Aquesta tesi doctoral està basada en el desenvolupament de nous agents antimicrobians derivats del pèptid híbrid cecropina A-melitina WKLFKKILKVL-NH2 (Pep3) que siguin sostenibles i útils per al control de malalties de plantes. Es van dissenyar i sintetitzar més de 133 anàlegs de Pep3 mitjançant química combinatòria. Es van obtenir anàlegs de Pep3 amb una elevada activitat contra fitopatògens i que presentaven baixa toxicitat. Els millors anàlegs van presentar eficàcies comparables amb pesticides de referència en la prevenció d'infeccions causades per fitopatògens. Es va estudiar el mecanisme d'acció de KKLFKKILKYL-NH2 (BP100) investigant la seva interacció amb models de membrana mitjançant tècniques espectroscòpiques. Es va observar la capacitat de BP100 a induir la permeabilització, la neutralització, i l'agregació de vesícules lipídiques aniòniques a una determinada concentració llindar. Es va deduir una equació que relaciona la CMI d'un pèptid antimicrobià amb la constant de partició i la concentració llindar en la membrana. / This PhD thesis focused on the development of new sustainable antimicrobial agents derived from the cecropin A-melittin hybrid antimicrobial peptide WKLFKKILKVL-NH2 (Pep3) for use in plant protection. A set of 133 Pep3 analogues were designed and synthetized using a combinatorial chemistry approach. Analogues of Pep 3 with high antimicrobial activity and low toxicity were obtained. The best of them were highly effective preventing infections of phytopathogens being not significantly different to conventional pesticides. Insights into the mode of action of KKLFKKILKYL-NH2 (BP100) were carried out by investigating its interaction with different model membrane systems using spectroscopic methodologies. BP100-induced vesicle permeabilization, membrane electroneutrality, and vesicle aggregation at a defined threshold concentration. Moreover, it was deduced an equation that correlates the MIC of an AMP with the partition constant and the threshold concentration in the membrane.This equation provides an easily prediction of in vivo antimicrobial activities from simple biophysical parameters.

Los IRES o Sitios Internos de Entrada Ribosomal son secuencias altamente estructuradas que se encuentran en la región no traducida del extremo 5' (5'-UTR) de diversos virus y mRNAs eucariotas que habilitan un mecanismo de traducción alternativo independiente de cap. La elevada conservación entre los genotipos virales hacen de los elementos IRES dianas potenciales hacia las que orientar el diseño de nuevos compuestos antivirales. Hace unos años, un cribado masivo por espectrometría de masas para seleccionar ligandos del IRES de hepatitis C (HCV IRES) permitió identificar un derivado de 2-aminobenzimidazol. Estudios adicionales de relación estructura-actividad originaron Isis-11, un derivado de 2¬aminobenzimidazol que inhibía la replicación de HCV a concentraciones submicromolares. Además, Isis-11 exhibió una afinidad micromolar por el subdominio Ila del IRES de HCV, un segmento esencial para la unión correcta del IRES al ribosoma. Los estudios estructurales sobre el subdominio Ila demostraron que los ligandos basados en 2-aminobenzimidazol se unen a una protuberancia de cinco nucleótidos altamente conservada produciendo un cambio conformacional que conlleva la inhibición de la función IRES. La fiebre aftosa (FMDV o Foot-and-Mouth Disease Virus) es un picornavirus cuya traducción es también mediada por IRES. A pesar de diferir en secuencia y estructura, los IRES de HCV y FMDV comparten ciertas similitudes. Éstas han llevado a conjeturar sobre la posibilidad que los derivados de 2-aminobenzimidazol pudieran comportarse también como ligandos del IRES de FMDV e inhibir su actividad. En la presente Tesis, se ha descrito la preparación de nuevos derivados de Isis-11, a los que hemos nombrado IRAB (IRES Aminobenzimidazol Binder). Para ello, se ha desarrollado una nueva ruta sintética, reduciendo el número de etapas y la complejidad del procedimiento original. Tras la síntesis se ha evaluado la interacción de los compuestos con la estructura del IRES de FMDV mediante ensayos biofísicos y de footprinting. Los experimentos biofísicos se han llevado a cabo mediante diferentes técnicas. En un primer bloque, se intentó evaluar la interacción de los ligandos con el IRES de FMDV mediante curvas de fusión y dicroísmo circular. Tras esta evaluación preliminar, se han realizado valoraciones por fluorescencia que han permitido determinar la afinidad de los ligandos por diferentes segmentos del IRES de FMDV. A modo de comparación, se han realizado los mismos experimentos con el subdominio Ila de HCV IRES. Los resultados han mostrado afinidades en los rangos submicromolar y micromolar bajo. Por último, se llevó a cabo una caracterización termodinámica completa de la interacción mediante valoraciones por calorimetría isotérmica (ITC) Los experimentos de footprinting mediante el radical hidroxilo y por SHAPE (Selective 2'- Hydroxyl Acylation analyzed by Primer Extension) han permitido determinar el impacto de la interacción de los ligandos sobre las estructuras secundaria y terciaria del IRES de FMDV. En conjunto, los resultados no han mostrado un lugar único de interacción con el IRES de FMDV. No obstante, todo parece sugerir que la interacción de los ligandos con el IRES tiene lugar preferentemente con uno de los dominios del IRES esenciales para su correcta actividad, produciendo con ello un cambio conformacional sutil pero suficiente para inhibir el mecanismo de traducción mediado por IRES. El estudio se ha completado llevando a cabo estudios de actividad de los derivados aminobenzimidazol, midiendo en primer lugar la inhibición de la traducción mediada por IRES, en FMDV y HCV, mediante experimentos in vitro, y también determinando in vivo la inhibición de replicación viral en células infectadas. En vista de los resultados, se puede concluir que la actividad antiviral de los dos compuestos ensayados, Isis-11 e IRAB-1, tiene relación con su capacidad en interferir en la traducción de FMDV mediada por IRES por interacción directa con el RNA. Una ruta sintética más directa y la actividad sensiblemente mejor de IRAB-1 en relación a Isis-11 permiten pensar que podrán desarrollarse otros derivados IRAB con mayor actividad antiviral, producto de una mejor selectividad por el RNA IRES. / IRES or Internal Ribosomal Entry Sites are highly structured sequences harbored on the 5' untranslated region (5'-UTR) of several virus and eukaryotic mRNAs that enable an alternative cap-independent translation. Highly conserved in virus genotypes, IRESs are attractive targets to design novel antiviral drugs. A few years ago, massive MS-screening for the selection of Hepatitis C virus IRES (HCV IRES) ligands identified a 2-aminobenzimidazole-containing compound. Further SAR studies conducted on 2-aminobenzimidazoles originated Isis-11, which inhibited HCV replication with a submicromolar EC50. Isis-11 exhibited a micromolar affinity against subdomain Ila of hepatitis C virus IRES (HCV IRES), an essential motif for the proper binding of the IRES to the ribosome. Structural studies showed that subdomain Ila contains a highly conserved 5-nucleotide bulge to which Isis-11 and related compounds can bind to promote a conformational switch that ultimately leads to IRES function inhibition. Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is a picornavirus whose translation is also driven by the IRES element present at the 5'-UTR of RNA. Although HCV and FMDV IRES differ significantly in nucleotide sequences and structure, the similarities between both IRESs led us to hypothesize that 2-aminobenzimidazole derivatives could also act as FMDV IRES binders, and lead to the inhibition of FMDV IRES-mediated translation. We describe the preparation of new Isis-11 analogues, collectively referred to as IRAB (IRES aminobenzimidazole binders), that have been shown to inhibit FMDV IRES-dependent protein synthesis and viral replication at micromolar concentracions. A series of biophysical assays, such as circular dichroism, fluorescence and microcalorimetry, have been performed to determine the binding affinity of these ligands for segments of FMDV IRES. For comparison purposes, the same compounds have been also evaluated as HCV IRES ligands. In both cases, affinities in the micromolar and submicromolar range have been determined. SHAPE (Selective 2'-Hydroxyl Acylation analyzed by Primer Extension) analysis and hydroxyl radical footprinting have been also carried out to characterize the binding of IRAB analogues to FMDV IRES.

En el transcurso de esta tesis se ha trabajado en la síntesis total de la Anfidinolida B2. Ésta es una macrolactona citotóxica aislada de un dinoflagelado marino (Amphidinium sp.) por el grupo de Shimizu y colaboradores en Brewer’s Bay, St. Thomas, Virgin Island. Como los espectros de la Anfidinolida B2 son muy parecidos al de la Anfidinolida B1 (cristalizada y cuya configuración absoluta pudo determinarse por Rayos X y experimentos de degradación), B2 se consideró un epímero en C18 de la B1. Sin embargo, su estructura sigue siendo incierta ya que Carter et al. sintetizaron la estructura propuesta por Shimizu y observaron que los datos espectroscópicos no coincidían con la natural. La retrosíntesis planteada en nuestro grupo se basa en cuatro desconexiones principales que dan lugar a cuatro fragmentos de complejidad estructural. El Fragmento I se ha sintetizado a través de una alilación asimétrica de la cetona metílica, transformación apenas usada en síntesis totales. Después de probar varias metodologías optamos por utilizar la alilación asimétrica de Schaus, que nos proporcionó nuestro alcohol alílico en un 95% de rendimiento y una relación enantiomérica de 95:5. De esta manera pudimos optimizar la síntesis de primera generación de este fragmento llevada a cabo por la Dra. Mireia Sidera, obteniendo el alcohol en 3 etapas y un rendimiento total del 32%. El Fragmento II, se ha conseguido sintetizar a través de un exhaustivo estudio de la apertura del 3,5-dimetiltetrahidrofuran-2-ol donde el 2,2,2-trifluoroetanol es un aditivo clave en la olefinación de Wittig para evitar la posible adición conjugada que da lugar al producto cíclico. La síntesis del fragmento se ha llevado a cabo a través de una dihidroxilación asimétrica de Sharpless, formación de la amida de morfolina y posterior intercambio a cetona vinílica. La síntesis del Fragmento III ha supuesto un estudio de la reacción de Negishi, donde se ha intentado realizar un coupling Csp3–Csp2, habiendo sido imposible obtener altos rendimientos. No obstante, la unión de un intermedio del Fragmento III con el Fragmento I, también mediante reacción de Negishi, nos ha permitido formar el enlace C13–C14 de la Anfidinolida B2. Una vez realizada esta unión, sí que se ha podido llevar a cabo la unión Csp3–Csp2 para alargar la cadena del Fragmento III y acabar epoxidando mediante una reacción organocatalítica de Jørgensen la posición α,β del aldehído que sirve para la unión con el Fragmento IV. Los resultados de los experimentos de la reacción de Negishi han servido para extrapolarlos a otros acoplamientos que habían resultado problemáticos con anterioridad en el grupo. Así, se ha realizado la síntesis de la Palmerolida A, macrólido inhibidor del melanoma aislado en 2006 por Baker y colaboradores, aplicando las condiciones optimizadas con anterioridad. Finalmente, la síntesis del Fragmento IV mediante reacciones triviales nos ha llevado a la unión de éste con el Fragmento Oeste a través de la reacción de Julia-Kocienski. Actualmente nos encontramos estudiando la saponificación y posterior esterificación para la obtención del macrociclo que dará lugar a la Anfidinolida B2. / The present Doctoral Thesis describes our efforts towards the Total Synthesis of Amphidinolide B2, a novel macrolide with potent cytotoxicity against lymphoma murine cells and humane carcinoma cells. It is a 26-membered ring macrolactone, with an allylic epoxide, four doble bonds and 9 stereogenic centres. However, the absolute configuration is still unknown as Carter and co-worker sinthetised the proposed structure and observed that the spectroscopic data were not in agreement with those reported by Shimizu. They propose a new structure for Amphidinolide B2, where the two alcohols in C16 and C18 have a syn relative configuration. Our retrosynthesic analysis was based in four main disconnections that lead to four principal fragments. The synthesis of Fragment I has been optimized using a methyl ketone asymmetric allylation of ketones developed by Schaus. In this manner, the synthesis of the fragment could be achieved in 3 steps and 32% overall yield. Fragment II was envisage via an olefination reaction of lactol 1.9. However, this reaction was not trivial and an exhaustive study was carried out. Finally, using Wittig olefination reaction with 0.9 equivalents of ylide or 2.0 equivalents of trifluoroethanol, the product could be obtained. Negishi reaction has also been studied for the Csp3–Csp2 coupling. After several optimizations, we have been able to synthesize Western Fragment with this protocol. Finally, Jørgensen’s catalytic asymmetric epoxidation allowed us to the formation of the α,β-epoxy aldehyde. Taking advantage of the Negishi reaction study performed bellow, we decided to focus our attention in the challenging C15–C16 bond formation of Palmerolide A, a melanoma-inhibiting macrolide. After some studies changing the protecting group, we obtained the coupling product in 78% yield. Fragment IV is the simplest of all. The synthesis starts from γ-butirolactone and sulfone 6.1 is obtained in 4 steps and 53%. This compound was used for the Julia–Kocienski olefination obtaining 6.3 in moderate yield. Unfortunately, we haven’t had enough time to continue with the synthesis, which implies a saponification, sterification of Fragment II, ring-closing metathesis to form the macrolactone and the final directed oxi-Michael adition to obtain the C18 stereogenic center.

La presente Tesis Doctoral describe la síntesis y la aplicación catalítica de diferentes familias de ligandos quirales derivados de aminoácidos naturales que poseen la capacidad de coordinarse a metales de transición. Estos complejos metálicos pueden actuar como catalizadores en reacciones enantioselectivas de formación de enlaces C-C. Los ligandos de tipo amino amida permiten la obtención de complejos metálicos con diversos metales de transición. Los complejos de Ni (II) se emplearon en la adición enantioselectiva de reactivos de dialquilzinc a aldehídos. El resultado más significativo fue la posibilidad de ejercer un estereocontrol dual sobre la enantioselectividad del producto de adición en función de la estequiometría del complejo de Ni (II) empleado en la catálisis. Adicionalmente se ha estudiado su actividad al soportar las amino amidas sobre resinas de tipo Merrifield. En la reacción de adición enantioselectiva de compuestos de dialquilzinc a aldehídos, las resinas funcionalizadas forman complejos metálicos de Zn (II) que actúan como excelentes catalizadores favoreciendo la formación de alcoholes secundarios de configuración S. Por otra parte, los complejos metálicos de Ni (II) también han mostrado actividad como catalizadores quirales pudiendo controlar la estereoquímica del producto de adición en función de la estructura del catalizador, es decir, variando la estequiometría del mismo. La síntesis y aplicación de ligandos con estructura de bis(amino amida) también se ha estudiado. Los complejos de Zn (II) han mostrado una eficiente actividad catalítica en las adiciones de dialquilzinc a aldehídos. Sin embargo, cuando el metal utilizado es Ni (II), se observa un cambio de topicidad en la configuración del enantiómero obtenido, en función de la longitud del puente bisamídico de los complejos de Ni (II). Ello nos permite alcanzar un estereocontrol dual a partir de un único enantiómero del componente quiral de partida. Finalmente se ha llevado a cabo un estudio teórico de las reacciones de adición de reactivos de dialquilzinc a aldehídos mediante el uso de los cálculos computacionales a nivel DFT (B3LYP).

Existeix un interès creixent, tant en el món acadèmic com en la recerca industrial en el desenvolupament de sistemes d’alliberament de fàrmacs macromoleculars (proteïnes, pèptids, oligonucleotids) capaços de travessar la mucosa. En aquest sentit, la utilització de vectors sintètics per a l’alliberament de les esmentades macromolècules, permet disposar d’una plataforma versàtil i altament eficient. Tanmateix, la capa de mucosa amb propietats adhesives i altament viscoelàstica, té una elevada capacitat d’atrapar i eliminar qualsevol substància estranya que quedi adherida sobre la seva superfície, limitant, de forma evident, la eficàcia de qualsevol tractament Aquesta Tesi es centra en el desenvolupament de sistemes d’alliberament de DNA, dissenyats a mida, que presenten una elevada estabilitat i eficàcia de transfecció amb un nivell molt baix de toxicitat i molt important en el context de la tesi, una capacitat de permeació a través de la mucosa. A més la tesi també es centra en el disseny i el desenvolupament de mètodes i tècniques in vitro que ajudin a una millor selecció de sistemes eficients d’alliberament a través de la mucosa. Així s’ha desenvolupat un mètode simple i eficient, basat en la utilització de una microbalança de quartz amb dissipació (QCM-D). Aquest mètode ha permès avaluar la interacció de polímers i nanopartícules amb una capa de mucina. Els resultats obtinguts amb el mètode desenvolupat han permés dissenyar sistemes de nanopartícules amb un potencial més gran de permeació a través de la mucosa. Aquesta tècnica d’alta sensibilitat també ha ofert la possibilitat d’avaluar las dos propietats oposades, el coneixement de les quals és necessari per un correcte disseny de sistemes cpaços de creuar la mucosa: mucoadhesió vs mucopenetració. Los Poly(β-amino ester)s (PBAEs) s’han proposat com a sistemes biodegradables capaços de formar nanopartícules, per complexació amb DNA, que presenten una elevada capacitat de transfecció. Tanmateix, mostren problemes d’estabilitat en condicions fisiològiques i són incapaços de travessar la capa de mucosa. En aquesta tesi es descriu una nova solució en la preparació de les formulacions dels nanocomplejos basada en la utilització de recobriments que estabilitzen les nanopartícules i augmenten la seva permeabilitat. Els recubrimeintos proposats inclutyen: i) sucres (sucroses, trhalosa i manitol), ii) quitosà sense modificar de 22 KDa i amb 60-120 kDa, iii) quitosan modificat amb àcid tioglicolidoi i iv) acid poliacrílic-bromelaina. Totes les noves formulacions s’han avaluat amb diferents quantitat de recobriment. S’han determinat les seves propietats fisicoquímiques i la seva eficàcia de transfecció i citotoxicitat en front de cèl.lules COS-7. S’ha estudiat La difusió de las partícules a través de la mucosa gàstrica de porc utilitzant diferents tècniques com el tub rotatori de silicona o el multiple particle tracking (MPT). Els resultats obtinguts han mostrat la superior estabilitat, eficàcia de transfecció i permeabilitat sobre la mucosa de las noves formulacions dissenyades. / Existe un interés creciente, tanto en el mundo académico como en la investigación industrial en el desarrollo de sistemas de liberación de fármacos macromoleculares (proteínas, péptidos, oligonucleótidos) capaces de atravesar la mucosa. En este sentido, la utilización de vectores sintéticos para la liberación de dichas macromoléculas, permite disponer de una plataforma versátil y altamente eficiente. Sin embargo, la capa de mucosa con propiedades adhesivas y altamente viscoelástica, tiene una elevada capacidad de atrapar y eliminar cualquier sustancia extraña que quede adherida sobre su superficie, limitando, de forma evidente, la eficacia de cualquier tratamiento Esta Tesis se centra en el desarrollo de sistemas de liberación de ADN, diseñados a medida, que presentan una elevada estabilidad y eficacia de transfección con un nivel muy bajo de toxicidad y muy importante en el contexto de la tesis, una capacidad de permeación a través de la mucosa. Además la tesis también se centra en el diseño y el desarrollo de métodos y técnicas in vitro que ayuden a una mejor selección de sistemas eficientes de liberación a través de la mucosa. Así se ha desarrollado un método simple y eficiente, basado en la utilización de una microbalanza de cuarzo con disipación (QCM-D). Este método ha permitido evaluar la interacción de polímeros y nanopartículas con una capa de mucina. Los resultados obtenidos con el método desarrollado han permitido diseñar sistemas de nanopartículas con un mayor potencial de permeación a través de la mucosa. Esta técnica de alta sensibilidad también ha ofrecido la posibilidad de evaluar las dos propiedades opuestas, el conocimiento de las cuales es necesario para un correcto diseño de sistemas cpaços de cruzar la mucosa: mucoadhesió vs mucopenetració. Los Poly (β-amino ester)s (PBAEs) se han propuesto como sistemas biodegradables capaces de formar nanopartículas, por complejación con ADN, que presentan una elevada capacidad de transfección. Sin embargo, muestran problemas de estabilidad en condiciones fisiológicas y son incapaces de atravesar la capa de mucosa. En esta tesis se describe una nueva solución en la preparación de las formulaciones de los nanocomplejos basada en la utilización de recubrimientos que estabilizan las nanopartículas y aumentan su permeabilidad. Los recubrimeintos propuestos inclutyen: i) azúcares (sucrosa, trhalosa y manitol), ii) quitosano sin modificar de 22 KDa y con 60-120 kDa, iii) quitosano modificado con ácido tioglicólico y iv) ácido poliacrílico-bromelaina. Todas las nuevas formulaciones se han evaluado con diferentes cantidades de recubrimiento. Se han determinado sus propiedades fisicoquímicas y su eficacia de transfección y citotoxicidad frente a células COS-7. Se ha estudiado La difusión de las partículas a través de la mucosa gástrica de cerdo utilizando diferentes técnicas como el tubo rotatorio de silicona o el múltiple particle tracking (MPT). Los resultados obtenidos han mostrado superior estabilidad, eficacia de transfección y permeabilidad sobre la mucosa de las nuevas formulaciones diseñadas. / Mucus penetrating nanoparticle-based delivery systems of macromolecular drugs are currently receiving increasing attention in both academic and industrial research. Synthetic delivery systems provide highly suitable and tunable platform for the delivery of the macromolecules. However, a highly viscoelastic and adhesive mucus layer generally traps and rapidly removes most foreign substance from the mucosal surfaces, thereby limiting effectiveness of these nanocarriers. This Thesis is addressed to the development of engineering DNA delivery systems capable of high stability and transfection efficiency with low toxicity, and quickly crossing the mucus layer. Moreover, this Thesis is focused on design and development of methods and techniques in vitro in order to select more efficient delivery systems. A simple and efficient method, based on the use of the quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) technique, is developed and evaluated the interaction of the polymers and nanoparticles with the mucin layer, resulting in the development of nanoparticle-based delivery systems to mucosal tissue. This highly sensitive technique also offers to evaluate the two opposing properties, needed for the design of efficient mucous permeation systems: mucoadhesion vs mucus penetration. Poly(β-amino ester)s (PBAEs) are currently considered of great interest as biodegradable polymeric carriers of DNA delivery, but they present limited stability in physiological conditions and the inability to penetrate the mucus layer. In this Thesis, we describe a novel surface-modified formulation of DNA delivery systems consisting of PBAE/DNA complexes and the coating agents, including: i) sugars (sucrose, trehalose or mannitol), ii) unmodified chitosan with a 22 kDa (CS) and a with a 60-120 kDa (CSM), iii) chitosan-thioglycolic acid (CS-TGA), and iv) poly(acrylic acid)-bromelain (PAA-BRO) conjugates. All novel formulations formed with different amounts of the coating agents are evaluated the physicochemical properties. The influence of coating agents on transfection efficiency and cytotoxicity is evaluated in COS-7 cells. Particle diffusion through porcine intestinal mucus (PImucus) is assessed by either rotating silicone tube technique or multiple particle tracking (MPT). The results highlight the superior stability, transfection efficiency and mucus permeability of the novel nanoparticle-based drug delivery systems. The effect of the amount of coating agents is also discussed.

La present tesi doctoral està adreçada al desenvolupament de catalitzadors que permetin dur a terme processos sintètics de manera més eficient i sostenible. Es presenten dues noves famílies de catalitzadors suportats, ambdues pertanyents al grup de complexos organometàl·lics moleculars immobilitzats sobre un suport sòlid. La primera família inclou complexos de Pd amb lligands carbè N-heterocíclic monodentats de gran impediment estèric, immobilitzats sobre òxids inorgànics, com ara sílicas, alúmina o òxid de titani. Aquesta família de catalitzadors es va aplicar en dos tipus de reaccions: i) reaccions d'acoblament C-C i ii) semireducción d'alquins. Entre les reaccions d'acoblament esmentades, els complexos de [Pd (NHC)] immobilitzats es van aplicar a les reaccions de Suzuki, Heck i Sonogashira, i es van avaluar en base a la seva activitat, selectivitat i reciclabilitat. A més, en el cas de les reaccions de Suzuki i Sonogashira, aquests catalitzadors també es van aplicar en condicions de flux continu. L'aplicació d'aquesta família de catalitzadors en la semireducció selectiva d'alquins es va dur a terme utilitzant dues metodologies diferents: utilitzant hidrogen molecular, o bé utilitzant el sistema trietilamina / àcid fòrmic com donador de H (condicions de transferència d'hidrogen). La segona família de catalitzadors suportats contempla complexos de Rh (I) estabilitzats amb lligands bidentats de tipus carbé N-heterocíclic, amb quiralitat axial, i funcionalitzats amb un grup piré. La immobilització d'aquests complexos de Rh sobre la superfície de nanotubs de carboni "multi-walled" va tenir lloc mitjançant interaccions de tipus "pi-pi stacking" entre la superfície dels nanotubs i el grup piré present en el lligand. Finalment, es presenten els resultats obtinguts en l'aplicació d'aquests complexos de Rh en diversos processos catalítics. / La presente tesis doctoral se centra en el desarrollo de catalizadores que permitan llevar a cabo procesos sintéticos de manera más eficiente y sostenible. Se presentan dos nuevas familias de catalizadores soportados, ambas pertenecientes al grupo de complejos organometálicos moleculares inmovilizados sobre un soporte sólido. La primera familia incluye complejos de Pd con ligandos carbeno N-heterocíclico monodentados de gran impedimento estérico, inmovilizados sobre óxidos inorgánicos, como sílicas, alúmina u òxido de titanio. Esta familia de catalizadores se aplicó en dos tipos de reacciones: i) reacciones de acoplamiento C-C y ii) semireducción de alquinos. Entre las reacciones de acoplamiento mencionadas, los complejos de [Pd(NHC)] inmovilizados se aplicaron en las reacciones de Suzuki, Heck y Sonogashira, y se evaluaron en base a su actividad, selectividad y reciclabilidad. Además, en el caso de las reacciones de Suzuki y Sonogashira, estos catalizadores también se aplicaron en condiciones de flujo continuo. La aplicación de esta familia de catalizadores en la semireducción selectiva de alquinos se llevó a cabo utilizando dos metodologías diferentes: utilizando hidrógeno molecular, o bien utilizando el sistema trietilamina/ácido fórmico como dador de H (condiciones de transferencia de hidrógeno). La segunda familia de catalizadores soportados contempla complejos de Rh(I) estabilizados con ligandos bidentados de tipo carbeno N-heterocíclico, con quiralidad axial, y funcionalizados con un grupo pireno. La inmovilización de estos complejos de Rh sobre la superficie de nanotubos de carbono "multi-walled" tuvo lugar mediante interacciones de tipo "pi-pi stacking" entre la superficie de los nanotubos y el grupo pireno presente en el ligando. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos en la aplicación de estos complejos de Rh en varios procesos catalíticos. / The present PhD thesis aims at contributing to the development of more efficient and sustainable synthetic processes through catalysis. In this regard, two families of new solid-supported catalysts are presented. Both families belong to the group of molecularly defined organometallic complexes immobilized onto a solid support. The first family includes Pd complexes of sterically hindered monodentate N-Heterocylic Carbene ligands supported onto inorganic oxide materials, namely silicas, alumina and titania. This family of catalysts was applied in two types of reactions: i) C-C cross-couplings and ii) semireduction of alkynes. Among cross-coupling reactions, the supported [Pd(NHC)] complexes could be applied in Suzuki, Heck and Sonogashira couplings and their performance was assessed in terms of activity, selectivity and reusability. For the Suzuki and Sonogashira couplings, the catalysts were also appied under continuous flow conditions. The application of this family of catalysts in the selective reduction of alkynes was carried out following two different methodologies: using hydrogen gas, or using triethylamine/formic acid as the H-donor system (transfer hydrogenation conditions). The second family of solid-supported catalysts features Rh(I) complexes bearing axially chiral bidentate N-Heterocyclic carbene ligands functionalized with a pyrene moiety. Immobilization of these Rh complexes onto the surface of multi-walled carbon nanotubes was achieved by means of "pi-pi stacking interactions" between the surface of the nanotubes and the pyrene moiety present in the ligand. Results obtained from the application of these complexes as catalysts in various reactions are presented.

La tecnologia glicosintasa ha esdevingut una eina important per a la síntesi d’oligosacàrids, polisacàrids i glicoconjugats. Les glicosintases són glicosidases mutades desproveïdes d’activitat hidrolítica però capaces de catalitzar eficientment la formació d’enllaços glicosídics amb rendiments elevats en fer ús d’un donador glicosídic activat. A més a més, el donador activat i el seu producte de transglicosidació poden actuar com acceptors donant lloc a l’autocondensació del donador o a l’elongació del producte de transglicosidació, produint polisacàrids. En el present treball es pretén sintetitzar nous polisacàrids artificials funcionalitzats amb estructures definides mitjançant l’ús de la tecnologia glicosintasa. D’una banda, s’ha intentat augmentar la massa molecular dels polisacàrids fent ús d’un mòdul d’unió de carbohidrats (CBM). Aquest mòdul podria millorar la solubilitat dels nous polímers a mesura que es van sintetitzant durant la reacció de polimerització. L’efecte en el grau de polimerització ha estat estudiat tant pel mutant glicosintasa en presència de CBM com per la proteïna de fusió glicosintasa-CBM. D’altra banda, s’han sintetitzat polisacàrids artificials funcionalitzats a partir de donadors disacarídics activats on la funcionalització desitjada ha sigut prèviament introduïda a la posició C-6’. Aquests donadors funcionalitzats actuen com a substrat pel mutant glicosintasa que catalitzarà la reacció d’autocondensació. El grup azido va ser escollit com a un grup funcional adequat donada la seva versatilitat i mida, suficientment petit com per a ser acceptat per l’enzim. Els donadors fluorur de 6-azidolaminaribiosa i fluorur de 6-azidocel·lobiosa han estat sintetitzats i avaluats com a substrats per les reaccions glicosintasa amb el mutant E134S de la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis i el mutant E197A de la cel·lulasa d’Humicola insolens, respectivament. S’han sintetitzat 6-azido i 6-amino-6-deoxicel·luloses artificials amb una seqüència de funcionalització alternada. De forma oposada a la modificació química de cel·luloses on la seqüència de substitució és intrínsecament aleatòria, la polimerització catalitzada per glicosintases de donadors glicosídics modificats apropiadament, permet accedir a noves cel·luloses funcionalitzades amb seqüències de substitució definides i regulars. / La tecnología glicosintasa se ha convertido en una herramienta importante para la síntesis de oligosacáridos, polisacáridos y glicoconjugados. Las glicosintasas son glicosidasas mutadas desprovistas de actividad hidroítica pero capaces de catalizar eficientemente la formación de enlaces glicosídicos con rendimientos elevados utilizando un dador glicosídico activado. Además, el dador activo y su producto de transglicosidación pueden actuar como aceptores dando lugar a la autocondensación del dador o a la elongación del producto de transglicosidación, produciendo polisacáridos. En el presente trabajo se pretenden sintetizar nuevos polisacáridos artificiales funcionalizados con estructuras definidas mediante el uso de la tecnología glicosintasa. Por un lado, se ha intentado aumentar la masa molecular de los polisacáridos utilizando un módulo de unión de carbohidratos (CBM). Este módulo podría mejorar la solubilidad de los nuevos polímeros a medida que se van sintetizando durante la reacción de polimerización. El efecto en el grado de polimerización ha sido estudiado tanto para el mutante glicosintasa en presencia de CBM como para la proteína de fusión glicosintasa-CBM. Por otro lado, se han sintetizado polisacáridos artificiales funcionalizados a partir de dadores disacarídicos activados donde la funcionalización deseada ha sido introducida previamente en la posición C-6’. Estos dadores funcionalizados actúan como sustrato para el mutante glicosintasa que catalizará la reacción de autocondensación. El grupo azido fue escogido por ser un grupo funcional adecuado dada su versatilidad y tamaño, suficientemente pequeño como para ser aceptado por el enzima. Los dadores fluoruro de 6-azidolaminaribiosa y fluoruro de 6-azidocelobiosa han sido sintetizados y evaluados como sustratos para las reacciones glicosintasa con el mutante E134S de la 1,3-1,4-β-glucanasa de Bacillus licheniformis y el mutante E197A de la celulasa de Humicola insolens, respectivamente. Se han sintetizado 6-azido y 6-amino-6-deoxicelulosas artificiales con una secuencia de funcionalización alternada. De forma opuesta a la modificación química de celulosas donde la secuencia de sustitución es intrínsicamente aleatoria, la polimerización catalizada por glicosintasas de dadores glicosídicos modificados apropiadamente, permite acceder a nuevas celulosas funcionalizadas con secuencias de sustitución definidas y regulares. / The glycosynthase technology has become a powerful enzymatic tool for the synthesis of oligosaccharides, polysaccharides and glycoconjugates. Glycosynthases are mutated glycosidases devoid of hydrolase activity but able to efficiently catalyze the formation of glycosidic bonds in high yields when using an activated glycosyl donor. In addition, the activated donor and its transglycosylation product, can both act as acceptors leading to the autocondensation of the donor or to the elongation of the transglycosylation product leading to polysaccharides. The present work aims to synthesize novel artificial functionalized polysaccharides with defined structures by the use of the glycosynthase technology. On the one hand, an increase in the molecular weight of the polysaccharides is attempted by the use of a carbohydrate binding module (CBM). This module might improve the solubility of the new polymers that are synthesized during the polymerization reaction. The effect on the polymerization degree has been studied for both the glycosynthase mutant in the presence of CBM and for the fusion protein glycosynthase-CBM. On the other hand, functionalized artificial polysaccharides have been synthesized from activated disaccharidyl donors where the desired functionalization has been introduced at position C-6’. These functionalized donors act as a substrate for the glycosynthase mutant that will catalyze the autocondensation reaction. The azido group was chosen as a suitable functional group given its versatility and its size, small enough to be accepted by the enzyme. Donors 6-azidolaminaribiosyl fluoride and 6-azidocellobiosyl fluoride have been synthesized and evaluated as substrates for the glycosynthase reactions by the E134S 1,3-1,4-β-glucanase from Bacillus licheniformis mutant and the E197A cellulase mutant from Humicola insolens, respectively. Artificial 6-azido- and 6-amino-6-deoxicelluloses with an alternating functionalization pattern have been produced. As opposed to chemically modified celluloses where the substitution pattern is intrinsically random, the glycosynthase-catalyzed polymerization of properly modified glycosyl donors gives access to novel functionalized celluloses with defined and regular substitution patterns.

Synthetic biopolymers have attracted considerable attention in the last decades in the biomedical field. Poly(ester amide)s are a family of biodegradable polymers that can be tailored for specific applications due to the presence of cleavable ester locations and amide units, which establish hydrogen bond interactions and result in good thermal and mechanical properties. Thanks to these adaptable properties, they are promising materials for applications in different medical fields and constitute the core of this Thesis. Poly(glycolic acid) has proven to be a successful biodegradable and bioresorbable material, so in the first part, diverse poly(ester amide)s containing the glycolic acid unit are prepared using a solid-state polycondensation. To exploit the potential variability of the resulting properties, the constituting units include a variable ratio of glycolic acid and lactic acid, and the amide part comprises aminohexanoic acid or branched diamine units (with 5 and 6 carbons). As new materials, in situ polymerization kinetics and characterization of monomers and copolymers were extensively studied. In addition, the preparation of a polyamide, NY 6 9, was performed to evaluate the morphological changes and peculiar structure present in even-odd nylons by means of time-resolved SAXS and WAXD experiments in a synchrotron radiation facility and optical microscope. In the next chapter a new amino acid-based poly(ester amide) was designed as a new example of last generation biopolymer. In this case, an alternative approach was aimed to obtain a polymer hybrid based in the L-lactic acid and L-phenylalanine units: the use of a peptide as initiator of an anionic ROP of the L-lactide unit. The different resulting polymers have been characterized by diverse techniques and also are supported by simulation studies. The work in this Thesis is completed by the preparation of diverse biomedical devices as scaffolds and nanoparticles with an electrospinning setup. The mini-emulsion technique was also explored. Poly(ester amide)s that include glycolic acid and odd or even diamines, phenylalanine or Bionolle® were used. As prospective drug delivery systems anti-inflammatory (i.e. ketoprofen), antibacterial (i.e. chlorhexidine, PHMB) or anti-carcinogenic (i.e. indole derivatives) drugs were loaded and their release was evaluated. Also, biocompatibility and bacterial tests were essential assays to determine their behaviour as biomedical applications. Finally, another fundamental aspect that was reviewed is the enzymatic degradation behaviour of the prepared samples. / En las últimas décadas, los biopolímeros sintéticos han atraído gran atención en el campo biomédico. Las poliesteramidas son una familia de polímeros biodegradables que pueden ser modificados en multitud de variables para aplicaciones específicas gracias a la presencia de los enlaces ester, susceptibles a rotura; y a las unidades amida, que establecen uniones de puentes de hidrógeno dando lugar a un aumento en propiedades térmicas y mecánicas. Gracias a la gran variabilidad de las propiedades descritas, las poliesteramidas se presentan como materiales muy prometedores en aplicaciones de diferentes campos de la medicina y constituyen el eje central de estudio en esta Tesis Doctoral. El ácido poliglicólico ha demostrado ser un material biodegradable y biorreabsorbible, por ello, en la primera parte se han preparado diversas poliesteramidas que contienen la unidad de ácido glicólico mediante el método de policondensación en estado sólido. Para explotar el potencial de variabilidad en las propiedades resultantes, las unidades que constituyen al polímero constan de proporciones variables de unidades de ácido glicólico y láctico, y en la sección amida, se incluyen el ácido aminohexanoico o unidades ramificadas de diamina (con 5 o 6 carbonos). Al tratarse de nuevos materiales, su cinética de polimerización in situ y la caracterización de los monómeros y copolímeros se ha estudiado exhaustivamente. Además, se ha sintetizado la poliamida nylon 6 9 para evaluar los cambios morfológicos y los característicos cambios estructurales presentes en los nylons par-impar mediante ensayos a tiempo real SAXS y WAXD en una instalación de radiación sincrotrón y también mediante microscopía óptica. En el capítulo siguiente, se diseña una poliesteramida basada en amino ácidos esenciales, como un ejemplo de biopolímero de última generación. En este caso, se ha planteado un proceso alternativo para obtener un polímero híbrido basado en las unidades de ácido L-láctico y L-fenilalanina que consiste en el uso de un péptido como iniciador de una reacción de apertura de anillo aniónica de la unidad de ácido láctico. Los diferentes copolímeros resultantes se han caracterizado mediante diversas técnicas y también se han respaldado con estudios de simulación. El trabajo de la Tesis Doctoral se ha completado preparando diversos dispositivos biomédicos como pueden ser andamios temporales y nanopartículas mediante un dispositivo de electrospinning. También se ha examinado la técnica de preparación de mini emulsiones. Además, se han usado poliesteramidas que incluyen grupos de ácido glicólico y diaminas pares o impares, fenilalanina o Bionolle®. Se cargan fármacos antiinflamatorios (i.e. ketoprofeno), antibacterianos (i.e. clorhexidina, PHMB) o anticancerígenos (i.e. derivados del indol) y se evalúa su liberación para determinar la posible utilización de estos dispositivos poliméricos como sistemas de liberación controlada. Asimismo, también se han realizado ensayos de biocompatibilidad y tests bacterianos para determinar su comportamiento en aplicaciones biomédicas. Finalmente, otro aspecto fundamental a determinar ha sido el comportamiento frente a degradación enzimática de los diversos materiales.

Tres estratègies adreçades a aportar una major perspectiva en el camp de la teràpia fotodinámica antimicrobiana comprenen la primera part de la tesi. En una primera aproximació, sis fotosensibilitzadors catiònics, amb diferent càrrega elèctrica neta i estructura, han estat caracteritzats en dissolució i les seves propietats fotoinactivadores provades contra diferents tipus de microorganismes. En una segona aproximació, conjugats entre un fotosensibilitzador i el pèptid antimicrobià Apidaecina 1b han estat analitzats fotofísica i mecanísticament, i les seves propietats correlacionades amb la seva habilitat fotosensibilitzadora en bacteris. En l'última aproximació, dues proteïnes fluorescents –TagRFP i miniSOG- han estat expressades en E. coli i s'ha estudiat la seva fototoxicitat així com el seu mecanisme d'acció. A més, s'ha reevaluat i estudiat en detall la capacitat de miniSOG per fotosensibilitzar la formació d'oxigen singlet. En la segona part de la tesi, l'interès s'ha centrat en la detecció d'oxigen singlet. En la primera secció, s'ha avaluat la capacitat de detecció en dissolució d'una nova díada composta per un naftoxazol i una trampa química d'oxigen singlet. En l'última secció, es desenvolupa, prova i discuteix la viabilitat de nanopartícules de poliacrilamida com a plataforma potencial per a la detecció d'oxigen singlet en sistemes intracel•lulars. / Tres estrategias destinadas a aportar una mayor perspectiva en el campo de la terapia fotodinámica antimicrobiana componen la primera parte de la tesis. En una primera aproximación, seis fotosensibilizadores catiónicos, con distinta carga eléctrica neta y estructura, han sido caracterizados en disolución y sus propiedades fotoinactivadoras probadas contra diferentes tipos de microorganismos. En una segunda aproximación, conjugados entre un fotosensibilizador y el péptido antimicrobiano Apidaecina 1b han sido analizados fotofísica y mecanísticamente, y sus propiedades correlacionadas con su habilidad fotosensibilizadora en bacterias. En la última aproximación, dos proteínas fluorescentes –TagRFP y miniSOG- han sido expresadas en E. coli y se ha estudiado su fototoxicidad así como su mecanismo de acción. Además, se ha reevaluado y estudiado en detalle la capacidad de miniSOG para fotosensibilizar la formación de oxígeno singlete. En la segunda parte de la tesis, el interés se ha centrado en la detección de oxígeno singlete. En la primera sección, se ha evaluado la capacidad de detección en disolución de una nueva díada compuesta por un naftoxazol y una trampa química de oxígeno singlete. En la última sección, se desarrolla, prueba y discute la viabilidad de nanopartículas de poliacrilamida como plataforma potencial para detección de oxígeno singlete en sistemas intracelulares. / Three strategies addressed to give further scope on to the antimicrobial photodynamic therapy field comprise the first part of the thesis. In a first approach, six cationic photosensitisers varying in the net electrical charge and structure have been characterised in solution and their photoinactivation skills have been tested against different types of microorganisms. In a second approach, conjugates between a photosensitiser and the antimicrobial peptide Apidaecin 1b have been analysed in a photophysical and mechanistic way, and their properties have been correlated with their bacterial photoinactivation ability. In the last approach, two fluorescent proteins –namely TagRFP and miniSOG- have been expressed in E. coli and their phototoxicity has been studied and characterised mechanistically. Moreover, the capacity of miniSOG to photosensitise singlet oxygen formation has been revisited and studied in detail. In the second part of the thesis, focus has been shifted towards singlet oxygen detection. In the first section, the probing ability of a new dyad comprising a naphthoxazole moiety plus a singlet oxygen chemical trap has been evaluated in solution. In the last section, we develop, test, and discuss the feasibility of a polyacrylamide nanoparticle scaffold as a potential platform for singlet oxygen detection in intracellular systems.

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