El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido la activación de enlaces inertes C-H de forma catalítica para la construcción de enlaces C-O. El primer proyecto desarrollado ha consistido en la funcionalización de enlaces C(sp3)-H para la síntesis directa de phthalides catalizado por Pd, utilizando simples ácidos benzoicos como materiales de partida. Continuando con la misma línea de investigación, el segundo proyecto realizado se ha basado en la utilización de catalizadores simples y de bajo coste de Cu para la funcionalización de enlaces C(sp2)-H/formación de enlaces C-O para la síntesis de benzolactonas. Finalmente, se ha desarrollado una metodología libre de metales para la síntesis de benzolactonas generando reactivos hipervalentes de I(III) de forma catalítica. / The main objective of this Thesis has been the activation of inert C-H bonds catalytically for the construction of C-O bonds. The fist project developed consisted on the activation of C(sp3)-H bonds for the direct synthesis of phthalides catalyzed by Pd, employing simple benzoic acids as starting materials. Continuing in the same research line, the second project described deals with the utilization of cheaper and easy to handle Cu salts as catalyst for the functionalization of C(sp2)-H bonds towards the formation of C-O bonds for the synthesis of benzolactones. Finally, the last project discovered handles a metal-free C-H functionalization approach for the synthesis of benzolactones by using simple iodoarenes as catalyst, thus

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La representació de les molècules per mitjà de descriptors moleculars és la base de moltes de les eines computacionals pel disseny de fàrmacs. Aquests mètodes computacionals es basen en l'abstracció de l'estructura química per resumir aquelles característiques rellevants sent al mateix temps eficients en la comparació de grans llibreries de molècules. Una característica molt important d'aquests descriptors és la seva habilitat de capturar la informació rellevant per la interacció amb qualsevol proteïna independentment de l'esquelet del compost. Això permet detectar com a similars qualsevol parella de compostos amb les mateixes característiques ordenades de la mateixa manera al voltant d'esquelets essencialment diferents, una propietat a la qual hom es refereix com a "scaffold hopping". Tenint en compte això, un nou conjunt de descriptors basat en la distribució de parelles de característiques farmacofòriques centrades en els àtoms per mitjà del concepte de teoria de la informació de l'entropia de Shannon [1], anomenats SHED, s'han desenvolupat.Aquests descriptors han sigut usats amb èxit en nombroses aplicacions importants en el procés de descoberta de fàrmacs. Després de la implementació de noves tecnologies in vitro com ara el "high-throughput screening" i la química combinatòria, la capacitat de sintetitzar i assajar compostos va augmentar exponencialment però alhora la necessitat d'una selecció racional dels compostos va fer-se patent. La priorització dels compostos en termes de la predicció de la seva probabilitat de mostrar la activitat desitjada és per tant una de les primeres aplicacions del perfilat virtual basat en lligands usant els descriptors SHED.En realitat, aquesta metodologia es pot estendre al punt de vista quimiogenòmic del procés de descoberta de fàrmacs, usant els descriptors per generar models basats en ligands de totes les proteïnes amb informació de lligands. Aquesta aproximació més ampla, el perfilat virtual de proteïnes, és un pas més per completar la matriu d'activitat entre tots els possibles compostos químics i totes les proteïnes rellevants. A més, una anàlisi més aprofundida d'aquesta matriu completa generada per mitjà del perfilat virtual de proteïnes pot dur-nos a una perspectiva de farmacologia en xarxa del procés de descoberta de fàrmacs. Aquesta direcció pot ser seguida afegint a aquesta informació de lligands i proteïnes la informació relativa a rutes de reaccions i anàlisi de sistemes, donant lloc a l'anomenada biologia química de sistemes que pot ajudar a entendre els processos biològics com un conjunt i a identificar de manera més racional noves i prometedores dianes terapèutiques. / The representation of molecules by means of molecular descriptors is the basis of most of the computational tools for drug design. These computational methods are based on the abstraction from the chemical structure to summarize its relevant features while being efficient in the comparison of large molecule libraries. A very important feature of these descriptors is their ability to capture the information relevant for the interaction with any target independently from the scaffold of the compound. This will allow detecting as similar any two compounds with the same features arranged in the same way around essentially different scaffolds, a property referred to as scaffold hopping. With this in mind, a new set of descriptors based on the distribution of atom-centred pharmacophoric feature pairs by means of the information theory concept of Shannon entropy [1], called SHED, have been developed.These descriptors have been successfully used in a number of applications important in the drug discovery process. After the implementation of novel in vitro technologies like high-throughput screening and combinatorial chemistry, the capacity of synthesizing and testing compounds increased exponentially but the need for a rational selection of the compounds arose as well. The prioritisation of compounds in terms of their predicted chances of displaying the targeted activity is thus one of the first applications of the ligand-based virtual ligand screening based on SHED descriptors. This application has shown very good results, both in terms of enrichment of actives in the hit list and in terms of scaffold hopping ability, i.e. the novelty of the scaffolds of the found actives in the top ranked compounds.Actually, this methodology can be extended to a chemogenomics view of the drug discovery process, using the descriptors to build ligand-based models of all the proteins with any ligand information. This broader approach, the virtual target profiling, is a step towards completing the activity matrix between all possible chemical compounds and all relevant targets. Moreover, a deeper analysis of this complete matrix generated by virtual target profiling can lead us to a network pharmacology perspective of the drug discovery process. This direction can be further followed by adding to ligand-target information the information about pathways and systems approaches, leading to a systems chemical biology approach that could help understanding biological processes as a whole and identifying more rationally novel and promising drug targets.

La reacción de metanol a hidrocarburos es una reacción descubierta a finales de los años 70 por investigadores de la compañía Mobil. Esta reacción tiene que ser catalizada mediante catalizadores de tipo zeolítico, principalmente y originalmente la zeolita ZSM-5. La reacción permite mediante dos deshidrataciones consecutivas el paso de metanol a dimetiléter y el paso de este a hidrocarburos, inicialmente a olefinas ligeras. La reacción es un proceso de refinería que presenta un amplio rango de productos que van desde el metano hasta el dureno. Dependiendo de las variables de reacción (temperatura, velocidad espacial, presión parcial de la alimentación, acidez del catalizador.) la selectividad de la reacción de metanol a hidrocarburos se ve modificada dando diferentes subprocesos tales como el MTG (metanol a gasolinas) o el MTO (metanol a olefinas) entre otros.El principal problema de la reacción de metanol a hidrocarburos es la desactivación de los catalizadores zeolíticos por formación de coque desactivante en el interior de los poros del catalizador. Este proceso llega a bloquear los poros y a desactivar los centros activos del catalizador disminuyendo e incluso anulando su actividad.Los fluidos supercríticos presentan una serie de propiedades físicas intermedias entre los líquidos y los gases que los hacen atractivos como medio para realizar una serie de reacciones. Entre estas propiedades se encuentra el aumento de solubilidad con respecto a los gases y el aumento de las propiedades de transferencia de masa en relación con las de los líquidos. Estas propiedades les permiten solubilizar el coque desactivante de reacciones en las que intervienen hidrocarburos entre ellas la isomerización del ciclohexeno, la alquilación de los butenos o la reacción de Fischer-Tropsch.En este trabajo aplicaremos los fluidos supercríticos en la reacción de metanol a hidrocarburos utilizando como catalizador la zeolita ZSM-5. Con tal objetivo se ha construido un sistema que permite la realización de la reacción a altas temperaturas (hasta 450 oC ) y a altas presiones (hasta 140 bar) y se estableció una metodología de análisis mediante cromatografía de gases.Los pasos seguidos para realizar este estudio han sido primero el estudio de la influencia de la presión sobre diferentes equilibrios termodinámicos, encontrándose que la presión no altera las conversiones teóricas de una manera significativa. El siguiente paso fue intentar encontrar un disolvente para rebajar los puntos críticos. Sin embargo no se encontró ninguno que fuera inerte a las condiciones de la reacción.En consecuencia se tuvo que trabajar mediante una alimentación de metanol puro, y debido a que en primer lugar este pasa a dimetiléter y agua, se calcularon la temperatura, presión y composición de los puntos críticos de la mezcla mediante la ecuación de estado de Peng-Robinson para permitir encontrar la región cercana al punto crítico.Tras evaluar las condiciones experimentales propicias se realizaron una serie de experimentos para determinar la influencia de la presión y la temperatura sobre la conversión del metanol y del dimetiléter. Encontrándose que a medida que aumenta la presión la energía de activación aumenta y el factor de efectividad disminuye con la presión y aumentan por efecto de la temperatura.Esto implica que la transferencia de masa dentro de los poros del catalizador a altas presiones y temperaturas sobre los 320-3800C esta parcialmente impedida.Para determinar el efecto de la presión sobre el tiempo de vida de la reacción se realizaron experimentos a tiempos largos en condiciones de presión atmosférica y cercana a las condiciones supercríticas. Los resultados mostraron una prolongación del tiempo de vida del 400% en condiciones cercanas a la supercrítica. También se mostró que la cantidad de metano generada es mayor a alta presión que a presión atmosférica.Por último se analizaron mediante análisis de fisisorción, acidez mediante intercambio iónico y análisis elemental los catalizadores utilizados en los experimentos de tiempo de vida en ellos se encontró que el aumento de tiempo de vida observado en condiciones cercanas a las supercríticas provoca una relentización del proceso de coquización que se ve reflejada en una menor disminución del área superficial, del volumen de poro, la acidez de Brönsted del catalizador y una menor cantidad del carbón depositado sobre la superficie del catalizador. / The methanol to hydrocarbons reaction was discovered at the end of the seventies by the Mobil company researchers. This reaction has to be catalysed by zeolitic catalysts, mainly by the ZSM-5 catalyst. The reaction allow converting methanol to hydrocarbons through two consecutive dehydration steps, the first one produces dimethyl ether from the methanol and the second one produces hydrocarbons, initially light olefins, form the dimethyl ether. The reaction is a refinery process, which produces a wide range of hydrocarbons from the methane to the durene. Depending on the reaction parameters (temperature, space velocity, methanol partial pressure, catalyst acidity ...) the reaction can be modified to obtain different processes as the MTG (methanol to gasoline) or the MTO (methanol to olefins).The principal problem of the methanol to hydrocarbons reaction is the zeolitic catalysts deactivation due to the coke formation inside the catalyst pores. This process can lead to the pores total blockage and to deactivate the catalyst active centres until total loss of activity.The supercritical fluids exhibit physical properties intermediate between the liquid and the gas phases, which made them an attractive medium to perform some chemical reactions.Among these properties there are increase of the solubility related to the gas phase and the increase of the mass transfer properties related to the liquid phase that permit solubilize the coke deposited on the catalyst active surface. This phenomena is particularly important in reactions, where the hydrocarbons are present as the cyclohexene isomerisation, the butene alkylation or the Fischer-Tropsch reaction.The application of the supercritical conditions or near-supercritical conditions to the methanol to hydrocarbons reaction is the main objective of this study. On this purpose, an experimental apparatus was set-up and can work at elevated temperatures (up to 400 oC) and high pressures (up to 140 bar). A gas chromatography methodology has also been established in order to analyse the reaction products.This work proceeded by the following stages: the first one was the study of the pressure influence over different thermodynamic equilibria. This influence is demonstrated to be too low to significantly alter the theoretic conversion. The next stage was to try to find a solvent to reduce the methanol critical point conditions. Nevertheless all the solvents chosen were not inert in the reaction conditions.Consequently, the feed was pure methanol. As the first step of the reaction is the methanol conversion to dimethyl ether and water, the critical point parameters of the reaction mixture (temperature, pressure and composition) has to be calculated by the Peng- Robinson equation of state in order to obtain the supercritical phase boundary conditions.After evaluating the appropriate experimental conditions a set of experiments has been perform to determine the pressure and temperature influence over the methanol and dimethyl ether conversion, when a ZSM-5 catalyst is used. As a conclusion, the pressure effect over the dimethyl ether conversion to hydrocarbons exhibits a decrease of the activation energy and the effectiveness factor as the pressure increases. The effectiveness factor increases with higher temperatures. It means that mass transport inside the catalyst pores is partially disabled, when pressure and temperature values are between 55 and 135 bar and 320 and 380oC, respectively.To determine the near critical conditions influence in the catalyst life time some experiments have been carried out with the ZSM-5 zeolite over long reaction times at atmospheric pressure and near critical pressure. The results demonstrate a catalyst lifetime prolongation of 400%, when the feed was in near critical condition related to the catalyst lifetime at atmospheric pressure.Finally, the catalysts used in the life time experiments have been analysed. The elemental analysis shows an increase in the total amount of coke deposited over the catalyst in the atmospheric conditions lifetime sample in comparison to the near-critical lifetime sample.The loss of acidity is bigger in the atmospheric conditions lifetime sample than in the near critical one due to the deposition of coke on the active centres. And the physisorption analysis shows lower decrease in the surface area of the near critical conditions lifetime than in atmospheric conditions one.

El canal iònic Receptor Vanil·loide Tipus 1 (sigles en anglès TRPV1) es considera un important integrador de diverses senyals de dolor. D'entre tots els productes que interaccionen amb TRPV1, aquells que bloquegen el senyal doloros de forma no competitiva han atret l'interès dels investigadors que treballen en el camp. A partir de resultats prèviament obtinguts per a diversos peptoides que van mostrar activitat com antagonistes no competitius de TRPV1 i que van permetre proposar una senzilla hipòtesi farmacoforica que incloïa un grup catiònic i dos aromàtics idèntics, la present tesi es va centrar en el disseny i preparació de productes amb estructures més rígides, no peptoides, capaços d'interaccionar amb TRPV1 com bloquejadors no competitius. L'avaluació biològica d'una col·lecció de nous antagonistes i un estudi en profunditat in vitro i in vivo del compost més actiu van proporcionar informació sobre el mode d'acció d'aquests compostos. Entre diferents alternatives considerades, l'esquelet d'1,3,5-triazina va ser seleccionat com el més adequat per albergar els requisits estructurals del farmacòfor proposat. Es van sintetitzar un total de 38 1,3,5-triazines-2,4,6-trisubstituidas amb estructures químicament diverses utilitzant un procediment prèviament optimitzat. Un estudi per RMN combinat amb càlculs teòrics va permetre determinar que moltes d'aquestes triazines presenten diferents confórmers en equilibri en solució, derivats de la rotació dels enllaços que uneixen les tres cadenes laterals a l'anell de triazina. Deu d'aquestes van resultar especialment actives, bloquejant el canal TRPV1 amb valors de IC50 en el rang submicromolar. D'entre les triazines sintetitzades destaca el compost 46 per la seva elevada potència (IC50 = 50 nM), trobant-se entre els bloquejadors de TRPV1 més potents descrits fins al moment. La triazina 46 presenta una activitat polimodal capaç d'inhibir l'activació de TRPV1 per capsaïcina i pH, una toxicitat reduïda tant en assajos in vitro com in vivo i actua de forma selectiva sobre TRPV1. Quant a la seva manera d'acció, 46 actua com un bloquejador de canal obert que s'uneix en una posició relativament profunda dins del porus aquós del canal. S'han construït models 3D-QSAR emprant la tècnica CoMSIA, que correlacionen les propietats estructurals de la col·lecció de compostos sintetitzats amb la seva activitat. Aquests models donen suport a la hipòtesi inicial sobre els determinants estructurals de l'activitat antagonista TRPV1, i constitueixen una eina per a la predicció de l'activitat de nous compostos. Emprant aquests models es va predir una activitat en el rang baix micromolar per membres d'una família de analegs basats en un esquelet central de pirrolidina. La síntesi i avaluació de l'activitat antagonista de TRPV1 d'alguns d'aquests anàlegs va confirmar les prediccions, validant els models 3D-QSAR i establint aquests compostos com un interessant punt de partida per al desenvolupament d'una nova família d'antagonistes. / El canal iónico Receptor Vanilloide Tipo 1 (siglas en ingles TRPV1) se considera un importante integrador de diversas señales de dolor. De entre todos los productos que interaccionan con TRPV1, aquellos que bloquean la señal dolorosa de forma no competitiva han atraído el interés de los investigadores que trabajan en el campo. A partir de resultados previamente obtenidos para varios peptoides que mostraron actividad como antagonistas no competitivos de TRPV1 y que permitieron proponer una sencilla hipótesis farmacoforica que incluía un grupo catiónico y dos aromáticos idénticos, la presente tesis se centró en el diseño y preparación de productos con estructuras más rígidas, no peptoides, capaces de interaccionar con TRPV1 como bloqueadores no competitivos. La evaluación biológica de una colección de nuevos antagonistas y un estudio en profundidad in vitro e in vivo del compuesto más activo proporcionaron información sobre el modo de acción de estos compuestos. Entre diferentes alternativas consideradas, el esqueleto de 1,3,5-triazina fue seleccionado como el más adecuado para albergar los requisitos estructurales del farmacóforo propuesto. Se sintetizaron un total de 38 1,3,5-triazinas-2,4,6-trisubstituidas con estructuras químicamente diversas utilizando un procedimiento previamente optimizado. Un estudio por RMN combinado con cálculos teóricos permitió determinar que muchas de estas triazinas presentan diferentes conformeros en equilibrio en solución, derivados de la rotación de los enlaces que unen las tres cadenas laterales al anillo de triazina. Diez de de ellas resultaron especialmente activas, bloqueando el canal TRPV1 con valores de IC50 en el rango submicromolar. De entre las triazinas sintetizadas destaca el compuesto 46 por su elevada potencia (IC50 = 50 nM), encontrandose entre los bloqueadores de TRPV1 más potentes descritos hasta el momento. La triazina 46 presenta una actividad polimodal capaz de inhibir la activacion de TRPV1 por capsaicina y pH, una toxicidad reducida tanto en ensayos in vitro como in vivo y actúa de forma selectiva sobre TRPV1. En cuanto a su modo de acción, 46 actúa como un bloqueador de canal abierto que se une en una posición relativamente profunda dentro del poro acuoso del canal. Se han construido modelos 3D-QSAR empleando la técnica CoMSIA, que correlacionan las propiedades estructurales de la colección de compuestos sintetizados con su actividad. Estos modelos dan soporte a la hipótesis inicial sobre los determinantes estructurales de la actividad antagonista de TRPV1, y constituyen una herramienta para la predicción de la actividad de nuevos compuestos. Usando dichos modelos se predijo una actividad en el rango bajo micromolar para miembros de una familia de analogos basados en un esqueleto central de pirrolidina. La síntesis y evaluación de la actividad antagonista de TRPV1 de alguno de estos análogos confirmó las predicciones, validando dichos modelos 3D-QSAR y estableciendo dichos compuestos como un interesante punto de partida para el desarrollo de una nueva familia de antagonistas. / The ion channel Vanilloid receptor type 1 (TRPV1) is considered an important integrator of various pain stimuli. Among the products that interact with TRPV1, the ones blocking the “pain signal” in an uncompetitive manner have attracted the attention of researchers working in the field. Based on previously obtained results for several peptoid hits that showed activity as uncompetitive TRPV1 antagonists, and that allowed to propose a basic pharmacophoric hypothesis consisting on one cationic and two identical aromatic moieties, this thesis focused on the design and synthesis of new antagonists with a more rigid non-peptoid structure. Biological evaluation of a collection of new blockers and an in depth in vitro and in vivo study of the most active one provided knowledge about their mode of action. In addition, a 3D-quantitative structure-activity relationship study (3D-QSAR) allowed to generate models that explain the observed biological activity and can help to predict the activities of new compounds. The 1,3,5-triazine skeleton was selected as rigid non-peptoid scaffold that can hold the three required pharmacophoric features. A total of 38 2,4,6-trisubstituted-1,3,5-triazines were synthesized using an optimized procedure. An in depth NMR study combined with theoretical calculations allowed to determine that most of these triazines present different conformers in equilibrium in solution, derived from the rotation of the bonds that joint the three side chains to the triazine ring. Ten of those triazines were particularly active blocking TRPV1 with submicromolar IC50 values. Triazine 46 exhibited a remarkably high activity (IC50 = 50 nM) being one of the most potent TRPV1 blockers described. It behaves as a polymodal antagonist against capsaicin and pH activation signals, exhibiting a low toxicity profile both in vitro and in vivo. Concerning its mechanism of action, 46 acts as an open channel blocker that locates relatively deep within the aqueous channel pore. Statistically significant 3D-QSAR models were generated, using the CoMSIA methodology, for the anti-TRPV1 activity of the newly synthesized compounds. Those models reinforced the initial hypothesis on the structural requirements for uncompetitive TRPV1 antagonists and provided a quantitative tool that could help to predict the activity of new compounds. Using these models, an activity in the low micromolar range was estimated for a few members of a new family of pyrrolidine based TRPV1 antagonists. The synthesis and biological evaluation of some of them confirmed the activity prediction, further validating the 3D-QSAR models and establishing these pyrrolidine analogues as an interesting starting point for further development of new anti-TRPV1 compounds.

Tradicionalment, el disseny de fàrmacs s’ha basat en utilitzar molècules per tractar dianes biològiques clau o en una via metabòlica concreta, típicament proteïnes. No obstant, aquest paradigma està evolucionant de forma que el problema a resoldre no es troba només en entendre l’activació o inactivació de proteïnes sinó en controlar la maquinària interna que utilitza la cèl·lula per produir aquestes proteïnes. De la mateixa manera, les malalties conegudes com a minoritàries tenen els seus orígens en la genètica, i la utilització de proteïnes com a diana terapèutica ha esdevingut insuficient. L’ARN presenta una importància fonamental en els éssers vius degut al seu paper en multitud d’esdeveniments de regulació i control. La unió de molècules a l’ARN pot permetre el silenciament gènic o sobrexpressió d’un gen en concret. Fins la data, pocs fàrmacs amb la capacitat d’unir-se a l’ARN han tingut un impacte clínic significatiu pel que és imperatiu identificar nous esquelets químics que superin les dificultats associades al reconeixement d’aquesta macromolècula. Tanmateix, s’ha observat que el tractament per inhibir l’expressió gènica de determinats patògens és una estratègia prometedora ja que universalitza la seva activitat virucida. El factor limitant actual es troba en la manca de metodologies que permetin identificar de forma ràpida i efectiva potencials fàrmacs per tractar aquest tipus de patologies. Per aquest motiu, la present tesi es basa en la recerca de noves metodologies computacionals per al reconeixement de potencials fàrmacs per al tractament de dues malalties ARN-dependents com són la distròfia miotònica de tipus 1 (DM1) i el virus de la immunodeficiència humana (VIH-1). Gran part d’aquestes metodologies es basen en l’estructura del receptor pel que és fonamental una millor comprensió de les particularitats estructurals de l’ARN en un entorn dinàmic. Per aquest motiu, en el present treball s’han aplicat protocols de dinàmica molecular i models de xarxes elàstiques a fi d’investigar la promiscuïtat estructural d’aquests ARNs. Aquestes tècniques han permès obtenir informació per a refinar la modelització de noves famílies de compostos amb activitat biològica en models in cellulo. De la mateixa manera, s’ha realitzat una racionalització de l’activitat biològica de pèptids i peptoids actius en front de DM1 i VIH-1 per a poder-ne millorar la seva activitat en futures modificacions. Finalment, s’ha estudiat la dinàmica d’una proteïna essencial per al desenvolupament muscular, la desregulació de la qual està involucrada en múltiples malalties minoritàries, i especialment en DM1. Aquesta proteïna (MBNL1) està involucrada en múltiples processos de regulació i l’estudi realitzat en aquesta tesi proposa que el seu comportament dinàmic condiciona les seves propietats d’unió a certs transcrits d’ARN per a expressar o silenciar determinats gens. / Tradicionalmente, el diseño de fármacos se ha basado en usar moléculas para tratar dianas biológicas clave o una vía metabólica concreta, típicamente proteínas. No obstante, este paradigma está evolucionando de forma que el problema a resolver no se encuentra sólo en la activación o inactivación de proteínas sino en controlar la maquinara interna que usa la célula para producir estas proteínas. Del mismo modo, las enfermedades conocidas como minoritarias tienen sus orígenes en la genética, i la utilización de proteínas como diana terapéutica es, a día de hoy, insuficiente. El ARN presenta una importancia fundamental en los seres vivos debido a su papel en multitud de procesos de regulación y control. La unión de moléculas al ARN potencialmente permite el silenciamiento o sobreexpresión de un gen en concreto. Hasta la fecha, pocos fármacos con capacidad de unirse al ARN han tenido un impacto clínico significativo por lo que es imperativo identificar nuevos esqueletos químicos que superen las dificultares asociadas al reconocimiento de esta macromolécula. Igualmente, se ha observado que el tratamiento para inhibir la expresión génica de determinados patógenos es una estrategia prometedora ya que universaliza su actividad virucida. El factor limitante actual se encuentra en la falta de nuevas metodologías que permitan identificar de forma rápida y efectiva potenciales fármacos para tratar este tipo de patologías. Por este motivo, la presente tesis se basa en la prospección de nuevas metodologías computacionales para el reconocimiento de potenciales fármacos para el tratamiento de dos enfermedades ARN-dependientes como son la distrofia miotónica de tipo 1 (DM1) i el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH-1). La mayor parte de estas metodologías se basan en la estructura del receptor por lo que es fundamental una mejor comprensión de las particularidades estructurales del ARN en un entorno dinámico. Por este motivo, en el presente trabajo se han aplicado protocolos de dinámica molecular y modelos de redes elásticas con el fin de investigar la promiscuidad estructural de estas estructuras. Estas técnicas han permitido obtener información para refinar la modelización de nuevas familias de compuestos con actividad biológica en modelos in cellulo. Del mismo modo, se ha realizado una racionalización de la actividad bilógica de péptidos y peptodies activos frente a DM1 i VIH-1 para poder mejorar su actividad en futuras modificaciones. Finalmente, se ha estudiado la dinámica de una proteína esencial para el desarrollo muscular, cuya desregulación está involucrada en múltiples enfermedades minoritarias, especialmente en DM1. Esta proteína (MBNL1) está involucrada en múltiples procesos de regulación i el estudio realizado en esta tesis propone que su comportamiento dinámico condiciona las propiedades de unión a ciertos transcritos de ARN para expresar o silenciar determinados genes. / Traditionally, drug design has focused on using molecules for treating biological targets or a specific metabolic pathway, typically proteins. However, this model is changing in such a way that the problem to be resolved is not only to be found in the activation or inactivation of proteins but also in controlling the internal cellular machinery that regulates these proteins. Similarly, the new generation of diseases known as genetic or ‘rare’ diseases is rooted in genetics, and the use of proteins as a therapeutic target is, today, insufficient. RNA has a fundamental importance in life and it plays a role in multiple processes of regulation and control. Small molecules that bind RNA can potentially silence or promote gene expression. To date, few drugs that potentially bind RNA had a significant clinical impact so it is essential to identify new chemical scaffolds that are able to overcome the inherent difficulties of this macromolecule recognition. Equally important, it the observation that inhibition of gene expression of certain pathogens is a promising strategy due to their universal virucidal activity. The current limiting factor is the lack of alternative methodologies to quickly and effectively identify potential drugs to treat such diseases. Therefore, this thesis is based on the exploration of new computational methodologies for identifying potential drugs for the treatment of two RNA-dependent diseases such as myotonic dystrophy type 1 (DM1) and the human immunodeficiency virus (HIV-1). Most of these methods are based on the receptor’s structure which is why a better understanding of the structural characteristics of RNA in a dynamic environment is essential. Therefore, in this thesis in order to investigate the structural promiscuity of these targets molecular dynamics and elastic network model protocols have been applied. These techniques have provided important information to refine the modeling of new families of compounds with biological activity on in cellulo models of DM1. Similarly, a rationalization of the biological activity of peptides and peptoids active against DM1 and HIV-1 based on structure has been conducted to improve their potency in future modifications. Finally, the dynamics of an essential protein for muscle development, whose deregulation is involved in many rare diseases, especially in DM1, has been studied. This protein (MBNL1) is involved in many regulatory processes and the study in this thesis proposes that its dynamic behavior determines its binding properties in order to bind specific RNA transcripts to enhance or silence gene expression.

Els efectes beneficiosos que els oligosacàrids de la llet materna (OLM) confereixen a la salut dels lactants s'ha estudiat durant anys. Aquests oligosacàrids proporcionen una barrera protectora i un suport nutritiu essencials, als quals no tenen accés els nens que no prenen llet materna. La llet humana és considerada única respecte a la resta de llets de mamífers pel que fa a la quantitat i la complexitat d'oligosacàrids. Actualment, s'han identificat més de 130 estructures químiques diferents de OLM, i no es disposa de cap recurs natural que proporcioni accés a aquestes estructures tan complexes i a bastament. De la mateixa manera, la síntesi química és complicada a causa de l'estructura tan complexa i diversa que presenten els OLM, i de moment, la síntesi en gran escala no ha estat possible. La síntesi enzimàtica, en canvi, es presenta com una eina alternativa de síntesi d'aquestes molècules complexes atès que, en la naturalesa els enzims són els responsables de formar enllaços glicosídics entre carbohidrats amb alta regio- i estereoselectivitat. L'objectiu d'aquesta tesi és avaluar l'ús de l'enzim Lacto-N-biosidasa de Bifidobacterium bifidum (LnbB) com un biocatalizador eficient des de dues perspectives diferents: i) l'estudi estructural-funcional de LnbB i ii) la generació de biocatalizadors capaços de sintetitzar l'oligosacàrid d'interès (lacto-N-tetraosa) mitjançant enginyeria de proteïnes en l'enzim LnbB. En aquesta tesi, hem analitzat l'organització dels dominis dels enzims de la família GH20, i, en conseqüència, hem definit dos models d'arquitectures. El Model A conté almenys dos dominis, un domini GH20b no catalític i el GH20 catalític, que sempre es presenta acompanyat d'una α-hèlix extra. En canvi, el Model B consisteix únicament en el domini catalític GH20. Mitjançant l'expressió de diferents formes truncades de LnbB, hem descrit els requeriments estructurals per a la funcionalitat dels enzims GH20, i en particular per LnbB, per tal d’obtenir la unitat funcional mínima que conservi l'activitat enzimàtica. Respecte a la síntesi de la lacto-N-tetraosa usant com a biocatalizador noves proteïnes de LnbB obtingudes mitjançant enginyeria de proteïnes, hem contemplat dues estratègies enzimàtiques diferents. En primer lloc, l'estratègia de glicosintasa, en la qual l'enzim (amb mutació en el residu assistent) és capaç de transferir el corresponent donador activat (sucre sintètic derivat d’oxazolina) a un acceptor, sense hidròlisi del producte. En segon lloc, l'estratègia de transglicosilació millorada, en la qual, una nova generació de mutants en els llocs d'unió a l'acceptor seran capaços d'acomodar de manera més favorable un sucre en lloc d'una molècula d'aigua, i d'aquesta manera, augmentar l'activitat de transglicosilació. / Los efectos beneficiosos que los oligosacáridos de la leche materna (OLM) confieren a la salud de los lactantes se han estudiado durante años. Estos oligosacáridos proporcionan una barrera protectora y un soporte nutritivo esenciales, a los que, los niños que no toman leche materna no tienen acceso. La leche humana se considerada única respecto al resto de leches de mamíferos en cuanto a cantidad y complejidad de oligosacáridos. Actualmente, se han identificado más de 130 estructuras químicas diferentes de OLM, y no se dispone de ningún recurso natural que proporcione acceso a estas estructuras tan complejas y en cantidad suficiente. Del mismo modo, la síntesis química es complicada debido a la estructura tan compleja y diversa que presentan los OLM, y por el momento, la síntesis en gran escala no ha sido posible. La síntesis enzimática, en cambio, se presenta como una herramienta alternativa de síntesis de éstas moléculas complejas dado que, en la naturaleza las enzimas son las responsables de formar enlaces glicosídicos entre carbohidratos con alta regio- y estereoselectividad. El objetivo de esta tesis es evaluar el uso del enzima Lacto-N-biosidase de Bifidobacterium bifidum (LnbB) como un biocatalizador eficiente desde dos perspectivas diferentes: i) el estudio estructural-funcional de LnbB y ii) la generación de biocatalizadores capaces de sintetizar el oligosacárido de interés (lacto-N-tetraosa) mediante ingeniería de proteínas en el enzima LnbB. En esta tesis, hemos analizado la organización de los dominios de enzimas GH20, y, en consecuencia, hemos definido dos modelos de arquitecturas de dominio. El Modelo A contiene al menos dos dominios, un dominio GH20b no catalítico y el GH20 catalítico, que siempre se presenta acompañado de una α-hélice extra. Por el contrario, el Modelo B consiste únicamente en el dominio catalítico GH20. Mediante la expresión de diferentes formas truncadas de LnbB, hemos descrito los requerimientos estructurales para la funcionalidad de las enzimas GH20, y en particular para LnbB, de modo que se obtenga la unidad funcional mínima que conserve la actividad enzimática. Respecto a la síntesis de la lacto-N-tetraosa usando como biocatalizador nuevas proteínas de LnbB obtenidas mediante ingeniería, hemos contemplado dos estrategias enzimáticas diferentes. En primer lugar, la estrategia de glicosintasa, en la que el enzima (un mutante en el residuo asistente) es capaz de transferir el correspondiente dador activado (azúcar sintético derivado de oxazolina) a un aceptor, sin hidrólisis del producto. En segundo lugar, la estrategia de transglicosilación mejorada, en la que, una nueva generación de mutantes en los sitios de unión al aceptor serán capaces de acomodar de manera más favorable un aceptor de azúcar en lugar de una molécula de agua, y de este modo, aumentar la actividad de transglicosilación. / The potential health benefits of human milk oligosaccharides (HMO) have been studied for many years. It is well known that these oligosaccharides provide a protective barrier and nutritive support that infants with poor access to breast milk do not acquire in the first years of life. Human milk is considered to be unique among mammals in terms of the quantity and complexity of its oligosaccharides. To date, 130 chemical structures within HMO have been identified. No other natural resources provide access to these complex oligosaccharides in such large amounts, and until now, large scale synthesis of HMO has not been possible by any traditional organic chemistry methodology. Enzymatic synthesis is an alternative synthetic tool since enzymes can form the new glycosidic linkage between carbohydrates with high regio- and stereoselectivity. The objective of this thesis is to evaluate the use of Lacto-N-biosidase from Bifidobacterium bifidum (LnbB) as an efficient biocatalyst in the following two ways: i) the structural-functional study of LnbB and ii) protein engineering of LnbB to generate biocatalysts able to synthesize the target lacto-N-tetraose. Here, we have analysed the domain organization of GH20 enzymes, and accordingly, have defined two models of domain architectures. Model A, contains at least two domains, a non-catalytic GH20b domain, and the catalytic GH20 which is always accompanied with an extra α-helix. In contrast, Model B consists only of the catalytic GH20 domain. By expressing different truncated forms of LnbB, we have described the structural requirements for functionality of GH20 enzymes, and in particular for LnbB, to obtain a minimal functional unit that retains the enzymatic activity. With regard to the synthesis of lacto-N-tetraose using new engineered LnbB proteins as biocatalysts, we envisage two different enzymatic strategies. First, the glycosynthase strategy, in which the activated donor is the corresponding synthetic sugar oxazoline and the enzyme, a mutant on the assisting residue, is able to transfer the donor to an acceptor without hydrolysis of the product. Second, the enhanced transglycosidase strategy, in which, a new generation of mutants on the acceptor subsites of the enzyme will be able to more favourably accommodate a sugar acceptor instead of water, and thus, increase transglycosylation activity.

Es van obtenir diferents reactors catalítics de membrana (RCM) de membrana de fibra buida de Corindó i nanopartícules de Pd obtingudes per diferents metodologies: humitat incipients impregnació, polvorització catòdica, microemulsió i aliatge amb coure pel mètode de Poliol. RCMs es van provar en medi aquós, pressió ambiental i temperatura o 60 c en generació in situ de peròxid d'hidrogen, l'oxidació i hidrogenació de fenol i ibuprofè i reducció de Cr (VI). La RCM ha actuat com interfície catalítica per tal d'activar l'hidrogen i que reaccione amb oxigen o compost orgànic o inorgànic. La RCM impregnada amb Pd és l'única que van mostrar activitat i tests d'estabilitat. Aquest comportament es va deure a la presència d'àtoms i grups de Pd. La manca activitat de la resta de catalitzadors amb Pd es va deure a la formació d'hidrur de Pd en les condicions de reacció. / Se obtuvieron diferentes reactores catalíticos de membrana (RCM) desde membranas de fibra hueca de corindón y nanopartículas de paladio obtenidas por diferentes métodos: Impregnación a humedad incipiente, sputtering, microemulsion y aleación con cobre por el método del poliol. Los RCM fueron probados en medio acuoso, presión ambiental y temperatura ambiente o 60C en la generación in situ de peróxido de hidrógeno, oxidación e hidrogenación de fenol e ibuprofeno y reducción de Cr(VI). Los RCM actuaron como interfaz catalítica para que el hidrógeno se active y reaccione con el oxígeno o el compuesto orgánico o inorgánico. Los RCM con paladio por impregnación fueron los únicos que presentaron actividad y estabilidad en las pruebas. Este comportamiento se dio gracias a la presencia de átomos y clusters de paladio. La falta de actividad de los otros catalizadores de paladio se debió a la formación de hidruro de paladio en las condiciones de reacción. / Different catalytic membrane reactors (CMRs) were obtained from hollow fiber membranes corundum and palladium nanoparticles obtained by different methods: Incipient wetness impregnation , sputtering , microemulsion and copper alloy by the method of the polyol. The CMRs were tested in aqueous medium, ambient pressure and ambient temperature or 60C for the in situ generation of hydrogen peroxide, oxidation and hydrogenation of phenol and ibuprofen and reduction of Cr(VI). The catalytic CMR acted as interface for the reactions between hydrogen with oxygen or organic or inorganic compound. Only the CMRs with palladium by impregnation were actives and stabilites during the tests. This behavior occurred thanks to the presence of clusters and single atoms of palladium. The lack of activity of the other kind of palladium catalysts were due to the formation of palladium hydride in the reaction conditions.

Durant el transcurs del primer any de la meva tesi doctoral, vaig estar involucrada en el diseny i síntesi de complexos de Zn (II) –salophen, decorats covalentment amb una unitat de 1,8-naftalimida La fixació de la unitat de 1,8-naftalimida al complex de Zn(II)-salophen va provocar una disminució significativa de la fluorescencia de la primera. Per tal d’explicar aquest fenòmen, hem proposat i demostrat l’existència d’un procès de transferencia d’energia fotoinduida entre la unitat de naftalimida (dador) i la salophen (acceptor). Un altre període de la meva tesi doctoral va ser dedicat al disseny i síntesis de nous resorcin[4]arens, modificats covalentment amb una unitat Zn(II)-salophen en el cèrcol superior. Aquest compost es va testar com a catalitzador en la hidròlisi del para-nitrofenil carbonato de colina (PNPCC). Comparant els resultats obtinguts, vàrem detectar un augment moderat de la constant de velocitat de reacció en presència del resorcin[4]arè prèviament preparat Finalment, vaig participar en el disseny i síntesis de derivats peptídics de complexos de Zn(II)-salophen. Les propietats de gelificació d’aquest derivat van ser investigades mitjançant la prova d’inversió de tub. En resum, durant la meva tesi doctoral he explorat i demostrat les asplicacions dels complexes de Zn(II)-salophen en diferents camps, tal com el reconeixement d’anions, catálisis i la preparació de nous materials. / Durante el primer año de mi tesis doctoral estuve involucrada en el diseño y en la síntesis de complejos Zn (II) -salophen covalentemente decorados con una unidad 1,8-naftalimida. La fijación de la unidad 1,8-naftalimida al complejo de Zn(II)-salophen provocó una disminución significativa de la fluorescencia de la primera. Para explicar este fenómeno, hemos propuesto y demostrado la existencia de un proceso de transferencia de energía fotoinducida entre la unidad de naftalimida (donador) y la salophen (aceptor). Otro período de mi tesis doctoral se dedicó al diseño y síntesis de un nuevo resorcin[4]areno modificado covalentemente con una unidad Zn(II)-salophen en el cerco superior. Este compuesto se ensayó como catalizador en la hidrólisis del para-nitrofenil carbonato de colina (PNPCC). Comparando los resultados obtenidos, detectamos un moderado aumento de la constante de velocidad de reacción en presencia del resorcin[4]areno que preparamos. Por último, participé en el diseño y síntesis de derivados peptídicos de complejos Zn(II)-salophen. Las propiedades de gelificación de este derivado se investigaron a través de la prueba de inversión de tubo. En resumen, durante mi tesis doctoral he explorado y demostrado las aplicaciones de los complejos de Zn(II)-salophen en diferentes campos, como el reconocimiento de aniones, catálisis y la preparación de nuevos materiales. / During the first year I was involved in the design and synthesis of Zn(II)-salophen complexes covalently decorated with a 1,8-naphthalimide unit. The attachment of the 1,8-naphthalimide unit to the Zn(II)-salophen complex provoked a significant emission quenching of the former one. To explain this phenomenon, we proposed and demonstrated the existence of a photoinduced energy transfer process between the naphthalimide unit (donor) and the salophen (acceptor). Another period of my PhD thesis was devoted to the design and synthesis of an unprecedented resorcin[4]arene derivative featuring a Zn(II)-salophen unit covalently attached at the upper rim. This compound was tested as catalyst in the hydrolysis of the para-nitrophenyl choline carbonate (PNPCC). By comparison of the obtained results, a moderate increase in the reaction rate constant was detected in the presence of the resorcin[4]arene we prepared. Finally, I was involved in the design and synthesis of peptide derivatives of Zn(II)-salophen complexes. The gelation properties of this derivative were investigated through the tube inversion test. To sum up, during my PhD thesis I have explored and showed the potentialities of Zn(II)-salophen complexes in different fields, i.e. anion recognition, catalysis and responsive soft materials.

El objetivo general de esta tesis es establecer una ruta sintética para la inmovilización de organocatalizadores en soporte polimérico. En primer lugar, describimos el desarrollo de α,α-difenylprolinol metil/trimetilsilil éteres soportados en poliestireno (PS) a través de cicloadiciones azida-alquino catalizadas por cobre (CuAAC). Además, se tratará la preparación de tiourea homogéneas derivadas de prolina, asi como organocatalizadores de tipo squaramida y tiourea soportados en poliestireno para su uso en catálisis se enlace de hidrojeno. La formación y la aplicación de éteres de diarilprolinol inmovilizados PS se probó con éxito en reacciones de tipo Michael. Asimismo, se estudió la actividad y selectividad de tioureas bifuncionales derivadas de prolina en la reacción anti-Mannich enantioselectiva y se obtuvieron selectividades moderadas. La fácil preparación del organocatalizador de tipo squaramida soportado en PS dio lugar a, actividades y enantioselectividades elevadas en reacciones de adición de Michael. Además, todas las ventajas de los catalizadores inmovilizados sobre soporte sólido, como el reciclaje y aplicaciones de flujo continuo se han realizado con éxito. Al mismo tiempo, una tiourea organocatalitica soportada en PS ha sido elaborada con un enfoque adaptado a partir de la síntesis de la squaramida relacionada. Esta tiourea se utilizó en la reacción de α-aminación junto con la propia squaramida, proporcionando resultados de buena a moderados en la α-hydrazination de compuestos 1,3-dicarbonílicos. Por lo tanto, hemos sido capaces de desarrollar organocatalizadores soportados sobre polímero eficaces que han sido utilizados en aplicaciones de reciclaje y de flujo continuo con éxito. / The general aim of this thesis is to establish a synthetic route for the immobilization of organocatalysts onto polymer support. In this work, firstly we describe the development of polystyrene-supported diarylprolinol ethers via copper-catalyzed azide alkyne cycloaddition reaction, additionally, homogeneous proline derived thiourea organocatalyst and finally, polystyrene supported hydrogen bonding squaramide and thiourea organocatalysts. The formation and application of PS-supported diarylprolinol ethers was demonstrated successfully in Michael-type reactions. Then we continued with H-bonding homogeneous organocatalysts, proline derived bifunctional thiourea organocatalysts tested in enantioselective anti-Mannich reactions. In the last part, a facile preparation of PS-supported squaramide organocatalyst was successfully demonstrated, high catalytic activities and enantioselectivities obtained in the Michael addition reactions. Furthermore, all the advantages of solid supported catalysts such as recycling, and continuous flow applications have been performed with success. At the same time, the PS-supported thiourea organocatalyst was prepared with an approach adapted from the synthesis of squaramide organocatalyst. This thiourea was used in the α-amination reaction together with squaramide organocatalyst, good to moderate results were obtained in the α-hydrazination of 1,3-dicarbonyl compounds. Therefore, we have been able to develop effective polymer-supported organocatalysts and used them in the recycling and continuous flow applications successfully.