Ácidos escuarámicos: síntesis, caracterización y aplicaciones

Abstract

[spa] En esta Memoria se describen los ácidos escuarámicos y su aplicación en distintos campos relacionados con la Química Supramolecular. Estos compuestos son un tipo de derivados del ácido escuárico poco conocidos. Específicamente, el trabajo aquí descrito se divide en cinco capítulos. Capítulo 1. La introducción general ofrece una visión general de la Química Supramolecular y de los principales campos de aplicación actuales. De forma más específica, se describen los derivados del ácido escuárico y su utilización como centros activos para llevar a cabo fenómenos de reconocimiento y agregación supramolecular, tema principal sobre el que versa esta Memoria. Capítulo 2. En este capítulo se ha desarrollado un método efectivo de síntesis asistido por microondas de ácidos escuarámicos derivados de aminas tanto alifáticas como aromáticas, con rendimientos comprendidos entre el 41 y 92%. Se han caracterizado las propiedades ácidas de los compuestos más representativos mediante valoraciones espectrofotométricas, obteniéndose valores de pKa entre 0.9 y 2.0. Capítulo 3. En una primera fase se han sintetizado ácidos escuarámicos de cadena larga y se ha estudiado su capacidad para quimisorberse sobre superficies de aluminio. Este capítulo ofrece información básica para una posterior implementación de ácidos escuarámicos en materiales recubiertos. Los recubrimientos obtenidos se han estudiado mediante un amplio abanico de técnicas, como medidas de ángulo de contacto, técnicas de microscopía, espectroscopia de IR de ángulo rasante y espectrometría de masas. Las medidas de ángulo de contacto han demostrado la formación de una capa que aporta a la superficie una hidrofobicidad comparable a la obtenida con ácidos carboxílicos de longitudes de cadena similar. La aromaticidad del grupo escuaramato ha permitido la detección y seguimiento de la formación de la capa molecular mediante espectroscopia de reflectancia en UV-vis, una técnica poco utilizada en este campo. Además, los recubrimientos obtenidos han demostrado tener una mayor resistencia a la desorción por inmersión en isopropanol que los recubrimientos llevados a cabo con ácidos carboxílicos. Capítulo 4. En este capítulo se ha diseñado un receptor de base escuaramidoescuaramato para la detección de moléculas zwitteriónicas como la miltefosina. La estructura del mismo da lugar a una disposición de los grupos escuaramida y escuaramato que permite su autoagregación, impidiendo en gran medida la unión con aniones competitivos como los haluros. Capítulo 5. La capacidad de autoagregación de las escuaramidas se ha utilizado para el diseño de hidrogelantes de base escuaramido-escuaramato. La elevada acidez del ácido escuarámico hace que se encuentre desprotonado en un amplio rango de pH, lo que permite su utilización como parte hidrofílica de un hidrogelante de bajo peso molecular. La introducción de los grupos -NO2 y -CF3 en la arilescuaramida permite modular las propiedades de los hidrogeles resultantes, dando lugar a marcadas diferencias en la estabilidad térmica, en las propiedades mecánicas y en la morfología de las fibras que los componen. Así, el hidrogel nitroderivado resulta inyectable, tixotrópico, y experimenta un proceso de encogimiento irreversible en presencia de disoluciones salinas. Además puede cargarse con cantidades sustanciales de biomoléculas zwitteriónicas en su interior (hasta una relación molar de 240:1), que pueden liberarse posteriormente al medio de forma controlada.

[cat] En aquesta Memòria es descriuen els àcids escuaràmics i la seva aplicació en diferents camps relacionats amb la Química Supramolecular. Aquests composts són un tipus de derivats de l’àcid escuàric poc conegut. Específicament, el treball aquí descrit es divideix en cinc capítols. Capítol 1. La introducció general ofereix una visió general de la Química Supramolecular i dels seus principals camps d’aplicació actuals. De forma més específica, es descriuen els derivats de l’àcid escuàric i la seva utilització com a centres actius per dur a terme fenòmens de reconeixement i agregació supramolecular, tema principal sobre el qual versa aquesta Memòria. Capítol 2. En aquest capítol s’ha desenvolupat un mètode efectiu de síntesi assistida per microones d’àcids escuaràmics derivats d’amines tant alifàtiques com aromàtiques, amb rendiments compresos entre el 41 i el 92%. S’han caracteritzat les propietats àcides dels composts més representatius mitjançant valoracions espectrofotomètriques, obtenint valors de pKa entre 0.9 i 2.0. Capítol 3. En una primera fase s’han sintetitzat àcids escuaràmics de cadena llarga i s’ha estudiat la seva capacitat per quimissorbir-se sobre superfícies d’alumini. Aquest capítol ofereix informació bàsica per a una posterior implementació d’àcids escuaràmics a materials recoberts. Els recobriments obtinguts s’han estudiat mitjançant un gran ventall de tècniques tals com mesures d’angle de contacte, tècniques de microscòpia, espectroscòpia de IR d’angle rasant i espectrometria de masses. Les mesures d’angle de contacte han demostrat la formació d’una capa que aporta a la superfície una hidrofobicitat comparable a la obtinguda amb àcids carboxílics de longituds de cadena semblants. L’aromaticitat del grup escuaramat ha permès la detecció i seguiment de la formació de la capa molecular mitjançant espectroscòpia de reflectància en UV-vis, una tècnica poc utilitzada en aquest camp. A més, els recobriments obtinguts han demostrat tenir una major resistència a la desorció per immersió en isopropanol que els recobriments duts a terme amb àcids carboxílics. Capítol 4. En aquest capítol s’ha dissenyat un receptor de base escuaramido-escuaramat per a la detecció de molècules zwitteriòniques com la miltefosina. La seva estructura dóna lloc a una disposició dels grups escuaramida i escuaramat que permet la autoagregació, impedint en gran mesura la unió amb anions competitius com els halurs. Capítol 5. La capacitat d’autoagregació de les esquaramides s’ha utilitzat pel disseny d’hidrogelants de base escuaramido-escuaramat. L’elevada acidesa de l’àcid escuaràmic fa que es trobi desprotonat en un ampli rang de pH, la qual cosa permet la seva utilització com a part hidrofílica de un hidrogelant de baix pes molecular. La introducció dels grups -NO2 y -CF3 a l’arilesquaramida permet modular les propietats dels hidrogels resultants, donant lloc a pronunciades diferències en l’estabilitat tèrmica, en les propietats mecàniques i en la morfologia de les fibres que els composen. Així, l’hidrogel nitroderivat resulta injectable, tixotròpic, i experimenta un procés d’encongiment irreversible en presència de dissolucions salines. A més pot carregar-se amb quantitats substancials de biomolècules zwitteriòniques al seu interior (fins a una relació molar de 240:1), que poden alliberar-se posteriorment al medi de forma controlada.

[eng] This PhD thesis describes squaramic acids and their application in different fields related to Supramolecular Chemistry. These compounds are a little known type of squaric acid derivatives. Specifically, the work described herein is divided into five chapters. Chapter 1. The general introduction provides an overview of Supramolecular Chemistry and its main current fields of application. More specifically, squaric acid derivatives and their use as active centers for recognition and supramolecular aggregation phenomena, the main topic on which this report is, are described. Chapter 2. In this chapter an effective method of microwave-assisted synthesis of squaramic acids derived from both aliphatic and aromatic amines is developed in yields ranging from 41 to 92%. The acid properties of the most representative compounds have been characterized by spectrophotometric titrations, obtaining pKa values between 0.9 and 2.0. Chapter 3. In a first phase, long-chain squaramic acids have been synthesized, and their ability to chemically adsorb on aluminum surfaces has been studied. This chapter provides basic information for a subsequent implementation of squaramic acids in coated materials. The coatings obtained have been studied through a wide range of techniques, such as contact angle measurements, microscopy techniques, grazing angle IR spectroscopy and mass spectrometry. Contact angle measurements have shown the formation of a layer which provides hydrophobicity to the surface, comparable to that obtained with carboxylic acids of similar chain lengths. The aromaticity of the squaramate group has allowed for detecting and monitoring the formation of the molecular layer by UV-vis reflectance spectroscopy, a technique not widely used in this field. In addition, the coatings obtained exhibit a higher resistance to desorption by immersion in isopropanol than those carried out with carboxylic acids. Chapter 4. In this chapter a squaramide-squaramate based receptor has been designed for the detection of zwitterionic molecules such as miltefosine. The structure of this receptor gives rise to an ensemble of the squaramide and squaramate groups that allows its selfaggregation, preventing the formation of complexes with competitive anions like halides. Chapter 5. The self-aggregation capacity of squaramates has been used for the design of squaramide-squaramate-based hydrogels. The high acidity of the squaramic acid ensures its ionization over a wide pH range, allowing its use as a hydrophilic part of a low molecular weight hydrogelator. The introduction of the -NO2 and -CF3 groups into the arylsquaramide leads to the modulation of the resulting properties of the hydrogels, causing marked differences in the thermal stability, mechanical properties and morphology of the fibers. Thus, the nitroderivative hydrogel turn out to be injectable, thixotropic, and undergoes an irreversible shrinking process in the presence of saline solutions. In addition, substantial amounts of zwitterionic biomolecules can be charged inside the hydrogel (up to 240: 1 excess molar ratio), which can subsequently be released into the medium in a controlled manner