En el presente trabajo se analiza, desde el punto de vista teórico a través de cálculos mecanocuánticos, el comportamiento dador del ferroceno, de potencial utilidad en procesos de reconocimiento de cationes metálicos, así como la estabilización de deficiencias electrónicas en  a grupos ferrocenilo. Esto permite el estudio del fenómeno de transferencia electrónica intramolecular en diferentes tríadas ferroceno-puente-aceptor, así como el efecto de la naturaleza y longitud de espaciadores -conjugados, por medio de parámetros geométricos (alternancia de enlace) y electrónicos (grado de transferencia electrónica, gap, momento dipolar,..) de la molécula. Por otra parte, es importante conocer el mecanismo intrínseco por el cual se produce la variación de la capacidad conductora mono o bidireccional de un hilo o conductor molecular, al objeto de poder así optimizar el diseño del cable según el tipo de propiedades (conductor bidireccional, diodo o semiconductor, interruptor, etc.) que se desee obtener. Para tal fin, el estudio teórico se centra tanto en las características geométricas como en la estructura electrónica de diferentes cables moleculares con estructura ferroceno-puente-aceptor, y en cómo la variación de estas características estructurales están relacionadas con el fenómeno de la conducción electrónica a lo largo de dicho cable molecular. El cálculo de las geometrías de los compuestos objeto de estudio se ha llevado a cabo a nivel DFT, utilizando o bien el paquete Gaussian09 o el paquete ORCA v. 2.9. El funcional empleado ha sido el B3LYP y las “basis set” utilizadas para optimizaciones han sido funciones de Pople 6-31G* durante la primera etapa cronológica del presente trabajo, o la def2-TZVP162,163 de Ahlrichs en el resto. En las optimizaciones con ORCA se incluye la corrección semiempírica de Grimme, que tiene en consideración la mayor parte de fuerzas dispersivas que contribuyen a la energía. El estudio computacional deja claro que el ferroceno actúa como especie dadora de electrones frente a una serie de electrófilos externos mediante cesión de un par electrónico no enlazante del átomo de hierro o bien a través de electrones localizados en los ligandos Cp. Por otro lado, el estudio de la distorsión del enlace exocíclico en la unidad ferrocénica, con respecto a su desviación de la coplanaridad con el anillo Cp, muestra, en general, que existe una buena relación entre la estabilización de la carga positiva o deficiencia electrónica del átomo exocíclico directamente unido al ferroceno, con la variación de algunos parámetros geométricos y electrónicos. Y por último, el estudio de un conjunto de compuestos push-pull (Dador-puente-Aceptor) y bismetalocénicos unidos a través de diferentes puentes -conjugados, muestra que es posible la transferencia electrónica intramolecular entre los dos centros electroactivos o interacción entre los centros metálicos. Además, en algunos casos concretos es posible detectar la funcionalidad del puente como interruptor o amplificador cuando son sometidos a un proceso reversible de protonación-desprotonación. Así, los puentes tipo imina (-CH=N-) y 2-aza-1,3-butadieno (AZD) presentan comportamiento direccional por protonación, actuando como interruptor en el caso de las iminas ("12") y los azadienos D-AZD-A ("14"), en tanto que los isómeros D-CH=N-A ("12") y A-AZD-D ("14") muestran comportamiento amplificador. / The aim of the present work is to analyze, from the theoretical point of view through quantum chemical calculations, the potentially useful donor behaviour of ferrocene in recognition processes of metal cations, as well as the stabilization of electronic deficiencies  to ferrocenyl groups. This allows the study of intramolecular electron transfer phenomenon in a variety of ferrocene-bridge-acceptor triads, as well as the effect of the nature and length of -conjugated spacers by means of geometric (bond alternation) and electronic (degree of electronic transfer, gap, dipole moment, ...) parameters of the molecule. On the other hand, it is important to know the inherent mechanism by which the variation of the mono or bi-directional conductive capacity of a molecular cable occurs, in order to optimize its design according to the type of properties (bi-directional driver, or semiconductor diode, switch, etc.) to be obtained. For this purpose, the theoretical study is focused on both the geometrical features and the electronic structure of different molecular cables with ferrocene-bridge-acceptor structure and how the variation of these structural characteristics are related to the phenomenon of electron transfer along the molecular cable. Calculated geometries of the compounds under study were fully optimized at the DFT level with the Gaussian 09 or ORCA v. 2.9 packages, using the B3LYP functional. As "basis sets", Pople 6-31G* functions for the first chronological stage of this work or Ahlrichs def2-TZVP in the rest, were used. In all optimizations with ORCA, Grimme's semi-empirical correction taking into account most dispersive forces that contribute to energy was employed. The computational study shows that ferrocene acts as electron donor species towards a variety of external electrophiles through either a nonbonding electron pair at the iron atom or through electrons located at the Cp ligands. On the other hand, the study of exocyclic bond distortion in the ferrocene unit, in a wide range of monofunctionalized ferrocenes, with respect to their deviation from coplanarity to the Cp moiety, shows that there is a good relationship between the stabilization of positive charges or electron deficiencies at the exocyclic atom directly bound to ferrocene, with some geometric and electronic parameters. Finally, the study of a set of push-pull compounds with donor-bridge-acceptor structure and bismetallocenes linked through different -conjugated bridges shows that intramolecular electron transfer between the two electroactive (or metal) centres is indeed possible. In addition, in some particular cases it is possible to detect a switch or amplifier functionality when a reversible protonation-deprotonation process takes place. Thus, imine (-CH=N-) and 2-aza-1,3-butadiene (AZD) bridges exhibit directional behaviour on protonation, as they act as a switch in case of imines A-CH=N-D (12) and azadienes D-AZD-A (14) systems, whereas their D-CH=N-A (12) and A-AZD-D (14) isomers behave as amplifiers.

Se han desarrollado nuevos métodos de síntesis para varias clases de compuestos heterocíclicos nitrogenados partiendo de derivados del cloral: pirimidinas, imidazo[1,5-b]pirazoles, imidazo[1,5-b][1,2,4]triazoles, 1,2,4-triazinas y 1,2,4-triazoles. Se efectuaron reacciones entre cloral y acetofenonas que dieron lugar a cloralacetofenonas con elevados rendimientos, las cuales fueron eficazmente deshidratadas para dar 2,2,2-tricloroetilidenacetofenonas, que se hicieron reaccionar con benzamidinas para dar nuevas 2,6-diaril-6-hidroxi-4-triclorometil-1,4,5,6-tetrahidropirimidinas con rendimientos prácticamente cuantitativos. Estos compuestos fueron deshidratados eficazmente, obteniéndose 2,4-diaril-6-triclorometil-1,6-dihidro-pirimidinas, sustancias previamente desconocidas, que se encontraron capaces de aromatizar, vía eliminación de cloroformo, para dar 2,4-diarilpirimidinas con elevados rendimientos. La principal ventaja de este procedimiento radica en que permite eludir la deshidrogenación oxidativa de dihidropirimidinas intermedias. Adicionalmente, este método preparativo puede adaptarse a un protocolo “one-pot”. Las estructuras moleculares de (4RS,6RS)-6-(4-clorofenil)-2-fenil-6-hidroxi-4-triclorometil-1,4,5,6-tetrahidropirimidina, 2-fenil-4-(4-nitrofenil)-6-triclorometil-1,6-dihidropirimidina y 4-(2-naftil)-2-(3-nitrofenil)pirimidina fueron determinadas mediante cristalografía de rayos X. Se ha conseguido la primera síntesis de 5-aril-2-hidroxi-4,5-dihidroimidazo[1,5-b]pirazol-6-onas. La reacción de 4,4,4-triclorocrotonato de etilo con hidracina proporcionó un intermedio clave, 5-triclorometil-3-pirazolidona (87%), compuesto previamente desconocido cuyas reacciones con arilisocianatos proporcionaron 1-arilaminocarbonil-5-triclorometil-3-pirazolidonas (71-88%), que fueron transformadas en 1-arilaminocarbonil-5-diclorometil-3-pirazolidonas (80-91%) mediante reducción electroquímica. Estos compuestos dieron lugar a los productos finales (62-80%) bajo condiciones fuertemente básicas. La estructura molecular de 5-fenil-2-hidroxi-4,5-dihidroimidazo[1,5-b]pirazol-6-ona fue determinada mediante cristalografía de rayos X. Mediante una modificación de este método preparativo se consiguió la primera síntesis de 2-aril-6-(4-toluenosulfonil)-6,7-dihidroimidazo[1,5-b][1,2,4]triazol-5-onas con rendimientos moderados. La estructura molecular de un miembro de esta nueva familia de compuestos, 2-(4-clorofenil)-6-(4-toluenosulfonil)-6,7-dihidroimidazo[1,5-b]-[1,2,4]triazol-5-ona, fue determinada mediante cristalografía de rayos X. El tratamiento de 3-aril-5-diclorometil-∆2-1,2,4-triazolinas (preparadas a partir de cloralamidas) con una base fuerte o una base débil derivó en procesos químicos radicalmente diferentes. Las reacciones con terc-butóxido potásico fueron rápidas, llevando a 3-aril-1,2,4-triazinas (71-82%), siendo la primera observación de una transformación directa triazolina-triazina. Sin embargo, las reacciones con trietilamina fueron mucho más lentas, proporcionando nuevos 3-aril-5-diclorometil-1-(5-aril-1H-1,2,4-triazol-3-ilmetil)-1,2,4-triazoles (61-72%). La estructura molecular de 5-diclorometil-3-fenil-1-(5-fenil-1H-1,2,4-triazol-3-ilmetil)-1,2,4-triazol fue determinada mediante cristalografía de rayos X. Se efectuaron estudios teóricos, basados en métodos de funcional densidad (DFT), de los mecanismos de reacción implicados en la síntesis de imidazopirazoles, triazinas y triazoles. / New synthetic methods for several classes of nitrogen-containing heterocyclic compounds including pyrimidines, imidazo[1,5-b]pyrazoles, imidazo[1,5-b][1,2,4]-triazoles, 1,2,4-triazines, and 1,2,4-triazoles have been developed starting from chloral derivatives. High yield reactions between chloral and acetophenones were carried out leading to chloralacetophenones, which were dehydrated effectively to give 2,2,2-trichloroethylideneacetophenones, that reacted with benzamidines leading to novel 2,6-diaryl-6-hydroxy-4-trichloromethyl-1,4,5,6-tetrahydropyrimidines in near quantitative yields. These compounds were efficiently dehydrated to obtain previously unknown 2,4-diaryl-6-trichloromethyl-1,6-dihydropyrimidines, which were found able to undergo aromatization via chloroform elimination to yield 2,4-diarylpyrimidines in high yields. A main improvement of this procedure lies in circumventing the oxidative dehydrogenation of dihydropyrimidine intermediates. This preparative process could also be adapted to a one-pot protocol. Molecular structures of (4RS,6RS)-6-(4-chlorophenyl)-2-phenyl-6-hydroxy-4-trichloromethyl-1,4,5,6-tetrahydro-pyrimidine, 2-phenyl-4-(4-nitrophenyl)-6-trichloromethyl-1,6-dihydro-pyrimidine, and 4-(2-naphthyl)-2-(3-nitrophenyl)pyrimidine were determined by X-ray crystallography. The first synthesis of 5-aryl-2-hydroxy-4,5-dihydroimidazo[1,5-b]pyrazol-6-ones was achieved. Ethyl 4,4,4,-trichlorocrotonate and hydrazine reacted to provide a previously unknown key synthetic intermediate, 5-trichloromethyl-3-pyrazolidone (87%), whose reactions with aryl isocyanates gave 1-arylaminocarbonyl-5-trichloromethyl-3-pyrazolidones (71-88%), which were converted to 1-aryl-aminocarbonyl-5-dichloromethyl-3-pyrazolidones (80-91%) by electrochemical reduction. These compounds led to the targeted products (62-80%) under strong basic conditions. The molecular structure of 5-phenyl-2-hydroxy-4,5-dihydroimidazo[1,5-b]-pyrazol-6-one was determined by X-ray crystallography. A successful modification of this preparative method allowed the first synthesis of 2-aryl-6-(4-toluenesulphonyl)-6,7-dihydroimidazo[1,5-b][1,2,4]triazol-5-ones in moderate yields. The molecular structure of a member of this new family of compounds, 2-(4-chlorophenyl)-6-(4-toluenesulphonyl)-6,7-dihydroimidazo[1,5-b][1,2,4]-triazol-5-one, was determined by X-ray crystallography. 3-Aryl-5-dicloromethyl-∆2-1,2,4-triazolines, prepared from chloralamides, were treated with either a strong base or a weak base undergoing completely different chemical processes. Fast reactions occurred with potassium tert-butoxide yielding 3-aryl-1,2,4-triazines (71-82%), it being the first time that a direct triazoline-triazine transformation was observed. However, reactions with triethylamine were observed to be much lower, leading to novel 3-aryl-5-dichloromethyl-1-(5-aryl-1H-1,2,4-triazol-3-ylmethyl)-1,2,4-triazoles (61-72%). The molecular structure of 5-dichloromethyl-3-phenyl-1-(5-phenyl-1H-1,2,4-triazol-3-ylmethyl)-1,2,4-triazol was determined by X-ray crystallography. Theoretical studies based on density functional theory (DFT) have been carried out on the reaction pathways leading to imidazopyrazoles, triazines and triazoles.

El objetivo principal de la investigación descrita en esta Tesis Doctoral consistió en el diseño, síntesis y estudio de las propiedades sensoras de una variedad de receptores en los que se combinan las características coordinantes del anillo de triazol, preparado mediante una reacción de cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen (reacción “click”), con la demostrada capacidad de la unidad de ferroceno para actuar como unidad de señalización tanto electroquímica como cromogénica. Para ello se diseñaron tres tipos de familias de receptores de diferente topología pero que disponen, fundamentalmente, de una unidad de ferroceno conectada al anillo de 1,2,3-triazol. Posteriormente, se realizaron estudios electroquímicos, de espectroscopía UV-vis, fluorescencia, RMN y espectrometría de masas para evaluar la capacidad como sensores moleculares de aniones, cationes y pares iónicos de las familias de receptores sintetizados. Los resultados más significativos del trabajo realizado se resumen a continuación: En los Capítulos 1 y 2 se describe la síntesis de dos nuevas familias de derivados de ferroceno 1,1’-asimétricamente disustituidos mediante la conversión quimioselectiva de una de las agrupaciones azida presente en el 1,1’-bis(azido)ferroceno en una unidad de 1,2,3-triazol-4-sustituida. A continuación se transformó la agrupación azida existente en esas familias de derivados, en otro tipo de agrupaciones tales como imina, urea, etc., lo que permitió acceder a nuevas familias de potenciales receptores moleculares. Los compuestos descritos en el Capítulo 1, en los que la unidad de señalización conectada al C4 del anillo de 1,2,3-triazol es una segunda unidad de ferroceno, han demostrado ser buenos receptores electroquímicos, ópticos y fluorescentes para el reconocimiento de los cationes Pb2+ y Zn2+, que quedan enlazados a ambos receptores a través de las unidades de triazol e imina presentes en sus estructuras. En el Capítulo 2 se describe una nueva familia de derivados de ferroceno 1,1’-asimétricamente disustituidos, en los que el sustituyente en posición 1 de la unidad de ferroceno fue una díada triazol-pireno mientras que en posición 1’ se incorporaron unidades de reconocimiento adicionales (imina, amida o urea) conectadas, a su vez, a unidades de señalización de diferente naturaleza (fluoróforos y cromóforos). Todos los compuestos obtenidos pueden actuar como sensores moleculares de aniones con una selectividad elevada aunque diferente en cada caso, mientras que la afinidad por los cationes metálicos difiere en gran medida de un receptor a otro. Además, dos receptores de esta familia han demostrado su habilidad para el reconocimiento de pares iónicos. Uno de ellos solo reconoce los cationes Zn2+, Cd2+, Ca2+ y Mg2+ cuando se coordina simultáneamente con los aniones H2PO4- o AcO-. La formación del complejo con ambas especies da lugar a un gran incremento de la fluorescencia y a cambios significativos en las propiedades electroquímicas y colorimétricas del receptor. Por otro lado, otro receptor perteneciente a esta familia reconoce de manera selectiva el par iónico formado por el catión Pb2+ y el anión HP2O73− dando lugar a un cambio drástico de color y de propiedades fotoemisivas del receptor. En el Capítulo 3 se han preparado dos receptores tripodales basados en un anillo de benceno central portador de tres anillos de 1,2,3- triazol a los que se encuentran unidos una unidad fotoactiva como el pireno o una unidad electroactiva como el ferroceno. El primero de ellos presenta una gran selectividad hacia el anión citrato cuando se compara con otros aniones carboxilato similares en un entorno acuoso, además de reconocer los cationes Cu2+ y Hg2+ lo que produce cambios importantes en los espectros de absorción y de emisión del receptor. El segundo receptor reconoce de manera selectiva el catión Pb2+ dando lugar a un cambio de color y a una variación en el potencial redox del receptor. / The main objective of the research described in this Thesis was the design, synthesis and study of the sensing properties of a variety of receptors in which the coordination properties of the triazole ring, prepared by a 1,3-dipolar Huisgen cycloaddition reaction ("click reaction"), with the well known ability of the ferrocene unit to act as both electrochemical unit as chromogenic signaling, are combined. For this purpose three types of receptor families with different topologies were designed. However, these molecules have the common structural feature of heaving a ferrocene unit directly linked to the 1,2,3-triazole ring. Subsequently, electrochemical, UV-vis, fluorescence, NMR, and mass spectrometry studies were performed to evaluate the ability of these new families of receptors as molecular sensors of anions, cations and ion pairs. The most significant results obtained can be summarized as follows: In Chapters 1 and 2 the synthesis of two new families of 1,1'-asymmetrically disubstituted ferrocene derivatives has been described. The synthetic methodology used involves the initial chemoselective conversion of one of the azide groups present in the 1,1'-bis(azido)ferrocene into a 1,2,3-triazole-4-substituted unit, followed by the conversion of the remaining azide group into other functionalities such as imine, urea, etc. The compounds described in Chapter 1, in which the signaling unit connected to C4 1,2,3-triazole ring is another ferrocene moiety, have proven to be good electrochemical, optical and fluorescent receptors for the recognition of Pb2+ and Zn2+ cations, which are linked to both receptors through the triazole and imine units present in their structures. In Chapter 2 a new family of 1,1'-asymmetrically disubstituted ferrocene derivatives is described. In these compounds,, the substituent at position 1 of the ferrocene moiety was a triazole-pyrene dyad while in position 1’ additional recognition units (imine, amide or urea) directly linked to signal units of different nature (fluorophores and chromophores) were incorporated. All compounds obtained can act as highly selective molecular sensors for anions and cations, although such selectivity depends on the specific receptor used. In addition, two receptors of this family have shown ability for recognizing ion pairs. Significantly, one of them only recognizes Zn2+, Cd2+, Ca2+ and Mg2+ cations when they are simultaneously coordinated to H2PO4- or AcO- anions. Complex formation with both species results in a large increase in fluorescence and significant changes in colorimetric and electrochemical properties of the receptor. Furthermore, another member of this family of receptors selectively recognizes the ion pair formed by Pb2+ cation and HP2O73- anion, resulting in a dramatic color change and a large change in the photoemisive properties of the receptor as the recognition process takes place. In Chapter 3 two receptors based on a tripodal central benzene ring, bearing three of 1,2,3-triazole rings directly linked to a photoactive pyrene unit or to an electroactive ferrocene unit, were prepared. The former has a high selectivity towards the citrate anion, when compared with similar carboxylate anions in an aqueous environment. In addition, this receptor recognizes Cu2+ and Hg2+ cations, giving rise to important changes in its absorption and emission spectra. The latter, selectively recognizes Pb2+ cation resulting in a color change and a change in the redox potential of the host.

El trabajo de investigación que se presenta en esta memoria forma parte de un amplio proyecto desarrollado durante años por el grupo de investigación al que pertenezco y que trata fundamentalmente sobre la preparación y reactividad de diferentes iminofosforanos. Más concretamente, aquí se relatan los resultados obtenidos en el estudio de la reactividad de algunos derivados de fósforo(V) tales como iminofosforanos y óxidos o sulfuros de fosfina con sustituyentes alquenilo y alquinilo sobre el átomo de fósforo. Por esta razón se ha considerado conveniente hacer una introducción muy general sobre iminofosforanos, incidiendo de un modo más particular en la reactividad descrita en la bibliografía de aquellos que son P-alquenil y P-alquinil sustituidos.

Objetivos: Estudiar la capacidad de funciones acetálicas tales como 1,3-dioxolano, 1,3-ditiolano y sus análogas de seis miembros, para participar en procesos tándem iniciados por una transferencia de hidruro. Se evaluarán como unidades receptoras potenciales de dicho anión agrupaciones cetena, cetenimina, aleno, fulveno y fragmentos benciliden malonato. Metodología: 1) Diseñar y sintetizar acetal compuestos aptos para experimentar dichos procesos tándem. 2) Estudiar su reactividad química mediante inducción térmica y catalítica. 3) Caracterizar los productos de reacción mediante diferentes técnicas espectroscópicas. 4) Postular rutas mecanísticas que expliquen las transformaciones acontecidas en los materiales de partida. 5) Estudiar computacionalmente tales transformaciones. Resultados: 1) Se ha estudiado la reactividad térmica de -diazoceto compuestos portadores de funciones 1,3-dioxolano y 1,3-dioxano. Estos compuestos experimentan un reagrupamiento de Wolff proporcionando orto-acetal-cetenas transitorias que sufren un proceso tándem [1,5]-H/CEA-6 para concluir en la formación de ortoésteres cíclicos. También se han investigado C-alcoxicarbonil N-aril ceteniminas en procesos tándem similares. Las 1,3-dioxolano-ceteniminas estudiadas evolucionan a espiro 1-(2H)isoquinoleínas a través de la secuencia migración [1,5]-H/CEA-6 planeada. Este estudio se ha extendido a ceteniminas que soportan funciones 1,3-ditiolano y 1,3-ditiano, aislándose isoquinoleíntionas y 4-quinolonas, respectivamente. Se ha examinado la capacidad de N-(hetero)arilvinil ceteniminas y carbodiimidas, sustituidas en la posición 2 del fragmento (hetero)arilo por una función 1,3-dioxolano, de participar en reagrupamientos sigmatrópicos [1,7]-H. Sin embargo, dichos heterocumulenos, bajo activación térmica, experimentan un proceso tándem CEA-6/reacción ene retro-quelotrópica con extrusión de 2-carbeno-1,3-dioxolano. 2) Se ha estudiado la capacidad del carbono central de una función aleno de actuar como término de un reagrupamiento [1,5]-H desde una función acetálica. Se ha descrito que alenos portadores de funciones acetal cíclicas, se convierten en espirodihidronaftalenos por un proceso tándem [1,5]-H/CEA-6. Se ha observado que dimetoximetil-alenos experimentan además de la migración habitual [1,5]-H, la transferencia [1,5] de un grupo metoxilo, siendo los productos mayoritarios los resultantes de la migración inicial de hidrógeno. Cuando el aleno de partida contiene sólo un grupo metoxilo se produce exclusivamente la migración [1,5] de un hidrógeno bencílico. El estudio teórico realizado de las transformaciones de 1,3-dixolano-alenos revela que tanto el anillo acetálico como grupos aceptor electrónicos sustituidos en la unidad aleno favorecen la etapa de transferencia [1,5]-H respecto a compuestos estructuralmente similares en los que no estén presentes. Adicionalmente, se ha comprobado que alenos portadores de funciones 1,3-dioxolano, 1,3-dioxano y 1,3-oxatiolano sufren un proceso de ciclación intramolecular cuando se tratan con hexafluoroantimoniato de plata y/o ácido trifluoroacético proporcionando indeno-1,4-dioxepanos, -1,5-dioxocanos y -1,4-oxotiepanos, respectivamente. 3) Se ha explorado la viabilidad de funciones acetálicas para participar en procesos de transferencia de hidrógeno no clásicos. Benciliden malonatos orto sustituidos por funciones (ditio)acetálicas se transforman, en presencia de Sc(OTf)3, en indan-1-onas protegidas mediante una transferencia inicial 1,4 del hidrógeno acetálico hasta el carbono β del fragmento estirilo, seguida de un cierre de anillo 1,5. 4) Benzofulvenos que contienen una función acetálica en posición orto, bajo activación térmica, se transforman en benzo[f]indenos 4 y 9 sustituidos en proporción relativa 1 a 2. Tales transformaciones son mecanísticamente explicables implicando una migración inicial 1,4, [1,5], 1,6, o [1,7]-H. Mediante experimentos de marcaje isotópico con deuterio se ha descartado una transferencia inicial 1,4-H. El estudio computacional realizado de la transformación de un 1,3-dioxolano-fulveno revela a) que la migración 1,6-H es más favorable energéticamente que los alternativas [1,5]-H y [1,7]-H y b) que las conversiones tándem de los fulvenos de partida en los isómeros benzo[f]indénicos son procesos exergónicos, siendo los derivados 9-sustituidos los productos de control termodinámico. / Objectives: To study the ability of acetalic functions such as 1,3-dioxolane, 1,3-dithiolane and related six-members units to participate in tandem processes initiated by a hydride shift. Ketene, ketenimine, allene, fulvene and benzylydene malonate groups will be evaluated to act as receptor units of such anion. Methodology: 1) To design and synthesize acetal compounds capable to undergo those tandem processes. 2) To study their chemistry reactivity by thermal and catalytic induction. 3) To characterise reaction products by spectroscopic techniques. 4) To make mechanistic proposals for explaining start material transformations. 5) To carry out computational studies on such transformations. Results: 1) The thermal behaviour in solution of alkyl α-diazoacetoacetates bearing 1,3-dioxolane and 1,3-dioxane fragments has been studied. These species undergo Wolff rearrangements to give transient ortho-acetal-ketenes that experiment subsequent [1,5]-H/6π-ERC tandem processes giving rise to cyclic orthoesters. The suitability of analogous C-alkoxycarbonyl N-aryl ketenimines to undergo similar tandem processes has been also investigated. The 1,3-dioxolane-ketenimines transform into 1-(2H)-isoquinolines presumably through the expected [1,5]-H/6π-ERC sequence. The study has been extended to ketenimines supporting 1,3-dithiolane and 1,3-dithiane functions. These cases yield isoquinolinethiones and 4-quinolones, respectively. The suitability of β-(hetero)arylvinyl ketenimines and carbodiimides containing 1,3-dioxolane rings for experiencing [1,7]-H sigmatropic rearrangements has been tested. Instead, the heterocumulenes undergo a tandem 6π-ERC/retro-quelotropic ene reaction with extrusion of 2-carbena-1,3-dioxolane. 2) The ability of the central carbon atom of an allene unit to act as terminus of [1,5]-H shifts from acetalic carbon atoms has been studied. Allenes containing cyclic acetalic units, built in an ortho-phenylene scaffold, convert into spirodihydronaphthalenes by tandem [1,5]-H/6π-ERC processes. Similar dimethoxymethyl-allenes have been shown to experiment competitive [1,5]-H and [1,5]-OMe shift processes, the hydrogen migration initiating the reaction path leading to the major reaction product. Only [1,5]-H shifts occur in similar allenes bearing exclusively one methoxy group at the benzylic position. A computational study on these tandem processes reveals that the acetalic functions and electron-withdrawing groups at the allene unit both activate the rate-determining initial [1,5]-H shift. Moreover, the intramolecular cyclizations of the same allenes as above, bearing 1,3-dioxolane, 1,3-dioxane and 1,3-oxathiolane functions, by the catalytic action of either silver hexafluoroantimonate or trifluoroacetic acid yield the respective indene-1,4-dioxepanes, -1,5-dioxocanes and -1,4-oxathiepanes. 3) The ability of acetalic functions for participating in non-classic hydrogen shift processes has been examined. Benzylydene malonates bearing cyclic (dithio)acetalic functions transform into protected indanones under Sc(OTf)3 catalysis. 4) Benzofulvenes bearing (non)-cyclic acetal units in ortho position thermally transform into a mixture of 4 and 9-substitued benz[f]indenes in a 1:2 ratio. Mechanistic paths initiated by an initial 1,4, [1,5], 1,6 or [1,7]-H shift are conceivable for explaining those transformations. The results of deuterium labelling experiments exclude a 1,4 hydride shift as the initial step. A computational study on transformation of the plain 1,3-dioxolane reveals that a) the energy barrier of the 1,6-H shift is lower than those of the [1,5] or [1,7]-H shifts and b) the tandem conversions of the starting fulvenes into benz[f]indenes are exergonics, the major 9-susbtituted regiosiomer being the thermodynamically-controlled product.

El objetivo principal de la investigación descrita en esta Tesis Doctoral fue la síntesis y el estudio de receptores portadores de unidades carbazol e indolocarbazol capaces de establecer interacciones selectivas con iones que han demostrado tener una gran importancia tanto medioambiental como biológica en disolución y en soporte sólido. Así, los resultados más significativos del trabajo llevado a cabo pueden resumirse como sigue: Los estudios realizados en el Capítulo 1 mostraron la síntesis de dos nuevos receptores que combinan las propiedades cromogénicas del azobenceno con la capacidad del grupo tiourea de unirse a cationes Hg(II). Las valoraciones de absorción demostraron la presencia de una respuesta colorimétrica selectiva hacia este catión a través de un cambio de color de amarillo a violeta. Por otro lado, se preparó un nuevo material mesoporoso derivado del SiO2 portador de unidades azobenceno-tiourea. Dicho material poseyó una carga de ligando de 0.13 mmol/g de SiO2. Al llevar a cabo los estudios de reconocimiento, se observó la misma respuesta colorimétrica selectiva hacia los cationes mercurio. En el Capítulo 2, se estudió un nuevo derivado de carbazol 2,7-disustituido como receptor de anión dipicolinato, una molécula empleada como biomarcador de ciertas bacterias tales como el ántrax. Las medidas de fluorescencia indicaron que el reconocimiento del anión llevó asociado un cambio en el color de la emisión que permitió la discriminación de este analito frente a otros estructuralmente muy relacionados. El receptor permitió la detección de una cantidad de dipicolinato dos órdenes de magnitud inferior a la dosis infecciosa de ántrax. El Capítulo 3 describe la síntesis y el estudio de tres familias de receptores derivados de carbazol para la detección selectiva de aniones hidrogenopirofosfato. Los estudios del primer receptor tripodal mostraron la presencia de una respuesta selectiva hacia dicho anión en mezclas de DMSO/agua 20% (v/v). La síntesis de dos modelos simplificados junto con el uso combinado de numerosas técnicas analíticas demostraron que la complejación tuvo lugar en dos procesos de equilibrios diferenciados. La segunda familia consistió en receptores derivados de la bis-carbazolilurea y se estudió por medio de medidas de absorción, emisión y RMN. Estas medidas mostraron la presencia de una respuesta selectiva tanto en absorción como en emisión hacia el anión hidrogenopirofosfato en mezclas acetonitrilo/agua. Además, se realizaron estudios de modelización molecular que, de acuerdo con los datos experimentales, indicaron que el reconocimiento transcurrió a través de un gran cambio conformacional en la molécula propiciando el establecimiento de puentes de hidrógeno intramoleculares en la periferia del receptor. Por último, este Capítulo describió la síntesis y anclaje de otro derivado de bis-carbazolilurea a una superficie de oro. Las medidas de SPR en agua tamponada mostraron, no solo una gran selectividad hacia hidrogenopirofosfato, sino también un notable incremento en la sensibilidad, llegando a detectarse hasta 17 ppt de anión. En el último Capítulo de esta Tesis, se sintetizó una serie de familias de receptores derivados de la estructura de indolo[2,3-a]carbazol. Los resultados de la primera familia de receptores probaron que la introducción de grupos hidroximetilo en las posiciones 1 y 10 del esqueleto básico del indolocarbazol llevó asociada un incremento en la estabilidad de los complejos formados con aniones en acetonitrilo. Sin embargo, la introducción de sustituyentes butilcarbamoílo inhibió las propiedades de reconocimiento por el establecimiento de puentes de hidrógeno intramoleculares con los NH pirrólicos y aumentaron la acidez de éstos favoreciendo la presencia de procesos de desprotonación con aniones básicos. La expansión de la cavidad receptora por medio de la introducción de alquenos de geometría E en las posiciones 1 y 10 aumentó ligeramente la selectividad de los receptores hacia el anión benzoato en DMSO. La última parte de este Capítulo se centró en el anclaje de un derivado de indolocarbazol a una superficie de oro y su estudio como receptor de aniones. Las medidas de SPR mostraron que la superficie funcionalizada fue activa hacia aniones y, además, se observó cierto grado de selectividad hacia benzoato. / The main objective of the research described in this Ph. D. Thesis was the evaluation of different receptors bearing carbazole and indolocarbazole moieties as anion and cation receptors in competitive media. On the other side, it was also intended the anchoring of related molecules to surfaces in order to increase both sensibility and selectivity of the receptors. Thus, the highlights of this Thesis can be resumed as follows: Studies carried out in Chapter 1 showed the synthesis of two new receptors combining the chromogenic properties of the azobenzene moiety and the ability of the thiourea group to bind mercury(II) cations. Titrations by means of absorption spectroscopy demonstrated a selective colorimetric response towards Hg(II) via a remarkable colour change from yellow to deep purple in THF. Besides, a new SiO2-derived mesoporous material decorated with azobenzene-thiourea moieties was prepared. TGA measurements indicated a ligand content of 0.13 mmol of ligand/gram of SiO2. Recognition showed a highly selective colorimetric behaviour against mercury(II) cations. In Chapter 2, a new 2,7-disubstituted carbazole was studied as a receptor for dipicolinate anion: a molecule employed as biomarker for some bacteria, including the infamous Anthrax. Emission spectroscopy measurements indicated that the recognition of this anion was associated to a fluorescence colour change, which permitted the discrimination of the analyte among other structurally related anions and allowed the obtaining of a detection limit two order of magnitude lower than the infectious dose of Anthrax. Chapter 3 described the synthesis and study of three families of carbazole-based receptors for the selective detection of hydrogenpyrophosphate. Studies on the first tripodal receptor offered a selective response towards the aforementioned anion in a high competitive medium such as DMSO/water 20%. The synthesis of two simplified models and the combined use of a variety of analytical techniques proved that complexation took place in two successive equilibria. The second family utilised the bis-carbazolyl urea scaffold and was studied by means of absorption and emission spectroscopies, as well as NMR. These measurements exhibited a selective colorimetric or fluorescence behaviour towards hydrogenpyrophosphate in acetonitrile/water mixtures. Molecular modelling studies, in accordance with the experimental results, suggested that the recognition event provoked a great conformational change in the molecule favouring the formation of intramolecular hydrogen bonds in the periphery of the receptor. Finally, another bis-carbazolyl urea-based compound was attached to a gold surface. SPR measurements in buffered water showed not only a high selectivity towards hydrogenpyrophosphate but and enhancement in the sensibility, a detection limit of 17 ppt was calculated, compared to the results obtained in solution. In Chapter 4, a series of indolocarbazole-based compounds were synthesised and studied as anion receptors. The binding experiments were divided in three groups. In the first one, it was proved that the introduction of hydroxymethyl side groups to the basic scaffold had a great effect on the stability of the complexes formed with anions in acetonitrile. Nevertheless, the substitution of the latter by butylcarbamoyl groups inhibited the recognition properties by the formation of an intramolecular hydrogen bond between the amide carbonyl group and the pyrrolic NH of the indolocarbazole and increased the acidity of the pyrrolic protons favouring the manifestation of deprotonation equilibria with basic anions. The expansion of the binding cavity by the introduction of E-alkenes in positions 1 and 10 slightly enhanced the selectivity towards benzoate in DMSO. The last section of Chapter 4 was dedicated to the anchoring, characterisation and binding studies of an indolocarbazole derivative to a gold surface. As a remarkable result, it is worth mentioning that the self-assembled monolayers showed response for all the tested anions and confirmed a certain degree of selectivity for benzoate anion in water.

El desarrollo de quimiosensores para la detección eficaz de aniones y cationes es un área de gran relevancia en el campo de la Química Supramolecula, debido al importante papel que juegan estas especies en procesos biológicos, ambientales y químicos. Paralelamente, ha ido emergiendo el diseño y aplicación de los receptores heteroditópicos preorganizados para la detección simultánea de especies aniónicas y catiónicas. Dentro de este contexto, los objetivos de esta tesis doctoral se centran en el diseño, síntesis y estudio del comportamiento sensor de diferentes tipos de receptores aza-heterocíclicos que contienen una unidad de señalización y, al menos, un anillo de imidazol como unidad de reconocimiento, covalentemente unidos. Además, la fusión angular de unidades azaheterocíclicas adicionales al imidazol permiten mejorar la capacidad de reconocimiento de estos receptores poli-azaheterocíclicos. Así, el primer objetivo de esta tesis está relacionado con el diseño y estudio de un receptor basado en el ferroceono en el que éste se encuentra unido a una unidad imidazo[4,5-f]quinoxalina. La fusión angular de la quinoxalina al anillo de imidazol genera una cavidad en la que los átomos de nitrógeno de ambos anillos pueden cooperar en el reconocimiento de cationes, mientras que el grupo NH del imidazol quedaría disponible para el reconocimiento de aniones. Este receptor, se comporta como sensor electroquímico y colorimétrico de cationes Zn2+, Cd2+, Hg2+ y Pb2+. El siguiente objetivo trata de la síntesis y estudio de 2-ferrocenil-1H-imidazo[4,5-f]quinoxalinas 7,8-disustituidas que contienen grupos fenilo, piridilo, furanilo o tiofenilo. El receptor difenil-sustituido se comporta como sensor redox, cromogénico y fluorescente selectivo de catión Pb2+, mientras que el receptor dipiridil-sustituido muestra capacidad para detectar selectivamente cationes Hg2+. Por otro lado, la funcionalización de la quinoxalina con anillos de tiofeno o furano contribuye a mejorar la eficacia del reconocimiento. Ambos receptores muestran una mayor afinidad por los aniones HSO4- y H2PO4- en presencia de los cationes Zn2+, Pb2+, Cd2+, Mg2+ o Ni2+. Se comportan como sensores de pares iónicos mediante una fuerte perturbación de su potencial redox y un incremento significativo de la intensidad de emisión. El siguiente objetivo propuesto se basa en la fusión de fenantreno, fenantrolina o pireno al sistema imidazoquinoxalina, para mejorar la selectividad y sensibilidad de los anteriores receptores. Así, los receptores derivados de las unidades dipirido-imidazo-fenacina e imidazo-fenantro-fenacina actúan como sensores selectivos redox, colorimétricos y fluorescentes de Hg2+, mientras que el derivado de la unidad dibenzo-imidazo-fenacina actúa como sensor altamente selectivo de Pb2+ en una mezcla acuo-orgánica. Además, se han sintetizado otros receptores 2-ferrocenil-benzobisimidazol 7-sustituidos por otra unidad de ferroceno, 2,4-dinitrobenceno o pireno. El receptor 2,7-ferrocenil disustiutuido actúa como sensor redox y fluorescente selectivo de Hg2+ y HSO4-. Por otro lado, el receptor ferrocenil-2,4-dinitrofenilo-bisimidazol se comporta como sensor redox y cromogénico de AcO-, H2PO4- y SO42- y los cationes Zn2+, Pb2+ y Hg2+, permitiendo la detección “a simple vista”. Por último, el ferroceil-pirenil-bisimidazol muestra un fuerte incremento de la intensidad de emisión en presencia de anión H2PO4-. Además, se ha descrito un receptor altamente preorganizado que combina las propiedades redox del ferroceno, las propiedades fotoemisivas del pireno y la capacidad coordinativa del anillo de imidazol. Esta diada ferrocenil-imidazopireno se comporta como sensor de pares iónicos separado, ya que es capaz de detectar un catión y un anión simultáneamente a través de dos canales: electroquímico y fluorescente. Finalmente, se ha descrito una familia de receptores basados en la unidad imidazo[4,5-e]-2,1,3-benzotiadiazol, diferentemente funcionalizados con otros anillos azaheterocíclicos con objeto de mejorar las propiedades frente al reconocimiento (pirrol, piridina, imidazol) o el carácter luminiscente (7-azaindol, benzo[g]indol). Esta familia de receptores exhibe un marcado solvatofluorocromismo y una intensa fluorescencia tanto en estado sólido como en disolución. Además, el receptor sustituido con una unidad de pirrol actúa como sensor luminiscente de compuestos nitroaromáticos, en particular, presenta una respuesta selectiva hacia el ácido pícrico. Por otro lado, el receptor funcionalizado con una unidad de piridina se comporta como sensor de las sales de Cd(AcO)2 y Zn(AcO)2 tanto en disolución como en estado sólido. Curiosamente, la formación de estos complejos en disolución permite la extracción selectiva de la sal de Zn2+ en presencia de la sal de Cd2+ tanto en disolución de cloroformo como en éter etílico. / The development of specific chemosensors for the efficient detection of anions and cations is an important subject in the field of Supramolecular Chemistry due to their fundamental roles in biological, environmental and chemical processes. Simultaneously, an emerging field within this area is based on the design and application of preorganized heteroditopic receptors for the simultaneous sensing both cationic and anionic guest species. In this context, the main objectives of this PhD thesis are focused on the design, synthesis and study of sensor behavior of several kinds of azaheterocyclic receptors containing a signal unit and, at least, a covalently linked amphoteric imidazole ring as binding unit. In addition, the angular annelation of additional azaheterocyclic units to the imidazole ring have been also carried out in order to improve the binding ability of the resulting poly-azaheterocycle receptors. Another common structural motif in the design of these receptors is the ferrocene unit that displaying remarkable electrochemical-sensing properties. Therefore, first objetive of this PhD Thesis is related to the design and study of a ferrocene-based heteroditopic receptor in which the ferrocene moiety is attached to an imidazo[4,5-f]quinoxaline. The presence of a quinoxaline ring, angularly fused to a imidazole unit, create a cavity where the N atoms present could synergistically cooperate in recognizing cationic species, while the NH group of the imidazole ring would be available for the recognition of anionic. In fact, this receptor behaves as a dual electrochemical and optical chemosensor molecule for Zn2+, Cd2+, Hg2+ y Pb2+ metal cations The second objetive is based on the design and study of 7,8-disubstituted 2-ferrocenyl-1H-imidazo [4,5-f]quinoxalines containing phenyl, pyridyl, furanyl or thienyl units. The 7,8-diphenyl substituted receptor behaves as a highly selective redox, chromogenic and fluorescent chemosensor molecule for Pb2+ cations in MeCN solution, while the receptor bearing two additional pyridine rings as substituents, exhibits ability for sensing Hg2+ cations in the same medium. On the other hand, the functionalization of the quinoxaline ring with furane o thiophene rings contributes to improve the efficiency of the recognition processes. Thus, both receptors show a dramatic enhancement in the binding of HSO4- and H2PO4- anions when are co-bound with Zn2+, Pb2+, Cd2+, Mg2+ o Ni2+ cations, whereas no affinity of the free receptors by HSO4- anion and Ni2+ or Mg2+ cations individually is observed. These receptors behave as ion-pair chemosensors by strong perturbation of the redox potential of the ferrocene unit and a remarkable enhancement of the fluorescence in the presence of an anionic and cationic species. Another objetive of this PhD Thesis is based on the annulation of an additional policyclic ring, such as phenanthrene, phenanthroline or pyrene. to the imidazoquinoxaline core, in order to improve the selectivity and sensitivity of this set of receptors. Thus, the dipyrido-imidazo-phenazine and imidazo-phenanthro-phenazine based receptors act as a selective molecular probe of Hg2+ cation through three different channels: electrochemical, colorimetric and fluorescent. However, dibenzo-imidazo-phenazine based receptor behaves as a highly selective redox/chromogenic/fluorescent chemosensor molecule for Pb2+ cations in MeCN/H2O (9/1). In addition, we have synthesized other type of multichannel chemosensor molecules based on the 2-ferrocenil-7-substituted benzobisimidazol system, decorated with another ferrocene, 2,4-dinitrobenzene or pyrene unit. The bisferrocene-benzobisimidazole acts as a dual highly selective redox and fluorescent molecular sensor for Hg2+ cation and HSO4- anion probably through initial proton transfer followed by hydrogen bond formation and subsequent anion coordination. The ferroceyl-2,4-dinitrophenyl-bisimidazole behaves as a redox and chromogenic chemosensor molecule for AcO-, H2PO4- and SO42- anions and Zn2+, Hg2+ and Pb2+ cations the recognition process being accompanied by a colour change which allows their “naked eye” detection. On the other hand, the ferroceyl-pyrenyl-bisimidazole shows a strong increase of the monomer emission band only in the presence of H2PO4-. In the same way, we have also described the synthesis and binding properties of a receptor in which the redox activity of the ferrocene group, the fluorogenic behaviour of pyrene and the binding ability of the imidazole ring are combined in a highly preorganized system. This ferrocenil-imidazopryrene dyad behaves as a host separated ion pair sensor which is able to simultaneously recognize an anion and a cation through two different channels: electrochemical and fluorescent. Finally, a set of imidazo[4,5-e]-2,1,3-benzothiadiazole multifunctional receptors, differently functionalized with other heterocyclic rings to improve the sensing properties (pyrrol, pyridine, imidazole) or the luminescent character (7-azaindole, benzo[g]indole) have also been synthesized. These receptors display solvatofluorochromism and intense fluorescence both in solution and in the solid state. Moreover, the receptor that contain a pyrrol unit as substituent, acts as luminescent molecular chemosensors for the detection of nitroaromatic compounds, particularly exhibiting a selective response towards picric acid. On the other hand, the receptor functionalized with a pyridine unit behaves as an ion-pair receptor of Cd(AcO)2 and Zn(AcO)2 either in solutions or in the solid state. Interestingly, the formation of the ion-pair complexes in solution, allows the selective extraction of the Zn2+ in the presence of the Cd2+ salt, either by a chloroform or diethyl ether solution of the receptor.

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En los últimos años ha cobrado gran fuerza la aparición de los alimentos funcionales, entendiéndose como tales aquellos que le confieren al consumidor un beneficio para la salud más allá de sus propiedades puramente nutritivas. Uno de los grupos de alimentos funcionales que más cuota de mercado está obteniendo es el de los enriquecidos en sustancias bioactivas con un alto valor biológico. En esta tesis doctoral se propone la investigación necesaria para el diseño de alimentos funcionales enriquecidos en diversos tipos de estilbenos, moléculas que han demostrado poseer propiedades beneficiosas para la salud. El estudio de los estilbenos favorecerá, además, su uso en las industrias farmacéutica y cosmética. El hecho de que, por una parte, los miembros de esta familia de compuestos muestren un alto grado de inestabilidad y que, por otra, la gran mayoría de ellos presenten un carácter poco hidrofílico, dificulta el enriquecimiento de productos con estas moléculas por lo que se hace necesario el diseño de nuevas estrategias para que puedan ser empleados, como es el caso de la encapsulación molecular. Por ello, el objetivo general de la presente tesis es la nanoencapsulación de diferentes estilbenos mediante ciclodextrinas con el fin de incrementar, por un lado, su estabilidad frente a diversos agentes físico-químicos y, por otro, la solubilidad de los derivados más hidrofóbicos. METODOLOGÍA La metodología utilizada se ha basado en ensayos fluorimétricos, espectrofotométricos y cromatográficos para caracterización de la formación de distintos complejos de inclusión de los estilbenos con diferentes tipos de ciclodextrinas naturales y modificadas. También se han utilizado diferentes métodos (ORAC, ABTS y FRAP) para evaluar la capacidad antioxidante de estilbenos, en ausencia y presencia de ciclodextrinas. Por último se han empleado técnicas de docking molecular. CONCLUSIONES La conclusión principal de esta Tesis Doctoral es que se ha conseguido encapsular diferentes estilbenos (oxyresveratrol, resveratrol, pinosilvina y pterostilbeno) mediante distintos tipos de ciclodextrinas, lo que abre la oportunidad al uso de estos importantes compuestos bioactivos en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética. Además sea demostrado la utilidad de los nanocomplejos ciclodextrina/estíbenos en áreas como la cromatografía, la enzimología o la actividad antioxidante. / INTRODUCTION AND OBJECTIVES In recent years the growth of the functional foods industry has increased research into new compounds with high added value for use in the fortification of traditional products. One of the most promising functional food groups are those enriched in antioxidant compounds of a lipophilic nature. As a result, in this thesis are required for the design of functional foods rich in various types of stilbenes, molecules that have been shown to have large beneficial properties for health research is proposed. In spite of the numerous advantages reported for such antioxidant molecules, they may also have disadvantages that impede their use in functional foods, although these problems may well avoided by the use of encapsulant agents such as cyclodextrins. Therefore, the overall objective of this thesis is the nanoencapsulation of different stilbenes by cyclodextrins in order to increase firstly, its stability against various physical and chemical agents and, secondly, the solubility of the more hydrophobic derivatives. MATERIAL AND METHODS The methodology is based on fluorimetric and chromatographic assays for characterization of the formation of inclusion complexes of various stilbene (oxyresveratrol, resveratrol pterostilbene and pinosylvin) with different types of natural and modified cyclodextrins. Have also been used different methods, ORAC, ABTS and FRAP, to evaluate the antioxidant capacity of stilbenes, in the absence and presence of cyclodextrins. Finally, we have used a molecular docking. CONCLUSIONS The main conclusion of this thesis is have been encapsulated different stilbene (oxyresveratrol, resveratrol and pterostilbene pinosylvin) through different types of cyclodextrins, which opens the opportunity to use these important bioactive compounds in food, pharmaceutical and cosmetic. In addition we have demonstrated the utility of nanocomplex stilbene/cyclodextrin in areas such as chromatography, enzymology or antioxidant activity.

Objetivos El objetivo general de esta Tesis Doctoral se centró en la aplicación de la tecnología enzimática para el diseño y optimización de procesos integrados de sacarificación de celulosa mediante el uso de la tecnología de líquidos iónicos y reactores de membrana. Metodología Para llevar a cabo este objetivo se realizaron tests de actividad y estabilidad del derivado enzimático inmovilizado de estudio en diferentes líquidos iónicos (ILs). En los procesos de disolución, regeneración de celulosa y recuperación del IL, se emplearon diferentes etapas de operación (mezclado, filtración y destilación) para la obtención de la celulosa regenerada y separación del IL. Se contempló también, el diseño de sistemas integrados de reacción / separación basados en la incorporación de membranas para la recuperación y reutilización de enzimas. Y por último, para los controles de calidad de las disoluciones de glucosa obtenidas, se emplearon cultivos de Saccharomyces cerevisiae. Resultados y conclusiones La estabilidad de la celulasa comercial (Celluclast®), inmovilizada en un soporte polimérico (Amberlite XAD4), se estudió en 3 líquidos iónicos diferentes [N1114] [NTf2], [Bmim] [NTf2] y [Bmim][Cl]) a 50°C. Los ILs hidrofóbicos mejoraron claramente la estabilidad térmica de la enzima: En el caso del [N1114][NTf2] se consiguió aumentar hasta 4 veces el tiempo de vida media del biocatalizador, mientras que el [Bmim][Cl] se comportó como un potente desactivador. La estabilidad de la celulasa en mezclas IL hidrofóbico/ Bmim][Cl] permitió estabilizar la enzima frente a la desactivación producida por el [Bmim][Cl]. El derivado enzimático inmovilizado se recubrió con [N1114][NTf2] utilizándose exitosamente en la sacarificación de celulosa disuelta en [Bmim][Cl] (i.e. hasta un 50% de hidrólisis en 24h) a 50°C. Así mismo, se desarrolló un proceso cíclico sostenible de sacarificación enzimática de celulosa pretratada con IL. Para ello se emplearon diferente soluciones homogéneas de celulosa en [Bmim][Cl] para la producción de celulosa amorfa mediante precipitación con agua, etanol o una mezcla equimolar agua / etanol. Varios parámetros de operación (e.g. tipo de disolvente, temperatura, ultrasonidos, etc.) se probaron para la precipitación de celulosa así como para las siguientes etapas de lavado para la total recuperación del IL (hasta un 99.7%), el cual se reusó exitosamente en un proceso cíclico de disolución / regeneración. La celulosa regenerada producida en cada ciclo resultó en un sustrato excelente para la sacarificación enzimática (i.e. hasta un 97.7% de hidrólisis en 4h a 50°C) mediante la acción combinada de celulasa y celobiasa solubles. La solución transparente de glucosa obtenida fue de excelente calidad para el crecimiento aeróbico de Saccharomyces cerevisiae. El uso de un reactor de membrana polietersulfónica, en modo discontinuo demostró excelentes rendimientos de hidrólisis (95%), manteniéndose constantes durante 9 ciclos operacionales de reutilización de la enzima soluble, sin problemas de colmatación en la membrana. Por otra parte, la sacarificación en continuo de celulosa, realizada en un reactor de membrana cerámica, requirió la optimización de parámetros como la concentración del sustrato alimentado y el tiempo de residencia en el reactor. Los perfiles de hidrólisis constantes observados durante el estado estacionario del reactor demostraron la idoneidad del mismo. En lo referente a los flujos de permeado, éstos permanecieron constantes en el tiempo, probando una eficaz acción catalítica de la enzima que evitó problemas de colmatación en la membrana. Esta Tesis Doctoral presenta por primera vez una estrategia sostenible para la sacarificación de celulosa en reactores de membrana, basada en la combinación de la tecnología de los líquidos iónicos con la tecnología enzimática, lo que permite la valorización de biomasa vegetal para la producción de bioetanol. / Aims The principal aim of this PhD Thesis was focused on the application of enzyme technology for the design and optimization of integrated processes for saccharification of cellulose using ionic liquids technology and membrane reactors. Methodology To accomplish this aim, activity and stability tests of the studied immobilized enzyme derivative were performed in different ionic liquids (ILs). Different stages of operation (mixing, filtration and distillation) were used in the dissolving, regeneration and recovery of IL processes, in order to obtain regenerated cellulose and separate the IL. The design of integrated reaction / separation systems, based on the incorporation of membranes for the recovery and reuse of enzyme, was also considered. Finally, for quality control of the glucose solutions obtained, cultures of Saccharomyces cerevisiae were used. Results and discussion The stability of commercial cellulase (Celluclast ®), immobilized on a polymer support (Amberlite XAD4) was studied in three different ionic liquids [N1114] [NTf2], [Bmim] [NTf2] and [Bmim] [Cl]) at 50 °C. The hydrophobic ILs clearly improved the thermal stability of the enzyme. For the case of [N1114] [NTf2], the half-life time of the biocatalyst was increase up to 4 times, while [Bmim][Cl] behaved as a powerful deactivating agent. Cellulase stability in mixtures hydrophobic IL / [Bmim][Cl] helped to stabilize the enzyme against inactivation produced by the [Bmim][Cl]. The immobilized enzyme derivative was coated with [N1114] [NTf2] being successfully used in the saccharification of cellulose dissolved in [Bmim] [Cl] (i.e. up to 50% hydrolysis in 24 hours) at 50 ° C. A sustainable cyclic process for enzymatic saccharification of cellulose pretreated with IL was developed. To this end, different homogeneous solutions of cellulose in [Bmim][Cl] were used for the production of amorphous cellulose by precipitation with water, ethanol or an equimolar mixture water/ethanol. Several operating parameters (e.g. type of solvent, temperature, ultrasound, etc.) were tested for the precipitation of cellulose as well as for the following washing steps for the complete recovery of IL (up to 99.7%), which was successfully reused in a cyclic process of dissolution/regeneration. Regenerated cellulose obtained from each cycle was an excellent substrate for enzymatic saccharification (i.e. up to 97.7% hydrolysis in 4 h at 50 ° C) by the combined action of soluble cellulase and cellobiase. The clear solution of glucose obtained was of excellent quality for aerobic growth of Saccharomyces cerevisiae. Enzymatic hydrolysis of cellulose was also studied in different membrane reactors in continuous and discontinuous mode. The use of polietersulfonic membranes in discontinuous mode showed excellent hydrolysis yields (95%), which remained constant for 9 cycles of soluble enzyme reuse, without fouling problems in the membrane. On the other hand, the continuous saccharification of cellulose, realized with a ceramic membrane reactor, required to optimize parameters such as feeding substrate concentration and residence time. Constant hydrolysis profiles observed during the steady state of the reactor demonstrated its suitability. Regarding the flow of permeate, it remained constant along time, confirming an effective catalytic action of enzymes which avoided any fouling problem in the membrane. This PhD thesis presents for the first time a sustainable strategy for the saccharification of cellulose in membrane reactors, based on the combination of the technology of ionic liquids with enzyme technology, which allows the use of plant biomass for production of bioethanol.