El objetivo principal de esta tesis fue la implementación dentro del código SIESTA de dos métodos de primeros principios para el estudio de excitaciones electrónicas en moléculas y sólidos extendidos. Los métodos son la aproximación GW y el ’constrained’ DFT. Los métodos fueron implementados usando bases de orbitales extrictamente localizados generadas por SIESTA. El uso de este tipo de orbitales abre la posibilidad de estudiar sistemas que contienen miles de átomos. La aproximación GW es un método derivado de la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos para la funcin de Green de una partícula, que se usa para el cálculo de las energías de excitación de quasipart ículas. En este trabajo, se implementó el método propuesto por F. Giustino et al. [3], que solo requiere el uso de los estados electrónicos ocupados para calcular los ingredientes de esta aproximación: la función de Green y el potencial de Coulomb apantallado. En método de ’constrained’ DFT se impone una ligadura sobre la densidad electrnica del sistema a través de un potencial apropiado. En esta tesis se implementó una versión modificada de la aproximación propuesta por Q. Wu and T. Van Voorhis [4] para encontrar el potencial de ’constraining’ de manera eficiente. El método se extendió para el caso de sistemas periódicos. Como una aplicación del método, se estudiaron procesos de transferencia de carga en el conductor oránico TTF-TCNQ. Una aplicación interesante de los métodos implementados es el estudio de los procesos electrónicos que tienen lugar en las celdas solares y dispositivos fotovoltaicos. El material ms ampliamente usado en la fabriacin de estos dispositivos es el TiO2 en fase anatase dopada con impurezas de nitrógeno o sensibilizada con colorantes orgánicos. Como un paso previo al estudio de las excitaciones electrnicas de este material, se caracterizaron sus propiedades electrónicas, estructurales, t y vibracionales usando la teoría DFT. Además, se estudiaroon las energías ’binding’ de los niveles de core de las diferentes especies químicas. / The main aim of this thesis is the implementation in the SIESTA code (a widely used academic computational program based on the density functional theory DFT for the simulation of materials) [1, 2] of two powerful methods for the study of electronic excitations in molecules and extended solids. The methods are the so-called constrained density functional theory (CDFT) and the GW approximation and they are implemented within the strictly localized orbital formalism as defined in SIESTA. The use of local bases opens the possibility of calculating electronic excitations in systems containing thousands of atoms. The GW approximation is a powerful method derived from manybody perturbation theory for the one-particle Green function to calculate quasiparticle excitation energies. We implement the approach proposed by F. Giustino et al. [3] that only requires the use of the occupied electronic states to compute the Green function and screened Coulomb interaction, and from which one constructs the self-energy operator, . In this approach, the Green function is approximated to that of a non-interacting electron system and calculated using a inhomogeneous linear system, while the dynamically screened potential is calculated through the self-consistent linear-response Sternheimer equation. Since the original equations were stated within the plane waves formalism, here we rewrite these equations for basis sets of strictly localized orbitals. As an application of our approach for the dynamically screened potential, we calculate the dielectric function of several insulating and semiconducting materials: LiCl, diamond, silicon and germanium, comparing our results with plane-waves calculations. In the constrained density functional theory, we impose a constraint upon the electronic density of a system through an appropriate potential (called constraining potential) to obtain a neutral excitation. We implement a modified version of the approach proposed by Q.Wu and T. Van Voorhis [4, 5, 6] to find the constraining potential efficiently. Moreover, we extend the method for the case of periodic solids. As an application of our CDFT method, we study the charge transfer between the TTF and TCNQ molecules in the TTF-TCNQ conducting organic salt, where it has been suggested from XPS experiments that the charge transfer process is dynamic, leading to the coexistence of TTF0-TCNQ0 and TTF1+-TCNQ1− charge states [7, 8]. An interesting potential application of our implemented methods is the study of electronic excitations in semiconductor-based solar cells and photovoltaic devices to the efficient design and fabrication of such devices [9, 10, 11]. One of the most extensively used materials for the fabrication of these devices is the anatase TiO2 whether doped with nitrogen impurities or sensitized with dye molecules. Using the DFT machinery we characterize this material as the first step before the calculation of their electronic excitations. We study native defects: oxygen vacancies and interstitial titanium, and nitrogen impurities at interstitial or substitutional position in the anatase matrix. The electronic, structural and thermodynamic properties of all these point defects with different charge states were calculated. Moreover, we study the lattice dynamic of defective anatase in order to determine how defects affect the vibrational modes of pristine anatase and what are the new features arising from defects. We calculate the binding energy shifts of the N 1s, O 1s and Ti 3p core levels to contribute to the full characterization of the defects. Our results of lattice dynamic and core level binding energy shifts are compared with experimental data from Raman and XPS spectroscopy, respectively.

Esta tesis doctoral trata sobre la síntesis, y el estudio de la actividad catalítica de partículas de oro de tamaño inferior a 2 nm, nanoclústers de oro. El interés proviene de la actividad catalítica a temperatura ambiente que tiene el oro cuando las dimensiones son inferiores a aproximadamente los 5 nm. En esta tesis se desarrollan dos métodos de síntesis que permiten obtener clústeres de oro estables con un tamaño de partícula bien definido. En un método se sintetizan nanoclústeres de oro de tamaño inferior a 2 nm, los cuales son posteriormente depositados sobre un soporte. En cambio, el otro método consiste en sintetizar los nanoclústeres de oro directamente sobre el soporte seleccionado. Con este ultimo método, se puede modificar el tamaño de los clústeres de oro alterando la cantidad de precursor de oro durante el proceso de síntesis. De esta manera se puede obtener desde una dispersión uniforme de átomos de oro aislados, clústeres de Au de 2 nm o nanopartículas de más de 10 nm en la superficie del material de soporte. Los catalizadores sintetizados han sido caracterizados mediante distintas técnicas físico químicas: HRTEM, SEM, AFM, XPS and XAS. Además también se ha estudiado la actividad catalítica para la oxidación de CO y materiales carbonosos. Finalmente, se ha relacionado el tamaño de partícula con la actividad catalítica del material. / This doctoral thesis is about the synthesis and the catalytic activity study of gold particles with a diameter lower than 2 nm, gold nanoclusters. The interest is due to the catalytic activity that gold has at room temperature when its size is less than approximately 5 nm. In this thesis, two distinct synthesis’ methods that allow stable gold clusters with a well defined particle size to be obtained have been developed. In one method, gold clusters with a narrow size distribution and a particle diameter less than 2 nm are firstly synthesised and then deposited on a support. In the other method, gold clusters are directly synthesised on the selected support. In the latter method, the size of gold can be easily varied by simply altering the gold precursor quantity during the synthesis process. Thus, uniformly dispersed isolated gold atoms, 2 nm Au clusters or nanoparticles larger than 10 nm can be obtained on the material support surface. The synthesised catalysts were characterised using distinct physico-chemical techniques: HRTEM, SEM, AFM, XPS and XAS. Additionally, their catalytic activity was investigated for the oxidation of CO and carbonaceous materials. Finally, the particle size was related with the catalytic activity of the material.

La present tesis doctoral està basada en el desenvolupament de noves metodologies de RMN per la mesura de constants d’acoblament homo- i heteronuclears en molècules petites. La tesi es presenta com a compendi de publicacions d’articles de recerca que han estat publicats en diferents revistes científiques. El punt de partida està basat en l’experiència i coneixement previ del nostre grup de recerca en aquest camp. S’ha pres com a referència principal l’experiment selHSQMBC, al qual s’hi han implementat noves funcions per tal de dissenyar un conjunt de noves metodologies capaces de resoldre els principals problemes que afecten aquest tipus de mesures. En la majoria de casos s’ha utilitzat la metodologia IPAP per tal d’aconseguir una mesura més exacte. A la vegada, el patró E.COSY, així com el concepte de espectroscòpia J-resolt, s’han implementat conjuntament amb la metodologia IPAP per tal d’obtenir una mesura simultània de diferents constants d’acoblament en un sol experiment de RMN. Tanmateix, també es descriuen nous avenços en la mesura de constants d’acoblament protó-carboni a un enllaç, així com constants d’acoblament protó-protó a dos enllaços en grups metilens diastereotòpics. Cada nou experiment s’analitza des d’un punt de vista metodològic alhora que s’avalua la seva aplicabilitat. La tesi s’ha dividit en cinc apartats. En el primer d’ells es fa una introducció general per situar el lector. Al segon capítol es descriuen els objectius principals. El tercer capítol, i més rellevant, conté les diferents publicacions presentades com a resultats i discussió. El quart capítol conté dos apèndixs diferents que no s’han pogut incloure com a publicacions degut a que encara es troben en preparació. Finalment, l’últim capítol conté les conclusions generals del treball. / The present doctoral thesis is focused on the development of modern NMR methodologies for the measurement of homo- and heteronuclear coupling constants in small molecules. The thesis is presented as a compendium of publications that have been published in different scientific journals as original research papers. The starting point was the previous experience and knowledge of our research group. Taking as a reference the selHSQMBC experiment, several new features have been implemented in order to design a complete set of different methodologies that allow us to overcome some of the most typical drawbacks regarding such measurements. In most of the cases the IPAP methodology is used to achieve an accurate measurement. A spin-state selective technique like the E.COSY pattern, as well as the concept of J-resolved spectroscopy, are implemented in conjunction with the IPAP methodology to obtain simultaneous measurement of several coupling constants in a single-shot NMR experiment. Moreover, advances in the measurement of one-bond proton-carbon and germinal proton-proton coupling constants in diastereotopic methylene groups are also presented. Each new experiment is theoretically discussed from a methodological point of view and an assessment on its application is also performed. The thesis is divided in five chapters. In the first one a general introduction is presented in order to situate the reader. In the second chapter main objectives of the thesis are described. The third section is the main chapter which collects all the publications presented as results and discussion. The fourth chapter contains two different appendixes with the results that could not be included as original research papers because they are still in preparation. Finally, last chapter contains general conclusions of the work.

L’activació i funcionalització d’enllaços carboni-halogen poc reactius és un dels principals objectius de la química moderna. Els tres projectes d’investigació recollits en aquesta Tesi doctoral es centren en el desenvolupament de noves reaccions d’activació i trencament d’enllaços C-I, C-Br, C-Cl i C-F inerts. En el capítol 1 es descriu una nova transformació química, la síntesis catalitzada per Pd d’aroil acides a partir de iodoarens, CO i NaN3. Aquest procés catalític mostra una excel•lent eficiència (0.2% Pd) a més d’una excel•lent tolerància amb diferents grups funcionals. L’estudi del mecanisme de la reacció de acidocarbonilació ha permès demostrar l’existència de dos camins de reacció que tenen lloc en presencia de CO en excés i sota condicions de deficiència de CO. Els intermedis organometàl•lics implicats en el cicle catalític han estat aïllats i caracteritzats totalment, mitjançant diverses tècniques incloent difracció per raig X. El capítol 2 recull l’estudi del mecanisme de l’activació de Ph-X (X = I, Br, Cl) mitjançant complexes d’hidrur de Ru(II) utilitzant condicions extremadament suaus. Addicionalment, s’ha pogut demostrar que l’ordre zero observat en els estudis cinètics per a la reacció de [(Ph3P)4Ru(H)2] amb PhX (X = I, Br) troba el seu origen en un procés d’autocatàlisis poc evident. El capítol 3 es centra en la activació C-F del fortament inert fluoroform (CHF3), un gas subproducte industrial causant de l’efecte hivernacle, amb hidròxids i alcòxids de metalls alcalins. La reacció de MOR amb CHF3 condueix a la formació de ortoformiats, incloent l’exòtic en HC(OBu-t)3 amb excel•lents rendiments. Els resultats de la tesis han contribuït al desenvolupament de una nova metodologia, l’estudi de nous mecanismes de reacció i al desenvolupament de potencials solucions ecològiques. / La activación y funcionalización de enlaces carbono-halógeno no reactivos es uno de los principales desafíos en la química moderna. Los tres proyectos de investigación que se abordan en esta Tesis Doctoral tratan sobre el desarrollo de nuevas reacciones de activación y rotura de enlaces no activados como C-I, C-Br, C-Cl y C-F. El capítulo 1 describe una nueva transformación, la síntesis de aroil azidas a partir de iodoarenos, CO y NaN3 catalizada por paladio. Este proceso catalítico muestra una alta eficiencia (0.2% Pd) y una excelente tolerancia a distintos grupos funcionales. La detallada investigación mecanística de la reacción de azidocarbonilación reveló la presencia de dos diferentes vías que operan en presencia de un exceso o defecto de CO. Los intermedios organometálicos implicados en el ciclo catalítico han sido aislados y completamente caracterizados, incluyendo difracción de rayos X. El capítulo 2 detalla un estudio mecanístico de la activación de Ph-X (X = I, Br, Cl) con complejos de hidruro de Ru(II) en condiciones extremadamente suaves. El inusual orden cero cinético de la reacción de [(Ph3P)4Ru(H)2] con PhX (X = I, Br) se origina debido a una autocatálisis que ha sido reconocida y completamente demostrada. El capítulo 3 describe la activación de los enlaces C-F altamente inertes del fluoroformo (CHF3), un gas de efecto invernadero producido industrialmente, con hidróxidos y alcóxidos de metales alcalinos. La reaciión de MOR con CHF3 se ha demostrado para dar lugar a los correspondientes ortoformiatos, incluído el exótico HC(OBu-t)3, en rendimientos excelentes. Los resultados de la Tesis Doctoral contribuyen al desarrollo de nuevas metodologías, al conocimiento básico de mecanismo de reacción y a posibles soluciones ecológicas. / Activation and functionalization of unreactive carbon-halogen bonds is one of the primary tasks of modern chemistry. All three research projects fulfilled in the current Thesis deal with new reactions involving activation and cleavage of highly inert C-I, C-Br, C-Cl, and C-F bonds. Chapter 1 describes a new chemical transformation, Pd-catalyzed synthesis of aroyl azides from iodoarenes, CO, and NaN3. This catalytic process exhibits high efficiency (0.2% Pd) and excellent functional group tolerance. A detailed mechanistic study of the azidocarbonylation reaction has revealed two different reaction pathways operating in the presence of CO in excess and under CO-deficient conditions. Organometallic intermediates involved in the catalytic cycle have been isolated and fully characterized, including by X-ray diffraction. Chapter 2 reports a mechanistic study of the novel Ph-X (X = I, Br, Cl) activation with Ru(II) hydrido complexes under exceedingly mild conditions. Striking zeroth-order kinetics observed for the reaction of [(Ph3P)4Ru(H)2] with PhX (X = I, Br) originates from hidden autocatalysis that has been recognized and fully proven. Chapter 3 deals with C-F activation of highly inert fluoroform (CHF3), an industrially side-produced potent greenhouse gas, with alkali metal hydroxides and alkoxides. The reaction of MOR with CHF3 has been shown to furnish the corresponding orthoformates, exotic HC(OBu-t)3 included, in good to excellent yield. Results of the Thesis contribute to new methodology development, basic knowledge of reaction mechanisms, and potential ecological solutions.

Poly(alkylene dicarboxylate)s constitute a family of biodegradable polymers with increasing interest for both commodity and speciality applications. The most of these polymers can be prepared from biobased diols and dicarboxylic acids. In the present thesis two different groups of poly(alkylene dicarboxylate)s were synthesized by thermal policondensation. The first group concerns to polymers derived from 1,9-nonanediol and different ratios of pimelic and azelaic acids. Different techniques such as OM, DSC, SAXS and FTIR were used in order to characterize the copolymers. The crystalline structure of these polyesters has been investigated by means of electron and X-ray diffraction. Single crystal of homopolymers and the copolymer with the intermediate composition were easily degraded by enzymes. The second group is constituted by poly(alkylene dicarboxylate)s derived from 1,4-butanediol and succinic and azelaic acids. Physicochemical techniques were combined to understand the thermal properties and the different factors that influenced the crystallization process. Morphological changes occurring during crystallization were evaluated by time resolved SAXS/WAXD experiments using synchrotron radiation. Lauritzen and Hoffman analysis was performed from spherulite growth rates and also considering overall crystallization rates determined from DSC experiments. Enzymatic degradability was clearly dependent on the composition and logically on the crystallinity. Interestingly constituent spherulites of copolymer samples were highlighted during degradation. Ultrasounds technology has been proved as an useful method to mould biodegradable polylactide and poly(nonamethylene azelate). Minimum material loss and degradation was found when materials were processed under appropriate operating conditions (i.e. time, amplitude and force). The technology was also appropriate to prepare nanocomposites, being assayed the use of clay and silica nanoparticles. In the first case, the achievement of exfoliated structures was clearly demonstrated by X-ray diffraction and TEM observations and using N757, C20A, C25A, and N848 clays. Crystallization behavior of exfoliated PLA nanocomposites was evaluated, being found a highly peculiar behavior since clay particles had an antinucleating effect. The contrary effect was observed for nanocomposites derived from the poly(alkylene dicarboxylate) sample. The possibility of using ultrasound micro-molding to get materials with a homogeneous dispersion of particles has also been explored considering both, micro and nano-sized silica particles using poly(nonamethylene azelate) as a matrix. The wide versatility of polyesters and their derivatives provides advantageous technological applications as those for example reported in the biomedical field. Three different applications for polyesters have been specifically evaluated in this work. The first was the study of polyester derivatives that incorporate urea groups. These poly(ester urea)s showed good properties and were highly soluble in most organic solvents, an interesting feature that facilitated the electrospinning process and the effective incorporation of drugs with bactericide activity, enzymes and bacteriophages. In the second application, polyethylene glycol grafted poly(lactide-r-trimethylene carbonate) copolymers were employed to prepare homogenous drug loaded microspheres. New polymers were degradable and biocompatible.Finally, crystallization of multiarm star polymers was studied due to their wide applications (for example the development of epoxy coatings). Specifically, the study was focused on multiarm star systems constituted by a commercial core of poly(ethyleneimine) and arms of poly(e-caprolactone) with degrees of polymerization of 50, 30 and 10. / Los poli(alquilen dicarboxilato)s constituyen una familia de polímeros biodegradables con interés en aplicaciones tanto de "commmodities" como de "specialities". La mayoría de estos polímeros se pueden preparar a partir de dioles y ácidos dicarboxílicos de origen biológico. En la presente tesis, se sintetizaron dos grupos diferentes de poli(alquilen dicarboxilato)s mediante policondensación térmica. El primero se refiere a los polímeros derivados de 1,9-nonanodiol con proporciones diferentes de ácido pimélico y azelaico. Con el fin de caracterizar los copolímeros se utilizaron diferentes técnicas como la MO, DSC, SAXS y FTIR. La estructura cristalina de estos poliésteres se ha investigado por medio de difracción de electrones y de rayos X. El segundo grupo está constituido por poli(alquilen dicarboxilato)s derivados de 1,4-butanodiol y ácidos succínico y azelaico. Se combinaron técnicas fisicoquímicas para comprender las propiedades térmicas y los diferentes factores que influyen en el proceso de cristalización. Los cambios morfológicos que ocurren durante la cristalización fueron evaluados mediante experimentos de SAXS / WAXD utilizando radiación sincrotrón. El análisis de Lauritzen y Hoffman se llevó a cabo a partir del crecimiento esferulítico y también teniendo en cuenta la tasa de cristalización global determinada a partir de experimentos de DSC. La degradabilidad enzimática fue claramente dependiente de la composición y lógicamente de la cristalinidad. Curiosamente durante la degradación realzo la presencia de esferulitas debido a la pérdida del segmento amorfo. La tecnología de ultrasonidos ha demostrado ser un método útil para moldear los polímeros biodegradables: lactida y poli(nonametilen- azelato). Cuando los materiales fueron procesados en condiciones apropiadas (ej. tiempo, amplitud y fuerza), la pérdida de material y el grado de degradación fueron mínimos. Esta tecnología también fue adecuada para preparar nanocompuestos, ensayándose el uso de arcillas y nanopartículas de sílice. En el primer caso, se observaron claramente estructuras exfoliadas por difracción de rayos X y TEM, usando las arcillas N757, C20A, C25A, y N848. Se evaluó el comportamiento de la cristalización en los nanocompuestos exfoliados, encontrándose que para el PLA dicho comportamiento fue muy peculiar ya que las partículas de arcilla tuvieron un efecto antinucleante. El efecto contrario se observó para el poli(azelato nonametileno). La posibilidad de utilizar la técnica de micro-moldeado por ultrasonidos para obtener materiales con una dispersión homogénea de partículas también se ha explorado considerando partículas micro y nanométricas de sílice y utilizando poli(azelato nonametileno) como matriz. La amplia versatilidad de los poliésteres y sus derivados proporcionan aplicaciones tecnológicas ventajosas como las que, por ejemplo, se reportan en el campo biomédico. Tres aplicaciones diferentes para poliésteres se han evaluado específicamente en este trabajo. La primera aplicación fue el estudio de los derivados de poliéster que incorporan grupos urea. Estas poli(éster urea)s mostraron buenas propiedades y fueron muy solubles en la mayoría de disolventes orgánicos, una característica interesante que facilitó el proceso de electro hilado y la incorporación efectiva de fármacos con actividad bactericida, enzimas y bacteriófagos. En la segunda aplicación, se prepararon injertos de polietilen glicol en copolimeros de poli(lactida-trimetilen carbonato) para obtener microesferas homogéneas cargadas con fármaco. Por último, la cristalización de polímeros en estrella, se estudió debido a sus amplias aplicaciones (por ejemplo, el desarrollo de recubrimientos epoxi). Específicamente, el estudio se centró en los sistemas de estrellas de brazos múltiples constituidos por un núcleo comercial de poli(etilenimina) y brazos de poli (e-caprolactona) con grados de polimerización de 50, 30 y 10.

Aquesta tesi es centra en l'estudi teòric dels processos involucrats en l'oxidació del sulfur de dimetil a la troposfera i les conseqüències que els productes que es formen en aquest procés poden tenir en l'atmosfera. La importància d'aquesta molècula radica en el fet què els principals productes de la seva oxidació (els àcids sulfúric i metanosulfònic) poden estar relacionats amb els processos de formació de núvols. S'ha proposat que aquests àcids poden afavorir la formació de núvols a la troposfera, fet que faria disminuir la radiació solar que arriba a la Terra, fins al punt de poder contrarestar l'escalfament global del planeta. Tenint en compte que el sulfur de dimetil és el principal compost de sofre d'origen natural a la troposfera, podríem estar davant d'un procés d'autoregulació de la temperatura del planeta. Així doncs, l'estudi de les reaccions químiques que condueixen des del sulfur de dimetil fins als corresponents àcids és d'especial interès des del punt de vista de la química atmosfèrica. A més, aquestes reaccions presenten característiques que també les fan atractives des del punt de vista de la química teòrica. / Esta tesis se centra en el estudio teórico de los procesos involucrados en la oxidación del sulfuro de dimetilo en la troposfera y las consecuencias que los productos que se forman en este proceso pueden tener en la atmósfera. La importancia de esta molécula radica en el hecho que los principales productos de su oxidación (los ácidos sulfúrico y metanosulfónico) pueden estar relacionados con los procesos de formación de nubes. Se ha propuesto que estos ácidos pueden favorecer la formación de nubes en la troposfera, cosa que haría disminuir la radiación solar que llega a la Tierra, hasta el punto de poder contrarrestar el calentamiento global del planeta. Teniendo en cuenta que el sulfuro de dimetilo es el principal compuesto de azufre de origen natural en la troposfera, podríamos estar delante de un proceso de auto-regulación de la temperatura del planeta. Así pues, el estudio de las reacciones químicas que conducen desde el sulfuro de dimetilo hasta los correspondientes ácidos es de especial interés desde el punto de vista de la química atmosférica. Además, estas reacciones presentan características que también las hacen atractivas desde el punto de vista de la química teórica. / This thesis focus on the theoretical study of the processes related to the dimethyl sulfide (DMS) oxidation in the troposphere, and the possible consequences related to the products formed along thas process. The importance of this molecule lies in its main oxidation products (sulfuric and methanosulfonic acids), which can act as cloud condensation nuclei (CCN). It has been proposed that the presence of those acids may enhance the presence of clouds in the troposphere, which in turn would reduce the solar radiation arriving into the Earth, counteracting in this way the global warming. Taking into account that DMS is the main biogenic sulfur¬containing compound, this could be a self temperature regulation process. Therefore, studying the chemical reactions from DMS to the corresponding acids is specially interesting from an atmospheric chemistry point of view. Furthermore, these reactions show characteristics which make them very attractive also for a theoretical chemist.

En el present treball s’han sintetitzat una sèrie de triarilfosfines amb característiques π àcides que han estat caracteritzades i avaluades com a lligands en diferents processos catalitzats per complexos de metalls de transició. Les fosfines sintetitzades incorporen al menys un grup trifluorometil en la seva estructura i es poden dividir en dos grups: fosfines neutres i fosfines iòniques amb grups sulfonats. Les fosfines sulfonades sintetitzades presenten solubilitat en aigua i s’han avaluat en processos catalítics bifàsics líquid-líquid, per tal de poder separar fàcilment els productes de la reacció per decantació i reutilitzar el catalitzador en reaccions de reciclatge. Les propietats electròniques de les fosfines neutres s’han investigat mitjançant la freqüència de vibració del lligand CO de nous complexos d’iridi tipus [IrCl(CO)(L)2] (L = fosfina). Els resultats indiquen que les característiques π-àcides de les fosfines augmenten amb el nombre de substituents trifluorometil, excepte per les fosfines orto trifluorometilades, on una assistència a llarga distància d’algun àtom de fluor al centre metàl·lic proporciona una densitat electrònica extra, que compensa l’efecte inductiu dels grups trifluorometils. La capacitat σ-donadora de les fosfines sulfonades s’ha determinat mitjançant la constant d’acoblament JP-Se per RMN, dels corresponents seleniürs. Totes les fosfines sulfonades que contenen grups CF3 són menys bàsiques que les corresponents fosfines sense grups trifluorometil. La presència de grups CF3 en l’estructura de les fosfines sulfonades incrementen la seva resistència front a l’oxidació, si es comparen amb les fosfines sense grups trifluorometil. A més, el caràcter ambifílic dels lligands provoca la formació de superestructures en disssolució aquosa, com micel·les o vesícules, que han estat observades per microscòpia electrònica Les fosfines sintetitzades s’han avaluat com a lligands en processos catalítics: carbonilació (metoxicarbonilació, hidroxicarbonilació i hidroformilació), reducció (hidrogenació i transferència d’hidrogen de dobles enllaços) i acoblaments carboni carboni (Suzuki-Miyara i Tsuji-Trost). D’entre totes les reaccions assajades, la hidroformilació de substrats polars és la reacció on les noves fosfines sintetitzades presenten una millora substancial respecte les fosfines sulfonades prèviament descrites, pel que fa a la velocitat de les reaccions. A més, les fosfines sulfonades trifluorometilades permeten reciclar el catalitzador mitjançant sistemes bifàsics. / In the present work, a new series of triarylphosphines with strong π-acidic character have been synthesized and fully characterized. They have also been tested as ligands in different processes catalyzed by transition metal complexes. These phosphines contain at least one trifluoromethyl group in its structure and they can be divided in two different groups: neutral phosphines and ionic phosphines with sulfonated substituents. The sulfonated phosphines are water soluble and they have been tested in biphasic liquid-liquid processes, in order to separate the reaction products by decantation and to reuse the catalyst in recycling experiments. The electronic properties of the neutral phosphines has been investigated by analyzing the CO stretching frequency of a series of new complexes [IrCl(CO)L2] (L = phosphine). These results show that the π-acidic properties of phosphines increases with the number CF3 substituents in the aril rings, except for the o-trifluoromethylated phosphines, where a fluorine long distance assistance provides the metal with extra electronic density, that compensate the inductive effect of the CF3 groups. The σ-donating ability of sulfonated phosphines has been assessed by measuring the NMR JP Se coupling constant of the corresponding phosphine selenides. All sulfonated phosphines containing CF3 substituents show to be less basic than the equivalent phosphines without this substituent. The presence of CF3 groups in sulfonated phosphines significantly increases their resistance towards oxidation when compared with the equivalent phosphines. Furthermore, the amphiphilic character of these phosphines leads to the formation of superstructures in their aqueous solutions, such as micelles and vesicles, that have been observed by electronic microscopy. The synthesized phosphines have been evaluated as ligands in different catalytic processes: carbonylation (methoxycarbonylation, hydroxycarbonylation and hydroformylation); reduction (hydrogenation and hydrogen transfer of double bonds); C-C coupling reactions (Suzuki-Miyaura and Tsuji-Trost reactions). Among all reactions essayed, the hydroformylation of polar substrates is the reaction where the new phosphines here synthesized show a clear advantage over the previously described sulfonated phosphines, because the increase in the reaction rate. Furthermore, in these processes, the trifluoromethylated sulfonated phosphines allow the recycling of the catalyst by using a biphasic system.

El desenvolupament de materials polimèrics a partir de fonts renovables està rebent un interès creixent degut a la incertesa en el preu i les reserves d’olis i a aspectes mediambientals. A més a més, maximitzar els beneficis d’emprar fonts renovables requereix l’aplicació de metodologies químiques altament sostenibles i eficients, exemplificades per les reacciones Click o tipus Click. D’altra banda, el disseny de polímers funcionalitzats amb propietats modulables i per tant, amb una aplicació més amplia, també és consistent amb el concepte de sostenibilitat. En aquest sentit, en aquesta tesi, hem explorat la diversitat d’oportunitats que aquestes transformacions ens ofereixen en els diferents estadis de la producció de polímers (síntesi de monòmers, polimerització i modificació de polímers) basats en l’àcid undecilènic i oleic, com a derivats de l’oli de ricí i girasol, respectivament. En concret, hem explorat la química tiol-eno tant per preparar nous monòmers policarboxílics com per polimeritzar derivats d’àcids grassos i modificar els finals de cadena de nous macromonomers. També hem explorat la química tiol-ino com a eina de polimerització de derivats d’àcids grassos alquínics. D’altra banda, s’ha preparat un poliester derivat de l’oli de ricí funcionalitzat amb grups brom i s’ha estudiat la substitució nucleòfila d’aquests grups amb tiols, amines i àcids carboxílics. Finalment l’aplicació dels diferents polímers sintetitzats, en l’alliberament controlat de fàrmacs així com també com a recobriments antimicrobials, ha estat avaluada. / The development of polymeric materials from renewable resources is receiving considerable attention as a consequence of the depleting of fossil resources and environmental issues. Moreover, maximizing the benefits of using renewable feedstocks requires the utilization of sustainable and efficient chemical transformations, exemplified by Click/Click-type chemistry reactions. In addition, the design of highly functionalized polymers with adjustable properties and thus, broader applicability is also consistent with the concept of sustainability. To this aim, in this thesis, we have explored the wide opportunities that these efficient transformations can offer in the different steps involved in the production of polymers (monomer synthesis, polymerization and polymer modification) based on undecylenic and oleic acids, as castor and sunflower oil derivatives. In particular, we have explored thiol-ene couplings to prepare new polycarboxylic monomers but also to polymerize fatty acids derivatives as well as post-modify the chain-ends of new biobased macromonomers. Thiol-yne chemistry has been also explored as polymerization tool of alkynic fatty acid derivatives. In addition, a bromine containing polyester derived from castor oil has been also prepared and its nucleophilic substitution with thiols, amines and carboxylic acids has been studied. Finally, the application of the new synthesized polymers as drug delivery carriers or antimicrobial coatings has been evaluated.

In this thesis, different approaches for the application of click chemistry to the preparation of catalysts and ligands are developed. Several strategies towards the use of 1,2,3-triazoles from copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition(CuAAC) reaction as click ligands are explored. Mainly, 1,2,3-triazole is used as donor groups for transition metal complexes in metal-catalyzed reactions, following on the simplicity of the synthetic route. In particular, CuAAC reaction is used to synthesize triazole-based ligands and later, for the first part of the project, tris(triazolyl)methanol•copper(I) chloride complexes are used in order to catalyze CuAAC very efficiently, on water, neat, under microwave irradiation and in organic solvents. Under all optimized conditions excellent yields are obtained. Then, the covalent immobilizations of these ligands are succeeded onto Merrifiled resin with 5 reuses and a broad functional group tolerance. In the second part of the thesis, triazole-based ligands are further developed for metal-catalyzed asymmetric transformations. Particularly, for molybdenum-catalyzed asymmetric allylicalkylations excellent enantio- nadregio-selectivities are achieved both under conventional and microwave assisted conditions with a very broad scope. Finally, ligands for enantioselective copper-catalzyed conjugate addition of diethylzinc are established under optimized conditions very good conversion are obtained albeit moderate ee. In general, the metal/triazole-based ligand complexes are used as catalysts in CuAAC reaction and catalytic asymmetric transformations. / En este trabajo se pretende desarrollar diferentes aproximaciones para la aplicación de “clickchemistry” a la preparación de catalizadores y ligandos. Así, se han explorado diferentes estrategias para una ruta sintética “click” que dé acceso a compuestos útiles en este campo, incluyendo cicloadiciones 1,3–dipolares. Principalmente, el 1,2,3-triazol se utiliza como grupo dador para los complejos de metales de transición en reacciones catalizadas por metales. Así, se presenta la ruta más sencilla para la síntesis de cada ligando. En general, los complejos de metal / ligando se utilizan como catalizadores para CuAAC y transformaciones asimétricas catalíticas.

El diseño y síntesis de ligandos homogéneos quirales constituye uno de los temas más importantes en la química actual. Su aplicación en catálisis asimétrica conduce a la formación de productos enantiopuros los cuales son de gran relevancia para la industria farmacéutica y agroquímica, entre otras. Sin embargo desde el punto de vista económico, la aplicación de estas metodologías es bastante limitada, debido al alto coste de los ligandos quirales y metales nobles utilizados en tales transformaciones. Por otro lado, a veces los productos finales obtenidos contienen altos niveles de contaminación por metales, que pueden llegar a ser un serio inconveniente si el metal es tóxico. Actualmente, se están desarrollando distintas estrategias para la inmovilización de catalizadores homogéneos en distintos soportes sólidos, con el objetivo de combinar la eficiencia de los catalizadores homogéneos asimétricos con las ventajas propias de los catalizadores heterogéneos (fácil separación, reutilización y reciclaje de dichos catalizadores). Una ventaja adicional que poseen los catalizadores inmovilizados en soportes sólidos es la posibilidad de implementar procesos de flujo continuo, simplemente atravesando el catalizador soportado con una mezcla de substratos y reactivos. Este trabajo se desarrolla en el marco del diseño modular de ligandos para catálisis asimétrica con metales y en las distintas estrategias para su inmovilización covalente. En esta memoria, se describe la síntesis de nuevos sistemas organometálicos catalíticos inmovilizados y su utilización posterior en la formación enantioselectiva de enlaces carbono-carbono y carbono-heteroátomo a través de procesos con características de sostenibilidad mejoradas (supresión de los procesos requeridos para la separación del catalizador de los productos de reacción, mínimo uso de disolventes orgánicos en las reacciones catalíticas, evitar la utilización de grupos protectores y, por consiguiente, de pasos de protección y de desprotección). / Synthesis of homogeneous ligands and their use in catalysis constitutes one of the most important subjects in organic chemistry originating thousands of published works every year. From an industrial point of view, the application of such methodologies is rather limited due to the high cost of chiral ligands and noble metals used in such transformations. Moreover, sometimes the final products contain high levels of metal contamination, which can become a serious drawback if the metal is toxic. Strategies for immobilization of homogeneous catalysts onto bulk materials have been developed with the aim of combining the efficiency of homogeneous asymmetric catalysts with the easy separation, reuse and recycling of heterogeneous ones. An additional advantage of the immobilization approach is the possibility of implementing continuous flow processes. In this work, different approaches for the immobilization of the ligands onto polymers have been described. Thus, the effects of the spacer, the linker, the diverse resins and the different point of anchoring of ligands onto support have been evaluated for metal-mediated reactions. Additionally, recycling studies have been made with the best supported ligands. In order to demonstrate usefulness of the heterogenized ligands, we developed a continuous flow process using metal-supported catalyst in the asymmetric allylic amination. In the second part of the present thesis, we have evaluated the behaviour of different Lewis acids to induce stereospecific cyclizations from enantiomerically pure aryl glicidyl ethers. Through the research work herein described, we have demonstrated, contrary to previous claim about only gold mediating this reaction, Lewis acids do in fact catalyze this rearrangement. In particular, from the perspective of practical use, cost and availability considerations, FeBr3 (alone or in combination with silver triflate) can be considered as the reagent of choice for this operation and, in general, for processes where gold and other expensive metals merely act as simple Lewis acids. From a mechanistic point of view, the observed reactivity trends clearly indicate that these cyclizations are of the Friedel-Crafts type.