimerización se ha observado que depende,fundamentalmente, de la basicidad del ligando, siendo más activos los catalizadores que poseen coordinados los ligandos menos básicos. En función del precursor utilizado es posible la síntesis de copolímeros con distinto grado de estereoregularidad. Así, precursores que poseen ligandos con substituyentes en el nitrógeno amínico que retiran densidad electrónica dan lugar a copolímeros sindiotácticos. En el caso de que los ligandos posean substituyentes dadores de densidad electrónica no se ha podido establecer una relación directa entre el precursor y la tacticidad del polímero. El estudio de la reactividad de los precursores catalíticos con CO ha sido realizada "in-situ" por RMN y ha puesto de manifiesto que los complejos formados son acilos-carbonilos de paladio de fórmula [Pd(COMe)(CO)(N-N')][X].Los precursores de catalizador que contienen ligandos nitrógenodadores,derivados tanto del pirazol como de la imidazolina, han resultado ser activos en la reacción de terpolimerización de tert-butilestireno y etileno con monóxido de carbono. Las diferencias estructurales de los ligandos utilizados tienen una marcada influencia en la reactividad de los complejos de paladio con los distintos alquenos. Ésto ha llevado a la obtención de terpolímeros con diferente concentración de monómeros en función de las propiedades estructurales del ligando nitrogenado utilizado. / The development and study of new palladium catalysts for the copolymerization of 4-tert-butylstyrene with carbon monoxide was the main objective in the present thesis. The role played by the chelating ligands and in particular by their donating atoms is known to be fundamental in this catalytic process and therefore sulfur and nitrogen-donating ligands were studied. As a result from this study, the following conclusions can be drawn:The new palladium(II) neutral and cationic complexes containing bis(thio)ethers as chelating ligands, synthesized in Chapter 3, show different behavior in solution depending on the rigidity of the ligand. The cationic complexes are precursors for the copolymerization of CO/4-tertbutylstyrene although they are quite unstable under carbon monoxide pressure and get reduced to inactive palladium metal. By choosing chiral bis-(thio)ethers with the appropriate backbone rigidity, good stereocontrol of the styrene insertion in the polyketone chain may be obtained.In Chapter 4 the coordination of a family of Cs-symmetrical pyrazolcontaining bisnitrogen ligands to palladium-methyl cationic complexes leads to different stereoisomers depending on the steric hindrance of the bisnitrogen ligand. They behave as active precursors for the copolymerization reaction and allow the synthesis of syndiotactic polyketones, irrespectively of the stereochemistry of the precatalyst. Under mild copolymerization conditions the pyrazol-containing catalysts are an example of living copolymerization catalysts.Chapter 5 deals with the synthesis of new chiral N1-substituted imidazolines which allow tuning the electronic properties of the metal to which they are coordinated. The differently substituted C1-symmetrical pyridine-imidazolines may lead to the selective synthesis of palladium cationic stereoisomers depending on the basicity of the ligand. Similarly under carbon monoxide atmosphere, palladium-acyl stereoisomers may be selectively obtained. When the different stereoisomers are used as precatalysts for the copolymerization of CO and 4-tert-butylstyrene, polyketones with different degrees of stereoregularity may be obtained.The combination of a pyridine or pyrimidine ring with a 5-membered nitrogen containing heterocycle (pyrazol or imidazoline) leads to effective achiral or chiral ligands, respectively, for the CO/4-tertbutylstyrene copolymerization and also CO/ethene/4-tert-butylstyrene terpolymerization reactions, as shown in Chapter 6. The palladium precatalysts with pyrazol-containing ligands are more stable under co- and terpolymerization conditions than the imidazoline-derived ones. The steric hindrance caused by the chiral imidazoline ligands may be responsible for the low reactivity of the palladium species towards 4-tert-butylstyrene,while the insertion of ethylene is more favored. This reactivity is reversed when less steric hindered nitrogen ligands are used.

INFORME FINAL"Alguns importants descobriments de la ciència són accidentals. Això fou, certament, el cas del ful·lerè C60. Quan ara fa quatre anys, l'any 2000, vaig iniciar el treball d'investigació sobre els metal·loful·lerens m'havien arribat veus de la importància mediàtica d'aquestes noves estructures però no de la intensa història del seu descobriment. Aquesta m'ha fascinat. Sobretot quan l'any 2003 vaig tenir la possibilitat de fer una estada al grup del professor Kroto de la universitat de Sussex (Gran Bretanya). Llavors els textos, sorprenents però inerts, que havia llegit sobre la història del descobriment dels ful·lerens prenien forma en espais coneguts i personatges propers". Aquest és el prefaci de la meva tesi. Segurament aquesta estada a Sussex al grup d'un dels descobridors dels ful·lerens ha estat el moment més entranyable en aquesta carrera científica per l'estudi dels metal·loful·lerens.A partir de la síntesi de la molècula de C60 en quantitats apreciables la química dels ful·lerens en general, i en particular amb metalls de transició, ha experimentat un increment espectacular. L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi de l'estructura i la reactivitat de diferents derivats organometàl·lics de ful·lerens o metal·loful·lerens. El treball d'investigació usa les eines de la química computacional (Teoria del funcional de la densitat, DFT) per tal de modelar els metal·loful·lerens més interessants apareguts entre el 1999 i el 2005. Tot i que els metal·loful·lerens presenten una varietat d'estructures formidable, podem classificar-los en tres grans famílies des del punt de vista estructural: un primer grup són els metal·loful·lerens exoèdrics on els metalls es situen fora de la caixa, en un segon grup tenim els metal·loful·lerens heteroèdrics o heteroful·lerens on les caixes de carbonis han estat dopades (certes posicions han estat substituïdes) amb altres elements com ara: N, B, Si, Fe i altres metalls i finalment l'últim grup són els metal·loful·lerens endoèdrics on la derivatització metàl·lica es dóna a l'interior de la caixa. Així l'estudi teòric dels compostos més novedosos i novells de cadascuna de les tres famílies de metal·loful·lerens és el puntal de la present tesi doctoral. Per cadascuna de les famílies hem desgranat l'estructura electrònica i geomètrica, hem descrit el tipus d'enllaç metall-ful·lerè, hem avaluat els factors que intervenen en l'estabilitat relativa dels possibles isòmers, hem també predit la reactivitat davant de reaccions d'addició i finalment els hem caracteritzat des d'un punt de vista físic (càlcul del potencial d'ionització i afinitat electrònica). L'estructura electrònica ens ha permès seleccionar quins metal·loful·lerens endoèdrics seran estables avançant-nos als experimentalistes en la seva cerca de nous complexos. La diversitat de tipologies d'enllaç ha sigut tant gran com famílies de metal·loful·lerens. Hem descrit un enllaç iònic pels metal·loful·lerens endoèdrics, un enllaç covalent en el cas dels metal·loful·lerens heteroèdrics i un enllaç coordinatiu pels metal·loful·lerens exoèdrics. Hem aplicat noves metodologies per l'estudi de l'isomerisme. Les tècniques d'anàlisi multivariant de dades ens han permès esbrinar quins factors són importants per l'estabilitat relativa dels isòmers i a la vegada construir models de predicció per altres isòmers. Així doncs, l'acoblament de la química teòrica i la quimiometria ha estat sens dubte l'aportació més rellevant del present treball d'investigació.Tarragona, 28 de novembre de 2004Josep Maria Campanera AlsinaFINAL REPORT The characterisation of the most novel metallofullerenes up to 2004 has been theoretically and systematically discussed in this study. From the structural point of view, metallofullerenes can be divided into three main groups, all of which have been discussed in this study: endohedral, heterohedral and exohedral metallofullerenes. The main families of compounds studied are Sc3-nMnN@Ck (n = 0-3, M = Y, La; k = 68, 78, 80) (endohedral), CxMn (x = 56, 57, 58, 59; M = Pt, Ir, Os; n = 1, 2) (heterohedral) and (-Ck){M(PH3)2}n (k = 60, 70, 84; M = Pt, Pd, Ni; n = 1, 2, 4, 6) (exohedral). The present study is a step forward in our knowledge of each of these families of compounds, and in particular, in our understanding of the metal-carbon bond, isomerism and reactivity. The DFT method proved to be an excellent computational tool for providing good geometries, for solving the intricacies of the different metal-carbon bonds, for producing experimental data (ionization potentials and electron affinities) and also for making predictions about isomerism stability and reactivity. The principal conclusions drawn about the species studied here are: Different types of structures, different types of metal-carbon bonds. The metal units in each family of compounds are located differently in relation to the fullerene carbon framework: inside the cage, within the carbon framework and outside the cage. The encapsulation of a trimetallic nitride template unit (TNT, Sc3-nMnN; n = 0-3; M = Y, La) inside the carbon cage to produce TNT endohedral metallofullerenes is explained by an ionic pair (cage-metal) model in which the TNT unit formally transfers six electrons to the cage. On the other hand, in heterohedral metallofullerenes, metals establish a covalent metal-carbon bond without causing oxidation to the metal. Finally, the (MPH3)2 metal units situated exohedrally to the fullerene are only coordinated in a  mode to the CC bond. Chemometric tools applied to isomerism studies. The regioisomers of heterohedral metallofullerenes are numerous: for example, the stoichiometry C57Pt2 has 47 distinct regioisomers. Thus, chemometric techniques which can manage considerable amounts of data must be used if we want to understand regioisomerism in heterohedral metallofullerenes. These tools have also been very useful for drawing conclusions from the considerable quantities of data provided by the factors which affect the stability of regioisomers. These tools have been used not only for analysing data but also for predicting the stability of other heterofullerenes.TNT encapsulation stabilizes fullerene isomers that are not available as free fullerenes. TNT endohedral metallofullerenes are formed by the encapsulation of a metallic nitride template inside the following cages: D3-C68:6140, D3h'-C78:5, D5h-C80:6 and Ih-C80:7. Any of these cages have never been detected experimentally.So, endohedral metallofullerenes can make non-classical fullerene isomers available for study. Furthermore, on the basis of the electronic structure we predicted that no other IPR fullerenes between C60 and C84 will be capable of encapsulating a TNT unit, apart from the fullerene isomers that are already known.Stability of the carbon skeleton is the principal factor that determines the regioisomer stability of the heterofullerenes. Metal atoms occupy neighbouring positions in the most stable structures of C57Pt2 and C56Pt2. Metal substitution deforms the carbon framework and partially destroys the fullerene aromaticity. This is the key factor in determining the stability of these disubstituted clusters. Indeed, it is much easier to make a big hole that permits the incorporation of two Pt atoms in the carbon cage than two smaller holes in two opposite sites of the fullerene. Prediction of the exohedral reactivity taking into account the full characterization of the different CC bond types. We first performed a full characterization of all CC bond types of the fullerenes Ih-C60:1, D3-C68:6140, D5h-C70:1, D3h'-C78:5, Ih-C80:7, D2-C84:22 and D2d-C84:23. Each CC bond type is characterized by its topology, length, pyramidalization angle and Mayer bond order. This systematization enabled us to identify which sites were most reactive to a nucleophilic addition to free fullerenes or a [4 + 2] cycloaddition to TNT endohedral metallofullerenes.Tarragona, 8th Novembre 2004Josep Maria Campanera Alsina

A través de la Historia, la tuberculosis ha sido una de las epidemias que más muertesha causado. Hoy en día, tanto la tuberculosis como las infecciones ocasionadas por elcomplejo M. avium constituyen un reto de salud pública sin par, no sólo por la gravedad delas mismas sino por la dificultad que entraña su tratamiento.Con esta motivación, y haciendo uso de la topología molecular, iniciamos el diseño yselección de nuevos compuestos potencialmente activos frente a Mycobacteriumtuberculosis (MTBC) y frente al complejo Mycobacterium avium (MAC).La topología molecular sirve para encontrar relaciones cuantitativas entre unapropiedad física, química o biológica y estructuras moleculares, basándose en lacaracterización numérica de las mismas a través de unos índices o descriptores topológicos(IT), es decir, se trata de obtener las funciones topológicas: P(IT) = A0 + ΣAi (IT), donde Prepresenta la propiedad, A0 y el conjunto de términos Ai los coeficientes de regresión.Con objeto de mejorar la eficacia de las funciones, fueron introducidas 4 nuevasfamilias de descriptores, particularmente derivados de índices de conectividad de Kier yHall, así como de índices de carga. Una vez calculados los IT de 45 compuestos conactividad antituberculosa contrastada, fueron obtenidas las funciones de predicción de docepropiedades farmacológicas de cada uno de los compuestos activos, y las de clasificaciónque nos permitieron discriminar entre compuestos activos e inactivos frente a estos dosgrupos de patógenos. A continuación se diseñaron los modelos de actividad antituberculosa,haciendo uso de las funciones seleccionadas, y fueron aplicados a bases de datos deestructuras químicas para la selección de sustancias potencialmente activas. Finalmente,realizamos los ensayos microbiológicos in vitro encaminados a determinar la concentraciónmínima inhibitoria (CMI) para detectar la posible actividad antituberculosa de loscompuestos seleccionados.Las conclusiones obtenidas fueron las siguientes:1. Los nuevos IT aportan una mejora de más de un 30% en las funciones de predicciónsobre los ya descritos, y una gran eficacia para discriminar entre compuestos activos einactivos frente a MTBC y frente al MAC.2. Las funciones obtenidas utilizando IT, han demostrado que es posible predecireficazmente la CMI y otras propiedades farmacológicas de los compuestos activos.3. Se han obtenido modelos útiles para la selección de compuestos activos frente a MTBCy frente al MAC.4. Entre los nuevos compuestos seleccionados a través de los modelos discriminantes deactividad:· 10 son activos frente a MTBC: cloruro de benzalconio (BAK), dinitrocresol, DOCA,linezolid, paromomicina, pentamidina, reserpina, ribavirina, TPEN y trifluoperazina,siendo los más activos linezolid y pentamidina con una CMI inferior a 4 µg/mL.· 6 son activos frente a MAC: BAK, linezolid, paromomicina, TPEN, trifluoperazina ypentamidina, siendo los más activos BAK, paromomicina, TPEN y trifluoperazinacon una CMI comprendida entre 4 y 8 µg/mL.5. Se han seleccionado 6 nuevas pirimidinas sustituidas sintetizadas en la Universidad deGerona. Sus ensayos in vitro ponen de manifiesto que la CMI frente a MTBC estácomprendida entre 32 y 64 µg/mL. Los resultados obtenidos con las funciones depredicción informan que teóricamente presentan un buen perfil farmacológico, lo quenos induce a considerar a estas moléculas como posibles cabezas de serie para el diseñode nuevos antituberculosos. / Molecular topology, MT, has been used to select new active compounds against Mycobacterium tuberculosis (MTBC) and Mycobacterium avium complex (MAC). MT has proved to be a useful formalism to find quantitative structure-activity relations (QSAR), based on the numeric characterization of the molecules through topological indices (TI), that is to say, to obtain the topological functions: P(TI) = A0 + Ai(TIi), where P represents the property, A0 the intercept and Ai the regression coefficients. In order to the effectiveness of the functions, four new families of TI were introduced. Once calculated the TI of forty five active compounds, the predictive functions as well as the discriminant functions allowing us to discriminate among active and inactive compounds, were achieved. Next the molecular models were designed using the selected functions, and they were applied to databases of chemical structures for the selection of potentially active substances. Finally, we carried out the in vitro assays in order to check the minimal inhibitory concentration (MIC) of the selected compounds. Conclusions: 1. The new TI contribute to improve in more than 30% of the predictive functions on those already described, and also to a significant effectiveness to discriminate among active and inactive compounds against MTBC and MAC. 2. The obtained functions have demonstrated that it is possible to predict efficiently the MIC and other pharmacological properties of the active compounds.3. Useful models have been obtained for the selection of active compounds against MTBC and MAC.4. After in vitro tests at the laboratory, the following results stand out:· 10 compounds were active against MTBC (MIC≤16g/mL): BAK, DNOC, DOCA, linezolid, paromomycin, pentamidine, reserpine, ribavirin, TPEN and trifluoperazine.· 6 were active against MAC (MIC≤16g/mL): BAK, linezolid, paromomycin, TPEN, trifluoperazine and pentamidine.· Six new substituted pirimidines synthesized at the University of Gerona were selected. Theoretically they present a good pharmacological profile and their in vitro assays demonstrated that the MIC against MTBC were between 32 and 64 g/mL, what induces us to consider these structures as new leads as antituberculosis agents.

Els Processos Avançats d'Oxidació (PAO) inclouen un conjunt de metodologies que tenen en comú la generació del radical hidroxil (OH·). Aquest radical és una espècie molt oxidant que té la capacitat d'oxidar compostos orgànics, inorgànics i microorganismes (bacteris, fongs, virus.). Una de les metodologies que inclouen els PAO és la fotocatàlisi heterogènia. La filosofia d'aquesta metodologia és combinar l'acció d'un catalitzador amb una font radiant (UV o visible) per a generar els portadors de càrrega (e-/h+) i els radicals hidroxil amb l'objectiu d'oxidar compostos orgànics.Mitjaçant el procés de fotocatàlisi heterogènia en fase gas s'ha dut a terme l'oxidació fotocatalítica de l'etanol i dels seus intermedis de reacció. S'ha avaluat quantitativament el procés de degradació de l'etanol i del seu principal intermedi (l'acetaldehid), aplicant el model de Langmuir-Hinshelwood del qual hem extret les constants cinètiques d'oxidació i les constants d'adsorció de l'etanol i l'acetaldehid. A partir d'aquest estudi cinètic s'han tractat, en el transcurs de la tesi, alguns aspectes limitants de la fotocatàlisi en fase gas.En aquest sentit, donat que el ventall de catalitzadors disponibles que siguin efectius, és molt reduït s'ha dut a terme la recerca de nous materials catalitzadors amb l'objectiu de millorar el rendiment del procés fotocatalític: sistemes híbrids, catalitzadors dopats, catalitzadors nanoestructurats, i catalitzadors pretractats amb diversos àcids.Per altra part, un dels principals inconvenients de la fotocatàlisi en fase gas és la desactivació del catalitzador. Aquest fenomen suposa la pèrdua d'activitat del catalitzador a mesura que es va utilitzant. Per aquest motiu un altre aspecte estudiat en aquesta tesi és el de perllongar la vida útil de dos catalitzadors: TiO2 Degussa P25 i el sistema híbrid TiO2/Fe2O3 (10:1). Per a realitzar aquest estudi, primer s'ha realitzat la desactivació de tots dos catalitzador, reutilitzant-los sis vegades consecutives. Un cop desactivats s'han sotmès a diferents tractaments de regeneració per aconseguir recuperar l'activitat que tenien inicialment.

La tesi que es presenta es veu emmarcada dins l’àrea de ciència de superfícies. Dos dels grans temes desenvolupats en aquesta tesi estan relacionats amb l’estudi de superfícies amb constants de xarxa (distàncies atòmiques que componen la molècula) properes a la del pla basal de la fase hexagonal del gel (Ih) (el gel més comú a l’escorça terrestre). L’objectiu d’aquesta premissa és veure com superfícies que tenen la constant de xarxa propera a la del gel (Ih) provoquen que l’aigua d’origen atmosfèric s’adsorbeixi a sobre en forma d’aigua en estat sòlid (gel) i no en forma d’aigua líquida a temperatures relativament altes. Aquest tipus de superfícies tindrien grans utilitats en processos meteorològics tals com la inducció de pluja, comercialització de productes propulsors de neu artificial o simplement per a conèixer els límits de congelació de l’aigua en sistemes biològics. En el capítol 3, es presenta el BaF2 com a possible nucleador de gel sobre la seva superfície, ja que la seva constant de xarxa difereix només un 4% de la del gel (Ih). Amb l’ajuda d’un microscopi de forces atòmiques (AFM) s’ha pogut observar com les molècules d’aigua difonen fàcilment sobre la seva superfície, i a més a més aquestes tenen preferència en la seva acomodació. S’ha observat que els esglaons de BaF2 i les zones que tenen un excés de càrrega degut al clivatge, són els defectes ideals per l’aigua, ja que s’hi sent molt més còmode. Aquests esglaons generats durant el clivatge tenen unes direccions cristal·logràfiques concretes i ben definides, i l’aigua no té una preferència aleatòria per ells sinó que, contràriament del que pensàvem, les molècules d’aigua tenen en general més afinitat per aquells esglaons menys energètics, amb menys densitat d’àtoms al descobert. El BaF2 no és un bon nucleador pel que fa al creixement de gel tridimensional, ja que la conformació que adopten les molècules d’aigua paral·lela al pla no afavoreix la formació de gel tridimensional, però gràcies a la seva constant de xarxa i als defectes ocasionats durant el clivatge resulta que és un nucleador bidimensional. S’ha seguit el mateix patró pel CaF2, un compost isoestructural del BaF2, amb la diferència que té una constant de xarxa més petita, que difereix un 14% respecte la cara basal del gel (Ih). Els experiments realitzats mostren com l’aigua s’hi adsorbeix de manera aleatòria i més caòtica, tot i que té certa preferència pels esglaons com en el cas del BaF2. Podem concloure doncs, que la constant de xarxa és un paràmetre molt important, però no és l’únic. En el capítol 5, es planteja l’opció d’obtenir una superfície de manera artificial, amb les característiques que busquem per tal que l’aigua s’hi adsorbeixi en forma de gel (Ih) fàcilment. La tècnica utilitzada per aquest propòsit és la Langmuir-Blodgett, la qual ens permet fer monocapes en l’interfase líquid-gas, i es poden transferir a una superfície sòlida. Depenent de la superfície, obtindrem monocapes hidrofòbiques o hidrofíliques. Tot i que l’objectiu llunyà és formar una monocapa ideal i observar a través de l’AFM com s’adsorbeix l’aigua a sobre, fins ara s’ha aconseguit formar superfícies hidrofíliques a partir de substrats hidrofòbics (grafit) i també formar superfícies hidrofòbiques a partir de substrats hidrofílics (mica). Les molècules utilitzades per a la formació de les monocapes són alcohols alifàtics de cadena llarga, estudiats a la bibliografia com a possibles bons nucleadores de gel. En el capítol 4, l’atenció es veu desviada per l’investigació de la càrrega residual que es produeix a sobre de les superfícies. Per les propietats electròniques que té el grafè, es va creure convenient fer-lo servir de superfície model. A través de la punta d’AFM s’ha injectat càrrega a una làmina de grafè sobre òxid de silici, i s’ha vist com la càrrega provocada per la punta es va dissipant cap a l’òxid de silici en funció de la humitat relativa. Amb aquest estudi es va poder analitzar l’efecte de càrrega residual en superfícies i el rol que hi juga l’aigua. En aquest treball també es va fer pal·lesa que les dimensions de la punta determinaven fortament les mesures electroestàtiques en AFM. / This thesis is framed into the surface science area. Two main chapters developed in the present work are related to the study of surfaces with lattice constant near to the basal plane of the hexagonal ice (Ih) (the most common ice on Earth). The main goal of this topic is observe how these surfaces induce water adsorption on its surfaces as solid water at high temperatures. These surfaces could be used in meteorological processes such as rain induction, snow making industry or the knowledge of the freezing limits of water in biological systems. In chapter 3, BaF2 is presented as a possible ice nucleation because its lattice constant differs only 4% respect to the basal plane of the hexagonal ice (Ih). With the help of an Atomic Force Microscopy (AFM) it can be observed how water molecules easily spread on the surface and showing adsorption preferences. It was observed that steps and charge excess zones on BaF2 surface are perfect defects to water molecules anchoring, where water molecules feel more comfortable. Steps generated during the cleavage have specific and well defined crystallographic directions, and water molecules have preference and more affinity for the less energetic steps (with less atomic density). Finally, it is concluded that BaF2 is not a good three-dimensional nucleator because the conformation of water molecules onto the plane does not promote the ice formation, but the lattice constant and defects caused during the cleavage make it a good two-dimensional ice nucleator. The same studies were performed on CaF2, an isostructural compound of BaF2 but with a different lattice constant, which differs 14% from basal plane of the hexagonal ice (Ih). The experiments show chaotic and random water adsorption on CaF2 but with a certain preference to the steps. It can be concluded that the lattice constant is an important parameter to consider but is not the only parameter to take account. In chapter 5, the construction of an artificial surface with specific characteristics is proposed. The goal is to create a surface capable to induce water freezing. The technique used for this purpose is the Langmuir-Blodgett trough, which allows a monolayer formation in the liquid-gas interface that can be transferred to a solid substrate. Depending on the surface, hydrophilic or hydrophobic monolayers are obtained. Although water adsorption with AFM was studied yet in this thesis, we were able to form hydrophobic surfaces from hydrophilic substrates (mica) and hydrophilic surfaces from hydrophobic substrates (graphite). The molecules used for this purpose are long chain aliphatic alcohols, studied in the bibliography as probably good ice nucleators. In chapter 4 our attention is diverted to the study of residual charge produced on the surfaces. Due to the electronic properties of graphene, it was thought appropriate to use it as a model surface. Using the AFM tip charge was injected onto a graphene sheet deposited on a silicon oxide wafer, and discharging of the graphene sheet was observed. The charge spreading to the silicon oxide depends on the relative humidity. The role of adsorbed water in the discharge of surfaces was analysed. This work also demonstrated that the probe dimensions have critical influence on the electrostatic measures in AFM.

En esta Tesis abordamos la caracterización de ácidos grasos y carotenoides en sistemas de gran relevancia biológica, como lo son las membranas celulares y los fotosistemas. Empleamos para ello técnicas computacionales tanto de la mecánica cuántica como de la mecánica molecular, que ofrecen una descripción detallada, a escala atómica, de los fenómenos químicos que tienen lugar en estos entornos. Así, en este trabajo se construyen modelos para caracterizar la actividad antioxidante de los carotenoides basados en cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT), al tiempo que se desarrollan campos de fuerza empíricos para describir la conformación y las interacciones moleculares de ácidos grasos y carotenoides en los medios biológicos, que permiten su simulación mediante la dinámica molecular. Las perturbaciones estructurales producidas por los ácidos grasos con insaturaciones cis sobre las membranas juegan un papel clave en la acción terapéutica que muestran estas moléculas, y nuestros resultados muestran, específicamente, el efecto del ácido oleico y el ácido 2-hidroxioleico, destacando las diferencias entre ambos que conducen a su diferenciada actividad terapéutica. En el caso de los carotenoides, resultan más relevantes, sin embargo, las perturbaciones que produce el entorno de la membrana celular o el fotosistema sobre su cadena conjugada. La conformación de esta cadena es la que marca la actividad antioxidante y espectroscópica de estas moléculas, lo que se relaciona con su acción terapéutica. Las propiedades espectroscópicas de los carotenoides resultan de gran importancia para explicar su acción biológica en fotosistemas y, por ello, se han estudiado más detenidamente para dos carotenoides: beta-caroteno y violaxantina. Hemos caracterizado, mediante cálculos DFT y DFT dependientes del tiempo (TD-DFT) y usando modelos armónicos, las superficies de energía potencial de los estados electrónicos de baja energía entre los que se produce el transito de dipolo permitido en estas moléculas, simulando además el correspondiente espectro electrónico con resolución vibracional por medio de técnicas de la espectroscopía computacional, en formulaciones independientes y dependientes del tiempo. Nuestros resultados proporcionan espectros electrónicos de estos carotenoides a temperatura criogénica y temperatura ambiente, que pueden compararse directamente con los experimentales. / In this Thesis, we perform the characterization of both fatty acids and carotenoids within relevant biological systems as cell membranes and photosystems. To that end, we apply computational techniques, both at quantum mechanics and molecular mechanics levels, which provide a detailed atomistic description of the chemical phenomena that take place within such environments. Concretely, in this work, models are constructed to characterize the antioxidant activity of carotenoids based on Density Functional Theory (DFT) calculations, and empiric force fields are also developed in order to describe the conformation and intermolecular interactions of fatty acids and carotenoids within the complex biological environments, thus allowing their simulations by means of molecular dynamics techniques. The structural perturbations produced by the fatty acids cis double bonds play a key role in the therapeutic mechanisms of these molecules, and our results show, specifically, the effect of oleic acid and 2-hydroxyoleic acid, highlighting the differences between them that eventually lead to their distinct therapeutic activity. In the case of carotenoids, however, the perturbations that the complex environment of the lipid bilayer or the photosystem induce on their conjugated chain reveals more important. The conformation of such hydrocarbon chain actually dictates the antioxidant and spectroscopic properties of these molecules, which, in turn, are related with their therapeutic activity. The spectroscopic properties of carotenoids are extremely important for their biological activity within photosystems and, therefore, they have been evaluated more in detail for two carotenoids: beta-carotene and violaxanthin. We have characterized, through DFT and Time Dependent DFT (TD-DFT) computations and using harmonic models, the potential energy surfaces of the low lying electronic states between which the allowed dipole transition in these molecules occur, also simulating the corresponding vibrationally resolved electronic spectrum by means of computational spectroscopic techniques, both adopting time independent and time dependent approaches. Our results provide the spectra at both cryogenic and room temperature, directly comparable with the experimental ones.

En los últimos años se ha dedicado gran esfuerzo al estudio de moléculas cuyas propiedades físico-químicas pueden ser controladas reversiblemente mediante un estímulo externo. Estos sistemas reciben el nombre de interruptores moleculares, debido a su capacidad de interconvertir entre dos estados diferenciados, “On” y “Off”. Los interruptores moleculares muestran propiedades muy importantes que los hacen prometedores candidatos para una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, estos sistemas moleculares están diseñados para ser aplicados en la construcción de sistemas de almacenamiento de datos, válvulas y máquinas moleculares, sensores (bio)químicos, sensores térmicos y sistemas de administración controlada de fármacos. En general, los interruptores moleculares pueden responder a distintos tipos de estímulos, tales como estímulos ópticos, eléctricos, magnéticos, térmicos o químicos. Entre ellos, el uso de fotones y electrones para promover la interconversión entre los dos estados del interruptor es de especial interés. Aunque toda esta amplia gama de propiedades pueden utilizarse para la detección selectiva de los diferentes estados del interruptor, se ha seleccionado la fluorescencia debido a su carácter no invasivo, alta sensibilidad y bajo límite de detección. Esta Tesis Doctoral hace referencia al estudio de dos familias muy prometedoras tales como la de los metaciclofan-1-enos, dihidropirenos y la de los compuestos zwiterionic espirocíclicos de Meisenheimer, que pueden actuar como interruptores foto-electroquímicos interruptores por activación con luz, electricidad o reacción química. / Extensive research has been recently devoted to the study of molecules whose physicochemical properties can be reversibly switched as response to an external stimulus. These systems are named as molecular switches due to their ability to be interconverted between an “Off” and an “On” states. Molecular switches show very relevant properties that make them promising candidates for a wide variety of applications. For instance, these molecular systems are envisaged to be applied in the construction of data storage devices, molecular valves and machines, (bio)chemical sensors, thermal sensors and drug delivery systems. In general, molecular switches may respond to different type of stimuli, such as optical, electrical, thermal, magnetic, or chemical stimuli. Among them, the use of photons or electrons to promote the interconversion between the two states of the switch is of special interest. Although all this wide range of properties can be used for selective detection of the states of the switch, fluorescence sensing is often preferred due to its non-invasive character, high sensitivity and low detection limit. This thesis shows studies of a very promising families such as metacyclophan-1- enes, dihydropyrenes and zwiterionic spirocyclic Meisenheimer complex, which can act as photoelectrochemical switches trigger either by light, electricity or chemical reaction.

Esta Tesis se centra principalmente en la aplicación de metodologías electroquímicas tradicionales y novedosas al estudio de procesos de transferencia iónica simple y facilitada en ITIES (Interfase entre Dos Disoluciones Electrolíticas Inmiscibles) en sistemas de una y dos interfases líquido/líquido polarizables. El estudio y caracterización teórica de la respuesta electroquímica de este tipo de sistemas es de gran interés para determinar parámetros termodinámicos, cinéticos y de transporte asociados a la transferencia iónica, que pueden relacionarse con propiedades fisicoquímicas de los iones estudiados y, adicionalmente, permitir ganar conocimiento acerca de los mecanismos implicados en la transferencia de iones a través de membranas biológicas y en procesos de conversión y almacenamiento de energía. Los tratamientos teóricos que se desarrollan en la presente Tesis conducen a la obtención de ecuaciones simples, explícitas y generales para la aplicación de distintas técnicas voltamétricas, como Voltametría de Doble Pulso Diferencial, Voltametría de Onda Cuadrada y Voltametría Cíclica, y cronopotenciométricas, como Cronopotenciometría Derivativa Recíproca y Cronopotenciometría Derivativa Recíproca Cíclica, entre otras, al estudio de la transferencia simple y facilitada en sistemas de membrana líquida de una y dos interfases polarizables. Las repuestas de las distintas técnicas se estudian y caracterizan en profundidad, y se proponen estrategias y métodos para la obtención de potenciales estándar de transferencia, coeficientes de difusión en las fases acuosa y orgánica, constantes de complejación con ionóforos, y constantes cinéticas asociadas a la transferencia iónica y a la reacción de complejación en el caso de la transferencia iónica facilitada. Todos los resultados teóricos se verifican experimentalmente utilizando sensores amperométricos de membrana polimérica plastificada mediante el análisis de la transferencia iónica de una serie de especies de gran interés en la actualidad, como iones de líquidos iónicos, fármacos catiónicos anfifílicos, iones de clorocomplejos metálicos o aminas orgánicas protonadas. Como resultado se obtienen conclusiones y se establecen patrones acerca de la relación estructura/lipofilia o estructura/toxicidad de dichas especies, y además, se caracteriza teórica y experimentalmente la trasferencia conjunta de los dos iones constituyentes de una sal soluble en agua. / The present Doctoral Dissertation is mainly focused on the application of traditional and novel electrochemical techniques to the study of simple and facilitated ion transfer processes at ITIES (Interface between Two Immiscible Electrolyte Solutions) at liquid membrane systems of one and two polarized interfaces. The study and theoretical characterization of the electrochemical responses of these kind of systems is of great interest to implement and develop methods and strategies to determine thermodynamic, kinetic and mass transport parameters associated to the ion transfer, which can be related with important physicochemical properties of the species assayed and, additionally, allow gaining insights into the mechanisms involved in ion transfer at biomembranes and in energy conversion and energy storage processes. The theoretical treatments developed in the present Thesis lead to the obtaining of simple, explicit and analytical equations for the application of different voltammetric techniques, such as Differential Double Pulse Voltammetry, Square Wave Voltammetry and Cyclic Voltammetry, and chronopotentiometric techniques, such as Reciprocal Derivative Chronopotentiometry and Cyclic Reciprocal Derivative Chronopotentiometry, among others, to the study of the simple and the facilitated ion transfer at liquid membrane systems of one and two polarized interfaces. The responses of the different techniques are studied and characterized in-depth, and strategies and methods are proposed for the obtaining of standard ion transfer potential values, diffusion coefficients in the organic and the aqueous phases, complexation constants with ionophores, and kinetic constants associated to the ion transfer and to the complexation reaction in the case of the facilitated ion transfer. All the theoretical results are verified experimentally by using solvent polymeric amperometric ion sensors through the analysis of the ion transfer of a series of species currently very interesting, such as ionic liquids, catamphiphilic drugs, metal chloro complex ions and protonated organic amines. As a result, conclusions and patterns about the relation structure/lipophilicity and structure/toxicity of these species are established, and besides, the theoretical and experimental characterization of the joint transfer of the two ions constituting a water-soluble salt is carried out.