Tesis presentada a la Universidad de Chile para optar al Grado de Doctor en Química / Las cumarinas (2H-1-benzopiran-2-ona) son estructuras químicas presentes en especies vegetales ampliamente distribuidas en la naturaleza con una reconocida actividad biológica, entre las que destacan sus propiedades antioxidantes. En el presente trabajo de Tesis se describe la síntesis de derivados polifenólicos. La cumarina dihidroxilada como estructura de partida fue esterificada con distintos ácidos orgánicos polifenólicos. Se estudió su electro-oxidación y se evaluó su actividad antioxidante frente a especies reactivas de oxígeno por medio de diversas metodologías in vitro. Se estudió el comportamiento anódico de los compuestos mediante voltametría cíclica (VC) y voltametría de pulso diferencial (VPD) en medio aprótico, como una aproximación a los procesos redox que ocurren en membranas biológicas. Se determinó la presencia de especies radicalarias en el proceso electro-oxidativo a través de la técnica de resonancia de espín electrónico (REE). Las constantes de acoplamiento hiperfino junto con cálculos teóricos (índice de Fukui) permitieron discriminar distintos sitios reactivos en las nuevas moléculas donde se desarrolla el proceso oxidativo. Además, se evaluó la capacidad antioxidante de los compuestos a través de los ensayos capacidad antioxidante frente a radicales de oxígeno-fluoresceína (ORAC-FL), capacidad antioxidante reductora de hierro (FRAP), apagamiento del radical hidroxilo mediante spin trapping, inactivación de anión superóxido y capacidad antioxidante celular (CAC) en un modelo biológico in vitro simple. Para los ensayos antioxidantes no biológicos, la introducción de las distintas estructuras fenólicas en el anillo cumarínico permite obtener derivados que presentan una capacidad antioxidante mejor que el precursor cumarínico inicial. Se estableció la respectiva correlación entre el potencial de inicio del proceso electroquímico (potencial onset) y los resultados encontrados en el ensayo en medio aprótico frente a anión superóxido. Considerando el ensayo biológico de capacidad antioxidante celular, éste sugiere que la actividad antioxidante de los nuevos derivados está circunscrita a medios de naturaleza lipofílica / Coumarins (2H-1-benzopyran-2-one) are chemical structures from vegetal sources widely distributed in vegetable species with recognized biological activities, among which their antioxidant capacity. In this Thesis work the syntheses of coumarin polyphenolic derivatives is described. Coumarin was the starter scaffold and it was sterified with different organic phenolic acids. The electro-oxidation of polyphenolic derivatives is studied and their antioxidant capacity towards ROS through methodologies in vitro is evaluated. The anodic behavior of the compounds by cyclic voltammetry (CV) and differential pulse voltammetry (VPD) was studied in aprotic medium as an approximation to the redox processes in biological membranes. The presence of radical species is determined in the electro-oxidation process through the technique electron spin resonance (ESR).The hyperfine coupling constants and theoretical calculations (Fukui index values) allow to discriminate between the different reactive sites in the new molecules where the oxidative process is taking place. Moreover, antioxidant capacity of derivatives was evaluated through oxygen radical antioxidant assay-fluorescein (ORAC-FL), ferric reducing ability of plasma (FRAP), spin trapping, superoxide scavenging assays and cellular antioxidant (CAC) in a simple biological model in vitro. In the non-biological antioxidant assays, the addition of various phenolic structures to the coumarin scaffold yielded derivatives with improved antioxidant capacity related to initial coumarin. We studied the correlations between the starting potential of the electrochemical process (onset potential) and the antioxidant results obtained in aprotic media against superoxide anion. In regard to the biological cellular antioxidant capacity assay, it suggests that the antioxidant activity of new derivatives could be limited to lipophilic media / Conicyt; Fondecyt; Mecesup UCh061 / 2021

Memoria para optar al título de Químico

Memoria para optar al título de Química / Los flavonoides son compuestos polifenólicos de origen vegetal, que han despertado gran interés debido a sus efectos potencialmente benéficos para la salud humana, por ejemplo, se ha reportado que tienen actividad antiviral, anti-alérgica, anti-inflamatoria, antitumoral y antioxidante. Los flavonoides se pueden clasificar en seis clases, según los grupos funcionales que posean. Una de estas clases corresponde a los flavonoles que poseen dos anillos aromáticos ligados mediante un anillo pirano, sustituidos por un grupo carbonilo y uno o más grupos hidroxilos, la 3-Hidroxiflavona (3-HF) es la estructura base de los flavonoles. En esta memoria se evaluó la capacidad antioxidante de cinco flavonoles, mediante su reactividad frente al oxígeno molecular singulete, a través de la determinación de la constante de velocidad de reacción química. Se determinó además, la influencia de la cantidad relativa de agua en la mezcla metanólica, el pH del medio y la presencia de cationes divalentes, sobre la constante de velocidad de reacción química de flavonoles con oxígeno molecular singulete. La reactividad entre el flavonol (3-HF, Kaemp, Miric, Quer, Fise) y oxígeno molecular singulete es dependiente de la sustitución de los anillos aromáticos, especialmente de la sustitución que posee el anillo B de la molécula. Se observó que la constante de velocidad de reacción entre los flavonoles, Quer y 3-HF, y oxígeno molecular singulete, es fuertemente influenciada por el pH del medio debido a la desprotonación de los grupos hidroxilos presentes en la molécula. Además se determinó que la constante de velocidad de reacción química aumenta con el incremento en la cantidad de agua en el medio. Por otra parte, la reactividad de los flavonoles, Quer y 3-HF, con oxígeno molecular singulete es modificada en presencia de cationes divalentes. El aducto formado entre el flavonol y catión presenta una mayor reactividad que el flavonol libre. El tipo de catión y su tamaño, influenciaría directamente en el tipo de complejo formado, evidenciándose en los cambios en los espectros de absorción y posteriormente en los cambios de reactividad del flavonol frente al oxígeno molecular singulete. / Flavonoids are polyphenolic compounds of vegetal origin. In the last years, they have generated great interest because of their potentially beneficial action for human health (flavonoids have antiviral, anti-allergic, anti-inflammatory, antitumor and antioxidant activities). Flavonoids can be classified in six different classes, according to the functional groups present in the molecular structure. One of these families is the flavonols family, which have two aromatic rings linked by a pyran ring with a hydroxyl group and a carbonyl group in the positions 3 and 4 respectively. 3-Hydroxyflavone (3-HF) corresponds to the basic structure of the flavonols family. In this thesis, we evaluated the antioxidant capacity of five flavonols, determining their chemical reactivity with singlet molecular oxygen, by measuring their chemical reaction rate constants. The influence on the chemical reaction rate constant of the medium (by varying the proportion of water in methanol-water mixtures), of pH and of the presence of divalent cations was also studied. Our results show that the reactivity between the flavonol (3-Hydroxyflavone, Kaempferol, Miricitin, Quercitin, Fisetin) and singlet molecular oxygen is dependent on the substitution of the aromatic rings, particularly when substitution on ring B is present. The reaction rate constant between the flavonols, 3-HF or Quer, and singlet molecular oxygen was observed to be strongly influenced by the pH of the medium. Deprotonation of hydroxyl substituents in the molecule increases the reactivity. We also found that the chemical reaction rate constant increases with increasing the water proportion in the solvent. Additionally, the reactivity of flavonols (3-HF and Quer) with singlet molecular oxygen is modified in the presence of divalent cations. The association compound formed between the flavonol and the cation shows a greater reactivity than the free flavonol. Properties of the association complex depend directly on the type of cation and its radius.

Memoria para optar al Título Profesional de Químico y al Grado de Magíster en Química, área de especialización en coloides / El metabolismo celular es un proceso natural en los organismos vivos que conduce inevitablemente a la producción de especies reactivas del oxígeno, conocidas como ROS, las cuales, son agentes oxidantes altamente reactivos capaces de atacar células, causando en ellas la pérdida de su estructura y funciones. El exceso de ROS en el organismo, un estado que se conoce como “estrés oxidativo”, es mantenido bajo control por mecanismos celulares y especies antioxidantes, evitando que se desencadenen enfermedades relacionadas con la oxidación celular. Entre las ROS se encuentra el oxígeno molecular singulete, O2(a¹Δg), especie que es capaz de reaccionar con gran variedad de moléculas biológicas, tales como el ADN, proteínas y lípidos, desempeñando roles perjudiciales y/o beneficiosos en el organismo. El O2(a¹Δg) es uno de los dos posibles estados excitados del oxígeno, pero es el único que tiene un tiempo de vida los suficientemente largo para ser relevante en las reacciones químicas en solución. Se puede generar por vía química, física o fotoquímica, siendo esta última la más utilizada por ser la más simple y controlable. La cinética de sus reacciones con sustratos, o desactivantes (Q), puede ser descrita en términos de la constante de velocidad de desactivación total, que incluye las vías de reacción química y física. El método ideal para evaluar, es la detección directa de la emisión fosforescente del O2(a¹Δg) en el infrarrojo cercano, utilizando la fotosensibilización como método de generación de O2(a¹Δg). Sin embargo, esta técnica tiene serias limitaciones debido a la sensibilidad de los detectores y la complejidad del proceso de decaimiento del O2(a¹Δg) en sistemas de interés biológico, cuya microheterogeneidad, hace que ocurran gradientes en la concentración local del O2(a¹Δg) afectando su reactividad, situación que puede ser parcialmente imitada en sistemas bien definidos, tales como soluciones de micelas y liposomas. El modelo más apto para entender las reacciones del O2(a¹Δg) en sistemas biológicos lo constituyen las vesículas unilamelares, las cuales, se componen de una única bicapa bien definida que permite distinguir en ellas dos pseudofases, una acuosa y otra lipídica. El modelamiento cinético en estos sistemas es una tarea compleja, pero cercana a lo que sucede a nivel celular. Como alternativa a la detección directa del O2(a¹Δg)en sistemas biológicos, en nuestro laboratorio se han sintetizado los derivados de furano; DFTA, HFDA y MFMA, que además de reaccionar eficientemente con O2(a¹Δg)a través de la vía química, pueden anclarse en la membrana desde la interfase, permitiendo estudiar la dinámica del oxígeno singulete y estimar su concentración estacionaria a distintas profundidades en la bicapa. Esta información, sumada a estudios teóricos relacionados con el transporte de moléculas pequeñas a través de la membrana lipídica, permiten obtener una aproximación cuantitativa de la distribución del O2(a¹Δg) en ella. En este trabajo se estudia, en soluciones de vesículas unilamelares de DODAC y de DPPC, la interacción del O2(a¹Δg) con los sustratos licopeno, ácido rosmarínico y ácido carnósico, en forma independiente. Los tres sustratos poseen un origen natural y conocida capacidad antioxidante. En el experimento, el O2(a¹Δg)es generado por fotosensibilización, mientras que las soluciones de vesículas, con los derivados de furano y los antioxidantes incorporados en la bicapa, son generadas por el método de inyección… / Cellular metabolism is a natural process in living organisms that inevitably leads to the production of reactive oxygen species, known as ROS, which are highly reactive oxidizing agents capable of attacking cells, causing the loss of their structure and functions. The excess of ROS in the body, a condition known as “oxidative stress” is kept under control by cellular mechanisms and antioxidant species, avoiding the triggering of diseases related to cell oxidation. Among the ROS, singlet molecular oxygen O2(a¹Δg) is a specie capable of reacting with a variety of biological molecules, such as DNA, proteins and lipids, playing harmful and/or beneficial roles in the body. O2(a¹Δg) is one of the two possible excited states of the oxygen, but is the only one with a lifetime long enough for relevant chemical reactions in solution. It can be generated in a chemical, physical and photochemical way, the last being the most used method, being the simplest and most controllable. The kinetics of its reactions with other substrates, or quenchers, may be described in terms of the total deactivation rate constant including pathways for chemical and physical reactions. The ideal method to evaluate is the detection of the phosphorescence in the near-infrared, usually using photosensitization as a generating method for O2(a¹Δg). However, this technique has serious limitations due to the sensitivity of detectors and the complexity of the decay process in systems of biological interest, where the microheterogeneity, characteristic of biological systems, makes gradients occur in the local concentration and reactivity of O2(a¹Δg), a situation that can be partly replicated in well-defined systems such as micelles and liposomes solutions. The most suitable model to understand the reactions of O2(a¹Δg) in biological systems are unilamellar vesicles, which are composed of a single bilayer well defined to distinguish two pseudofases therein, aqueous and lipidic. The kinetic modeling of these systems is complex, but close to what happens at the cellular level. As an alternative to direct detection of O2(a¹Δg) in biological systems, several derivate of furan (DFTA, HFDA and MFMA) have been synthesized in our laboratory, which in addition to react efficiently with O2(a¹Δg) through chemicals pathways, they can be anchored to the membrane from the interface, allowing to study the dynamics of singlet oxygen and estimate their stationary concentration at different depths inside the bilayer. This information, together with theoretical studies related to the transport of small molecules through the lipid membrane allows obtaining a quantitative approach about the distribution of O2(a¹Δg) in the bilayer. In this work, a study concerning the interaction of O2(a¹Δg) with the substrates lycopene, rosmarinic acid and carnosic acid, in solutions of unilamellar vesicles of DODAC and DPPC, is presented. The three substrates possess a natural origin and a known antioxidant capability. In the experiment O2(a¹Δg) is generated by photosensitization, while solutions of vesicles, with the furan derivatives and antioxidants incorporated in the bilayer, are generated by the injection method. HFDA is the furan derivative that places the reactive group deeper into the bilayer, and thus, the one that probes more information regarding to the O2(a¹Δg) inside, is obtained for the three antioxidants through a kinetic model of two pseudofases, previously developed in our laboratory, where molecules of antioxidants and HFDA competing for reaction with O2(a¹Δg). The values of ,are also obtained by time-resolved methods, in order to make a comparison between them and obtained through the salts of furan by the method of the competitive reactions. The values of obtained for lycopene are close to those obtained by other authors in similar conditions. On the other hand, for rosmarinic and carnosic acids do not exist previous studies specifically related to O2(a¹Δg), however, the high value of the obtained for these substrates indicates that they play a significant protective effect against damage caused by O2(a¹Δg) in lipidic membranes, finding values in one order of magnitude higher than to those determined in methanol. / Conicyt, Fondecyt

La presente Tesis Doctoral está dedicada a la síntesis, la caracterización y el estudio de la actividad catalítica en la combustión de carbonilla generada por motores diésel de óxidos CeO₂-ZrO₂, y CeO₂-PrO₂. Con este estudio se ha conseguido alcanzar una mayor comprensión del papel catalítico de estos materiales en la combustión de carbonilla, logrando revelar la diferente implicación de los dos mecanismos de reacción mediante los que los óxidos basados en cerio pueden catalizar esta combustión: el mecanismo de combustión asistido por la producción de NO₂ y el mecanismo basado en la producción y transferencia de oxígeno activo. Las contribuciones aportadas en este trabajo respecto a la mejor comprensión del papel catalítico de estos óxidos en la combustión de carbonilla se deben a un enfoque del estudio tanto desde el punto de vista fundamental, caracterizando un amplio número de óxidos con propiedades físico-químicas muy diversas, y llevando a cabo ensayos catalíticos a escala de laboratorio bajo condiciones experimentales muy distintas, como desde un punto de vista práctico, analizando el comportamiento catalítico de la mejor formulación preparada en este estudio en el escape real de un motor diésel.