L’interès sobre la química dels pèptids ha augmentat degut a la importància de les estructures secundàries i terciàries en les funcions de les proteïnes, fet que ha promogut els seu estudi ha través de peptidomimètics i peptoids. Així, la descripció de les interaccions en les agregacions en ambdós nivells molecular i supramolecular ha estat crucial per entendre molts processos biològics. En última instància, la racionalització entre les seqüències d’aminoàcid i les propietats resultants proveiria instruccions clau pel disseny de compostos amb funcionalitats específiques. A la present tesi doctoral, vàries famílies de peptidomimètics han estat sintetitzades usant aminoàcids ciclobutànics i lineals de cadena curta. Entre les plataformes rígides, aminoàcids 1,2-ciclobutànics i 2,2-dimetil-1,3-ciclobutànics s’han empleat com a elements de restricció conformacional mentre que els residus lineals han contribuït amb flexibilitat, per tal d’induir propietats singulars i definides amb interessants aplicacions en química supramolecular. • Aminoàcids 1,2-ciclobutànics han estat preparats a través d’una síntesi estereodivergent i s’han fet servir per sintetitzar α-, β- o γ-peptidomimètics. Mentre que els cis-β-aminoàcids ciclobutànics adopten conformacions degudes a enllaços d’hidrogen de sis membres els residus trans presenten enllaços d’hidrogen de vuit membres. El disseny de β-pèptids ciclobutànics curts amb estructura determinada pot ser modulada a través de la combinació estratègica de les seves unitats constituents, com en un joc de lego on l’assemblatge de les peces dóna una estructura particular. • La introducció d’espaiadors lineals entre els residus 1,2-ciclobutànics també modula el plegament en forma de cinta que mostren els β-pèptids homoquirals. La intercalació d’unitats de glicina i GABA modifica el patró d’enllaços d’hidrogen cap a la formació de làmines β mentre per contra, les de β-alanina fan que el pèptid formi una hèlix-14. La intercalació d’espaiadors més rígids com el ciclobutè, en canvi, no modifica l’estructura de cinta en absolut. Algun d’aquests pèptids tenen capacitat de gelar la majoria de dissolvents orgànics comuns, a concentracions força baixes com en toluè, on la mgc = 7-12 mM pels tres tetrapèptids i el pseudotetrapèptid amb cadena d’hexil. L’estructura supramolecular dels gels derivats dels tetrapèptids híbrids en toluè es fibril·lar excepte pel derivat de β-alanina, que mostra una agregació globular. Això mostra que les diferències d’agregació a nivell molecular es traslladen també al nivell supramolecular. • D’altra banda, amides tripodals basades en aminoàcids al voltant d’un centre d’àcid nitrilotriacètic (NTA) han estat sintetitzades com a receptors d’anions. La glicina ha promogut la sensibilitat del receptors cap a benzoat, acetat i sobretot dihidrogenfosfat, afinitat que decreix amb la llargada d l’espaiador, excepte per l’anió fluorur, cap al qual tots mostren gran afinitat. Receptors amb aminoàcids 1,3-ciclobutànics han mostrat reconeixement selectiu cap al fluorur, un d’ells mostrant la formació i complexació de bifluorur amb una constant d’estabilitat de l’ordre de 108 M-2 in DMSO-d6. / The interest of peptide chemistry has raised due to the importance of secondary and tertiary structures in the functions of proteins, what has enhanced their study through the use of peptidomimetics or peptoids for instance. Thus, description of the interactions in the arrangements in both molecular and supramolecular levels has been crucial for the understanding of many biological processes. Ultimately, the rationalization between the amino acid sequences and the resulting properties would provide key instructions for the design of compounds exhibiting specific functionalities. In the current PhD Thesis, several families of peptidomimetics have been synthesized employing cyclobutane and short-linear amino acids. Among the rigid scaffolds, 1,2- and 2,2-dimethyl-1,3-cyclobutane amino acids have been used as conformational restriction elements whereas the linear residues have contributed with flexibility, in order to induce singular and defined properties with interesting applications in supramolecular chemistry. • Stereodivergent synthesis has been used to prepare chiral 1,2-cyclobutane amino acids. Such scaffolds have been used to synthesize several families of α-, β- or γ-peptidomimetics. While the cis-β-cyclobutane amino acids adopt a 6-membered hydrogen-bond conformation which leads to an extended ribbon structure, the trans-residues present an 8-membered hydrogen-bonding which favours a twisted arrangement. The design of short cyclobutane β-peptides with a specific folding can be tuned by the strategic combination of its constituting units, like in a lego game where the assembly of its pieces gives a particular structure. • The introduction of linear spacers between the 1,2-cyclobutane residues also modulates the ribbon folding shown in homochiral short β-peptides. The intercalation of glycine and GABA units changes the hydrogen-bonded pattern into β-sheets while β-alanine amino acid makes the peptide to fold into a 14-helical structure. The intercalation of more rigid spacers as cyclobutene ring is, instead, does not change the ribbon folding at all. Some of these hybrid peptides show capacity to gelate most of the common organic solvents, at very low concentrations in solvents like toluene, where mgc = 7-12 mM for the three tetrapeptides and the hexyl-pseudotetrapeptide. The supramolecular structure of the gels from hybrid tetrapeptides in toluene is fibrillar except for the globular-arranged β-alanine derivative, exhibiting the translation of different self-assembly from the molecular to the supramolecular scale. • On the other hand, amino acid-based tripodal amides around a nitrilotriacetic acid (NTA) core have been synthesized as anion hosts. Glycine have enhanced the sensitivity of the host to benzoate, acetate and specially towards dihydrogenphosphate, affinity that decreases with the length of the spacer, except for fluoride anion, towards which they exhibited great recognition. 1,3-Cyclobutanecontaining hosts selectively recognized fluoride, one of them showing the formation and complexation of bifluoride with a very high stability constant in the order of 108 M-2 in DMSO-d6.

Les diamines i els diàcids carboxílics en forma cíclica, ambdues estructures substituïdes en les posicions 1,2 de l’anell carbonat, constitueixen versàtils building blocks en química orgànica. Han estat utilitzats en la preparació de diferents derivats des de materials híbrids a lligands en reaccions catalítiques i en auto-ensamblatge de molècules (utilitzades com a plantilles per a nanoestructures inorgàniques), gràcies a la possibilitat de controlar la seva estereoquímica, rigidesa i requeriments estèrics. Així doncs, en la primera part d’aquesta Tesi Doctoral s’ha portat a terme la síntesi enantio- i diastereocontrolada dels quatre estereoisòmers de la ciclobutan-1,2-diamina amb ambdós grups amino protegits ortogonalment. Aquesta protecció assegura una funcionalització regioselectiva dels dos grups amino i en reté la quiralitat en el cas dels estereoisòmers cis que d’altra banda esdevindrien formes meso. La versatilitat d’alguns d’aquests compostos s’ha utilitzat en la preparació dels següents compostos o derivats. Hem de mencionar els organogeladors de baix pes molecular, els quals han mostrat habilitat de gelar toluè entre altres solvents. Aquests organogeladors estan constituïts per estructures ciclobutàniques i han estat comparats amb els organogels formats pels seus anàlegs amb anell ciclohexà. El seu comportament ha estat estudiat mitjançant l’ús de tècniques microscòpiques i per experiments de RMN a temperatura variable per tal de seguir el procés de gelació, mostrant una important dependència en l’estereoquímica cis/trans i tambè una important dependència de la mida de l’anell (ciclohexà vs ciclobutà). En segon lloc, la síntesi estereoselectiva de nous tensioactius de tipus bola derivats de la ciclobutan-1,2-diamina i el ciclobutan-1,2-dicarboxílic àcid s’ha portat a terme. La seva caracterització físico-química i les seves propietats d’agregació han estat descrites. S’ha posat èmfasis en l’estudi de l’efecte de la seva estereoquímica relativa i l’àtom connector a l’anell ciclobutà. En tercer lloc, en la present Tesi doctoral s’han sintetitzat síliques híbrides derivades de la ciclobutan-1,2-diamina utilitzant diferents mètodes de condensació. La seva morfologia ha estat estudiada per RMN en estat sòlid i per SEM. Finalment, s’ha utilitzat la funcionalitat ciclobutan-1,2-diamina com a precursor per preparar una sílica capaç de coordinar rodi per tal de sintetitzar un material quiral per catàlisi. D’altra banda, diferents pirrolidines contenint el ciclobutà disubstituit en posicions 1,3 com a element quiral han estat també sintetitzades a partir de la (-)-verbenona com a material de partida. Aquests compostos han estat eficientment utilitzats com a estabilitzants en la preparació de nanopartícules de ruteni. Finalment, aquestes nanopartícules han estat provades com a catalitzadors en reaccions de reducció mostrant una bona selectivitat i activitat catalítica. / Cyclic 1,2-diamines and 1,2-dicarboxylic acids are versatile building blocks in organic chemistry. They have been used as scaffolds for the preparation of various derivatives ranging from hybrid materials to ligands in catalyzed reactions and self-assembling molecules (used as templates for inorganic nanostructures), thanks to the possibility to control their stereochemistry, steric demand and rigidity. Thus, in the first part of this PhD Thesis, an efficient enantio and diastereocontrolled synthesis of the four stereoisomers of cyclobutane-1,2-diamine derivatives has been achieved. Their orthogonal protection secures the regioselective functionalization of both amino groups retaining the chirality in the case of cis-compounds that otherwise would become meso forms. Then, the versatility of some of these scaffolds has been used in the preparation of the following compounds or materials. We must mention low molecular weight gelators (LMWGs), which have shown the ability to gelate toluene among other solvents. These organogelators are based on cyclobutane structures and have been compared with the ones formed by the cyclohexane analogues. Their behaviour and morphology have been studied by microscopy and by NMR experiments at variable temperature in order to monitor the gelation process, showing high dependence on their cis/trans stereochemistry and also an important dependence on their ring size (cyclohexane vs cyclobutane). Secondly, the stereoselective synthesis of new chiral bola surfactants derived from cyclobutane-1,2-diamine and cyclobutane-1,2-dicarboxylic acid has been achieved and their physicochemical characterization and their aggregation properties have been described. Special attention has been focused on the study of the effect of their relative stereochemistry and the connecting atom in the cyclobutane ring. Moreover, the synthesis of hybrid silicas derived from cyclobutane-1,2-diamine using different condensation methods has also been achieved in this Thesis. Their morphology has been studied by NMR in solid state and by SEM. Furthermore, cyclobutane-1,2-diamine have been also used as precursor to prepare a silica able to coordinate rhodium in order to prepare a chiral material for catalysis. On the other hand, pyrrolidines containing the 1,3-disubsituted cyclobutane as a chiral moiety have been also prepared from (-)-verbenone as a starting material. These compounds have been efficiently used as stabilizers in the preparation of ruthenium nanoparticles. Finally, these nanoparticles have been tested as catalysts in reduction reactions showing good catalytic activity and selectivity.

Els dispositius òptics biosensors basats en la detecció d’ona evanescent podrien superar les limitacions dels tests de diagnòstic actuals (que són lents i cars) degut a la possibilitat de realitzar les deteccions a temps reals i fent servir un esquema sense la necessitat de marcatges. Entre els diferents transductors òptics, els interferomètrics són els que posseeixen els millors límits de detecció (LOD) deguts a canvis en el índex de refracció de dissolucions (10-7-10-8 Unitats d’Índex de Refracció, RIU) així com per sensibilitat superficial (en el rang dels pg/ml) i un rang lineal més gran. No obstant, les configuracions interferomètriques (l’interferòmetre Mach-Zehnder o el Young) més usuals fan servir un divisor amb forma de Y, que és essencial per dividir o recombinar la llum, lo qual, degut a les toleràncies de les actuals tècniques de fabricació es una gran desavantatge per la reproduibilitat d’aquests dispositius. Per evitar aquests problemes, hem desenvolupat una configuració interferomètrica més simple basada en un guia de ones recte on dos modes de llum de la mateixa polarització interfereixen entre si. Aquesta configuració elimina la complexitat dels interferòmetres més utilitzats i conseqüentment, el biosensors que s’obtenen són més fiables i reproduïbles. Aquesta tesis esta dirigida al desenvolupament i la caracterització d’un nou transductor fotònic per biosensat d’alta sensibilitat i sense marcatges, el dispositiu de guia d’ona bimodal (BiMW). Amb aquest propòsit, els següents punts han estat plantejats: 1. Disseny, fabricació i caracterització òptica del transductor que opera segons el principi de la interferència de dos modes de llum. 2. Desenvolupament i optimització de les estratègies de funcionalització de la superfície transductora fent servir processos de silanització. 3. Estudi de l’aplicabilitat del biosensor amb la demostració del diagnosis analític de problemes clínics rellevants. El transductor es fabrica a nivell d’oblea a la Sala Blanca, lo qual garanteix la producció en massa del dispositiu així com un preu baix del mateix. El dispositiu és molt sensible a variacions en l’índex de refracció de dissolucions, obtenint un límit de detecció de 2×10-7 RIU. La biofuncionalització de l’àrea sensora es un dels aspectes més importants d’aquest treball. Diferents protocols per immobilitzar els diferents bioreceptor en la superfície del dispositiu (cadenes d’ADN, proteïnes i anticossos) han estat desenvolupats. Aquests protocols s’han fet servir per la demostració de diferents bioaplicacions; la detecció d’hormones, bactèries o seqüències d´ADN complementàries. Els resultats presentats en aquesta tesis han destacat pel superior funcionament d’aquest dispositiu en comparació amb els tests de diagnosis convencionals degut a: i) la possibilitat de monitoritzar les interaccions biomoleculars en temps real i fent servir un esquema sense marcadors reduint el temps i el cost de l’assaig, ii) la fabricació del dispositiu fent servir microtecnologia de silici, possibilitant la producció en massa, iii) l’alta sensibilitat (pg/ml, femtomolar) demostrada per les diferents bioaplicacions avaluades i iv) el dispositiu reuneix els requeriments específics per ser miniaturitzat e integrat en una plataforma de sensat multiplexada. Aquest treball obre la porta a la integració d’aquest transductor en un dispositiu lab-on-a -chip, una feina que inclou l’acoblament/detecció de la llum, un sistema capaç de modular la senyal interferomètrica i la incorporació de canals microfluídics per anàlisis multiplexats. Cadascun d’aquests temes afegeix molta complexitat al dispositiu final, han de ser individualment desenvolupades i optimitzades per ser integrades en un biosensor lab-on-a-chip. Finalment, la possibilitat de detectar simultàniament múltiples analits involucra el desenvolupament de noves tècniques per recollir les múltiples senyals així com desenvolupar noves estratègies de biofuncionalització. / Optical biosensor devices based on evanescent wave detection could overcome the limitations of conventional diagnostic tests (expensive and time-consuming) due to the possibility of carrying out the detection in real-time and using a label-free scheme. Among the different optical transducers, interferometric devices have evidenced the best limit of detection (LOD) for refractive index changes of bulk solutions (10-7-10-8 Refractive Index Units, RIU) and for surface sensing (in the pg/ml range) and a wider linear range. However, usual interferometric transducers (Mach-Zehnder or Young interferometers) employ the Y-junction to split or recombine light, a drawback for the coherence and performance of the device due to standard tolerances of microfabrication techniques. To overcome these problems, we have developed a simple configuration based on a single straight waveguide where two modes of the light of the same polarization are interfering between them. This simple approach avoids the complexity of the usual interferometric transducers and as a consequence, more reliable and reproducible biosensors can be obtained. This thesis is focused on the development and characterization of a new photonic transducer, the Bimodal Waveguide device (BiMW), for label- free and high sensitive biosensing. To achieve this, the following steps have been pursued: 1. Design, fabrication, and optical characterization of an optical transducer operating by two-mode interference principle. 2. Development and optimization of biofunctionalization strategies on the transducer surface using silanization techniques. 3. Study of the applicability of the biosensor with the demonstration of bioanalytical diagnosis of relevant problems. The transducers are fabricated at wafer level in Clean Room facilities, which warrants a cost-effective and mass-production of the sensor chips. The device is highly sensitive to small changes in the refractive index occurring on the sensor area, leading to a detection limit of 2.5×10-7 RIU for bulk changes in refractive index solutions. The biofunctionalization of the sensor area is one of the most crucial aspects of this work. Optimized functionalization procedures have been achieved, which has been employed to immobilize different types of bioreceptors (DNA strands, proteins, and antibodies) on the surface. The optimized protocols have been used for the demonstration of different bioapplications such as the detection of hormones, bacteria, or complementary DNA sequences. The results presented in this work have highlighted the superior performance of this device in comparison with conventional diagnostics tests due to: i) the possibility of monitoring biomolecular interactions in real-time and by using a label-free scheme which reduce the time and cost of the assay , ii) the fabrication of the device using standard silicon microelectronics technology opening the possibility for mass-production, iii) the high sensitivity demonstrated for the different bioapplications assessed achieving detection limits in the pg/ml range (femtomolar), and iv) the device meets the specific requirements to be miniaturized and integrated in a multiplexed platform. This work opens the door for the integration of this transducer in a lab-on-a-chip device, including the in-coupling/out-coupling of light, a system able to modulate the interferometric signal, and the incorporation of microfluidics channels for multiplexing. Each of these subjects adds a great complexity to the final device, and must be independently developed and optimized in order to be successfully integrated at the final lab-on-a-chip biosensor. Finally, the possibility to detect simultaneously multiple analytes will involve further efforts in developing new optical in and outcoupling as well as new biofunctionalization strategies.

La present Tesi Doctoral està dividida en dues parts. En la primera part es descriu el desenvolupament de materials luminescents que responen a estímuls externs. En els darrers anys aquesta àrea de investigació ha donat lloc al desenvolupament de importants aplicacions, com per exemple sensors (bio)químics i d'imatge, i dispositius pel processament de la informació i/o l'emmagatzematge. Un dels reptes en aquest camp de recerca consisteix en la preparació de sistemes que siguin sensibles a dos o més estímuls diferents, permetent així la multifuncionalitat per a un únic material. En aquest treball s’han sintetitzat i caracteritzat nous sistemes moleculars multiestímul que consisteixen en dues unitats unides covalentment, un fluoròfor acceptor d’electrons de perilendiimida (PDI) i una unitat moduladora (ditieniletè i estilbè). És important destacar que aquests mecanismes de desactivació poden ser controlats per protonació i/o isomerització foto-electroquímica de la unitat moduladora, fet que permet la modulació de la fluorescència entre els diferents estats del sistema. En la segona part de la Tesi Doctoral es descriu la fabricació de micro- i nanoestructures monodimensionals 1D (construïdes a partir de molècules π-conjugades autoassemblades) per la construcció i miniaturització de dispositius opto-electrònics com ara sensors i cel·les solars. Així, s’han sintetitzat diferents sistemes que consten d’una unitat acceptora d’electrons (PDI) i una unitat donadora d’electrons (estilbè). L’autoassemblatge d’aquests compostos en materials 1D s’ha assajat mitjançant diferents metodologies. En funció de la metodologia utilitzada per la formació d’estructures s’obtenen sistemes amb diferents dimensions (micro- i nanomètrica) i morfologies (tubs i fibres). Finalment, la disposició ordenada de les molècules dins de les estructures, així com les propietats electro-òptiques dels materials resultants s'han investigat a través de tècniques microscòpiques i espectroscòpiques. / The current Doctoral Thesis is divided into parts. The first part describes the development of luminescent materials that responds to external stimulus. It is important to note that this research area, which has emerged as an important area of research in the last years, includes the development of (bio)chemical devices for sensing and imaging and systems for information processing and storage. In this sense, the Doctoral Thesis shows the preparation of new multifunctional switchable systems that are sensitive to different stimulus. These new molecular systems are based on two units, which are covalently linked, the perylenediimide unit (PDI, electron acceptor moiety) and the switchable unit (dithienylethylene and stilbene, electron donor moiety). The quenching of the fluorescent properties of one of the two states of those molecular switches is triggered by applying different external stimulus such as protons, electricity or light. The second part of the Doctoral Thesis is devoted to the fabrication of onedimensional (1D) micro- and nanostructures made of self-assembled π- conjugated molecules. One of the most promising and an active of research fields due to the fabrication and miniaturization of opto-electronic devices, e.g. sensors and solar cells. For this study it is decided to build multicomponent materials by self-assembly of molecular systems based on a perylenediimide unit and the switchable unit (stilbene). The preparation of those compounds composed by electron donor and acceptor moieties may display good photoconductivity properties for being applied in photovoltaics. The present work also shows that the shape (nanorod and nanotubes) and the size (micrometer- and nanometer dimensions) of the obtained 1D nanostructures is strongly dependent on the methodology used for making them. Finally, the degree of order of the nanostructures as well as the electro-optical properties of the resulting materials have been investigated by means of microscopy and spectroscopy techniques.

La presencia de contaminantes orgánicos en entornos no deseables y/o en cantidades mayores a las recomendadas es un asunto que preocupa actualmente, resultando necesario conocer los efectos nocivos que éstos pueden causar en la salud de la población. Para ello, se requiere una investigación profunda sobre los niveles de concentración de estos contaminantes en matrices de interés, como son los alimentos y las aguas, sobre todo si se trata de aguas de consumo humano. Estos estudios aparecen con el fin de abordar una visión global sobre la seguridad alimentaria y mantener un medio ambiente libre de contaminantes orgánicos, crucial para nuestra supervivencia. Entre los retos de la química analítica moderna se encuentran la investigación y elucidación de los contaminantes presentes en aguas y alimentos, que junto con la información de sus concentraciones, ayudan a encontrar las acciones adecuadas para combatir el problema de la contaminación del medio ambiente y mantener la seguridad alimentaria. Se han abordado diferentes problemas analíticos relacionados con el análisis tanto de matrices de alimentos, tal como frutas y verduras sometidas comúnmente a la aplicación de productos fitosanitarios, como de matrices medioambientales. Para ello se ha hecho uso de distintos métodos analíticos, en función de la complejidad y requisitos de los problemas abordados. La primera parte se centra en el uso del analizador QqQ MS, escogido para el desarrollo de métodos cuantitativos para la determinación de residuos de plaguicidas, tanto en matrices de carácter alimentario como medioambiental. Se realiza una detallada revisión de los métodos desarrollados mediante GC-MS/MS QqQ en la última década en dichos campos de aplicación y se muestra el desarrollo, validación y aplicación de un método cuantitativo para la determinación de 130 plaguicidas en diversos alimentos de origen vegetal, con la modalidad de trabajo de MS en tándem que ofrece dicho analizador. En una segunda parte se muestra el potencial del analizador TOF MS, simple o acoplado a un cuadrupolo (QTOF MS) para el análisis de residuos de plaguicidas, explorando diferentes enfoques. Se desarrolla un método cuantitativo target, basado en GC-TOF MS, para una lista seleccionada de plaguicidas en muestras de naranjas, tomates, zanahorias y manzanas. Además se realizó un análisis non-target de las muestras ya analizadas con el objetivo de descubrir la presencia de otros compuestos no considerados inicialmente. En otro trabajo, haciendo uso de GC-QTOF MS, con ionización química a presión atmosférica (APCI), se analiza muestras vegetales como manzana, naranja, tomate, zanahoria, lechuga, calabacín, pimiento rojo y fresa. Mediante uso de modo MSE, se aplica un método de screening para unos 130 plaguicidas. Tras la identificación de varios positivos en las muestras, se realiza una validación cuantitativa de todos ellos, procediendo seguidamente a cuantificarlos de forma retrospectiva en las muestras ya analizadas. Finalmente, se amplía el método de screening a 250 plaguicidas más, con la detección del ion molecular/molécula protonada, usando para ello la función de baja energía. Los positivos encontrados se estudiaron con mayor detalle intentando conocer, al menos de forma tentativa, la identidad del compuesto gracias a la información sobre iones fragmento aportada en la función de alta energía. Por último se aborda un campo de trabajo diferente con la investigación de contaminantes orgánicos volátiles en aguas y vegetales. En primer lugar se desarrolla un método para analitos volátiles en aguas, haciendo uso de una optimización multivariante para determinar las condiciones óptimas de la microextracción en fase sólida (SPME). La técnica instrumental utilizada para la optimización, validación y aplicación a muestras de aguas superficiales y residuales fue GC-MS/MS QqQ. En un trabajo colaborativo se realiza una investigación sobre los compuestos volátiles que emiten los bulbos de la flor del tulipán. Se utiliza inicialmente la técnica GC-TOF MS, llevando a cabo la búsqueda de unos compuestos concretos; realizando también una búsqueda non-target para descubrir sus componentes volátiles. Tras la detección e identificación de los posibles positivos, se crea un método cuantitativo mediante GC-MS/MS QqQ para su correcta cuantificación.

Els compostos de metalls de transició presenten una amplia varietat d'estructures, juntament amb una gran diversitat de propietats i de química. Aquesta diversitat ofereix abundants oportunitats per la seva aplicació en síntesi orgànica i en processos de catàlisi selectiva. No obstant, la gran varietat de la química organometàl·lica implica un augment de la complexitat del seu estudi. Aquestes característiques dels compostos de metalls de transició han estat un tema molt atractiu per als químics teòrics. Entre els compostos de metalls de transició, aquest treball es centra en els complexos organometàl·lics de transició amb lligands p de dos-carbonis (C2), es a dir, els complexos de alquè i alquí. Aquests complexos p representen el exemple més simple de interacció entre un metall i un hidrocarbur insaturat. A més a més, juguen un paper important com a econòmiques matèries primeres en processos industrials, així com a materials de partida per la síntesi orgànica.El objectiu d'aquest treball és estudiar alguns exemples representatius de la química dels complexos de alquè i alquí, i mostrar com els mètodes de la química computacional poden ser aplicats per resoldre problemes reals pels quals el químic teòric pot contribuir significativament a trobar una resposta. La cobertura és extensiva però no exhaustiva degut al la gran varietat d'aspectes en aquest camp, incloent enllaç, reactivitat, i aplicacions sintètiques e industrials. La discussió inclou quatre temes diferents. El primer està relacionat amb l'estudi de la natura del enllaç del alquí com a lligand donador de dos o quatre electrons. En el segon, s'estudia un aspecte important de la reactivitat dels alquins, la isomerització alquí-vinilidè, la qual ha estat investigada en l'esfera de coordinació del niobi. Els dos temes següents examinen una reacció homogènia assistida per un metall de transició y una reacció homogènia catalitzada per un metall de transició, les quals tenen un rellevant interès sintètic i industrial, respectivament. La primera és una cicleaddició [2 + 2 +1] de alquins amb halurs d'al.lil i monòxid de carboni promocionada per tetracarbonil de niquel per donar ciclopentenones, mentre que la segona és una hidroformilació d'alquens catalitzada per rodi-difosfina.Finalment, es pot concloure que aquest treball ha contribuït a augmentar el coneixement de varis aspectes rellevants de la química dels complexos organometàl·lics de alquè i alquí, mitjançant l'ús d'un conjunt de eines computacionals. / Transition metal compounds present a vast array of structures, along with a full diversity of properties and chemistry. This diversity offers rich opportunities for their application in organic synthesis and in selective catalytic processes. However, the huge variety of organometallic chemistry results in an increasing complexity of its study. These features of transition metal compounds have long been an attractive subject for theoretical chemists.Among transition metal compounds, this work deals with organotransition metal complexes of two-carbon (C2) p-ligands, i. e., alkene and alkyne complexes. These p complexes represent the simplest example of bonding interaction between a metal and an unsaturated hydrocarbon. Furthermore, they play an important role as cheap raw materials in several industrial processes, as well as starting materials for organic synthesis.The aim of this work is to study some representative examples of the chemistry of alkene and alkyne complexes and show how computational chemistry methods can be applied to solve real problems for which the theoretical chemist can significantly contribute to find an answer. Coverage is extensive, but not exhaustive due to the huge variety of topics in this field, including bonding, reactivity, and synthetic and industrial applications. The discussion includes four different topics. The first one presents a study of the nature of the bonding of alkyne as a two- or four-electron donor ligand. In the second, an important aspect of alkyne reactivity, the alkyne-vinylidene isomerization, has been investigated on the coordination sphere of niobocene. The two following topics examine a homogeneous metal-assisted and a homogeneous metal-catalyzed reaction that have an outstanding interest synthetically and industrially, respectively. The former is a [2 + 2 + 1] cycloaddition of alkynes with allyl halides and carbon monoxide by nickel tetracarbonyl leading to cyclopentenones, while the latter is the hydroformylation of alkenes catalyzed by rhodium diphosphine.Finally, we conclude that this work has contributed to expand the understanding of several outstanding aspects of the chemistry of organometallic alkene and alkyne complexes, by using a set of computational tools.

Els compostos de fórmula general [L2Pt(m-S)2PtL2] han estat usats ampliament com a lligands degut a l'elevada densitat electrónica del anions sulfur de l'anell {Pt2(m-S)2}. Així, durant anys, s'ha obtingut una llarga serie de compostos polimetàl·lics amb diverses geometries de coortdinació en els que un o varis centres metàl·lics es coordinen als sofres del fragment {Pt2(m-S)2}. Malgrat l'intens estudi al que ha estat sotmesa aquesta família de compostos, varis aspectes interessants de la seva reactivitat romanien inexplorats. Alguns d'ells han estat estudiats a aquesta tesi doctoral utilitzant diverses tècniques experimentals (RMN, ESI-MS, MALDI-TOF-MS difracció de raigs X, voltametria cíclica), així com cálculs teórics. En primer lloc, s'ha determinat un mètode d'obtenció d'espècies macromoleculars de nuclearitat controlada, utilizant el complex [(dppp)Pt(m-S)2Pt(dppp)] com unitat estructural bàsica. Aquest mètode implica, inicialment, l'obtenció del compost trimetàl·lic [{Pt2(m-S)2(dppp)2}PtCl2] en el que la labilitat dels lligands clorur permet la seva substitució per ligands sulfur, els quals poden actuar como pont entre dos centres metàl·lics, donant lloc a l'autoensamblatge de dos unitats de fórmula {Pt3(m3-S)2(dppp)2}2+.Per altre part, s'ha analizat l'efecte en la reactivitat del fragment metál·lic {Pt(cod)}2+ de la coordinació a un metal·loligand de fórmula general [L2Pt(m-S)2PtL2]. La reactivitat d'aquest fragment organometàl·lic queda significativament afectada en els compostos de fórmula [{L2Pt(m-S)2PtL2}Pt(cod)] de tal manera que la seva reacció amb l'anió metóxid consisteix en la desprotonació del ligand olefínic en lloc de la reactivitat habitual descrita per aquests sistemes, la qual consisteix en l'atac nucleòfil de la base sobre un doble enlaç.Un altre aspecte de la reactivitat dels compostos [L2Pt(m-S)2PtL2] que ha estat explorat a aquesta tesi doctoral són els processos químics que es deriven de la reacció d'aquests complexos amb electròfils no metàl·lics, en concret amb CH2Cl2 i àcids pròtics. Aquests processos impliquen múltiples etapas i inclouen el trancament i posterior regeneració de l'estructura bimetál·lica {Pt2(m-S)2}.Finalment, les propietats redox de l'anell {Pt2(m-S)2} han estat determinades mitjantçant la combinació de mesures electroquímiques y de càlculs teòrics. Els resultats obtinguts indiquen que aquest fragment pot donar lloc a dues oxidacions monoelectròniques que resulten en la formació d'un enlaç S-S. / The compounds of general formula [L2Pt(m-S)2PtL2] have been intensively studied on its role of metalloligands as a result of the high electron density of the sulfide anions of the {Pt2(m-S)2} ring. Thus, during the last years, a large series of polymetallic complexes has been obtained where one or several metallic centers are coordinated to the sulfide anions in the fragment {Pt2(m-S)2}. Despite the large number of publications devoted to this family of compounds, some interesting aspects of its chemical behaviour remained unexplored. Some of them have been studied in this thesis using diverse experimental techniques (NMR, ESI-MS, MALDI-TOF-MS, X-ray diffraction, cyclic voltametry), as well as theoretical calculations.On the one hand, a new method to obtain multimetallic nuclearity-controlled compounds has been described, using the complex [(dppp)Pt(m-S)2Pt(dppp)] as building block. This method entails, initially, the synthesis of [{Pt2(m-S)2(dppp)2}PtCl2] where the lability of cloride anions allows its substitution by bridging sulfide ligands, and thus, giving the self-assembly of two trimetallic {Pt3(m3-S)2(dppp)2}2+ units.On the other hand, the effect of the coordination to a [L2Pt(m-S)2PtL2] metalloligand on the reactivity of the organometallic fragment {Pt(cod)}2+ has been investigated. This fragment exhibits an unusual chemical behavior in the complexes of formula [{L2Pt(m-S)2PtL2}Pt(cod)], which consist on the deprotonation of the olefinic ligand by reacting with methoxide anion, instead the nucleophilic attack of the base to the double bond, usually reported. An additional aspect of the reactivity of the complexes of formula [L2Pt(m-S)2PtL2] studied in this thesis is the whole set of reactions exhibited by these compounds in presence of two different non-metallic electrophiles: CH2Cl2 and protic acids. These processes imply the disintegration and subsequent regeneration of the bimetallic {Pt2(m-S)2} structure.Finally, the redox properties of the {Pt2(m-S)2} ring have been determined by combination of electrochemical measurements and theoretical calculations. The results obtained indicate that this fragment exhibits two monoelectronic consecutive oxidations which result on the formation of a S-S bond.

El trabajo presentado en esta tesis consiste principalmente en la aplicación del método IMOMM (un método que combina la mecánica cuántica y la mecánica molecular) al estudio de sistemas químicos donde se ven involucrados complejos de metales de transición. Por un lado se han realizado estudios de tipo estructural, en los cuales se analizan las causas de la interacciones agósticas que se encuentran en el complejo Ir(H)2(P(t-Bu)2Ph)2 y en la familia de complejos Mo(COR)S-S)(CO)(PR3)2, y también se analizan la causas de las distorsiones geométricas que presentan en una serie de complejos de Ir pentacoordinados. En todos ellos se comprueba que la introducción de los efectos estéricos juega un papel fundamental en la explicación de los hechos experimentales. Por otro lado se han realizado estudios de reactividad, concretamente sobre la reacción de dihidroxilación enantioselectiva de olefinas con OsO4. Para ello se ha llevado a cabo en primer lugar un estudio metodológico, en el cual se ha determinado cual es la base y el método cuántico óptimos para el estudio metodológico, en el cual se ha determinado cual es la base y el método cuántico óptimos para el estudio del sistema modelo, OsO4 NH3 + C2H4 y se comprobado también que el método IMOMM es un método válido para el estudio del sistema real, (DHQD)2PYDZ.OsO4 + CH2=CHPh. Una vez realizado esto, se ha procedido al estudio sobre el mecanismo de la reacción. El estudio sobre el sistema modelo ha permitido descartar uno de los dos mecanismos propuestos, concretamente el (2+2). El estudio sobre el sistema real ha pemitido por un lado la caracterización de un intermedio para el mecanismo (3+2) (que estaba propuesto experimentalmente), y por otro el análisis de cual se el origen de la enantioselectividad. En dichos análisis se demuestra que el origen de la enantioselectividad es debido a las interacciones atractivas entre los grupos aromáticos de la olefina y del del catalizador.

En aquesta Tesi s'ha fet un estudi teòric complet del mecanisme de reacció de l'enzim Anhidrasa Carbònica fent servir el mètode Hartree-Fock i mètodes correlacionats MP2. S'han analitzat dos possibles mecanismes de reacció per la hidratació del CO2: el mecanisme de Lipscomb i el de Lindskog. Les barreres energètiques obtingudes per a les reaccions directa i inversa de formació del (NH3)3ZnII(HCO3-) segons els mecanismes de Lipscomb i Lindskog, quan s'hi ha considerat els efectes de correlació electrònica i del medi, són ambdues petites i del mateix ordre. Els millors valors, de 5.5 kcal/mol pel mecanisme de Lindskog i de 6.7 kcal/mol per al de Lipscomb, són compatibles amb el valor màxim permès des d'un punt de vista experimental, que és de 10 kcal/mol. Això fa pensar que la reacció d'hidratació del CO2 en l'Anhidrasa Carbònica es pot donar perfectament per les dues vies. Finalment s'ha analitzat el bescanvi de HCO3- per H2O en l'Anhidrasa Carbònica que porta a recuperar l'enzim en la seva forma inicial. S'ha vist que aquest bescanvi té lloc per coordinació directa d'una molècula d'aigua i posterior sortida de la molècula de bicarbonat facilitada per l'entrada de la molècula d'aigua. / In this Thesis, we have carried out a complete theoretical study of the reaction mechanism of the Cabonic Anhydrase enzyme using the Hartree-Fock method and including correlation energy at the MP2 level. We have studied two possible reaction mechanisms for the hydration of CO2: the Lipscomb and Lindskog mechanisms. The energetic barriers obtained for the direct and inverse formation of the (NH3)3ZnII(HCO3-) species are both small and of the same order for the two reaction mechanisms when including the effects of the environment and the correlation corrections. The best values of 5.5 kcal/mol for the Lindskog mechanism and of 6.7 kcal/mol for the Lipscomb mechanism both match the maximum value permitted from an experimental point of view (10 kcal/mol). Therefore, we conclude that the hydration of CO2 by Carbonic Anhydrase can follow any of the two studied reaction mechanisms. Finally, we have analyzed the HCO3- /H2O exchange in the Carbonic Anhydrase that leads to the recovery of the catalytic form of the enzyme. We have found that this exchange takes place after the direct coordination of water to the (NH3)3ZnII(HCO3-) species followed by the HCO3- dissociation, which is favored by the presence of water in the coordination sphere of the metal.

Las Glicosiltransferasas (GTs) son las enzimas responsables de la síntesis de glicanos, las moléculas orgánicas más abundantes en la naturaleza. Su relevancia biológica hace necesario el conocimiento de su mecanismo catalítico, que es todavía cuestión de debate en el caso de las GTs con retención de configuración. La presente tesis doctoral se centra en el mecanismo catalítico de estas enzimas desde un punto de vista computacional. Más específicamente, se realizó un estudio utilizando aproximaciones de la Mecánica Cuántica y la Mecánica Molecular (QM/MM) para tres GTs con retención de configuración: Lipopolisacaril-α-1,4- galactosiltransferasa C de Neisseria meningitides (LgtC), α-1,3-galactosiltransferasa bovina (α1,3-GalT) y UDP-N-acetilgalactosamina:polipeptido N-acetil-α- galactosaminiltransferasa 2 humana (ppGalNAcT-2). Los diferentes mecanismos catalíticos propuestos en la literatura son considerados y los factores responsables de la eficiencia catalítica de las GTs con retención de configuración son analizados. / Glycosyltransferases (GTs) are responsible for glycans’ biosynthesis, the most abundant organic molecules in nature. Their biological relevance makes necessary the knowledge of their catalytic mechanism, which in the case of retaining GTs is still a matter of debate. The present thesis is focused on the catalytic mechanism of these enzymes from the computational point of view. More specifically, a full-enzyme hybrid quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) study is performed for three retaining GTs: Lipopolysaccharyl-α-1,4-galactosyltransferase C from Neisseria meningitides (LgtC), bovine α-1,3-galactosyltransferase (α1,3-GalT) and human UDP-N-acetylgalactosamine:polypeptide N-acetyl-α-galactosaminyltransferase 2 (ppGalNAcT-2). The different proposed mechanisms are considered and the factors responsible for the catalytic efficiency of ret-GTs are analyzed.