Buscador

Encontrado(s) 2218876 resultado(s)
Encontrada(s) 221888 página(s)

Life Cycle Assessment as a Tool for Green Chemistry: Application to Different Advanced Oxidation Processes for Wastewater Treatment

  • Muñoz Ortiz, Ivan
El objetivo de la tesis es contribuir a la aceptación del Análisis de Ciclo de Vida (ACV) como herramienta metodológica para la evaluación medioambiental de procesos químicos diseñados siguiendo las pautas de la Química Verde. Se pretende asimismo complementar e integrar la evaluación ambiental con la correspondiente evaluación económica, también desde una perspectiva de ciclo de vida. Con el objetivo de mostrar la potencial utilidad del ACV en este ámbito, se llevan a cabo dos casos de estudio en los cuales se evalúan diferentes Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs) para el tratamiento de aguas residuales de la industria conteniendo contaminantes orgánicos persistentes. Las tecnologías evaluadas son: fotocatálisis en fase heterogénea, fotocatálisis en fase homogénea mediante procesos foto-Fenton, y ozonización. El primer caso de estudio se lleva a cabo a partir de datos a escala de laboratorio, mientras que el segundo caso de estudio, de carácter más detallado, se lleva a cabo mediante datos de planta piloto e industrial. Ambos estudios complementan la dimensión ambiental con la dimensión económica, utilizando la herramienta Coste del Ciclo de Vida (CCV). A continuación, se lleva a cabo una discusión sobre la utilidad del ACV en el ámbito de los procesos químicos, dependiendo de la escala de análisis: desde el laboratorio hasta la aplicación comercial. Finalmente, se presentan las conclusiones globales de la tesis, que pueden resumirse del siguiente modo:<br/>- La cuantificación de los avances alcanzados mediante la aplicación de los principios de la Química Verde requiere herramientas, habiéndose mostrado la potencial utilidad del ACV en este ámbito mediante dos casos de estudio sobre PAOs.<br/>- Se ha mostrado la posibilidad de aplicar el ACV tanto al nivel más básico de la Química Verde (laboratorio) hasta el más avanzado (aplicación comercial). Sin embargo los resultados obtenidos mediante ACVs basados en datos de laboratorio no necesariamente coinciden con los obtenidos en un estudio detallado, debido a: 1) falta de optimización de los procesos en laboratorio y 2) exclusión de procesos o fases del ciclo de vida que pueden ser relevantes, debido a la falta de datos. Por ello, tales estudios deben ser utilizados únicamente como evaluaciones preliminares.<br/>- El ACV despliega su potencialidad en estudios detallados, utilizando datos originados a escala piloto o industrial. Asimismo, el CCV se presenta como un complemento muy apropiado para el ACV, principalmente también en el caso de estudios detallados., The goal of the thesis is to contribute to the acceptance of Life Cycle Assessment (LCA) as a methodological tool for environmental evaluation of chemical processes designed by following the guidelines of Green Chemistry. This work also intends to complement and to integrate in the same framework the environmental assessment with the respective economic assessment, taking into account a life cycle perspective as well. In order to demonstrate the potential suitability of the LCA tool in this context, two case studies are carried out on the subject of Advanced Oxidation Processes (AOPs) for treating industrial wastewaters containing persistent organic pollutants. In particular, the evaluated AOP technologies are: heterogeneous photocatalysis, homogeneous photo-Fenton, and ozonation. The first case study is carried out by exclusively using data derived from laboratory experiments, while the second case study is more detailed, and carried out by using data from pilot plants and industrial plants. Both studies include, along with the environmental assessment, the corresponding economic assessment, based on Life Cycle Costing (LCC). Following these studies, a discussion is made on the suitability of LCA in the context of chemical processes depending on the scale of analysis. Finally, the overall conclusions of the thesis are outlined, which can be summarised as follows:<br/>- In order to assess the advances derived from applying Green Chemistry principles in the design of chemicals and chemical processes, methodological tools are needed. This thesis supports that LCA can be used for such a purpose, as has been shown by means of two case studies on AOPs.<br/>- Application of LCA can be carried out at several stages: from the most basic, namely the laboratory scale, to the most advanced, namely commercial application. However, results obtained by means LCA studies based exclusively on laboratory-derived data do not necessarily match the results obtained in a detailed LCAs, mainly due to: 1) lack of optimization of the conditions in which the chemical process takes place in laboratory tests, and 2) excluding relevant operations or life cycle phases which are hardly quantifiable when evaluated from laboratory tests. For this reason, it is suggested that laboratory-derived LCAs should be used only as a means of obtaining preliminary environmental information.<br/>- The potential of LCA as a tool is displayed when detailed studies, based on large-scale application data, are carried out. The LCC tool, on the other hand, presents itself as a very suitable complement, mainly when performing detailed studies.

Proyecto:

Aprofundiment en la relació estructura/funció de les metal·lotioneïnes (MTs). Estudi de la capacitat coordinant i de la influència de lligands no proteics en MT4 de mamífer i altres MTs relacionades

  • Villarreal Tolchinsky, Laura
La Tesi Doctoral aquí presentada s'ha dedicat a l'estudi del comportament de diferents metal·lotioneïnes de diversos organismes envers els ions metàl·lics Zn(II), Cd(II) i Cu(I), amb la finalitat de validar una nova proposta de classificació d'aquestes proteïnes i a l'hora aprofundir en la seva relació estructura/funció.<br/>Les Metal·lotioneïnes (MTs) són unes proteïnes de baix pes molecular (3-10 kD) amb un elevat contingut en residus de cisteïna, les quals els confereixen la capacitat d'enllaçar metalls pesants. Si bé se les ha relacionat amb diferents funcions dins l'organisme (destoxificació enfront de metalls pesants, homeòstasi de Zn i Cu, funcions antioxidants i antiapoptòtiques, etc), encara es treballa intensament per determinar la seva funcionalitat específica. Aquest fet ha dificultat la seva classificació, de manera que fins a l'actualitat s'han fet diferents propostes. La més recent es centra en la preferència metàl·lica de les MTs envers els ions essencial Zn(II) i Cu(I). Aquests ions, amb comportaments coordinants clarament diferenciats, probablement determinen estructures diferents per als complexos M-MT, les quals, tenint en compte la relació estructura/funció, segurament porten a funcions diferenciades per a les anomenades Zn- i Cu-tioneïnes.<br/>En aquesta Tesi Doctoral es recullen els estudis de la química de coordinació de: la última isoforma de MT de mamífer descoberta, la MT4; d'una MT d'un organisme evolutivament proper als mamífers, en concret la ckMT de pollastre, i d'una MT d'un organisme evolutivament més allunyat a mamífer, en particular la Crs5 de llevat. Addicionalment, s'inclouen els resultats obtinguts durant l'estudi d'aquestes i d'altres MTs d'organismes diferents en presència de lligands no proteics (clorurs i/o sulfurs) en els complexos metall-MT. <br/>Els resultats obtinguts en l'estudi de MT4 han permès classificar aquesta MT com una Cu-tioneïna (en contraposició a MT1 que havia estat prèviament classificada com a Zn-tioneïna), de tal manera que MT4 esdevé la primera Cu-tioneïna trobada en organismes superiors. A més, s'ha pogut determinar que les diferències de comportament entre MT4 i MT1 enfront de Cd(II) són degudes als respectius fragments ? (?MT1 i ?MT4), mentre que les seves diferències en l'enllaç a Cu(I) s'han atribuir als respectius fragments ? (?MT1 i ?MT4). També s'ha proposat que MT4 proporciona un entorn de coordinació "particular" per al Cu(I) que MT1 no pot oferir. Així mateix, l'anàlisi espectroscòpica detallada dels camins de reacció de MT1 i MT4 envers Zn(II) i Cd(II) ha proporcionat evidències de la contribució de lligands clorur (Cl-) en l'estabilització de l'estructura dels complexos Cd-MT1 però no en la dels complexos Cd-MT4, Zn-MT1 i Zn-MT4. Totes aquestes característiques diferencials entre MT1 i MT4 suggereixen que probablement MT4 i MT1 presenten funcions fisiològiques diferents en mamífer.<br/>Els estudis realitzats amb ckMT han portat a classificar-la com una Zn-tioneïna, però alhora també han permès proposar l'existència d'una gradació entre el caràcter de Zn- i Cu-tioneïna de les MTs. Així, ckMT presenta una capacitat coordinant envers Zn(II), Cd(II) i Cu(I) intermèdia entre les descrites per a MT1 i MT4, amb un comportament envers els metalls divalents més proper al de MT1, però més similar al de MT4 quan enllaça Cu(I). La presència d'un residu de His en l'extrem C-terminal de ckMT li confereix capacitats coordinants especials enfront de Cd(II) que la diferencien de MT1 i MT4. Aquesta His no només coordina Cd(II), sinó que és la responsable de la formació de dímers mitjançant un procés de dimerització mai descrit fins al moment per a MTs.<br/>Els resultats obtinguts en l'estudi de Crs5 de llevat han corroborat la gradació entre Zn- i Cu-tioneïnes proposada en el cas de ckMT, de manera que Crs5 podria comportar-se com una Zn-tioneïna en situacions de baixes concentracions de Cu intracel·lular, mentre que actuaria com una Cu-tioneïna en presència de concentracions de Cu significatives. Un altre fet interessant és que en la síntesi recombinant de Crs5 el grau d'oxigenació dels medis de cultiu enriquits en Cu afecta la naturalesa homo- o heteronuclear dels agregats M-Crs5 que se'n recuperen, on M = Zn(II) i/o Cu(I), obtenint-se espècies homometàl·liques Cu-Crs5 si no s'oxigena el medi i complexos heterometàl·lics Zn,Cu-Crs5 per oxigenacions elevades.<br/>Molts dels resultats obtinguts en l'estudi de les MTs objecte d'aquesta Tesi així com en els de MTs d'altres organismes han proporcionat al grup de recerca en el marc del qual s'ha realitzat aquest treball indicis de la participació d'un altre lligand no proteic en els complexos M-MT (M = Zn i/o Cd): el lligand sulfur (S2-). Així, com a part d'aquest treball, també s'han dut a terme un seguit d'experiments mitjançant els quals s'ha pogut determinar que totes les espècies recombinants Zn- i Cd-MT estudiades contenen lligands sulfur, obrint així noves i prometedores perspectives, tant estructurals com funcionals, en el camp de les MTs., The following Thesis has been devoted to the study of the Zn(II), Cd(II) and Cu(I) coordinative abilities of different metallothioneins (MTs) from several organisms, with the purpose of validating a new proposal for MT classification and deepening further into the structure/function relationship of these proteins.<br/>MTs are low molecular weight proteins (3-10 kD) with a high cysteine content, which confers them the ability to bind heavy metal ions. Although they have been related to different functions in the organism (heavy metal detoxification processes, Zn and Cu homeostasis, antioxidant and antiapoptotic functions, etc), their physiological function or functions is still a matter of debate and prompts most of the research within this field. This fact has difficultated their classification, and in consequence several models of classification have been proposed. The most recent one is based on the metallic preferences of MTs towards the essential Zn(II) and Cu(I) ions. These ions clearly show different coordinative abilities and must therefore determinate the formation of different M-MT structures. Therefore, when considering the structural/function relationship, these differences in the structure of the M-MT complexes might determine different functions for the so-called Zn- and Cu-thioneins.<br/>This work gathers the coordinative abilities of the last mammalian MT isoform discovered (MT4), one MT from an organism evolutionarily close to mammals, which is chicken (ckMT1), and one MT from an evolutionarily distant organism, yeast (Crs5). Additionally, the study of the binding properties of these MTs and others from other organisms has been performed in the presence of non-proteic ligands (chloride and/or sulphide).<br/>The results obtained during the study of MT4 have proved that this isoform is a Cu-thionein (in contrast with MT1, which was previously classified as a Zn-thionein), and therefore MT4 is the first Cu-thionein ever reported in high organisms. Furthermore, it has been proved that the differences in Cd(II) coordination between MT4 and MT1 should be assigned to their ? domains (?MT1 and ?MT4), whereas the ? domains (?MT1 and ?MT4) are the responsible for the differences in Cu(I) coordination. It has also been proposed that Cu(I) is bound to MT4 through a "particular" coordination environment that MT1 cannot offer. Moreover, a detailed spectroscopic analysis of the reaction pathways of MT1 and MT4 towards Zn(II) and Cd(II) has gathered evidence for the contribution of chloride (Cl-) ligands in the stabilization of the structures of the Cd-MT1 species, but not in the Cd-MT4, Zn-MT1 and Zn-MT4 species. These differences between MT1 and MT4 isoforms suggest that both isoforms are probably involved in different physiological processes in mammals.<br/>The studies performed with chicken MT have shown that ckMT1 exhibits a Zn-thionein behaviour, although there seems to be a gradation between the Zn- and Cu-thionein character in MTs. Thus, the Zn(II), Cd(II) and Cu(I) binding abilities of ckMT are intermediate between those of MT1 and MT4, with a divalent metal ion behaviour closer to MT1, but more similar to MT4 when binding Cu(I). The presence of a His residue at the C-terminal position of its ? domain confers to this protein some special Cd(II) binding abilities which are significantly different from those of MT1 and MT4. This His residue does not only bind to Cd(II) but also is the responsible for dimer formation though a process that has never been described before for MTs.<br/>The results obtained with yeast MT (Crs5) have corroborated the gradation between the Zn- and Cu-thionein character already proposed in the study of ckMT1 in such a way that Crs5 could behave as a Zn-thionein when intracellular Cu concentration is low, whereas in the presence of significant Cu amounts in the cell it would behave as a Cu-thionein. Another interesting point relies on the fact that during the recombinant synthesis of Crs5 the amount of dissolved oxygen in the Cu enriched media affects the homo- or heteronuclear nature of the M-Crs5 complexes that are recovered, where M = Zn(II) and/or Cu(I): when the cultures are not oxygenated at all only Cu-Crs5 homometallic species are obtained, whereas Zn,Cu-Crs5 heterometallic complexes are obtained for high oxygenation levels.<br/>Many of the results obtained here as well as the results from other people in the same research group working with MTs from other species have shown signs for the participation of another non-proteic ligand in the M-MT species (M = Zn and/or Cd): the sulphide ligand (S2-). Therefore, several experiments have been performed during this PhD that have permitted to prove the presence of sulphide ligands in all the recombinant Zn- and Cd-MT species here analysed. This discovery opens promising new structural and functional possibilities for these special proteins.

Proyecto:

A Computational Approach to the Synthesis of Chiral Sulfoxides

  • Balcells Badia, David
La síntesi de sulfòxids quirals ha estat investigada teòricament considerant dos dels mètodes més avançats: l'oxidació asimètrica de sulfurs amb peròxid d'hidrogen catalitzada per vanadi i el mètode DAG. El mecanisme d'aquestes reaccions va ser explorat a nivell DFT (teoria del funcional de la densitat) en sistemes models. L'origen de l'enantioselectivitat en els sistemes reals va ser investigat emprant mètodes híbrids QM/MM (mecànica quàntica/mecànica molecular). L'estudi DFT sobre la sulfoxidació asimètrica catalitzada per vanadi va revelar que aquest procés segueix un mecanisme de transferencia directa d'oxigen en que el substrat s'oxida en una única etapa concertada. El catalitzador és un complex de vanadi(+V) en que l'oxidant es coordina al metall en mode hidroperoxo. Aquest complex catalitza el procés d'oxidació reduint la barrera energètica de 40.4 a 26.7 kcal/mol. L'estudi QM/MM del sistema real va demostrar que existiexen dos diastereòmers del catalitzador, etiquetats com a A i B, que catalitzen l'oxidació induint enantioselectivitats oposades. La coexistencia d'A i B en solució va permetre racionalitzar l'influència de l'estructura del lligand quiral sobre l'enantioselectivitat. L'estudi DFT del mètode DAG va revelar que la resolució cinètica dinàmica implicada en aquesta reacció segueix un mecanisme d'addició/eliminació. L'etapa clau és l'addició en que l'alcohol reacciona directament amb el clorur de sulfinil. Aquest procés implica un transferència d'hidrogen que és assistida per una base. La trimetilamina redueix la barrera d'aquest procés desde 26.8 a 12.2 kcal/mol. La base també catalitza la racemització del clorur de sulfinil reduint la barrera de la seva inversió piramidal desde 63.4 a 22.3 kcal/mol. La subsititució inicial del clor per la base va ser descartada. L'estudi QM/MM del sistem real confirmà que l'enantioselectivitat d'aquest procés es pot invertir amb facilitat emprant diferents bases no quirals, com la piridina o la colidina, tal com va ser observat experimentalment. El nostre estudi revelà que el paper estèric de la base és fonamental quan la piridina es canvia per colidina. Aquest canvi de base implica una inversió de la distribució quiral del volum estèric al voltant del sofre que provoca el canvi en el sentit de l'enantioselectivitat., The synthesis of chiral sulfoxides has been theoretically investigated considering two of the most advanced methods: the vanadium-catalyzed asymmetric oxidation of sulfides with hydrogen peroxide and the DAG method. The mechanism of these reactions was explored at a DFT (Density Functional Theory) level on model systems. The origin of enantioselectivity in the real systems was explored applying hybrid QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) methods. The DFT study on the vanadium-catalyzed asymmetric sulfoxidation revealed that this process follows a direct oxygen transfer mechanism in which the substrate is oxidized in a single concerted step. The catalyst is a oxo complex of vanadium(+V) with the oxidant coordinated to the metal as a hydroperoxo ligand. This complex catalyzes the oxidation process reducing the energy barrier from 40.4 to 26.7 kcal/mol. The QM/MM study on the real system showed that there are two possible diastereomers of the catalyst, labeled as A and B, that catalyze the oxidation inducing opposite enantioselectivities. The coexistence of A and B in solution explains the influence of the chiral ligand structure upon enantioselectivity. The DFT study on the DAG method revealed that the dynamic kinetic resolution involved in this transformation follows an addition/elimination mechanism. The key step is the addition in which the alcohol reacts directly with the sulfinyl chloride. This process implies a hydrogen transfer assisted by the base. Triethylamine reduces the barrier of this process from 26.8 to 12.2 kcal/mol. The base also catalyzes the racemization of the sulfinyl chloride reducing the barrier of its pyramidal inversion from 63.4 to 22.3 kcal/mol. The substitution of chlorine by the base was discarded. The QM/MM study of the real system confirmed that the enantioselectivity of this reaction can be easily reversed using different non chiral bases, like pyridine or collidine, as experimentally observed. Our study showed that the steric role of the base becomes critical when pyridine is replaced by collidine. This modification of the base implies an inversion of the chiral distribution of steric bulk around sufur that induces the reversal of enantioselectivity.

Proyecto:

Els clústers de bor com a integrants d'estructures dendrimèriques i materials híbrids

  • González Campo, Arántzazu
En aquest treball s'han obert noves vies en la síntesi de compostos moleculars i materials dins del camp de la química del bor. Per una banda, s'ha treballat en la síntesi i estudi de nous dendrímers de tipus carbosilà, i derivats de tipus siloxà, que incorporen diferents clústers de carborà i per l'altre la incorporació d'aquests clústers en materials híbrids orgànics-inorgànics de Class II. Els dendrímers són una nova classe de macromolècules que han suscitat un gran interès tant des del punt de vista sintètic com per les seves diverses aplicacions, degut a la seva estructura tridimensional ramificada, monodispersa i controlable. En aquest sentit, donat que els clústers de carborà presenten una gran versatilitat i estabilitat tèrmica i química, s'ha realitzat la integració d'aquests clústers a la superfície de dendrímers de tipus carbosilà i derivats de tipus siloxà. A més, s'han preparat una sèrie de dendrons de tipus carbosilà amb el carborà com a nucli a través d'un enllaç directe Cc-Si. Aquests dendrons posseeixen dues parts reactives, el clúster o punt focal i la perifèria, la qual ha estat funcionalitzada amb diferents grups que proporcionen una potencial reactivitat a la molècula. En el cas dels dendrímers de tipus carbosilà, aquesta funcionalització de la perifèria s'ha realitzat de dues formes: mitjançant un enllaç directe Cc-Si o interposant un espaiador alquílic entre ambdós àtoms. La primera alternativa ha permès obtenir una primera família de dendrímers que contenen quatre clústers de carborà de tipus closo a la perifèria, utilitzant dues vies: a) mitjançant reaccions d'hidrosililació de carboranilsilans amb el tetravinil o tetraal·lilsilà, i b) reaccions de substitució nucleofílica entre les corresponents sals litiades dels clústers i dendrímers, que contenen grups Si-Cl. Un cop formats aquests dendrímers s'ha passat a estudiar la reactivitat dels clústers incorporats davant nuclèofils i agents reductors, observant-se en tots els casos el trencament de l'enllaç Cc-Si. Només en el cas d'utilitzar Mg com reductor s'ha pogut aconseguir tenir els clústers de carborà nido reduïts, obtenint així un dendrímer aniònic. Per poder eludir l'enllaç directe Cc-Si s'ha treballat en la preparació de dendrímers de tipus carbosilà que contenen un intermedi entre aquests dos àtoms. En aquest sentit, s'han sintetitzat, mitjançant diferents mètodes, varies generacions dels dendrímers i variat el nombre de clústers situats a la perifèria. La posterior reacció d'aquests compostos amb nucleòfils ha permès obtenir els clústers nido degradats mantenint-se l'estructura dendrimèrica intacte i obrint així el camí per l'obtenció de metal·ladendrímers. En el cas dels derivats de tipus siloxà, primer de tot s'han preparat una sèrie de dímers que contenen l'enllaç Si-O-Si, per estudiar l'estabilitat del mateix en les reaccions de degradació dels clústers. Vist que aquest es manté intacte, s'ha passat a preparar "in situ" silsesquioxans (T8) funcionalitzats amb clústers de carborà, mitjançant la hidròlisi i condensació de derivats triclorosilans i trietoxisilans. Aquest mètode obre una nova via de síntesi de dendrímers de tipus siloxà on els silsesquioxans són la molècula central o nucli del mateix. Paral·lelament s'ha treballat en la preparació de nous materials híbrids orgànicsinorgànics de Class II basats en silici, que contenen clústers d'o-carborà. La preparació d'aquests materials s'ha realitzat utilitzant dos tipus de precursors diferents: derivats triclorosilans i derivats trietoxisilans. Pels clorosilans s'han estudiat quatre mètodes de preparació diferents: Sol-Gel hidrolític, Sol-Gel no hidrolític, estat sòlid i carbodiimida. Respecte els trietoxisilans, s'ha treballat amb precursors que contenen l'enllaç directe Cc-Si, i precursors amb un intermedi alquílic entre aquests àtoms. S'han utilitzat diferents condicions d'hidròlisi-policondensació o Sol-Gel i estudiat l'efecte del trencament o no trencament d'aquest enllaç en les propietats finals dels materials. S'ha estudiat l'estructura i propietats finals de tots els materials obtinguts en terme de porositat, àrea superficial específica, nivell de condensació i estabilitat tèrmica. A més a més, la propietat del clúster de carborà d'isomeritzar a temperatures altes ha fet que es dugui a terme un estudi dels materials obtinguts a diferents temperatures fins a 1200 ºC., This work has opened new strategies in the synthesis of large molecules and materials in the boron chemistry field. New carborane-containing carbosilane dendrimers (C-Si) and siloxane (O-Si) derivatives have been prepared. In addition, the incorporation of these clusters into Class II organic-inorganic hybrid materials have been studied. Dendrimers are described as macromolecules with interesting synthesis and applications due to their monodispersity and highly branched three-dimensional controllable structures, that provide a high degree of surface functionality. In this way, since carborane clusters have a great versatility, and thermal and chemical stability, their integration on the carbosilane dendrimers surface has been studied. In this respect, the functionalization of the periphery has been carried out using two different approaches, through a direct Cc-Si bond or introducing an alkyl spacer between these two atoms. The first alternative has allowed to obtain one family of dendrimers with four closo-carboranes on the periphery by two synthetic strategies: a) using hydrosilylation reactions with carboranilsilane compounds and the tetravinyl or tetraallylsilane as core, b) by nucleophilic substitution reactions of Si-Cl functions in cholorosilane dendrimers with the lithium salts of the carboranes. The integrated carborane reactivity has been studied towards nucleophiles and reducing agents. In all cases, the Cc-Si bond has been cleaved, except when Mg is used as reducing agent, from which the reduced nido-carborane is obtained. Subsequently, the expected anionic dendrimer has been isolated and characterized. In order to avoid the direct Cc-Si bond, new carborane-containing carbosilane dendrimers with a spacer between these two atoms have been developed. Thus, different approaches have been used in order to prepare several generations of dendrimers with different number (four or eight) of carborane clusters on the periphery. The subsequent reaction of these dendrimers with nucleophiles has allowed to obtain the corresponding polyanionic dendrimers with peripheral nido-carboranes. This opens an alternative way to prepare new metallodendrimers. In addition, carborane-containing siloxane derivatives have been also prepared. In a first approach several dimeric species with a Si-O-Si bond have been prepared in order to study its stability versus cluster's degradation reactions. The good results encouraged us to synthesize "in situ" carborane clusters functionalized silsesquioxanes using the hydrolysis-polycondensation of trichlorosilane and triethoxysilane precursors. This method has opened a new synthetic way to prepare carborane-containing siloxane dendrimers with silsesquioxane as a core. A family of carbosilane dendrons in which the carborane cluster is the core of the molecule have been prepared. These dendrons have been functionalized at the periphery with different groups which provide potential reactivity to the molecule. Additionally, the modification of the focal point or core has been also achieved by reduction of the carborane cluster using Mg. In parallel, Class II silicon-based organic-inorganic hybrid materials with carborane-containing units have been prepared from trichlorosilyl and triethoxysilylcarborane- contaning precursors. The trichlorosilanes have allowed the formation of hybrid materials by either hydrolytic or non-hydrolitic Sol-Gel process, solid-state and carbodiimide Sol-Gel process. Two different triethoxysilane precursors have been used: a) precursors with a Cc-Si bond or b) precursor with an alkylic spacer between the Cc and the Si atoms. Several materials have been prepared by hydrolysis-polycondensation or Sol-Gel process using different experimental conditions. The Cc-Si bond cleavage has been observed when nucleophilic or basic conditions were used. The resulting solids have been studied in terms of porosity, specific surface area, level of condensation, macro- and microstructure and thermal stability. A thermal evolution of these materials at different temperatures have been carried out in order to study the possible carborane isomerization.

Proyecto:

Utilización de la Espectroscopia NIR en el Control Analítico de la Industria Farmacéutica. Desarrollos iniciales en PAT

  • Alcalà Bernàrdez, Manel
Se realiza un estudio de la aplicación de la Espectroscopia NIR a la determinación de parámetros de interés en la industria farmacéutica con el objeto de proponer nuevas metodologías más rápidas y eficaces que sean alternativas reales a los métodos convencionales.<br/>Los estudios desarrollan una amplia variedad de métodos que cubren desde la determinación de principios activos en muestras de proceso o de producto acabado, hasta propiedades físicas de estas mismas muestras en diferentes matrices y niveles de concentración.<br/>Se han desarrollado nuevos métodos NIR para determinación de los cinco principios activos en una formulación, constituida por un sólido granulado, con concentraciones comprendidas entre el 6% hasta 0.04%; este método demuestra la capacidad de la técnica en la determinación múltiple y su notable sensibilidad. Otro ejemplo de la capacidad de la técnica lo constituye la determinación de principios activos y de los conservantes de preparado tipo gel que presenta como característica remarcable la fuerte absorción de la matriz y la baja concentración de los conservantes. De manera semejante se ha establecido métodos para la determinación del principio activo en comprimidos intactos, lo que permite el estudio de la uniformidad de contenido de las unidades de dosis de la preparación.<br/>Los métodos desarrollados han sido validados siguiendo las guías ICH y EMEA que permiten su aplicación como métodos de calidad suficiente para el control analítico de un proceso de producción.<br/>Otro aspecto del estudio es el establecimiento de métodos para determinar parámetros físicos de los productos acabados como son la presión de compactación y el ensayo de disolución, estrechamente relacionado con el anterior. El método NIR permite la determinación del perfil completo de disolución de un comprimido a partir de su espectro, lo que proporciona una información muy rápida (menos de 1 segundo) que por el método convencional necesita más de 1 hora. La determinación de la presión de compactación de los comprimidos ha dado lugar a un nuevo método de determinación de principios activos en comprimidos individuales a partir únicamente de muestras de laboratorio, lo que permite obtener modelos más simples y robustos que los métodos NIR desarrollados hasta el momento.<br/>La aplicación de nuevos métodos quimiométricos de tratamiento de espectros (MCR-ALS) ha permitido conocer los cambios de forma polimórfica (de cristalina a amorfa) que se producen durante el proceso de granulación húmeda, que es una etapa frecuente del proceso de fabricación farmacéutico. Esta transformación polimórfica puede tener influencia en la biodisponibilidad del principio activo.<br/>La memoria incluye también un capítulo de un libro por encargo del editor sobre la aplicación del NIR en el campo farmacéutico y que recoge las principales aportaciones realizadas en este campo, cuyo interés y desarrollo está en continuo crecimiento., The application of NIR Spectroscopy to the determination of interest parameters in the pharmaceutical industry has been studied, with the intention of proposing new, faster and effective methodologies than the conventional methods.<br/>The studies develop a wide variety of methods that cover the determination of active principles in process samples or finished products, also physical properties of these same samples, in different matrices and concentration levels.<br/>New NIR methods for the determination of the five active principles in a formulation, constituted by a granulated solid, have been developed, with concentrations between 6% up to 0.04%; this method demonstrates the capacity of the technique in multiple determinations and its remarkable sensitivity. Another example of the capacity of the technique constitutes the determination of active principles and the preservants of a pharmaceutical hydrogel that presents a strong absorption of the matrix and low concentration of the preservants. Also, methods for the determination of the active principle in intact tablets have been developed, which allows the study of content uniformity in unit doses of the preparation.<br/>The developed methods have been validated following the guides ICH and EMEA which allow their application for the analytical quality control of production processes.<br/>Another aspect of the study is the establishment of methods to determine physical parameters of finished products, as compaction pressure and dissolution test, which are both closely related. The NIR method allows the determination of the complete dissolution profile of a tablet from its spectrum, which provides very fast information (less than 1 second) that by the conventional method needs more than 1 hour. The determination of the compaction pressure of tablets has given rise to a new method of determination of active principles in individual tablets, using solely laboratory tablets as the calibration set, which allows obtaining simpler and robust models than NIR methods developed until the moment.<br/>The application of new chemometric methods for the treatment of spectra (MCR-ALS) has allowed to identify polymorphic changes (from crystalline to amorphous form) that take place during the process of wet granulation, which is a frequent stage of the pharmaceutical process. This polymorphic transformation can have influence in the bioavailability of the active principle.<br/>The memory also includes a chapter of a book, by order of the publisher, on the application of the NIR in the pharmaceutical field and that gathers the main contributions made in this field, whose interest and development are in continuous growth.

Proyecto:

Membranes polimèriques enzimàtiques. Aplicació al tractament de biomassa vegetal per a la recuperació d'oligosacàrids

  • Cano i Òdena, Àngels
Actualment, els processos orientats a la reducció de residus i l'obtenció de productes d'alt valor afegit es presenten com una fita amb perspectives prometedores. En aquesta tesi es dissenyen membranes polimèriques selectives per al tractament de materials lignocel·lulòsics. L'enzim endo-1,4-?-xilanasa II, que hidrolitza enllaços 1,4-?-glicosídics a l'esquelet del xilà, s'immobilitza a membranes per enllaç covalent, per a recuperar oligosacàrids de la hidròlisi d'aquest polímer. L'interès d'immobilitzar enzims en suports polimèrics rau en la reducció del cost i la simplificació del procés global, a conseqüència de la possibilitat de reutilizar l'enzim immobilitzat mentre conservi la seva activitat catalítica.<br/>S'investiguen dos tipus de membranes polimèriques i mètodes de immobilització per enllaç covalent entre grups funcionals de l'enzim i del suport. Les primeres són membranes d'acrilat de polisulfona (ACPS). La immobilització de la proteïna es confirma per anàlisi de aminoàcids per HPLC i comparació amb l'anàlisi de la proteïna en dissolució. Les altres membranes (N25) estan constituïdes per polímers monolítics. Les propietats físiques i químiques d'aquests materials depenen de la selecció i de la quantitat dels components de la dissolució precursora de membrana. S'optimitza aquesta composició de la dissolució precursora per a obtenir la màxima activitat enzimàtica.<br/>Es comparen diferents procediments d'immobilització per ambdues membranes per a avaluar la capacitat d'immobilització. Les membranes ACPS retenen més enzim que les N25, tot i que no comporta major activitat enzimàtica, ja que aquesta depèn de l'estabilització de la proteïna immobilitzada en cada cas. Es proposa l'ús de tècniques de biologia molecular per a dur a terme la immobilització dirigida, i evitar el bloqueig del centre actiu de les molècules d'enzim per unió directa amb el suport per aquest punt. La influència de la immobilització en paràmetres d'activitat enzimàtica (pH i temperatura) s'estudia i es compara amb els paràmetres òptims de l'enzim lliure. Els valors de la constant de Michaelis-Menten no difereixen significativament entre l'enzim lliure i immobilitzat, de manera que l'afinitat del catalitzador respecte dels substrats considerats roman inalterada un cop immobilitzat. <br/>Per a la caracterització física de las membranes, s'utilitzen diferents tècniques, com la microscòpia electrònica d'escombrat (SEM), a partir de la qual s'observen diferències de simetria i porositat entre els dos tipus de membranes. Per microscòpia de força atòmica (AFM) no es detecten diferències en un mateix tipus de membranes segons continguin o no enzim immobilitzat. De la determinació de fluxos d'aigua pura, els valors més alts s'obtenen amb les membranes N25. A partir de mesures d'adsorció-desorció de gasos s'observa que les membranes N25 tenen major àrea superficial i distribucions de porus amb major diàmetre mitjà. Les mesures d'angle de contacte evidencien un major caràcter hidrofílic de les membranes N25 que les ACPS, que augmenta en incrementar la quantitat d'enzim immobilitzat.<br/>Les membranes s'apliquen al tractament de biomassa, emprant dos mòduls de membrana diferents. Solament s'obté separació dels productes del substrat inicial quan s'utilitza el mòdul de filtració frontal aplicant pressió. La major concentració de productes d'hidròlisi s'obté amb les membranes N25 en el tractament de Birchwood xylan, malgrat que no és possible reutilitzar-les en una segona hidròlisi consecutiva amb nova dissolució de substrat. En canvi, en tractar substrats procedents de closca de moresc, les membranes ACPS es poden reutilitzar, malgrat que la concentració de productes és inferior que en la primera hidròlisi. <br/>Els productes obtinguts s'analitzen per un mètode colorimètric, per electroforesi capil·lar, per cromatografia per permeació en gel, i per ionització per làser assistida per matriu amb analitzador de temps de vol (MALDI-TOF-MS). L'última permet determinar el grau de polimerització dels productes, obtenint com a majoritari xilotriosa.<br/>Finalment s'avalua el procés global i es presenten propostes de millora., Nowadays, processes oriented to waste reduction and recovery of high added value products are a promising target. In this thesis, enzymatic polymeric membranes are designed for the treatment of vegetal biomass waste like lignocellulosic materials. The enzyme endo-1,4-?-xylanase II, which hydrolyzes 1,4-?-glycosidic linkages of the xylan backbone, is immobilized in the membranes through a covalent bond in order to recover oligosaccharides by xylan hydrolysis. The interest for the attachment of enzymes on polymeric supports relies on the reduction in the cost and the simplification of the process, comparing to processes with enzymes in solution, due to the ability for reusing the enzyme for as long as its catalytic activity is maintained.<br/>Two different polymeric membranes and covalent immobilization methods (between functional groups of the enzymes and groups in the support) are investigated. The first consist on polysulfone acrylate (ACPS). Protein immobilization is confirmed by HPLC by comparing the amino acid content in ACPS membranes with the amino acid content in the free xylanase solution. The other membranes (N25) are based in monolithic polymers. Their physical and chemical characteristics can be finely tuned by selecting the appropriate constituents and their content in the precursor solution. The composition of different membranes, regarding the amount of three components in the membrane precursor solution is optimized to obtain the highest catalytic activity.<br/>Different enzyme immobilization conditions in both membranes are compared to evaluate their immobilization capacity. ACPS membranes retained more enzyme than N25, although this does not imply higher enzymatic activity, since it depends on the stabilization of the immobilized protein. The use of molecular biology techniques is proposed to avoid the catalytic site blocking, by performing site directed immobilization. The influence of the immobilization in enzymatic activity parameters (temperature and pH) is studied for both membranes and compared with data for the free enzyme. Regarding the enzyme kinetic parameters, KM values for free and immobilized enzyme in the two membranes are close, meaning that the enzyme affinity for the substrates considered remains intact. The immobilization time is optimized and the enzymatic activity stability of the immobilized enzymes is studied. <br/>Different techniques are used for the physical characterization of membranes. Scanning Electron Microscopy (SEM) showed differences in symmetry and pore structure between membrane types. No significant differences are observed when comparing Atomic Force Microscopy (AFM) images of membranes without/with enzyme. Pure water fluxes are determined and N25 membranes exhibit higher fluxes than ACPS. From gas adsorption-desorption is observed that N25 membranes have higher surface area and pore distributions with higher average pore diameter than ACPS. Contact angle measurements show higher hydrophilic character for N25 than ACPS, and hydrophilicity increases with immobilized enzyme in both membranes.<br/>The enzymatic membranes are used in biomass treatment with two membrane modules. Separation of the products from the initial substrate is achieved only with the dead-end module. By using N25 membranes higher yields of hydrolysis products (expressed as xylose) from enzymatic hydrolysis of Birchwood xylan (0.650 µmol/ml) are obtained, compared to ACPS (0.150 µmol/m). It is not possible to reuse N25 membranes in a consecutive hydrolysis with new substrate. In contrast, when treating samples proceeding from the direct treatment of corn shells, ACPS membranes can be reused, although the product concentration is lower than during the first hydrolysis. <br/>The hydrolysis products are analyzed by a colorimetric assay, Capillary Electrophoresis (CE), Gel Permeation Chromatography (GPC) and the degree of polymerization is determined by Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time Of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF-MS). Almost in all samples the unique observed specie is xylotriose.<br/>Finally, a global evaluation and improvements to be considered during future research are presented.

Proyecto:

Catalitzadors de metàtesi recuperables per formació de materials híbrids orgànico-inorgànics

  • Elias i Pera, Xavier
Les reaccions de metàtesi de diens i d'enins catalitzades per espècies carbèniques de ruteni constitueixen poderoses eines àmpliament utilitzades per a la síntesi d'una gran diversitat de productes. La importància de la reacció de metàtesi s'ha posat de manifest amb la concesió del premi Nobel de Química 2005 a Chauvin, Grubbs i Schrock. La recerca de catalitzadors més estables i actius i la preparació de catalitzadors reciclables han merescut els esforços d'un gran nombre de grups durant els últims anys. Grubbs i Hoveyda han introduït carbens N-heterocíclics (NHC) i lligands estirènics quelatants per a la millora dels sistemes catalítics. Una de les estratègies utilitzades per a la recuperació i reciclatge d'aquests sistemes catalítics és l'ancoratge de l'espècie homogènia a un suport polimèric insoluble, sent els polímers orgànics els més comuns. Dins dels inorgànics els treballs són menys nombrosos i corresponen a l'ancoratge a síliques comercials, a sistemes monolítics o a síliques mesoestructurades. La major estabilitat tèrmica, química i mecànica dels polímers inorgànics i les seves elevades àrees superficials els fan alternatives atractives per a la incorporació covalent de lligands orgànics i complexes metàlics. Com a alternativa a l'ancoratge, la part orgànica pot incorporar-se a la matriu inorgànica mitjançant el procés sol-gel. Els híbrids orgànico-inorgànics derivats de sílice obtinguts han experimentat un gran creixement durant la última dècada, amb el desenvolupament de sistemes organitzats en presència de tensioactius. En la present tesi doctoral s'han sintetitzat cinc monòmers diferents de tipus Hoveyda que presenten grups trietoxisilil. El primer és un equivalent del lligand quelatant original de Hoveyda que inclou una cadena espaiadora i un grup trietoxisilil. Altres monòmers són variacions on la cadena espaiadora inclou una urea enlloc d'un carbamat. Un d'ells conté a la seva estructura un grup nitro que ha de potenciar la seva activitat com a catalitzador, mentre que un altre es tracta d'un derivat bisililat, el qual permet la preparació de materials pel procés sol-gel sense que sigui necessària l'addició de tetraetoxisilà (TEOS). A partir dels diferents monòmers s'han sintetitzat materials híbrids orgànico-inorgànics per diversos procediments: procés sol-gel amb diferents quantitats deTEOS i fluorur com a catalitzador, en presència de dodecilamina, que actua com a agent estructurant i com a catalitzador a la vegada i, en el cas del derivat bisililat, també pel procés sol-gel en absència de TEOS. Els mateixos monòmers s'han ancorat a gel de sílice mesoestructurat MCM-41 i a gel de sílice comercial. Tots els materials s'han caracteritzat gràcies a la col·laboració amb el grup de Michel Wong Chi Man de la "Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier" mitjançant diferents tècniques: Ressonància magnètica nuclear de silici-29 en estat sòlid (que permet comprovar la unió covalent entre el lligand orgànic i la matriu sililada), mesures d'adorció-desorció de nitrogen pel mètode BET (amb les quals es determina la superfíce específica del material i la distribució dels diàmetres de porus), difracció de raigs X en pols (determinació de la possible estructuració del material), anàlisi elemental (quantitat de matèria orgànica incorporada) i microscopia electrònica de transmissió (TEM). S'observa que els materials presenten superfices específiques majors quan s'han utilitzat agents estructurant i quan la dilució de la part orgànica és major. El tractament dels materials híbrids amb els carbens de Grubbs de primera i/o segona generació ha donat lloc als corresponents catalitzadors suportats. Aquests s'han assajat en reaccions de metàtesi de diens per tal d'obtenir olefines di-, tri- i tetrasubstituides, i també en la metàtesi d'un ení.<br/>Dels resultats obtinguts es desprèn que els materials tractats amb el catalitzador de segona generació són els més eficaços i que els catalitzadors heterogènis que provenen de sol-gel són més actius i es reciclen millor que els corresponents a l'ancoratge a MCM-41 o a sílica comercial. En la síntesi de l'1-(4-toluensulfonil)-2,5-dihidro-1H-pirrole s'han realitzat fins a cinc cicles consecutius amb la majoria dels catalitzadors. Aquells materials que contenen el monòmer més semblant al lligand quelatant original de Hoveyda són els que donen una millor capacitat de reciclatge, mentre que els més actius són els que contenen el grup electroatraient nitro. Entre els catalitzadors preparats per sol-gel resulten ser més actius aquells que presenten una major superfície específica i una major dilució del lligand al seu interior. Els materials preparats a partir del monòmer bisililat sense la addició de TEOS presenten, malgrat tenir una superfície nula, una activitat comparable als altament porosos. En la síntesi de l'1-(4-toluensulfonil)-2,5-dihidro-3-metil-1H-pirrole s'han pogut realitzar fins a cinc cicles de catàlisi. Aquests resultats són millors que els descrits a la literatura amb catalitzadors suportats per a aquesta reacció. En la síntesi del 3,4-dimetil-1-(4-toluensulfonil)-2,5-dihidro-1H-pirrole s'han aconseguit realitzar fins a tres cicles amb un dels catalitzadors, i dos amb la majoria. Aquests resultats constitueixen el primer exemple reeixit de preparació d'aquesta olefina tetrasubstituida amb un catalitzador suportat i el primer cas on s'aconsegueix reutilitzar el catalitzador amb un cert èxit. En la metàtesi de l'ení 1-al·liloxi-1,1-difenil-2-propí s'han realitzar fins a cinc cicles amb la majoria dels catalitzadors. Els resultats constitueixen el primer exemple de recuperació d'un catalitzador en una reacció de matàtesi d'enins., The diene and enyne metathesis reactions catalyzed by ruthenium carbene species are powerful tools widely used by organic chemists for the synthesis of a great diversity of compounds. The great importance of the metathesis reaction has been made clear with the award of the Nobel Prize of Chemistry 2005 to Chauvin, Grubbs and Schrock. In the metathesis field a considerable number of groups in the last years have dedicated their efforts to the search of more stable and active carbene complexes and to the preparation of recoverable catalysts. Grubbs and Hoveyda have introduced N-heterocyclic carbenes (NHC) and chelating styrenic ligands for the improvement of catalytic systems. One of the strategies used for the recovery of the mentioned ruthenium and palladium catalytic systems is the anchorage of the homogeneous species to an insoluble polymeric support, organic polymers being the most commonly used. In the case of inorganic polymers the precedents are scarce and correspond to the anchoring to commercial silicas, monolithic systems or mesostructured silicas. The better thermal, chemical and mechanical stability of inorganic polymers and their high surface areas make them attractive alternatives for the covalent incorporation of organic ligands and metallic complexes. As an alternative to the anchoring method, the organic moiety can be incorporated to the inorganic matrix by the sol-gel process. The silica-based organic-inorganic hybrids obtained by sol-gel have experienced a great boom in the last decade, with the development of organized systems in the presence of surfactants. In this doctoral thesis five Hoveyda-type monomers have been synthesized containing a triethoxysilil group. The first one is equivalent to the original Hoveyda quelating ligand, and includes a spacing chain and a triethoxysilil group. Other monomers have a urea instead of a carbamate as the spacing chain. One of them contains a nitro group which is expected to improve the catalyst activity, whereas another one is a bisililated derivative, which can be used to prepare materials through the sol-gel process without addition of TEOS being necessary. These monomers have been used to prepare organic-inorganic hybrid materials through several strategies: sol-gel process with different TEOS amounts and fluoride as catalyst, dodecilamine acting both as structurating agent and catalyst and, in the case of the bisililated monomer, through the sol-gel process without TEOS being added. The same monomers have been anchored to commercial and to mesostructurated MCM-41 silica gel. All of them have been characterized in collaboration with Michel Wong Chi Man, from the "Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier" through several techniques: Solid state 29Si-NMR (in order to verify the covalent bond between the organic moiety and the sililated matrix), BET nitrogen adsorption-desorption measures (specific surface area and pore size distribution of the material) X ray diffraction (possible material structuration), elemental analysis (amount of incorporated organic moiety) and transmission electron microscopy (TEM). Higher surface areas are observed when structurating agents have been used and with the higher dilution of the organic moiety. Treatment of the hybrid materials with Grubbs first and/or second generation carbenes has produced the corresponding supported catalysts. They have been used in diene metathesis reactions leading to di-, tri- and tetrasubstituted olefins, and in an enyne metathesis reaction, too. The results show that the materials treated with the second generation catalyst are the most efficient and that those synthesized by the sol-gel process are more active and more reusable than those obtained by anchoring either to MCM-41 or to commercial silica gel. In the synthesis of 1-(4-toluensulfonyl)-2,5-dihidro-1H-pirrole five consecutive runs have been performed with most of the catalysts. Those materials containing the most similar monomer to the Hoveyda quelating ligand show the best recycling capacity, whereas the more active ones are those with the electron withdrawing nitro group. Among the catalysts prepared by sol-gel, those with higher surface areas and higher dilution of the ligand in the sililated matrix are the more active. The materials prepared with the bisililated monomer without TEOS addition, although having no surface area at all, show a similar activity than the highly porous ones. In the synthesis of 1-(4-toluensulfonyl)-2,5-dihidro-3-methyl-1H-pirrole five consecutive runs have been performed. The results are better than those described in the literature with supported catalysts for this reaction. In the synthesis of 3,4-dimethyl-1-(4-toluensulfonyl)-2,5-dihidro-1H-pirrole three runs have been performed with one of the catalysts, and two with most of the other. These results are the first successful example for the preparation of this tetrasubstituted olefin with a supported catalyst and the first where it has been reused with a certain success. In the metathesis of 1-allyloxi-1,1-diphenyl-2-propyne five runs have been performed with most of the catalysts. The results obtained constitute the first example of recycling of a catalyst in an enyne metathesis reaction.

Proyecto:

Buscador avanzado