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Ionic liquids are composed of an organic cation and a highly delocalized perfluorinated anion, which remain tight to each other and neutral across the extended liquid framework. Here we show that n-alkanes in millimolar amounts enable a sufficient ion charge separation to release the innate acidity of the ionic liquid and catalyze the industrially relevant alkylation of phenol, after generating homogeneous, self-stabilized, and surfactant-free microdroplets (1–5 μm). This extremely mild and simple protocol circumvents any external additive or potential ionic liquid degradation and can be extended to water, which spontaneously generates microdroplets (ca. 3 μm) and catalyzes Brönsted rather than Lewis acid reactions. These results open new avenues not only in the use of ionic liquids as acid catalysts/solvents but also in the preparation of surfactant-free, well-defined ionic liquid microemulsions., R.G. thanks the ITQ and Severo Ochoa program for the concession of a fellowship. M.A.R.-C. thanks MINECO for the concession of an FPU fellowship. We thank Prof. Hans–Peter Steinrück, Dr. Florian Maier, and Bettina Heller for fruitful discussions and José M. Coll–Marqués for performing the microfluorescence measurements.

The recognition of defect chemistry as a true synthetic tool for targeted creation of defects and controllable performance remains limited by the pool of frameworks explored. The value of defect engineering in controlling the properties of defective frameworks has been beautifully exemplified and largely demonstrated with UiO-type materials based on Zr(iv) nodes. However, titanium–organic frameworks remain largely unexplored in this context arguably due to the complex chemistry in solution of Ti(iv) and the difficulties in growing crystalline solids. We report a systematic study on the ability of mono- and dicarboxylic modulators (benzoic and isophthalic acid) to promote defect creation in the heterometallic Ti-MOF of the MUV-10 family. Our results indicate that both acids behave as capping modulators at high concentrations, but isophthalic acid is a more efficient defect promoter, yielding defective phases with nearly 40% of missing linkers. Our computational results suggest that this difference cannot be solely ascribed to relative changes in acidity but to the ability of this bidentate linker in compensating the structural distortion and energy penalty imposed by breaking the connectivity of the underlying framework., The connectivity of mono- and dicarboxylic modulators controls their ability to promote defects in the titanium framework MUV-10.

En esta tesis doctoral se realizaron estudios computacionales para las enzimas caspasa-1 y la 3CLpro del SARS-CoV-2. Estas enzimas pertenecen a la familia de las cisteína proteasas, las cuales hidrolizan sus respectivos sustratos rompiendo un enlace peptídico en particular. En esta reacción interviene una diada catalítica conformada por un par Cis-His. La caspasa-1 fue seleccionada debido a su importancia farmacológica en la enfermedad de Alzheimer, y la enzima 3CLpro del SARS-CoV-2 por estar involucrada en el proceso de replicación del virus responsable de la enfermedad del COVID-19. Para ambas se realizaron estudios que ayudaron a racionalizar el mecanismo de reacción con su sustrato natural utilizando m todos QM/MM. También se realizaron estudios de una serie de inhibidores enzimáticos covalentes identificando las interacciones clave enzima-sustrato que ayudar n a mejorar el desempeño de los inhibidores frente a sus respectivas enzimas. El mecanismo de reacción encontrado para la enzima caspasa-1 ocurre por una ruta alternativa al mecanismo estándar de este tipo de enzimas. En el mecanismo encontrado en nuestras simulaciones la cisteína catalítica se activa directamente por el grupo amino de su sustrato natural, lo que facilita el posterior ataque nucleofílico del azufre al carbonilo y la ruptura del enlace peptídico. En este estudio se determinó que el estado de protonación de la dada catalítica que mejor correlaciona con los resultados experimentales es aquel en el que ambos residuos están neutros, encontrándose el protón de la histidina sobre el nitrógeno delta. También se determina que los inhibidores más potentes para la caspasa-1 son aquellos que, presentan mejores interacciones con los residuos His342, Pro343 and Arg383, adicionalmente a las interacciones ya bien caracterizadas para la estabilización del oxianión formado durante la reacción. En el caso de la 3CLpro del SARSCoV-2, los resultados apuntan a que la dada catalítica en el complejo de Michaelis se encuentra en estado neutro, siendo necesaria la activación de la cisteína por parte de la histidina catalítica para que la reacción proceda. Posteriormente el grupo amino del sustrato abstrae el protón de la histidina mientras se da el ataque nucleofílico del azufre de la cisteína sobre el carbono del carbonilo del enlace peptídico. Para la etapa de de-acilación se describió un mecanismo de reacción alternativo, en donde el grupo amino del grupo saliente desprotona la molécula de agua que posteriormente va a hidrolizar el complejo acil-enzima. En cuanto a la inhibición enzimática, se encontró un mecanismo de intercambio de protones mediado por una molécula de agua, o un grupo hidroxilo. Los hallazgos de esta tesis doctoral abren la puerta para el desarrollo de potentes inhibidores para las dos enzimas involucradas en este estudio, esperando así contribuir al desarrollo de medicamentos que ayuden a tratar las enfermedades en las que se encuentran involucradas. In this doctoral thesis, computational studies were carried out for the enzymes caspase-1 and 3CLpro of SARS-CoV-2. These enzymes belong to the cysteine ​​protease family, which hydrolyze their respective substrates by breaking a particular peptide bond. This reaction involves a catalytic dyad made up of a Cis-His pair. The enzymes Caspase-1 and the SARS-CoV-2 enzyme 3CLpro were selected due to its pharmacological importance in Alzheimer's disease and in the COVID-19 disease respectively. For both, studies were carried out that helped to rationalize the reaction mechanism with its natural substrate using QM/MM methods. Also, studies on a series of covalent inhibitors were conducted in order to identify the key enzyme-substrate interactions that will help improve the performance of the inhibitors against their respective enzymes. The reaction mechanism found for the caspase-1 enzyme occurs through an alternative route to the standard mechanism of this type of enzyme. In the mechanism found in our simulations, the catalytic cysteine ​​is activated directly by the amino group of its natural substrate, which facilitates the subsequent nucleophilic attack of sulfur on the carbonyl and the breaking of the peptide bond. In this study it was determined that the protonation state of the catalytic dyad that best correlates with the experimental results is the one in which both residues are neutral, with the histidine protonated on the delta nitrogen. It was also determined that the most potent inhibitors for caspase-1 are those that present better interactions with residues His342, Pro343 and Arg383, in addition to the interactions already well characterized for the stabilization of the oxyanion formed during the reaction. In the case of the 3CLpro of SARSCoV-2, the results indicate that the catalytic dyad in the Michaelis complex exist in a neutral state, requiring the cysteine be activated ​​by the catalytic histidine for the reaction to proceed. Subsequently, the amino group of the substrate abstracts the proton from the histidine while the nucleophilic attack of the cysteine ​​sulfur on the carbonyl carbon of the peptide bond takes place. An alternative reaction mechanism was described for the deacylation step, where the amino group of the leaving group deprotonates the water molecule that subsequently hydrolyzes the acyl-enzyme complex. Regarding enzyme inhibition, a proton exchange mechanism mediated by a water molecule or a hydroxyl group was found. The findings of this doctoral thesis open the door for the development of powerful inhibitors for the two enzymes involved in this study, thus hoping to contribute to the development of drugs that help treat the diseases in which they are involved.

En la presente tesis doctoral, titulada Aplicación de la espectroelectroquímica para el desarrollo de supercondensadores basados en PEDOT, se pretende ahondar en el sistema PEDOT en medio acuoso. Dicho estudio se ha llevado a cabo haciendo uso de diferentes metodologías. Por un lado, los experimentos de video-digital RGB electroquímica (DVEC) han permitido optimizar el depósito a partir de la obtención de parámetros como la eficiencia electrocrómica y el contraste de color del sistema, concluyendo que el mejor depósito es el cronoamperométrico 1.1V, 15s en un medio acuoso 0.01M EDOT y 0.1M KNO3. Además, se presenta un estudio cinético del PEDOT basado en el estudio de la varianza de color del sistema y finalmente, el uso de la metodología DVEC en experimentos de corriente alterna. Por otro lado, el uso de técnicas como la voltamperometría cíclica, la electrogravimetría y la espectroscopía UV-Vis, así como los experimentos en régimen de corriente alterna, espectroscopía de impedancia electroquímica y de masa (EIS y MIS, respectivamente), han permitido elucidar un posible mecanismo de oxidación/reducción del PEDOT en medio acuoso donde se presenta el papel de los contraiones presentes en el medio y una reacción secundaria que se identifica a bajas frecuencias. Por último, se estudia la inserción del cobalto en la matriz polimérica del PEDOT, su mecanismo de oxidación/reducción, la estabilidad del sistema y su capacidad como condensador respecto al PEDOT en medio acuoso, observando que el sistema presenta una alta estabilidad de corriente y de masa (manteniendo tras 100 ciclos un 99.7% de la masa) y aumentando la capacidad del sistema respecto del PEDOT un 38%.

Los compuestos de transición de espín (SCO, de las siglas en inglés spin-crossover) son un ejemplo perfecto de biestabilidad molecular. La transición entre sus estados de alto y bajo espín (HS y LS, de las siglas en inglés, High Spin y Low Spin, respectivamente) se puede controlar mediante estímulos externos como la temperatura, presión, luz, por nombrar unos pocos. Esto los convierte en compuestos muy interesantes para aplicaciones tales como espintrónica, almacenamiento de memoria y dispositivos conmutables. El interés científico en este tipo de moléculas y la búsqueda de aplicaciones ha ido creciendo a lo largo de los años. Para ello, la deposición de dichos compuestos es el primer paso que hay que abordar. Desde el descubrimiento de la primera molécula de SCO depositada mediante la técnica de evaporación térmica en ultra alto vacío en una superficie en 2012, ha habido un gran interés en la búsqueda de compuestos de transición de espín adecuados para dicha técnica. Hasta el momento, tan sólo una pequeña familia de compuestos de SCO son capaces de soportar las condiciones extremas que supone la evaporación térmica en ultra alto vacío sin descomponerse además del alto coste económico que supone. Por otro lado, el autoensamblaje de moléculas desde la disolución también ofrece la oportunidad de formar películas finas con metodologías mucho más económicas. Sin embargo, la mayoría de los intentos relacionados con la deposición de moléculas de SCO han fracasado debido a la fragilidad del fenómeno de SCO, dejando un vacío de conocimiento científico en este tema. Por lo tanto, esta tesis es una pequeña aportación para empezar a llenar la falta de conocimientos dirigida hacia la preparación de dispositivos conmutables basados en moléculas de SCO mediante protocolos en disolución. Esperamos que este trabajo sea útil para la siguiente generación de experimentos y sea utilizado como guía hacia la dirección correcta. El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido el diseño racional de nuevos compuestos de SCO funcionalizados con un punto de anclaje capaz de interaccionar específicamente con superficies de nuestra elección. Para llevar esto a cabo los compuestos de transición de espín que se han empleado en este trabajo están basados principalmente en iones de Fe(II) y Co(II). Se han utilizado derivados de dos ligandos ampliamente estudiados y conocidos por dar lugar a familias de transición de espín: 2,6-bis(pirazol-1-il)piridina (1bpp) y 2,2":6",2""-terpiridina (terpy), para Fe(II) y Co(II), respectivamente. Respecto al punto de anclaje, la funcionalización con un grupo ácido carboxílico ha sido elegida gracias a su versatilidad parar formar monocapas autoensambladas (SAMs, de las siglas en inglés self-assembled monolayers) en diferentes superficies tales como óxidos metálicos (SiO2, Al2O3, LSMO, etc…) y metales nobles (Ag, Cu, Au, etc…). Acorde con las diferentes estrategias utilizadas a lo largo de esta tesis doctoral, el manuscrito se ha dividido en 5 capítulos principales: El primer capítulo se ha escrito con la intención de proporcionar al lector el conocimiento necesario para establecer las bases sobre el tema a tratar. Se compone de una concisa introducción al fenómeno de SCO, tanto de iones de Fe(II) como de iones de Co(II), junto con los compuestos de transición de espín más utilizados, el concepto de SAM y su situación actual respecto a moléculas conmutables con el fin de dar a conocer la dificultad del reto abordado. Finalmente, se explican las técnicas de caracterización de monocapas más comúnmente empleadas, también utilizadas a lo largo de este trabajo, tales como MALDI-TOF MS (de las siglas en inglés Matrix assisted laser desorption/ionization time of flight Mass Spectroscopy), el microscopio de fuerza atómica (AFM, de las siglas en inglés Atomic Force Microscopy), espectroscopia de rayos X de fotoelectrones (XPS, de las siglas en inglés X-ray Photoelectron Spectroscopy), espectroscopia de Raman y espectroscopia superficial aumentada de Raman (SERS, de las siglas en inglés Surface Enhanced Raman Spectroscopy) y absorción de rayos X (XAS, de las siglas en inglés X-ray absorption spectroscopy). En los capítulos 2 a 4 se utilizan compuestos de transición de espín de Fe(II) con ligandos derivados del 1bpp, mientras que el último capítulo, el Capítulo 5, está enfocado en un compuesto de Co(II) basado en un ligando tipo terpy. Todos los derivados contienen el ácido carboxílico como grupo funcional, el cual nos proporciona propiedades adicionales tales como la posibilidad de formar polímeros de coordinación extendidos, así como la posibilidad de depositarlos en superficies que permitan una interacción especifica. En todos los capítulos primero se presentará la síntesis y caracterización del compuesto en estado sólido, después se estudiará y discutirá la formación de SAMs y finalmente se nombrarán las conclusiones extraídas de cada estudio. En el Capítulo 2, un estudio exhaustivo en estado sólido sobre la molécula utilizada como punto de partida, [Fe(1bppCOOH)2]2+ se ha realizado con la intención de tener un conocimiento más amplio sobre las propiedades magnéticas. Para ello se han utilizado diferentes contraiones (ClO4-, BF4-, CF3SO3-, AsF6-, SbF6-), grados de solvatación y un ligando ligeramente diferente (bppCOOEt) dando lugar al compuesto [Fe(1bppCOOEt)2]2+. Todas las sales fueron obtenidas en forma de monocristal, lo que permite su estudio cristalográfico en detalle. En el caso de utilizar contraiones con geometrías similares tales como ClO4- y BF4-, y AsF6- y SbF6- se han obtenido sales isoestructurales. Los contraiones tetraédricos más pequeños ClO4- y BF4- han dado lugar a un empaquetamiento cristalino mucho más denso que evita la formación de huecos donde se puedan insertar moléculas de disolvente en la estructura. El empaquetamiento cristalino consiste en cadenas de compuestos unidas mediante enlaces de hidrogeno que forman capas alternadas con dichos contraiones. Esto da lugar a comportamientos de transición de espín abruptas, completas y reversibles con una pequeña histéresis de 3 K (T1/2↑ = 349 K y T1/2↓ = 345 K para BF4- y T1/2↑ = 384 K y T1/2↓ = 381 K para ClO4-). La disminución de tamaño del contraión favorece el HS, ergo una T1/2 más baja para la sal de BF4- con respecto a la de ClO4-. Este descenso de, aproximadamente, 40 K puede estar relacionado también con una mayor densidad electrónica retirada por el BF4-. Por otro lado, sales con contraiones más grandes presentan una densidad de empaquetamiento cristalino más baja lo que da lugar a la incorporación de moléculas de disolvente en la estructura. Estas moléculas juegan un papel muy importante en sus propiedades magnéticas. La pérdida de dichas moléculas de disolvente en las sales de CF3SO3-, y AsF6- y SbF6- está acompañada por una transición de spin de signos diferentes. Mientras que la desolvatación de la sal de CF3SO3- induce un cambio de bajo a alto espín, desolvatación de AsF6- y SbF6- estabiliza ligeramente el bajo spin. Mediante técnicas de difracción de rayos X de polvo se ha comprobado que estos cambios son reversibles mediante la inserción de las sales en atmosferas saturadas del disolvente en cuestión (en este caso, acetona). Por lo tanto, la sal de CF3SO3- presenta una transición de espín reversible inducida por disolvente mientras que AsF6- y SbF6-. presentan transiciones graduales escalonadas incompletas en el rango de temperatura 200 - 400 K que, tras su desolvatación, estabilizan el LS. Es de resaltar que la sal de mayor tamaño de SbF6-, en comparación a su sal isoestructural de AsF6-, da lugar a la estabilización del estado de HS y, por lo tanto, una T1/2 más baja, a diferencia de las sales isoestructurales de ClO4- y BF4-. Esta tendencia puede sugerir que, en ausencia de las cadenas de compuestos enlazadas mediante enlaces de hidrogeno encontradas en las sales de ClO4- y BF4-, que gobiernan el empaquetamiento cristalino, la expansión del volumen de la celda unidad causado por el mayor tamaño del contraión SbF6- se convierte en el factor determinante. Finalmente, la utilización del derivado de éster de etilo (1bppCOOEt) ha dado lugar a un efecto similar al uso de contraiones más voluminosos, los que se traduce en la incorporación de moléculas de disolvente en su estructura. La pérdida de dicha molécula de disolvente a 340 K da lugar a una transición de espín irreversible de bajo a alto espín y, en contraste con las sales de 1bppCOOH, la estructura original no se recupera después de insertar el compuesto en una atmosfera saturada. Esto podría indicar que el ácido carboxílico juega un papel muy importante en la reversibilidad de solvatación o que la flexibilidad del grupo etilo da lugar a una reorganización estructural favoreciendo la formación de estructuras diferentes dependiendo del grado de solvatación. Todos estos compuestos indican que la transición de spin de esta familia es muy sensible a los contraiones y moléculas de disolvente.Por otro lado, todos los compuestos muestran una respuesta magnética frente a la luz a bajas temperaturas (LIESST, de las siglas en inglés Light Induced Excited Spin State Trapping). Como se esperaba, la menor T1/2 de las sales isoestructurales de BF4- y SbF6- dan lugar a un aumento de la T(LIESST) con respecto a ClO4- y AsF6-, respectivamente. Respecto a la deposición en superficie, el procedimiento utilizado consiste en sumergir sustratos de SiO2 en una disolución 1 mM del compuesto en acetonitrilo durante una noche y su posterior lavado y secado bajo N2. Una combinación de técnicas (arriba mencionadas) muestran la formación de una monocapa homogénea de moléculas en la superficie con ausencia de agregados o multicapas. La afinidad del ligando 1bpp funcionalizado con un grupo ácido carboxílico por superficies de óxidos metálicos ha sido confirmada, y la coordinación de un ion de hierro es posible. Técnicas de rayos X muestran que las moléculas se descomponen tras su deposición dando lugar a un ligando por hierro y oxidación de este. Este resultado sugiere que [Fe(1bppCOOH)2]2+ se descompone durante el proceso de deposición, o bien mediante oxidación del ión de Fe(II) a Fe(III) al contacto de la superficie, teniendo en cuenta que compuestos octaédricos bis-tridentados de Fe(III) basados en 1bpp no existen, o bien debido a una interacción débil entre el ligando y el hierro, como se ha observado en otros compuestos de 1bpp similares. La utilización de otras condiciones de deposición como por ejemplo tiempos de deposición más cortos, disolventes menos polares o aumentar la concentración, o la preparación de compuestos de Fe(II) basados otros derivados del ligando tipo 1bpp más robustos pueden ser posibles estrategias a investigar para mejorar la deposición de esta familia de compuestos. A la vista de estos resultados, hemos explorado otras estrategias en los capítulos 3 y 4: el cambio de posición del ácido carboxílico (Capítulo 3, partes A y B) y la preparación de compuestos heterolépticos (Capítulo 4). Efectivamente, en el Capítulo 3, se han investigado dos variaciones diferentes del ligando, donde se cambia la posición del grupo carboxílico. Para ello, primero se han cristalizado y caracterizado los compuestos [Fe(bpp3COOH)2]2+ (Parte A) y [Fe(bpCOOHp2)2]2+ (Parte B) en estado sólido. En la Parte A, se ha sintetizado a la sal de perclorato de [Fe(bpp3COOH)2]2+. Este compuesto presenta una transición gradual por encima de 300 K que aumenta de forma abrupta a 400 K. Este comportamiento no es reversible ya que es debido a una pérdida de moléculas de disolvente. Por lo tanto, la forma solvatada es mayormente LS mientras que la desolvatada presenta una transición gradual y parcial entre 400 y 100 K probablemente debido a un cambio estructural. Las propiedades de este compuesto, frente a las de [Fe(1bppCOOH)2]2+ del capítulo anterior, nos conducen a las siguientes conclusiones: el estado de LS parece predominar tal y como se ha observado en [Fe(1bppCOOH)2]2+; cambiar la posición del sustituyente dificulta la posibilidad de formar enlaces de hidrógeno entre compuestos; dicho cambio también dificulta la formación de otras interacciones intermoleculares fuertes como CH··· y ··· típicas de un empaquetamiento cristalino tipo “terpyridine embrace” observado en otros compuestos basados en bpp. Como resultado, muestra una transición gradual e incompleta. Por otro lado, el compuesto presenta efecto LIESST en ambos grados de solvatación. Además, de la misma manera que 1bppCOOH del Capítulo 1, este compuesto puede ser un precursor muy conveniente para la formación de nuevos derivados tipo bpp con otras funcionalidades además de las propiedades de SCO. La ventaja que presenta este ligando, debido al cambio de posición del grupo sustituyente, es que puede favorecer la formación de compuestos de Fe(II) que cristalicen en grupos no-centrosimétricos, como [Fe(bpp3COOH)2](ClO4)2, que pueden conferir nuevas propiedades como ferroelectricidad. Esto se podría favorecer funcionalizando la misma posición con ligandos más voluminosos. De forma análoga al capítulo anterior, la incorporación del grupo ácido carboxílico nos ha permitido la posibilidad de preparar y estudiar la formación de monocapas autoensambladas. El procedimiento utilizado ha sido el mismo por motivos de comparación. Varias técnicas demuestran que el cambio de posición del ácido carboxílico no afecta a la afinidad del ligando por las superficies de óxidos metálicos ni a la coordinación del ión de Fe. Sin embargo, la deposición del compuesto da lugar a resultados similares al capítulo anterior con [Fe(1bppCOOH)2]2+, esto es, oxidación y fragmentación de las moléculas tras su deposición. En la Parte B, se ha sintetizado y caracterizado el compuesto de Fe(1bpCOOH2p)2](ClO4)2·3.5Me2CO. Este compuesto presenta una transición térmica abrupta con histéresis (T↑ = 292 K y T↓ = 279 K), correspondiente a la mitad de los centros de Fe(II), asociada a un cambio de simetría. La combinación de un ligando rígido como el 1bpp, que da lugar a geometrías de HS muy distorsionadas, con grupos ácido carboxílico que favorecen la presencia de moléculas de disolvente, las cuales habilitan el suficiente volumen libre para que las moléculas de HS distorsionadas transiten al estado sin distorsionar de LS, pueden ser factores cruciales para explicar la transición térmica tan abrupta con histéresis obtenida. Por otro lado, este compuesto presenta un estado foto-inducido de larga duración totalmente inesperado para dicha transición térmica. Medidas de LIESST sugieren que la irradiación con luz roja estabiliza el estado fotoinducido de HS (HS*) y que relaja térmicamente al estado de LS a 120 K, mientras que una relajación previa escalonada tiene lugar irradiando menor tiempo o con longitudes de onda menores (880 nm). Grandes distorsiones trigonales se han utilizado para explicar la estabilización de estados de HS* dando lugar a aumentos en la T(LIESST), no obstante, esto también causaría un descenso de la T1/2, lo cual no se observa. Esto sugiere que, a pesar de la distorsión, otro cambio estructural foto-inducido tiene que ser el origen de este comportamiento inesperado. Efectivamente, estudios foto-cristalográficos a baja temperatura apoyan que un cambio estructural tiene lugar tras la irradiación. Medidas de rayos X en monocristales a baja temperatura bajo irradiación con 660 nm de longitud de onda demuestra que es posible estabilizar la fase de alta simetría HS*. Esta fase no se puede obtener con la temperatura ya que, al calentar por encima de 320 K, tiene lugar a una perdida irreversible de la cristalinidad debida a la desolvatación que provoca una reorganización estructural generando un empaquetamiento cristalino totalmente diferente. También se ha observado que, con tiempos de irradiación más cortos, es posible estabilizar la fase de baja simetría LS-HS*. Rayos X de polvo realizados en muestras policristalinas han demostrado que la fase de alta simetría HS* también se puede obtener con otros láseres como 472 y 782 nm. Así como con tiempos irradiación cortos con 660 y 782 nm podemos estabilizar una fase intermedia, en el caso de 472 nm directamente estabiliza el estado de HS* desde el primer momento. El arriba mencionado estado intermedio también se puede obtener con láseres de longitud de onda más alta (1064 nm) tanto desde el bajo como el alto espín fotoinducido. Esto demuestra que el compuesto presenta un efecto parcial de reverse-LIESST, ya que no es posible estabilizar el estado de LS con los láseres utilizados en estos experimentos. Por otro lado, la fase intermedia también se ha observado al aumentar la temperatura desde el estado de HS*. Desafortunadamente, la fase intermedia estabilizada antes mencionada no se ha podido identificar sin ambigüedad, probablemente debido a una mezcla de fases. Medidas foto-cristalográficas en el mismo monocristal dentro del rango de temperatura 10-130 K son necesarias para entender por completo las fases correspondientes a cada estado. Estos experimentos también podrían ayudar a entender el pequeño salto que presenta en los experimentos LIESST con 660 nm. Estas medidas no fueron posibles con el equipo disponible en este momento. Además, medidas foto-cristalográficas y magnéticas bajo radiación con 472 y 1064 nm a baja temperatura permitirían tener un entendimiento más completo del sistema ya que otros estados intermedios podrían estar involucrados. En resumen, Fe(1bpCOOH2p)2](ClO4)2·3.5Me2CO combina dos propiedades inesperadas: SCO alrededor de temperatura ambiente y un estado foto-inducido de HS* persistente a temperaturas extraordinariamente altas, que están asociadas a una estructura cristalina especifica muy sensible a la presencia de moléculas de disolvente. Los estudios foto-cristalográficos han revelado la presencia de dos estados metaestables foto-inducidos que pueden ser estabilizados de una forma controlada mediante diferentes longitudes de onda, tiempos de irradiación y temperatura. Este estudio representa un paso a delante hacia el diseño racional de nuevos compuestos de transición de espín con propiedades mejoradas. La deposición en este compuesto también ha sido investigada. Estudios de espectroscopía UV/Vis sugieren una baja estabilidad en disolución por lo que los resultados obtenidos en superficie no son concluyentes. En el Capítulo 4, como se ha mencionado anteriormente, se ha cambiado el enfoque hacia la formación de compuestos heterolépticos con el fin de entender el papel jugado por la parte del ligando que no está interaccionando con la superficie. Para ello, se han utilizado un ligando similar, 1bppCOOEt empleado en el Capítulo 2, y uno más voluminoso, 3bpp-bph. El compuesto heteroléptico [Fe(1bppCOOH)(1bppCOOEt)]2+, representa el primer ejemplo de un compuesto heteroléptico formado por dos ligandos tipo 1bpp. La combinación de dos ligandos 1bpp con la posición 4 de la piridina sustituida estabiliza, como sus correspondientes compuestos homolépticos ([Fe(1bppCOOH)2](ClO4)2 y [Fe(1bppCOOEt)2](ClO4)2), el estado de LS y también presenta efecto LIESST. En cuanto a su disposición, probablemente debido a que presenta una estructura molecular muy similar respecto al compuesto [Fe(1bppCOOH)2]2+, da lugar a un resultado muy similar tras su deposición, esto es, oxidación y pérdida del ligando que no está anclado en la superficie. Por otro lado, la combinación con un ligando más voluminoso en [Fe(bppCOOH)(3bpp-bph)]2+ ha resultado en una mejora de las propiedades de transición de espín con respecto al compuesto homoléptico [Fe(1bppCOOH)2]2+, ya que se ha obtenido una transición de espín térmica más cerca de temperatura ambiente con una histéresis de 13 K (T1/2↓ = 234 K y T1/2↑ = 247 K) y efecto LIESST. Respecto a la deposición, la presencia de un ligando voluminoso con grupos aromáticos parece aumentar la estabilidad de las moléculas depositadas en la superficie a pesar de que se ha detectado una oxidación parcial del ion de Fe(II) a Fe(III). Si esto se confirmase, puede constituir una estrategia prometedora para conseguir la deposición de esta familia de compuestos de SCO. Todo esto, junto a compuestos previamente reportados, confirman una clara tendencia por la formación de especies con mezcla de ligandos que, además, constituye un recurso muy versátil para la búsqueda y preparación de nuevos compuestos heterolépticos de SCO mediante la explotación de la versatilidad química de los ligandos tipo 1bpp, que pueden ser funcionalizados con una gran variedad de sustituyentes funcionales sin perturbar significativamente las propiedades de SCO. En el Capítulo 5, se ha preparado un compuesto de SCO basado en el ligando expandido de la terpiridina funcionalizada con un ácido carboxílico, 4´-(4-carboxifenilo)-2,2’:6’,2’’-terpiridina (HL). Esto ha dado lugar al compuesto [Co(HL)2](ClO4)2·4DMA con un empaquetamiento cristalino que presenta interacciones débiles, lo cual se traduce a una transición gradual e incompleta en un intervalo de temperatura amplio (150 - 400 K). Por el contrario, el compuesto de Co(II) neutro (Co(L)2) formado por el mismo ligando desprotonado, sintetizado como referencia, muestra una transición abrupta probablemente debido a interacciones intermoleculares fuertes gracias a la ausencia de contraiones y disolventes que permiten un empaquetamiento más compacto. La deposición de [Co(HL)2]2+ se ha realizado de forma análoga a los capítulos anteriores salvo pequeños cambios. La disolución de deposición se realiza en dimetilacetamida, en vez de acetonitrilo, y los sustratos utilizados han sido de plata, en vez de SiO2. Varios tiempos de deposición (entre 6 y 72 h) fueron estudiados obteniendo el mismo resultado. Mediante espectroscopía UV/Vis se ha demostrado la estabilidad de la disolución utilizada descartando la descomposición de los compuestos en disolución. Imágenes topográficas realizadas con AFM confirman la ausencia de agregados o multicapas. Este resultado es esperado considerando que el grupo ácido carboxílico está enlazado con la superficie y las capas adicionales, que no están ancladas químicamente, se eliminan después de los pasos de lavado. La integridad de las moleculas depositadas fue comprobada mediante MALDI-TOF MS. Un analisis comparativo del compuesto en estado sólido y la SAM evidencian la presencia de moleculas ancladas a la superficie y la ausencia de contraiones en esta, sugeriendo la formación de la especie desprotonada en la superficie. También ha sido posible estudiar la monocapa con espectroscopía Raman encima de sustratos de plata que se han vuelto rugosos con un tratamiento mecánico gracias al efecto SERS (de las siglas en inglés Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Esto ha permitido una confirmación adicional de la integridad estructural de las moleculas en la superficie y de que la especie predominante en la superficie tras su deposición es, efectivamente, la desprotonada. Por otro lado, hemos podido estudiar la transición de espín, tanto en estado sólido como en la SAM, monitoreando una señal Raman muy sensible al estado electrónico de las moleculas que corresponde a la vibración de la terpiridina coordinada. Un analisis comparativo demuestra que ambas muestras presentan una transición gradual dentro del mismo intervalo de temperatura (150 - 300 K) mientras que una SAM del ligando solo, preparada como referencia, no muestra ningun cambio. Esta técnica también sirvió para comprobar la reversibilidad de la transición de espín y la estabilidad de la muestra una semana después de su preparación. Todos estos resultados han sido corroborados y confirmados mediante simulaciones teóricas. La técnica XPS se ha utilizado para analizar estructural y electrónicamente la muestra en estado solido y la monocapa. En ambos casos se han encontrado y asignado los mismos componentes salvo el Cl, el cual no se detecta en la monocapa y confirma los resultados obtenidos en MALDI-TOF MS y espectroscopía Raman. Desde un punto de vista electrónico, ha sido posible analizar de forma cualitativa el cambio de espín del ion de Co(II) con parametros extraidos del espectro de XPS. Variaciones reversibles en los espectros a baja y alta temperatura confirman la transición de espín en ambas muestras y la estabilidad del compuesto en alto vacio bajo rayos X. Por último, la XAS se ha utilizado con la finalidad de estudiar cuantitativamente la transición de espín de las moléculas depositadas, ya que es una de las pocas técnicas que proporciona la sensibilidad necesaria para analizar el estado electrónico de una monocapa. Los espectros obtenidos en función de la temperatura de la monocapa muestran un cambio gradual y reversible del estado de espín. Ha sido posible analizar esta evolución gracias a los espectros de referencia obtenidos a partir del compuesto en estado sólido y simulaciones teóricas. Los resultados indican que la monocapa presenta una fracción de moléculas descompuestas con un estado de oxidación de Co(III) de alrededor del 25 %. La fracción restante de Co(II) presenta un número mayor de moléculas en el estado de HS en comparación a la muestra en estado sólido que, más concretamente, aumenta alrededor de un 30 % con la temperatura, en concordancia al aumento observado para la muestra policristalina. No obstante, este cambio reversible deja de serlo cuando la SAM se calienta por encima de 370 K, como se observa también en experimentos previos realizados con espectroscopía Raman. Este trabajo representa, hasta donde alcanza nuestro conocimiento, el primer ejemplo de una SAM de moléculas de SCO activas preparadas desde una disolución en contacto directo con la superficie. Para concluir, resaltar que este trabajo abre la puerta a la construcción de dispositivos nanoestructurados basados en compuestos de SCO bis-tridentados. El efecto de la estabilidad de la monocapa en función de la distancia entre la superficie y el centro metálico, como el que se ha presentado en el Capítulo 5, y la posibilidad de aumentar la cooperatividad de la SCO de la monocapa utilizando ligandos más voluminosos, como el empleado en el Capítulo 4, son cuestiones que guiarán futuras investigaciones.

The aim of this Thesis is to rationalize, from a theoretical perspective, the structural, electronic, optical and transport properties of different electroactive non-covalent assemblies of special relevance in the field of organic electronics. The ultimate goal is to establish valuable supramolecular structure-property relationships. In particular, this Thesis is focused on three types of systems: hole transporting materials (HTM), donor–acceptor supramolecular complexes and supramolecular polymers. For each system, the spotlight has been put on different relevant electronic processes. In the first part, the structural organization of several supramolecular polymers is studied. In particular, the relation between the supramolecular organization and the properties of interest (e.g. chiral behavior, or optical properties) of the selected systems. In the second part the charge transport properties of hole transporting materials, donor–acceptor supramolecular complexes are studied. On one hand the effect of H-bonding and the size of the HTM in the electronic mobilities is investigated. On the other hand, the kinectics of the photoinduced electron transfer on donor–acceptor supramolecular complexes in solution is simulated. Finally, the effects that become relevant for energy transport at the typical distances found in non-covalent assemblies are analyzed. These findings are used to simulate the exciton dynamics along one supramolecular polymer and, in particular the role of the charge transfer states in the exciton transport is analyzed.

En el presente trabajo de Tesis se ha llevado a cabo la síntesis de compuestos nitrogenados quirales cíclicos de estructura compleja mediante reacciones de cicloadición catalizadas por metales de transición empleando como sustratos de partida 4-aza-1,7-eninos y 5,10-diaza-1,7,13-triinos quirales que, en la mayor parte de los casos, contienen átomos de flúor o agrupaciones fluoradas en su estructura molecular. La preparación de estos compuestos se basa en la utilización de homopropargilamidas quirales como sustrato común en la estructura de todos ellos. Los elementos de quiralidad y la presencia de átomos de nitrógeno y agrupaciones fluoradas en los sustratos de partida son importantes en cuanto a que están presentes en muchos compuestos bioactivos. Las amidas homopropargílicas quirales son el elemento básico para la construcción de los sustratos sometidos posteriormente a diferentes reacciones de ciclación para obtener distintos derivados, y además son, a su vez, compuestos de síntesis que se obtienen mediante reacciones de propargilación diastereoselectiva de iminas de Ellman. El trabajo de la Tesis se estructura en dos partes: En la primera se describen los procedimientos de síntesis de las amidas homopropargílicas y su transformación en los eninos y triinos. Estas amidas homopropargílicas resultan ser precursores muy interesantes para la posterior obtención de nuevas estructuras nitrogenadas cíclicas ópticamente enriquecidas. La síntesis de estas homopropargilamidas se describe a través de una reacción de adición propargílica diastereoselectiva partiendo de sulfiniliminas de Ellman como sustratos de partida. La elección del disolvente, así como el reactivo organometálico de adición tienen una gran relevancia a la hora de obtener buenos resultados tanto para el rendimiento químico como para la diastereoselectividad del proceso. Una vez se dispone de las homopropargilamidas caracterizadas y purificadas se procede a la síntesis de los eninos y triinos quirales. Para ello, en la memoria se describen detalladamente las dos rutas sintéticas realizadas para la obtención de estos eninos/triinos. Una vez sintetizados y descritos, se procede a llevar a cabo la segunda parte de esta memoria de Tesis. En la segunda parte se comentan las reacciones de cicloadición catalizadas por distintos metales de transición que se han llevado a cabo con los eninos/triinos en este estudio. En cuanto a los eninos quirales, se han realizado dos tipos de reacción de cicloadición: - Reacción de metátesis de eninos por cierre de anillo (RCEYM) catalizada por un complejo de rutenio (concretamente el catalizador de Hoveyda-Grubbs de 2ª generación), cuyos productos principales son unos derivados nitrogenados monocíclicos ópticamente enriquecidos. - Reacción de Pauson-Khand con eninos catalizada por un complejo de cobalto, cuyos productos principales son derivados nitrogenados bicíclicos ópticamente enriquecidos En el caso de los triinos quirales sintetizados, se han sometido a una reacción de cicloadición [2+2+2] catalizada por distintos complejos de rodio. Los productos finales obtenidos son estructuras nitrogenadas tricíclicas con un elemento de quiralidad axial en su estructura. El ratio de diastereoisómeros obtenido en los procesos de adición ha sido determinado a través de espectros de 19F RMN y 1H RMN en algunos casos. En cuanto a la estereoquímica absoluta de los productos finales, fue determinada por difracción de rayos X en monocristal de los productos sólidos que pudieron ser cristalizados. The purpose of the presented Thesis is to report the synthesis of different types of new cyclic compounds through cycloadditions reactions catalyzed by different transition metal complexes using as key substrates chiral 4-aza-1,7-enynes and N-bridged-1,7,13-triynes, more of them containing fluorine atoms or aryl or alkyl fluorinated groups. For the preparation of chiral enynes and triynes, homopropargyl amides were used as starting building blocks. The presence of chirality and the nitrogen and fluorine atoms in the structure is noteworthy because they are elements omnipresent in the structure of many bioactive compounds. The chiral homopropargyl amides used as basic building blocks were also products obtained by synthetic procedures developed in the present work and consisting in the diastereoselective propargylation reactions of Ellman´s imines. The Thesis report is structured in two parts: The first one devoted to the synthesis of the homopropargyl amides and their derivatization to the chiral 4-aza-1,7-enynes and N-bridged-1,7,13-triynes. The second one, devoted to cycloaddition reactions of this enynes and triynes using different metal transition complexes as catalysts for the cycloaddition process. The first part, devoted in the synthesis of chiral homopropargylamides using Ellman’s sulfinylimines containing fluorinated groups as starting materials. As it is described in the text, we must be careful when we choose the solvent and the organometallic reagent for this step if we want to obtain good diastereoselectivities and chemical yields. Depending on the electronic nature of the “R” substituent of the Ellman’s sulfinylimines, basicity of N and O atoms of the imine will be increased or decreased. This disturbance can modify the addition mechanism, which consists on coordination of N and O atoms to the organometallic reagent, affecting to the stereochemistry of the products, the homopropargylamides. Once the homopropargylamides are obtained and characterized, chiral enynes and triynes can be synthezised. Each product has its own synthetic path which has been described with detail in the Thesis report. The second part, devoted in the study of cycloaddition reactions of these chiral fluorinated enynes and triynes catalyzed by different metal transition complexes for the obtention of new nitrogenated cyclic compounds containing fluorinated groups. For chiral enynes, two different cycloaddition reactions were carried out. First, the ring-closing metathesis of enynes (RCEYM) using a ruthenium complex as catalyst (2ª generation Hoveyda-Grubbs complex) provide optically pure monocyclic products with good chemical yields and excellent diastereoselectivities. A Pauson-Khand reaction was also carried out with enynes. In this case, the reaction was catalyzed by a cobalt complex and the final products were optically pure byciclic compounds. Moderate chemical yields and excellent diastereoselectivities were observed fot this process. For chiral tryines, intramolecular [2+2+2]-cycloadditions catalyzed by different rhodium complexes were carried out. In this intramolecular version of [2+2+2]-cycloaddition regioselectivity problems disappear but we experimented problems with the reactivity of the triple bonds. Basically the solution for this problem consisted on find a suitable catalyst for the process. In this case, the final products were optically pure tricyclic compounds containing axial chirality. The reaction takes place with moderate to high yields and excellent diastereoselectivities. The diastereomeric rate of the processes is monitorized by 19F RMN and 1H RMN of the reaction crudes. The absolute stereochemistry of the final products has been determined by monocrystal X ray diffraction of the solid products that could be crystalized.

Esta tesis es sobre el diseño, síntesis y caracterización de nuevos Polimeros de Coordinación (CPs), porosos o no, que muestran propiedades magnéticas y/o ópticas, para explotar su potencial en diversas aplicaciones tecnológicas. El diseño de estos materiales requiere una atención particular en la selección de los componentes básicos moleculares, los ligandos orgánicos y los nodos metálicos. Para construir CP con diferentes propiedades físicas, se han elegido derivados de carboxilato y anilato. En particular, el ácido 1,3,5-bencentricarboxílico (H3BTC, ácido trimésico), un ligando bioacompatible que permite construir polimeros organometálicos 3D robustos, y el 3,6-ditriazolil-2,5 -dihidroxibenzoquinona, que se eligió por su capacidad potencial para construir arquitecturas supramoleculares 3D debido a los brazos colgantes de triazol en las posiciones 3, 6 del resto de benzoquinona. Combinando adecuatamente estos dos ligandos prometedores con metales de transición del bloque d y f seleccionados, se obtuvieron nuevos sistemas para una amplia gama de aplicaciones. Todos los materiales has sido caracterizados estructuralmente y magnéticamente, además de la caracterización espectroscópica. En el Capítulo 1, reporta la síntesis de dos N-heterociclos derivados de anilato, 3,6-N-ditriazolil-2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona y 3,6-N-(ácido dipirazolil-4-carboxílico)-2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona. El Capítulo 2 es sobre la síntesis de nuevos CP porosos y tridimensionales basados en anilatos magnéticos y con actividad redox, obtenidos mediante la combinación de la 3,6-N-ditriazolil-2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona, en adelante 3,6-N-ditriazolyl-Anilato, ligado con iones de metales de transición del bloque d. En el Capítulo 3, se estudió CoII-3,6-N-ditriazolil-Anilato, CP poroso y tridimensional, como sistema potencial para la captación y separación de CO2. Los estudios de adsorción estática y dinámica revelaron que este CP presenta una notable capacidad de adsorción y separación de CO2 en mezclas de gases. El Capítulo 4 es sobre la síntesis de dos CP tridimensional, de lo cual uno poroso y flexible, basados en ErIII con el ligando 3,6-N-ditriazolil-Anilato, que muestran propiedades luminiscentes y de imánes unimoleculares. En el Capítulo 5, se explotó el potencial de la 3,6-N-ditriazolil-2,5-dihidroxi-1,4-benzoquinona como conector orgánico para los iones LnIII combinándola con los iones DyIII, TbIII y HoIII, que generalmente se emplean como unidades de construcción para imánes unimoleculares. Finalmente, el Capítulo 6 informa sobre la preparación a través de una síntesis sin solventes de CPs mixtos YbIII/NdIII, en diferentes proporciones estequiométricas, utilizando ácido 1,3,5-bencentricarboxílico (H3BTC) como ligando orgánico biocompatible, para aplicaciones biomédicas como termómetros radiométricos. This PhD work reports on the design, synthesis and characterization of new Coordination Frameworks (CFs), either porous or not, showing magnetic and/or optical properties, to exploit their potential in various technological applications. Particularly, in Chapter 1, the synthesis and characterization of two N-heterocycles substituted anilates, H2trz2An and 3,6-N-(dipyrazolyl-4-carboxylic acid)-2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone, is reported. Then, Chapter 2 reports on the synthesis and the complete characterization of magnetic and redox-active anilate-based 3D CFs, obtained by combining H2trz2An with MII = Co, Cu, Mn, Ni and Fe. In Chapter 3, the CoII-trz2An 3D MOF was studied as potential system for CO2 uptake and separation. The static and dynamic adsorption studies revealed that this MOF present a remarkable CO2 adsorption and separation capability from gas mixtures, due to its 3D ultramicroporous structure and the N atoms present in the voids. Chapter 4 reports on the synthesis of 3D ErIII-MOF with H2trz2An linker, showing luminescent and Single Ion Magnet (SIM) properties. These materials have been structurally, magnetically and optically characterized. Furthermore, one of them shows a reversible structural flexibility of the 3D framework that allows a tuning of its physical properties. In Chapter 5, H2trz2An was combined with DyIII, TbIII and HoIII ions, typical building units for SIMs, and the two obtained series with all the LnIII ions were structurally and magnetically characterized. Finally, Chapter 6 reports on the preparation via solvent-free synthesis of YbIII/NdIII mixed CFs, in different stoichiometric ratios, by using 1,3,5-benzentricarboxylic acid (H3BTC) as linker, for applications as ratiometric thermometers in a wide temperature range. The materials were structurally and morphologically characterized, while their photophysics was studied at room temperature and at variable temperature (10-300 K), to test their best thermometers performances.

Esta tesis aborda el reto de ampliar las herramientas sintéticas disponibles para aumentar la complejidad química de los materiales reticulares basados en metales del grupo IV, dirigiéndose tanto a la parte orgánica como a la inorgánica de estos materiales porosos e híbridos. El capítulo 1 ofrece una visión del aumento de la complejidad química en los sólidos reticulares, que proporciona un contexto general a los resultados desarrollados durante esta tesis. A continuación, la introducción de la variación química en los conectores orgánicos se describe en los capítulos 2, 3 y 4, mientras que la transformación química de los nodos inorgánicos se introduce en el capítulo 5. Todo el trabajo descrito se basa en el uso de dos subtipos de sólidos reticulares, los poliedros metal-orgánicos (MOP) y los marcos metal-orgánicos (MOF), ambos basados en metales Ti(IV) y Zr(IV). El capítulo 1 ofrece una visión general del aumento de la complejidad química en los sólidos reticulares, especialmente en los Metal-Organic Frameworks (MOFs). En la primera parte, se introduce el concepto de química reticular, topología y expansión isorreticular, así como las herramientas necesarias para diseñar y preparar estructuras periódicas porosas. A continuación, se presentan las redes porosas por orden creciente de complejidad. La clasificación comienza con el estudio de las redes binarias, continuando con la presentación de las redes de complejidad intermedia, como los entramados multivariados y multicomponentes. Y, por último, se avanza en complejidad hasta llegar a los entramados híbridos multicomponente. La discusión también incluye la presentación de las técnicas de caracterización utilizadas para descifrar la varianza orgánica e inorgánica. Además, se destaca la importancia de la riqueza estructural y las propiedades intrínsecas de los MOF complejos para ampliar sus aplicaciones en campos de investigación relevantes. En los siguientes capítulos se presentan también los resultados experimentales en orden creciente de complejidad química. El capítulo 2 propone ampliar la diversidad química de los Poliedros Metal-Orgánicos (MOPs) combinando el uso de grupos hidroxámicos como aglutinantes de metales en el enlazador orgánico con el titanio. Nuestro enfoque permite la síntesis del primer ejemplo de un poliedro orgánico de titanio poroso, cMUV-11 (cMUV = material tipo jaula de la Universitat de València), que muestra una porosidad permanente con un valor cercano al más alto reportado hasta ahora. cMUV-11 cristaliza como cubos neutros discretos cuyo empaquetamiento en el estado sólido está controlado por una red de enlaces H de N-H---O que involucra grupos hidroxámicos complementarios de jaulas adyacentes. Este nuevo MOP robusto es compatible con la combinación de enlazadores funcionalizados que determinan la química de los poros y afinan la respuesta estructural a la evacuación del disolvente. El capítulo 3 informa de la síntesis de cristales individuales de UiO-68 y de su derivado fotoactivo UiO-68-TZDC, que contiene restos de tetrazina en el enlazador orgánico. El análisis de las estructuras monofásicas revela la necesidad de combinar ambos enlazadores en la misma estructura para obtener una plataforma robusta para aplicaciones catalíticas. Los cristales de UiO-68 son susceptibles de reacciones de intercambio de enlazadores post-sintéticos que dan lugar a la combinación de enlazadores TPDC y TZDC en UiO-68-TZDC% multivariable. La selección fina de las condiciones sintéticas permite controlar la distribución espacial de los enlazadores en el cristal. El cuidadoso análisis de las microestructuras resultantes (distribuciones asimétricas y homogéneas) facilita la comprensión del comportamiento fotocatalítico de los sólidos. El capítulo 4 explora el uso de la fracción de tetrazina como etiqueta para la postfuncionalización del marco general en un solo paso. La compatibilidad de la tetrazina con la reactividad Diels-Alder inversa a la demanda de electrones (iEDDA) ayuda a la modificación covalente de UiO-68-TZDC. Las condiciones suaves seleccionadas garantizan transformaciones cuantitativas que respetan la estructura intrínseca y la porosidad de la estructura original. Nuestro protocolo permite la introducción de un amplio abanico de dienófilos que conducen a múltiples entornos de poros con diversas funcionalidades químicas, como hidroxilos, fenilos, succinimidas, grupos carboxílicos terminales, cadenas alifáticas, centros quirales e incluso fullerenos, en las estructuras de piridazina y dihidropiridazina resultantes. También se analiza el efecto de la reticulación de la tetrazina en la reactividad de la iEDDA. Por último, el capítulo 5 presenta una metodología inédita para introducir la varianza metálica en los nodos inorgánicos de los marcos heterometálicos de titanio-orgánico mediante la reacción de intercambio de metales en cristales MUV-10 (MUV = Material de la Universitat de València). Este MOF presenta clusters de Ti2Ca2 metal-oxo que combinan iones Ti4+ duros y centros Ca2+ blandos más propensos al intercambio de metales. La inmersión de los cristales de MUV-10 en diferentes soluciones salinas metanólicas (M = Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ y Zn2+) en tiempos controlables conduce a una transformación topológica en el heterometálico MUV-101 (Co, Fe, Ni, Zn) que es isoestructural a MIL-100 y MUV-102 (Cu), un análogo heterometálico de HKUST. Esta metodología permite la formación de nuevos marcos heterometálicos de titanio, que no son accesibles en condiciones solvotérmicas, y abre la puerta a la síntesis de fases heterometálicas de titanio adicionales siguiendo los principios de la química reticular. This thesis tackles the challenge of expanding the synthetic tools available to increase the chemical complexity of reticular materials based on group IV metals by targeting both the organic and inorganic part of these porous, hybrid materials. Chapter 1 gives an insight into the increase of chemical complexity in reticular solids, that provides a general context to the results developed during this thesis. Next, the introduction of chemical variance in organic connectors is described in Chapters 2, 3 and 4, whereas the chemical transformation of inorganic nodes is introduced in Chapter 5. All the work described is built upon the use of two sub-types of reticular solids, Metal-Organic Polyhedra (MOPs) and Metal-Organic Frameworks (MOFs), both based on Ti(IV) and Zr(IV) metals. Chapter 1 provides an overview of the rise of chemical complexity in reticular solids, especially in Metal-Organic Frameworks (MOFs). In the first part, the concept of reticular chemistry, topology and isoreticular expansion, as well as the necessary tools to design and prepare porous periodic structures are introduced. Then, the porous networks are presented by increasing order of complexity. The classification starts with the study of binary networks, continuing with the presentation of the networks of intermediate complexity, such as multivariate and multicomponent frameworks. And finally, it advances in complexity up to hybrid multicomponent frameworks. The discussion also includes the presentation of the characterization techniques used for deciphering the organic and inorganic variance. Moreover, it highlights the importance of the structural richness and intrinsic properties of complex MOFs to extend their applications in relevant research fields. On the following chapters, the experimental results are also presented in increasing order of chemical complexity. Chapter 2 proposes to extend the chemical diversity of Metal-Organic Polyhedra (MOPs) by combining the use of hydroxamic group as metal binders in the organic linker with titanium. Our approach enables the synthesis of the first example of a porous Titanium-Organic Polyhedra, cMUV-11 (cMUV = cage-type Material of Universitat de València), which displays permanent porosity with a value close from the highest reported so far. cMUV-11 crystallizes as discrete neutral cubes whose packing in the solid state is controlled by a H-bond network of N-H···O H-bonds involving complementary hydroxamic groups from adjacent cages. This new robust MOP is compatible with the combination of functionalized linkers that determine pore chemistry and tune the structural response to solvent evacuation. Chapter 3 reports the synthesis of single crystals of UiO-68 and its photoactive-derivate UiO-68-TZDC, which contains tetrazine moieties in the organic linker. The analysis of single-phase frameworks reveals the necessity of combining both linkers in the same structure for obtaining a robust platform for catalytic applications. UiO-68 crystals are amenable to post-synthetic linker exchange reactions which result in the combination of TPDC and TZDC linkers in multivariate UiO-68-TZDC%. The fine selection of synthetic conditions allows the control of linker spatial distributions over the crystal. The careful analysis of resultant microstructures (core-shell and homogeneous distributions) facilitates the understanding of the photocatalytic behaviour of solids. Chapter 4 explores the use of tetrazine moiety as a tag for general framework post-functionalization in one-step. The compatibility of tetrazine with inverse Electron-Demand Diels-Alder (iEDDA) reactivity assists the covalent modification of UiO-68-TZDC. The selected mild conditions guarantee quantitative transformations respecting the intrinsic structure and porosity of the original framework. Our protocol enables the introduction of a broad scope of dienophiles leading multiple pore environments with diverse chemical functionalities, such as hydroxyl, phenyl, succinimide, terminal carboxylic groups, aliphatic chains, chiral centres and even fullerenes, in the resultant pyridazine and dihydropyridazine frameworks. The effect of tetrazine reticulation on iEDDA reactivity is also analysed. Finally, Chapter 5 presents an unprecedented methodology to introduce metal variance in the inorganic nodes of heterometallic titanium-organic frameworks by metal-exchange reaction in MUV-10 crystals (MUV = Material of Universitat de València). This MOF presents Ti2Ca2 metal-oxo clusters which combine hard Ti4+ ions and soft Ca2+ centres more prone to metal exchange. The soaking of the MUV-10 crystals in different methanolic salt solutions (M = Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, and Zn2+) in controllable times drives a topological transformation into heterometallic MUV-101 (Co, Fe, Ni, Zn) which is isostructural to MIL-100 and MUV-102 (Cu), an heterometallic analogue of HKUST. This methodology enables the formation of new heterometallic titanium frameworks, that are not accessible under solvothermal conditions, and opens the door to the synthesis of additional titanium heterometallic phases following the principles of reticular chemistry.

La utilización de agentes antimicrobianos en producción animal es uno de los principales riesgos para la salud debido a su potencial presencia como residuos en los alimentos en cualquier etapa de la cadena alimentaria. Según datos de la Agencia Europea de Medicamento, España es uno de los países en que las ventas de agentes antimicrobianos para animales productores de alimentos son más elevadas. Los principales efectos adversos producidos por los antibióticos son reacciones alérgicas, destrucción de la microbiota presente en el tracto gastrointestinal y el aumento de la selectividad de bacterias multiresistentes o producción de resistencias antimicrobianas. Actualmente, la resistencia a los agentes antimicrobianos (RAM) se ha convertido en un problema a nivel global en el ámbito de la Salud Pública, debido a su gran impacto sobre la salud humana y la salud animal. El control de la presencia de antibióticos en los alimentos de origen animal es, por lo tanto, una actividad relevante en el campo de la seguridad alimentaria que viene impulsada por la legislación europea y que para garantizar su eficacia requiere de potentes métodos analíticos que permitan detectar, confirmar y cuantificar la presencia de trazas de estas sustancias en las diferentes matrices de origen animal. La tendencia actual de los métodos para el análisis de residuos en los alimentos es la de desarrollar metodologías genéricas que permitan determinar un gran número de sustancias pertenecientes a distintas familias de compuestos, con diferentes propiedades físico-químicas, y que permitan, en la medida de lo posible, la incorporación de nuevos compuestos al método para ampliar su alcance. Este es el reto que se aborda en la presente Tesis, con el desarrollo de diversos métodos para el análisis de varias familias de antibióticos en distintas matrices alimentarias, aguas de bebida para animales y pienso. Específicamente, en esta tesis, se han desarrollado y validado dos métodos de cribado por Cromatografía Líquida acoplada a Espectrometría de Masas de alta resolución con analizador Orbitrap (LC-HRMS), uno cualitativo, aplicable a las matrices músculo y riñón, y, otro cualitativo y cuantitativo, aplicable a la leche. Asimismo, se han desarrollado y validado cuatro métodos de confirmación cuantitativos por Cromatografía Líquida acoplada a Espectrometría de Masas de baja resolución con analizador de triple cuadrupolo (LC-MS/MS), aplicables al agua de bebida para animales, miel, huevo y pienso. Los métodos desarrollados incluyen en su ámbito de aplicación distintas familias de antibióticos como anfenicoles, ß-lactámicos (penicilinas y cefalosporinas), diaminopirimidinas, lincosamidas, macrólidos, quinolonas, sulfonamidas, tetraciclinas y antibióticos poliénicos. Durante el desarrollo de los mismos se llevó a cabo la optimización de los parámetros de la fuente de ionización del equipo de LC-HRMS mediante diseño de experimentos en dos etapas, una de cribado mediante un diseño de Placket-Burman (PB) y otra de optimización de los parámetros relevantes mediante Diseño Central Compuesto (CCD). También se realizó una selección de distintas combinaciones de solventes de extracción y para la preparación de las muestras previamente a la Extracción en Fase Sólida. Además, se evaluó el método QuEChERS UNE-EN-15662 aplicándolo a las matrices músculo y riñón, no obteniéndose buenos resultados para gran número de compuestos. Previa a la validación de los métodos, se realizó un estudio del efecto matriz y se demostró la necesidad de utilizar rectas de calibrado en matriz extraída y patrones internos para su corrección. La validación de los métodos se llevó a cabo de acuerdo con los criterios vigentes en la Unión Europea, y que se detallan en la Decisión de la Comisión 2002/657/CE. Con objeto de mostrar su adecuación para el control oficial de alimentos, los métodos fueron aplicados al análisis de un elevado número de muestras y permitieron la detección de antibióticos que fueron utilizados fuera de las prescripciones. También se detectaron antibióticos autorizados en muestras de agua y de pienso, lo que indica que las medidas higiénicas tomadas en las explotaciones y en la fabricación de piensos no son eficaces. Todos los métodos desarrollados cumplen los requisitos establecidos en la legislación vigente europea y, por lo tanto, son aplicables al control oficial de antibióticos en las matrices estudiadas.

En aquesta tesi, es presenten diversos enfocaments sintètics per a la funcionalització en C-3 de 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones i 3,4-dihidro-1,4-benzoxazin-2-ones mitjançant catàlisi fotoredox amb llum visible. La tesi es divideix en tres parts diferenciades, sent la primera una introducció general i els objectius principals. A continuació, en la segona part, es descriuen els esforços en la funcionalització nucleòfila de 3,4-dihidroquinoxalina-2-ones i 3,4-dihidro-1,4-benzoxazin-2-ones. Concretament, hem desenvolupat protocols sintètics per a la reacció de Friedel-Crafts entre 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones i 3,4-dihidro-1,4-benzoxazin-2-ones amb indols i altres arenes rics en electrons (capítol 1). A més a més, vam identificar les condicions de reacció per a la reacció oxidativa asimètrica de Mannich mitjançant una combinació de catàlisi fotoredox i organocatàlisi (capítol 2). Així doncs, vam obtindre les condicions òptimes per a desenvolupar una estratègia per reaccionar 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones amb pirazol-3-ones (capítol 3). L'última aportació en la part de funcionalització nucleòfila va ser l'alquinilació catalitzada per coure de 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones amb alquins terminals (capítol 4). La tercera part d'aquesta tesi engloba la funcionalització electròfila de 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones i 3,4-dihidro-1,4-benzoxazin-2-ones. Inicialment, vam desenvolupar un sistema catalític dual basat en la catàlisi fotoredox per a la reacció de Giese entre 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones i alquens pobres en electrons (capítol 5). A continuació, vam presentar el nostre enfocament sobre l'aminació de 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones i 3,4-dihidro-1,4-benzoxazin-2-ones amb azodicarboxilats de dialquil (capítol 6). Després, vam desenvolupar una reacció d'addició 1,2 de 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones a trifluorometil cetones mitjançant catàlisi fotoredox a la llum visible (capítol 7). Finalment, es presenta una reacció d'addició 1,6 catalitzada per un catalitzador fotoredox orgànic de 3,4-dihidroquinoxalin-2-ones a p-quinona metins (capítol 8). In this thesis, several synthetic approaches for the C-3 functionalization of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones and 3,4-dihydro-1,4-benzoxazin-2-ones using visible-light photoredox catalysis are presented. The thesis is divided into three different parts, being the first one a general introduction and the main objectives. Then, in the second part, the efforts on the nucleophilic functionalization of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones and 3,4-dihydro-1,4-benzoxazin-2-ones with are presented. Specifically, we developed synthetic protocols for the Friedel-Crafts reaction between 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones and 3,4-dihydro-1,4-benzoxazin-2-ones with indoles and other electron-rich arenes (chapter 1). Besides, we identified reaction conditions for the asymmetric oxidative Mannich reaction using a combination of photoredox catalysis and organocatalysis (chapter 2). Additionally, we could develop a strategy to react 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones with pyrazol-3-ones (chapter 3). The last contribution in the nucleophilic functionalization part was the copper-catalyzed alkynylation of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones with terminal alkynes (chapter 4). The third part of this thesis encompasses the electrophilic functionalization of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones and 3,4-dihydro-1,4-benzoxazin-2-ones. Initially, we developed a dual catalytic system based on photoredox catalysis for the Giese reaction between 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones and electron-poor alkenes (chapter 5). Thereafter, we presented our approach on the amination of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones and 3,4-dihydro-1,4-benzoxazin-2-ones with dialkyl azodicarboxylates (chapter 6). Then, we developed a 1,2-addition reaction of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones to trifluoromethyl ketones through visible-light photoredox catalysis (chapter 7). Lastly, an organophotoredox-catalyzed 1,6-addition reaction of 3,4-dihydroquinoxalin-2-ones to p-quinone methides is presented (chapter 8).

The central aim of this PhD thesis is to develop synthetic procedures to construct metal organic-frameworks (MOFs) able to host/build up molecular-based species, such as metal ions with particular coordination environments, single atom catalysts (SACs), sub-nanometric metal clusters (SNMCs) and supramolecular coordination complexes (SCCs), otherwise hardly accessible, with high catalytic reactivity and in a multigram scale. The nature of the final assemblies has been characterised with a myriad of physical techniques, where taking advantage of the high crystallinity and structural robustness of the MOFs used as platforms, single-crsytal X-ray crystallography play a promienet role and provide us with unique snapshots of the novel hybrid materials assembled. Here, it is worth to remark that the obtention, stabilization and characterization of such unique hybrid species is an extraordinary challenge. Thus, this in itself reflect the success of the results presented in this PhD thesis. In order to do so, in this PhD thesis we have worked with oxamate- and oxamidate-based MOFs, derived from robust aromatic diamines and aminoacids, respectively, constructed by applying the rational metalloligand strategy. This strategy consist on the use of dinuclear copper(II) building blocks that act as metalloligands toward transition or alkaline-earth metal ions to assembly the target framework. Then, we have taken advantage of the outstanding crystallinity and structural robustness of these MOFs to use them as chemical nanoreactors by means of different post-synthetic methodologies (PSMs), which enable us to encapsulate and/or in-situ construct within their channels unique molecular-based catalyst. Besides a general introduction to put in context the results obtained during this PhD thesis, we have structured them in three different chapters. The first one is focused on the application of post-synthetic partial cation exchange to obtain a material with up to three different metal ions (Cu, Ni and Pd) with potential catalytic activity to explore their use in tandem/cascade catalytic reactions. In the third chapter we move to the obtention of SACs and SNMCs. In particular, we present isolated Ag(0)2 SNMCs and Pd(0) SACs, as well as the combination of SACs and SNMCs with Ag(0)2 Fe(3+). Then, in the fourth chapter, we exploit the rich host-guest chemistry of the selected MOF to build SCCs, where the intrinsic catalytic properties of pivotal palladium atoms can be fully exploited. Finally, we have included a general conclusions section together with future perspectives on the basis of the research work developed in this PhD thesis.

Uno de los objetivos de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) para el Desarrollo Sostenible 2030 es obtener energía asequible y no contaminante. Por este motivo, se recomiendan encarecidamente las mejoras en la eficiencia energética y las fuentes de energía verde como soluciones óptimas para reducir las emisiones de dióxido de carbono y, por tanto, reducir la huella de carbono de nuestra sociedad. Las emisiones de carbono se han cuadriplicado desde 1950 y actualmente contribuyen en torno al 80 % de las emisiones de gases de efecto invernadero. Como resultado de este cambio, el clima global sufre cambios en las tendencias globales de lluvia y una reducción en los casquetes polares. Con el impacto de los cambios climáticos globales cada vez más severos, los gobiernos están tratando de reducir los niveles de emisión de carbono y lograr un desarrollo sostenible en sus países mediante el uso de fuentes de energía renovables. Aprovechan recursos naturales como la luz solar, la lluvia, el calor geotérmico y las olas para producir energía limpia y sin emisiones de gases de efecto invernadero. Los resultados de generación eléctrica indican que la tendencia es cada vez más sostenible a medida que la apuesta por las energías renovables aumenta anualmente. Sin embargo, las fuentes de energía primaria más consumidas a nivel mundial siguen siendo el petróleo y sus derivados (83,15%), y solo el 5,7% de la energía global consumida proviene de fuentes de energía renovables. Además, el consumo de energía cayó en 2020 en torno a un 4,5% respecto al año anterior debido a la crisis provocada por el Covid-19. Sin embargo, se espera que el consumo de energía aumente en los próximos años según la Agencia Internacional de Energía (AIE). Es de vital importancia que este aumento de la demanda energética por parte de la sociedad vaya de la mano con la mejora de la eficiencia energética para cumplir con los objetivos sostenibles de la ONU. Solo así será posible alcanzar las Emisiones Netas Cero para el Escenario 2050 en el período 2020-2030. Por otro lado, es de vital importancia mejorar la eficiencia energética ya que se estima que el 62% del combustible utilizado para generar energía se pierde en forma de calor. Además, la energía se pierde en forma de calor en las centrales eléctricas durante los procesos de conversión de energía, y solo el 5% de la energía se usa en los hogares. Por lo tanto, encontrar formas de recuperar toda esta energía desperdiciada es imperativo. Parte de esta energía perdida se puede recuperar recolectando energía y convirtiéndola en energía eléctrica. Los tres fenómenos principales que pueden recuperar energía son: piezoelectricidad, que puede convertir el estiramiento mecánico en corriente eléctrica, la triboelectricidad, que puede producir energía eléctrica a través del contacto friccional entre diferentes materiales, y la termoelectricidad, que puede recuperar energía eléctrica de pérdidas de calor. En los últimos años, este último fenómeno se ha convertido en la forma más prometedora de mejorar la eficiencia energética, ya que es una propiedad de los semiconductores que puede convertir un gradiente de temperatura en corriente eléctrica y viceversa. La eficiencia termoeléctrica de un material viene dada por la Figura de Mérito, ZT. Los materiales termoeléctricos más utilizados para aplicaciones comerciales se han desarrollado gracias a los avances significativos en la síntesis de nuevos materiales y estructuras con un rendimiento termoeléctrico mejorado. Se ha buscado mejorar la Figura de Mérito mediante la reducción de la conductividad térmica de la red. Una forma de lograr este objetivo es a través de la llamada estrategia de cristal de electrones de vidrio de fonones, en la que el material debe conducir el calor como el vidrio, pero la electricidad como un cristal. El resultado de esta investigación son materiales como skutteruditas y clatratos. Otra estrategia para mejorar la eficiencia termoeléctrica es mediante la reducción de la conductividad térmica de la red, basada en el uso de materiales con estructuras de baja dimensionalidad. Hicks y Dresselhaus, en 1993, demostraron el uso potencial de los pozos cuánticos para mejorar la Figura de Mérito. Como resultado de este trabajo, materiales como Bi2Te3/Sb2Te3, PbSeTe o SiGe alcanzaron valores de ZT en torno a 2. Sin embargo, estos materiales inorgánicos tienen varios inconvenientes, como el alto costo de producción, la toxicidad de algunos de los elementos utilizados y la escasez de materias primas. Todos estos inconvenientes hacen que los materiales termoeléctricos inorgánicos no sean adecuados desde el punto de vista del desarrollo energético sostenible. Por esta razón, muchos estudios se han centrado en la búsqueda de materiales termoeléctricos eficientes y amigables con el medio ambiente. Uno de los candidatos potenciales para aplicaciones a temperatura ambiente son los semiconductores orgánicos, particularmente los polímeros conductores, debido a su abundancia, bajo costo, flexibilidad, y fácil modificación. Además, los polímeros conductores brindan otros beneficios. Desde un punto de vista medioambiental, los polímeros conductores están compuestos principalmente por carbono, que es un elemento abundante, de bajo coste y no tóxico. Esas propiedades implican que la obtención de materiales termoeléctricos a partir de polímeros conductores es mucho más sostenible que los materiales inorgánicos tradicionales. Desde un punto de vista químico, los polímeros conductores se pueden modificar fácilmente para proporcionar funcionalidades adicionales y, además, las propiedades flexibles son útiles para imprimir áreas grandes. Otra ventaja es que los polímeros conductores suelen tener una conductividad térmica (0,1 – 1 W m-1 K-1) por debajo de la conductividad térmica de metales y semiconductores inorgánicos. Todas esto hace que los polímeros conductores sean unos candidatos ideales para la próxima generación de materiales termoeléctricos porque es posible obtener dispositivos flexibles de bajo costo y gran área para la recolección de energía térmica de bajo grado. Sin embargo, a pesar del aumento significativo en la eficiencia termoeléctrica de los polímeros conductores en la última década, la Figura de Mérito sigue siendo mucho más baja que la ZT de los materiales inorgánicos. Por lo tanto, es necesario encontrar nuevas estrategias para mejorar la eficiencia de los polímeros conductores como: 1) optimización del nivel de dopaje, 2) mejora del ordenamiento de las cadenas poliméricas, 3) obtención de materiales híbridos orgánico-inorgánicos. One of the objectives of the United Nations (UN) for Sustainable Development 2030 is to obtain affordable and clean energy. For this reason, improvements in energy efficiency and green energy sources are strongly recommended as optimal solutions to reduce carbon dioxide emissions and thus reduce our society's carbon footprint. Carbon emissions have quadrupled since 1950 and currently contribute around 80% of greenhouse gas emissions. As a result of this change, the global climate is experiencing changes in global rainfall trends and a reduction in the polar ice caps. With the impact of global climate changes becoming more severe, governments are trying to reduce carbon emission levels and achieve sustainable development in their countries through the use of renewable energy sources. They harness natural resources such as sunlight, rain, geothermal heat, and waves to produce clean energy without greenhouse gas emissions. The electricity generation results indicate that the trend is increasingly sustainable as the commitment to renewable energy increases annually. However, the most consumed primary energy sources worldwide continue to be oil and its derivatives (83.15%), and only 5.7% of the global energy consumed comes from renewable energy sources. In addition, energy consumption fell in 2020 by around 4.5% compared to the previous year due to the crisis caused by Covid-19. However, energy consumption is expected to increase in the coming years, according to the International Energy Agency (IEA). It is vitally important that this increase in energy demand by society goes hand in hand with improved energy efficiency in order to meet the UN's sustainable goals. Only in this way will it be possible to achieve Net Zero Emissions for the 2050 Scenario in the 2020-2030 period. On the other hand, it is vitally important to improve energy efficiency since it is estimated that 62% of the fuel used to generate energy is lost as heat. Also, energy is lost as heat in power plants during energy conversion processes, and only 5% of energy is used in homes. Therefore, finding ways to recover all this wasted energy is imperative. Some of this lost energy can be recovered by harvesting energy and converting it into electrical energy. The three main phenomena that can recover energy such a: piezoelectricity, which can convert mechanical stretching into electrical current; triboelectricity, which can produce electrical energy through frictional contact between different materials; and thermoelectricity, which can recover electrical energy from losses of heat In recent years, this last phenomenon has become the most promising way to improve energy efficiency, since it is a property of semiconductors that can convert a temperature gradient into electrical current and vice versa. The Figure of Merit, ZT gives the thermoelectric efficiency of a material. The most widely used thermoelectric materials for commercial applications have been developed thanks to significant advances in the synthesis of new materials and structures with improved thermoelectric performance. It has sought to improve the Figure of Merit by reducing the thermal conductivity of the network. One way to achieve this goal is through the so-called phonon glass-electron crystal strategy, in which the material must conduct heat like glass, but electricity like a crystal. The result of this research are materials such as skutterudites and clathrates. Another strategy to improve thermoelectric efficiency is by reducing the thermal conductivity of the network, based on the use of materials with low-dimensional structures. Hicks and Dresselhaus, in 1993, demonstrated the potential use of quantum wells to improve the Figure of Merit. As a result of this work, materials such as Bi2Te3/Sb2Te3, PbSeTe or SiGe reached ZT values ​​around 2. However, these inorganic materials have several drawbacks, such as the high cost of production, the toxicity of some of the elements used, and the scarcity of raw materials. All these drawbacks make inorganic thermoelectric materials unsuitable from the point of view of sustainable energy development. For this reason, many studies have focused on the search for efficient and environmentally friendly thermoelectric materials. One of the potential candidates for room temperature applications is organic semiconductors, particularly conducting polymers, due to their abundance, low cost, flexibility, and easy modification. In addition, conductive polymers provide other benefits. From an environmental point of view, conductive polymers are mainly composed of carbon, which is an abundant, low-cost and non-toxic element. These properties imply that obtaining thermoelectric materials from conductive polymers is much more sustainable than traditional inorganic materials. Furthermore, from a chemical point of view, conductive polymers can be easily modified to provide additional functionalities, and their flexible properties help large print areas. Another advantage is that conducting polymers often have a thermal conductivity (0.1 – 1 W m-1 K-1) below the thermal conductivity of metals and inorganic semiconductors. All of this makes conductive polymers ideal candidates for the next generation of thermoelectric materials because it is possible to obtain low-cost, large-area, flexible devices for low-grade thermal energy harvesting. However, despite the significant increase in the thermoelectric efficiency of conductive polymers in the last decade, the Figure of Merit is still much lower than the ZT of inorganic materials. Therefore, it is necessary to find new strategies to improve the efficiency of conductive polymers such as: 1) optimization of the doping level, 2) improvement of the ordering of the polymeric chains, 3) obtaining hybrid organic-inorganic materials.

Aquesta Tesi Doctoral està dividida en tres blocs principalment. El primer bloc, a partir d’una recerca bibliogràfica, fa un recull de les publicacions més destacades que fan ús de materials intel·ligents per al tractament de mostra abans d’una determinació mitjançant IMS. Tanmateix, a aquest bloc es recullen les aportacions més interessants dels materials intel·ligents a l’anàlisi forense en general. Entre les quals és especialment destacable l’anàlisi de drogues pel que ocupa els pròxims capítols de la Tesi. El segon bloc, recull les publicacions originals derivades de la recerca portada a terme per a aquesta Tesi Doctoral. Aquests treballs tracten sobre la preparació i aplicació de nous materials i formats de caràcter genèric per a l’extracció de drogues de mostres de saliva i la seua posterior determinació mitjançant tècniques cromatogràfiques o afins tals com l’espectrometria de mobilitat iònica (IMS), la cromatografia de gasos acoblada a espectrometria de masses (GC-MS) o la cromatografia líquida acoblada a espectrometria de masses en tàndem (UHPLC-MS/MS). D’aquesta manera, a aquest bloc es porta a terme la determinació de noves substàncies psicoactives (NPS) tals com dicloropà, metilona o diversos cannabinoides sintètics en mostres de saliva mitjançant l’extracció amb adsorbent empaquetat (MEPS). També es van preparar puntes de micropipeta farcides amb un monòlit basat en àcid metacrílic i etilenglicol dimetacrilat, poly (MAA-co-EGDMA), amb propietats de materials de tipus mixt, per a la determinació de diverses drogues de caràcter bàsic en mostres de saliva. Amb l’objectiu d’obtindre materials més versàtils, també s’hi va preparar un polímer amb propietats de bescanvi iònic de doble acció (bescanvi aniònic i catiònic) així com amb l’habilitat de retenir compostos mitjançant interaccions hidrofòbiques. D’aquesta manera es va preparar un polímer basat en 4-vinilpiridina, àcid metacrílic i etilenglicol dimetacrilat, poly (VP-co-MAA-co-EGDMA). Al tercer bloc, s’enfoca l’anàlisi de drogues des de un punt de vista més selectiu. Per aquest motiu, principalment es mostra l’aplicació de materials com els polímers de reconeixement molecular (MIPs) en formats tals com l’extracció en fase sòlida convencional (SPE) així com en nous formats per a l’extracció de diverses drogues de manera selectiva. En aquest sentit, en primer lloc es va preparar un MIP emprant cocaïna com a molècula plantilla per a la l’extracció de la mateixa mitjançant SPE i la seua posterior anàlisi per IMS. Seguint amb el format SPE, es va preparar un MIP emprant metamfetamina com a molècula plantilla que havia estat prèviament preparat per altres grups. L’objectiu d’aquest estudi va ser portar a terme una caracterització rigorosa del MIP i avaluar la seua selectivitat creuada front a un gran nombre de substàncies il·lícites, principalment NPS de tipus amfetamina com derivats de la mateixa o catinones sintètiques entre altres. Atenent als avantatges proporcionats per la selectivitat creuada que va mostrar el MIP preparat en presència de metamfetamina, posteriorment es va preparar un MIP emprant un derivat de la fenciclidina (3-OH PCP) com a molècula plantilla. Aquest MIP va ser caracteritzat i aplicat posteriorment per a l’anàlisi d’aquesta en mostres de fluids orals. Però també es va desenvolupar un estudi sobre com la modificació de l’etapa de rentat durant l’extracció por afavorir l’obtenció de mètodes específics per a la determinació només de 3-OH PCP o cap a l’obtenció de mètodes, també selectius, però que permeteren una determinació d’altres compostos estructuralment semblants. Altre objectiu plantejat pel que respecta a l’aplicació de materials selectius està basat en l’obtenció de nous formats per a l’extracció de drogues. En aquest sentit, seleccionant la cocaïna com a substància a determinar per la seua rellevància social, es van desenvolupar diversos mètodes d’extracció emprant MIPs en diversos formats. El primer dels treballs que es mostra en aquest sentit desenvolupa un dispositiu per a la determinació ràpida i in-situ de cocaïna en mostres de saliva mitjançant IMS. A partir de la incorporació d’una primera part que permeta el mostreig junt a una segona part capaç de retenir selectivament la cocaïna i separar-la de la resta de components de la matriu, es va obtindre un dispositiu capaç de portar a terme una determinació semi-quantitativa de cocaïna. Tanmateix, en vista d’algunes de les limitacions que planteja la SPE tradicional, el MIP preparat prèviament per a la determinació de cocaïna va ser ancorat sobre nanopartícules magnètiques amb la finalitat de realitzar una SPE dispersiva, evitant les etapes típiques de separació de l’adsorbent (filtració o centrigufació) i canviant-les per una ràpida separació mitjançant l’aplicació d’un camp magnètic. Altre dels enfocaments que es deriven de l’aplicació dels MIPs a nous formats està basat en la preparació d’un MIP en forma monolítica ancorat sobre la superfície d’un disc de tefló adequadament modificat per tal crear un disc d’agitació-extracció que permeta l’extracció d’ecgonina metil èster, un dels principals metabòlits de la cocaïna, que va ser emprada com a molècula plantilla per la síntesi del MIP esmentat en mostres d’aigües naturals i de depuradora. Pel que respecta a l’aplicació de nous materials selectius per a l’anàlisi de drogues en diverses matrius, també es planteja l’aplicació d’aptàmers per a la preparació d’oligosorbents per a l’anàlisi selectiva de diversos anàlits incloent fluoroquinolones i metamfetamina (Capítol 14). En aquest sentit, a la present Tesi Doctoral es mostren resultats preliminars sobre la preparació d’aquests oligosorbents sobre safarosa activada amb bromur de cianogen així com sobre partícules magnètiques per a l’extracció en SPE o SPE dispersiva magnètica. En conclusió, al llarg d’aquesta Tesi Doctoral, diferents materials selectius i no selectius, han estat preparats per tal de portar a terme el tractament de mostra de saliva i aigües naturals i residuals per a la determinació de drogues. Els estudis portats a terme han demostrat que la IMS és una tècnica analítica ràpida amb la capacitat de detectar de manera satisfactòria drogues després d’un tractament de mostra adequat emprant MIPs. A més, els materials no selectius com la sílice modificada amb C18 o els materials de tipus mixt, han estat emprats per extraure nombroses drogues amb bons resultats sempre i quant la tècnica analítica seleccionada tinga suficient selectivitat i sensibilitat com GC-MS o UHPLC-MS/MS. This PhD thesis is entitled “New materials and approaches with improved properties for drug analysis (Aplicació de nous materials i formats amb propietats millorades per a l’anàlisi de drogues)”. It is divided in three main sections. The first one does a collection of the most remarkable published papers about the use of smart materials for sample treatment prior an IMS detection. Likewise, this section collects the most interesting contribution of smart materials to forensic analysis in general. It is especially important in this section drug analysis because of the guidelines on which this PhD thesis has been written. The second section collects original publications from the research done along this PhD Thesis. These studies are focused on the preparation and application of new materials and approaches with non-specific interactions for drug extraction from oral fluid samples and its subsequent determination by chromatographic techniques such as gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS), liquid chromatography couples to mass spectrometry in tandem (UHPLC-MS/MS) or ion mobility spectrometry (IMS). In this wat, the second section shows the development of methods based on microextraction by packed sorbent (MEPS) for the determination of new psychoactive substances (NPS) such as dichloropane, methylone or several synthetic cannabinoids. In this section, it is also shown the preparation of pipette tips filled with a polymeric monolith based on methacrylic acid and ethylene glycol dimethacrylate, poly (MAA-co-EGDMA). These polymers showed mixed-mode properties. It was able to retain satisfactorily several basic drugs from oral fluid samples. In order to obtain versatile materials, another polymeric material with double action ion exchange properties was prepared by the incorporation of 4-vinylpyridine and methacrylic acid to an ethylene glycol dimethacrylate backbone. Poly (VP-co-MAA-co-EGDMA) was able to create anion and cation exchange depending on the pH used, and it also revealed the ability to create hydrophobic interactions. The third section is focused on drug analysis by a selective approach. For this reason, it shows the application of materials such as molecularly imprinted polymers (MIPs) in different approaches such as conventional solid phase extraction (SPE) and new approaches. In this sense, firstly, a cocaine based-MIP was prepared for cocaine extraction form oral fluid and its subsequent determination by IMS. A second MIP, that was prepared previously by other groups, was prepared using methamphetamine as template molecule. The main aim of this study was to do a deep characterization of the MIP and evaluate its cross-selectivity against different illicit substances. The substances under study were amphetamine-type NPS including amphetamine derivatives and synthetic cathinone. Regarding the benefits of the cross-selectivity of some MIP, in this Thesis was prepared a MIP using 3-hydroxi phencyclidine (3-OH PCP) as template. This MIP was characterized and applied for the analysis of oral fluid samples. Besides, 3-OH PCP based-MIP was submitted to a study about tuning the selectivity. It was demonstrated that according to the washing step it was possible to obtain a specific method for 3-OH PCP extraction or a selective method with the ability to extract different structural related compounds. Another scope proposed on this Thesis was the development of new approaches of solid extraction based on selective materials. In this sense, cocaine was selected as target analyte due to its high social importance. Different approaches were developed using MIPs as selective materials. The first one was based on a device for fast and in-situ determination of cocaine using IMS. The device was composed by a first part that integrates a sample collector and a second part which contains the MIP to adsorb selectively cocaine, removing the other components of the matrix. Likewise, some limitations of conventional SPE were fixed by the use of magnetic dispersive solid phase extraction (MDSPE). The prepared MIP was incorporated covalently to magnetic nanoparticles. This magnetic MIP was able to perform a dispersive extraction avoiding the typical filtration/centrifugation steps of dispersive extraction to separate the sorbent. Thus, an easy separation by the application of a simple magnetic field was done. Another approach studied in this Thesis was based on the preparation of a monolithic polymer anchored onto a disk to create an agitation-extraction device. The MIP was prepared using ecgonine methyl ester, one of the main metabolites of cocaine, and it was applied for natural and wastewater analysis. Finally, it was also proposed the development of new materials based on aptamers for drug extraction. Different oligosorbents were prepared by aptamers immobilization onto CNBr-activated sepharose and magnetic beads for fluroroquinolones and methamphetamine determination. Thus, in the last chapter of this PhD Thesis, the preliminary results of SPE and MDSPE using oligosorbents for drug extraction are shown. In conclusion, along this PhD Thesis different materials including selective and non-selective have been prepared in order to perform the clean-up of oral fluid and water samples for drug analysis. The studies developed have demonstrated that IMS is a fast analytical technique with the ability to detect satisfactorily drugs after a selective extraction using MIPs. Besides, non-selective materials such as polymeric mixed-mode sorbents or octadecyl silica can be used to extract numerous drugs if the analytical technique used for determination have enough selectivity and sensitivity such as GC-MS or UHPLC-MS/MS.

El medio ambiente sufre el vertido continuo de contaminantes antropogénicos, incluyendo compuestos orgánicos, como fármacos y productos de cuidado personal (PPCPs), plaguicidas, sustancias perfluoroalquiladas (PFASs), drogas de abuso y microplásticos. Algunos de estos contaminantes son de hecho considerados contaminantes emergentes. Una de las principales fuentes de contaminantes al medio ambiente son las estaciones depuradoras de aguas residuales Además, existen otras fuentes de carácter más difuso como la infiltración o las aguas de escorrentía, que pueden transportar plaguicidas y otros contaminantes emergentes empleados en los campos de cultivo. Todos estos vertidos suelen tener un destino en común, el medio acuático. Los medios acuáticos son de una gran importancia medioambiental, fuertemente ligados a la riqueza y biodiversidad y en los que se apoyan numerosos ecosistemas. Sin embargo, una de las grandes problemáticas con respecto a la relación entre la contaminación y el agua, es que esta proporciona un medio de rápida dispersión para los contaminantes, pudiendo poner en riesgo la fauna, la flora o el sustrato, entre otros. Por eso el estudio de la contaminación en los ecosistemas acuáticos y como se relacionan estos con otros compartimentos ambientales es de vital importancia. Un punto destacable relacionado con el estudio de contaminantes antropogénicos en el medio ambiente es que los estudios enfocados en matrices bióticas siguen siendo escasos. Por un lado, la presencia de compuestos interferentes propios de la matriz, como pueden ser lípidos, proteínas o pigmentos, conlleva un alto grado de complejidad y supone un reto para la correcta detección y determinación de contaminantes orgánicos. Por otro lado, los mecanismos relacionados con la exposición de la biota a estos contaminantes como la distribución o la bioacumulación y eliminación de los mismos, son muy complejos. Dado que los ambientes acuáticos suelen ser los más afectados por el vertido de contaminantes antropogénicos, el estudio de la biota acuática es de una gran importancia. Teniendo en cuenta todo esto, el objetivo general de esta tesis es la evaluación del riesgo ambiental que supone el vertido de contaminantes orgánicos en los ecosistemas acuáticos, incluyendo la evaluación de fuentes, transporte y destino, posibles sinergias y efectos en la biota acuática. Partiendo de una investigación sobre el estado actual del conocimiento de los desafíos relacionados con la complejidad del análisis de muestras de biota y los contaminantes que habitualmente se determinan en ellas, y seguido de la evaluación de la presencia de contaminantes antropogénicos en ambientes acuáticos incluidas las aguas superficiales y los canales de riego y otras matrices que potencialmente podrían liberar contaminantes a los ambientes acuáticos, como los sedimentos. Luego, se realizó una selección de PPCPs, plaguicidas, PFASs y drogas de abuso. Considerando aquellos que han sido detectados en ambientes acuáticos previamente y también favoreciendo la selección de compuestos poco conocidos, como la droga de abuso bufotenina. A continuación, se pusieron a punto y validaron métodos de extracción y análisis para la determinación de estos contaminantes en matrices de mejillones y anguilas. Finalmente, se realizaron pruebas de laboratorio en condiciones controladas. Donde M. galloprovincialis se expuso a una mezcla de contaminantes y microplásticos para estudiar sus mecanismos de bioacumulación y eliminación, y la posible influencia de la presencia de microplásticos en estos procesos. Por otro lado, V. unguiculata fue expuesta a ibuprofeno durante su germinación y crecimiento, para estudiar la captación y metabolismo de este fármaco, así como su distribución en las diferentes partes de la planta. The environment suffers the continue discharge of anthropogenic contaminants. Including organic compounds, such as, pharmaceuticals and personal care products (PPCPs), pesticides, perfluoroalkyl substances (PFASs), illicit drugs and microplastics. Furthermore, some of these contaminants are considered emerging contaminants. Wastewater treatment plants are one of the main sources of contaminants discharge to the environment. There are also other sources like ground water and run off water, which can spread pesticides and other emerging pollutants employed in farming and agriculture. The discharge of these contaminants usually has a common destination, the aquatic environment. Aquatic ecosystems have high environmental value, are crucial for biodiversity and support many other ecosystems. However, this may also pose an environmental problem, since contaminants can be easily spread through water to reach other environments, fauna, and flora. For all these, the study of the occurrence, behaviour, and fate of the contaminants in the aquatic environments is crucial. A remarkable point related to the study of anthropogenic contaminants in the environment is that, the studies focused on biotic matrices are scarce yet. On the one hand, the presence of interfering compounds in the biotic matrices such as lipids, proteins, and pigments, entails a high degree of complexity and poses a challenge for the correct detection and determination of organic pollutants. On the other hand, the mechanisms related to the exposition of these contaminants such as distribution or bioaccumulation and elimination, are very complex. As the aquatic environments are usually the most affected by the discharge of anthropogenic contaminants, the study of aquatic biota should be a priority. Taking into account all of this, the general objective of this thesis is the environmental risk assessment of the aquatic ecosystems due to the discharge of organic pollutants, including the assessment of sources, transport and fate, possible synergies and effects in the aquatic biota. Starting with a research about the current state of knowledge of the challenges related to the complexity of the analysis of biota samples and the contaminants usually determined in them. And followed by the assessment of the anthropogenic pollutants presence in aquatic environments. Including surface waters and irrigation channels and other matrices that could potentially release pollutants to the aquatic environments, such as sediments. Then, a selection of PPCPs, pesticides, PFASs and illicit drugs was made. Considering the report of their presence in aquatic environments also favouring the selection of not well-known compounds, such as the illicit drug bufotenin. Then, both extraction and analytical methods were developed and validated for the determination of these contaminants in mussel and eel matrices. Finally, laboratory tests under controlled conditions were carried out. M. galloprovincialis was exposed to a mix of contaminants (including PFASs, pesticides and pharmaceuticals) and microplastics to study their bioaccumulation and elimination mechanisms, and the possible influence of the presence of microplastics in these processes. On the other hand, V. unguiculata was exposed to ibuprofen during its germination and growth, to study the uptake and metabolism of this pharmaceutical, as well as its distribution in the different parts of the plant.

En las últimas décadas, las moléculas imán han atraído la atención de la comunidad científica, puesto que permitirían superar las limitaciones actuales de almacenamiento en dispositivos y, también, por su interés en espintrónica. El descubrimiento de las moléculas imán polinucleares (SMMs) fue impactante, pues presentan lenta relajación de la magnetización por debajo de una cierta temperatura. Por tanto, el desarrollo de moléculas imán mononucleares (SIMs) basadas en iones CoII, como único centro paramagnético responsable de ese comportamiento, son de interés por su alto espín (S = 3/2) y un inherente desdoblamiento a campo cero (zfs), que se puede modificar dependiendo de la geometría impuesta por los ligandos que lo coordinan. Aunque los SIMs son, en principio, los modelos más simples por tal de entender el comportamiento de lenta relajación, hay todavía algunas preguntas por responder con respecto a los mecanismos de relajación implicados. A lo largo de este trabajo, hemos sintetizado compuestos de cobalto(II) con propiedad de SIM, para así desentrañar la física involucrada en esos fenómenos. Por tanto, haciendo uso de compuestos mononucleares de cobalto(II) con fórmula general [Co(Mexphen)2](ClO4)2 (x = 1 ó 2), hemos sintetizado varios compuestos mononucleares, dinucleares, trinucleares y cadenas de cobalto(II) con el objetivo previamente mencionado. Estos compuestos presentan, habitualmente en este trabajo, un entorno octaédrico (CoN4O2) y una anisotropía axial (D > 0). Los motivos por los que los compuestos de cobalto(II) con un D > 0 presentan comportamiento de SIM no se comprenden del todo, pues no existe una barrera de energía asociada directamente con la anisotropía magnética. El análisis de los datos magnéticos medidos en corriente alterna (ac) puede llegar a ser complicado, haciendo que sea difícil tratar bien los datos experimentales. Comúnmente, los resultados de ajustes publicados sobre compuestos de cobalto(II) suelen oscilar en el rango de temperaturas de 2 a 8 K. Sin embargo, haciendo uso de un código informático que hemos escrito, y utilizando las ecuaciones generalizadas de Debye, podemos extraer los mismos parámetros con un rango de temperaturas más amplio (≥ 12 K). Este rango de trabajo ampliado nos permite una mejor determinación de los mecanismos encargados de la lenta relajación de la magnetización de los compuestos de cobalt(II) presentados. Es por eso que, en este trabajo, hemos encontrado que el mecanismo intra-Kramers (ralentizado al aplicarse un campo dc externo) prevalece sobre otros mecanismos a baja temperatura y altos campos magnéticos dc. Además, a altas temperaturas y bajo campo magnético, varios mecanismos térmicamente activados, o la combinación de mecanismos Raman ópticos y acústicos, son los responsables de la lenta relajación de la magnetización en este tipo de compuestos. Adicionalmente y como segundo objetivo de la tesis, varios compuestos dinucleares de cobalto(II) portando ligandos interconvertibles con radiación electromagnética o reacciones redox, son también presentados como mecanismos de control de las propiedades magnéticas. Por último y como tercer objetivo, varios métodos químicos se han probado con láminas de MoS2 exfoliadas químicamente. Éstas se han funcionalizado con moléculas fotocrómicas capaces de modular su configuración química con la luz y sus resultados son descrito en este trabajo. Molecular magnets have attracted the scientific interest to overcome the size limitations of the current materials for information storage and spintronics. A few decades ago, a breakthrough was the discovery of Single-Molecule Magnets (SMMs) because they present slow magnetic relaxation below a certain blocking temperature. Current trends have emerged to increase such temperature. Then, Single-Ion Magnets (SIMs) have been developed. These have a unique paramagnetic centre responsible of the slow magnetic relaxation behaviour. Cobalt(II) SIMs are of special interest because their high-spin state (S = 3/2) presents an inherent large axial zero-field splitting (zfs), that can be enhanced by distorted geometries imposed by coordinated ligands. Although SIMs are supposed to be the simplest model to understand the slow magnetic relaxation phenomena, there are some open questions still concerning the mechanisms that rule the relaxation pathways. In this dissertation, we have synthesised cobalt(II) SIMs to study and unravel the physics behind that phenomenon. Then, for this purpose, mononuclear cobalt(II) compounds with general formula [Co(Mexphen)2](ClO4)2 (x = 1 or 2) have been used to synthesise mononuclear, dinuclear, trinuclear and chain cobalt(II) compounds. These compounds generally exhibit a distorted octahedral CoN4O2 environment and an axial magnetic anisotropy (D > 0). Thus, their field-induced SIM behaviour is not associated to an energy barrier arising directly from their magnetic anisotropy. Furthermore, difficulties strike analysing the ac-data with good fit parameters through different models, for a wide temperature range. The commonly reported fit results for these kind of systems fall within 2−8 K range, usually. However, by using the generalised Debye equations, we have developed a computational code to automatically analyse experimental data and increase the working temperature range. Then, our wider range of analyses allow us to do a better determination of the mechanisms involved in the slow magnetic relaxation of the presented cobalt(II) compounds. Consequently, in this dissertation, we found that an intra-Kramers mechanism (slowed down fast spin reversal between the ground state Kramers doublets by an external dc- magnetic field in D > 0 systems) generally rules the low temperature regime at high dc-magnetic fields. Moreover, at higher temperatures or lower dc-magnetic fields, several thermally activated mechanisms or a combination of optical and acoustic Raman mechanisms are the responsible mechanisms that cause the slow magnetic relaxation of the magnetisation in these systems. Moreover, as a second aim, dinuclear cobalt(II) complexes with photoswitchable and redox ligands, are presented to tune their magnetic dynamics. As a third and last aim, molecular approaches to 2D materials have been achieved with chemically exfoliated MoS2 layers being functionalised with photochromic molecules. Their photoswitching behaviour has been confirmed and described.

La presente tesis doctoral consta de dos partes diferenciadas, la reacción de oxidación total de compuestos orgánicos volátiles (COVs) y la deshidrogenación oxidativa de etano para la obtención de etileno. Por una parte, se muestra un estudio sobre la síntesis y caracterización de diferentes óxidos de hierro másicos y soportados, para ser empelados como catalizadores en reacciones de oxidación total de COVs. Se han seleccionado dos moléculas modelo de COVs, propano (como modelo de alcanos de cadena corta) y tolueno (como modelo de un compuesto aromático). Se han empleado catalizadores másicos, -Fe2O3, que presentan buenas propiedades superficiales y con alta área superficial. Para ello, se han utilizado varios métodos de síntesis entre los que destacan: i) precipitación simple, ii) método nanocasting con KIT-6 como “hard template” para la obtención de un óxido mesoporoso ordenado y iii) precipitación usando ácido oxálico como agente precipitante para la obtención de un óxido mesoporoso no ordenado. Cualquiera de los óxidos de hierro sintetizados mejora en el comportamiento catalítico para la oxidación total de compuestos orgánicos volátiles, respecto de un óxido de hierro (α-Fe2O3) comercial. Se encontró un orden de reactividad diferente entre los distintos óxidos de hierro para cada alimento. El catalizador que presenta mayor reducibilidad (con ácido oxálico) es el más activo para la oxidación total de propano, mientras que para el tolueno la muestra más activa fue el catalizador altamente ordenado de mayor área superficial. Esta diferencia de actividad relativa puede ser debida a que tengan lugar mediante diferentes mecanismos. Adicionalmente, se han planteado diferentes métodos de preparación de catalizadores de óxidos de hierro másicos, por síntesis hidrotermales en condiciones supercríticas y por síntesis solvotermales. Se ha observado que empleando un sencillo método solvotermal se obtienen elevadas velocidades de reacción en la oxidación total de tolueno. También se han estudiado catalizadores de óxido de hierro soportados con el objetivo de mejorar las propiedades físicas del catalizador y las propiedades catalíticas en la oxidación total. Así, se ha considerado soportar el óxido de hierro sobre arcillas porosas de estructura heterogénea (PCH-Si) y sílice. Se observó que el uso de la arcilla es mucho más eficiente catalíticamente pues mejora la dispersión del hierro. Además, se ha empleado un residuo obtenido en la purificación de agua para el consumo humano (lodo férrico) como catalizador para la eliminación de propano y tolueno. El lodo férrico presenta una superficie específica relativamente alta, por lo que también se ha empleado como soporte para metales nobles (Pt) siendo mejor que soportes convencionales como la gamma-Al2O3. Se ha mostrado que presenta una doble ventaja ambiental, ya que se revaloriza un residuo como catalizador para la eliminación de contaminantes COVs. Por otra parte, se ha estudiado el comportamiento catalítico en la deshidrogenación oxidativa selectiva de etano para dar etileno empleando una serie de catalizadores soportados de óxido de níquel sobre diferentes materiales que presentan distintas propiedades de acidez, basicidad y área superficial. Se han determinado las características que debe presentar un soporte sobre el que depositar partículas de NiO para maximizar la formación de etileno. Se pudo concluir que el óxido de titanio es un excelente soporte para el óxido de níquel. Por ello, se ha considerado conveniente realizar un estudio más detallado sobre catalizadores de NiO soportados sobre diferentes óxidos de titanio. Diferentes catalizadores soportados sobre diferentes óxidos de titanio dan lugar a selectividades altas y similares entre ellos, consiguiéndose el óptimo catalítico empleando diferentes composiciones en cada caso. Finalmente, se ha realizado un estudio comparativo de la deshidrogenación oxidativa selectiva de etano empleando catalizadores de óxido de níquel interaccionando con óxido de titanio o con óxido de niobio. Se sintetizaron catalizadores por impregnación húmeda (catalizadores soportados) o por evaporación de mezclas de sales (catalizadores promovidos). Los catalizadores con óxido de titanio preparados por ambos métodos así como el catalizador promovido con niobio obtuvieron resultados catalíticos al nivel de los mejores descritos en la bibliografía. Indicar que, sin llevar a cabo una optimización exhaustiva de las condiciones de reacción, se han obtenido rendimientos a etileno superiores al 40% con los catalizadores más eficientes. This doctoral thesis consists of two different parts, the total oxidation reaction of volatile organic compounds (VOCs) and the oxidative dehydrogenation of ethane to obtain ethylene. On the one hand, a study on the synthesis and characterization of different bulk and supported iron oxides is shown, to be used as catalysts in total oxidation reactions of VOCs. Two model molecules of VOCs have been selected, propane (as a model for short-chain alkanes) and toluene (as a model for an aromatic compound). Bulk catalysts, -Fe2O3, have been used, which have good surface properties and high surface area. For this, several preparation methods have been used: i) conventional precipitation, ii) by nanocasting with KIT-6 as a “hard template” to obtain ordered mesoporous oxides and iii) using oxalic acid as a precipitating agent to obtain non ordered mesoporous oxides. Any of the synthesized iron oxide give rise to an important improvement in the catalytic behavior for the total oxidation of volatile organic compounds, compared to a commercial iron oxide (α-Fe2O3). A different order of reactivity was found between the different iron oxides for each feed. The catalyst with the highest reducibility (prepared with oxalic acid) is the most active for the total oxidation of propane, while for toluene the most active sample was the highly ordered catalyst with the highest surface area. This difference in relative activity may be due to the fact that they take place through different mechanisms. Additionally, different methods of preparation of bulk iron oxide catalysts have been proposed, by hydrothermal synthesis under supercritical conditions and by solvothermal synthesis. It has been observed that using a simple solvothermal method, high reaction rates are obtained in the total oxidation of toluene. Supported iron oxide catalysts have been also studied with the aim of improving the physical properties of iron oxide. Thus, it has been considered to support iron oxide on porous clays with a heterogeneous structure (PCH-Si) and on silica. It was observed that the use of clay is much more efficient from a catalytically viewpoint probably due to the better dispersion of the iron oxide on the clay. In addition, a residue obtained in the purification of water for human consumption (ferric sludge) has been used as a catalyst for the elimination of propane and toluene. Ferric mud has a relatively high specific surface area, which is why it has also been used as a support for noble metals (Pt), being better than conventional supports such as Al2O3. It has been shown that it presents a double environmental advantage, since a waste is revalued as a catalyst for the elimination of pollutants VOCs. On the other hand, the catalytic behaviour in the selective oxidative dehydrogenation of ethane on a series of supported nickel oxide catalysts over different supports that have different properties of acidity, basicity and surface area has been studied. The characteristics that a support must present on which to deposit NiO particles to maximize the formation of ethylene have been determined, obtaining that titanium oxide is an excellent support for nickel oxide. For this reason, it has been considered convenient to carry out a more detailed study on NiO catalysts supported on different titanium oxides. Finally, a comparative study of the partial oxidation of ethane is carried out, with nickel oxide catalysts interacting with titanium oxide or with niobium oxide, prepared by wet impregnation (supported catalysts) or by evaporation of salt mixtures (promoted catalysts). Using Ni on titanium oxide prepared by both methods as well as the niobium-promoted NiO catalyst catalytic results at the level of the best described in the literature were obtained. Different catalysts supported on different titanium oxides result in high and similar selectivities between them, however, achieving the optimum catalyst using different compositions in each case. It should be noted that, without carrying out a thorough optimization of the reaction conditions, yields to ethylene higher than 40% have been obtained with the most efficient catalysts.

El concepto “sostenible” apareció en los años 70 con el objetivo de relacionar el desarrollo económico y la conservación de los ecosistemas. La palabra sostenibilidad se debe al informe Brundland realizado en 1987 en el marco de la Comisión de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. Este informe advirtió sobre las consecuencias ambientales negativas del desarrollo económico y la globalización, tratando de ofrecer soluciones a los problemas derivados del crecimiento demográfico y la industrialización. Particularizando en la Química, el calificativo sostenible aporta un enfoque holístico, que establece políticas y objetivos medibles para un proceso continuo de mejora. En este contexto, la Química Verde aparece directamente relacionada con la Química Sostenible. “La Química Verde se puede definir como la química que se centra en el diseño, fabricación y uso de productos químicos que tienen un potencial de contaminación reducido o nulo.” “La Química Sostenible no solo incluye los conceptos de Química Verde, también amplía la definición para considerar no solo el proceso químico sino también sus efectos, materiales, energía y economía”. La Química Analítica Sostenible une la Química Analítica Verde, cuyos 12 principios definidos por Galuzca et al. se basan en los de la química verde, y los principios socio-económicos. Existe una necesidad creciente de utilizar métodos para evaluar la sostenibilidad de un proceso o producto en general, con la finalidad de categorizar su impacto. En esta Tesis se ha propuesto la huella de carbono como medida directa de impacto ambiental de metodologías analíticas y se ha utilizado la herramienta hexágono propuesta por nuestro grupo de investigación MINTOTA para medir la sostenibilidad de procedimientos analíticos. Se ha contribuido a la Química Analítica Sostenible desde dos estrategias diferentes: 1. Pretratamiento de la muestra en línea y miniaturización mediante el desarrollo de la técnica microextracción en tubo acoplada a cromatografía líquida capilar (IT-SPME-CapLC). 2. Desarrollo de dispositivos colorimétricos para análisis in situ. Se demuestra que un sistema miniaturizado como CapLC acoplado en línea a IT-SPME es una herramienta eficaz y versátil para el análisis de una gran variedad de analitos en diferentes matrices: ambientales, biológicos, alimentarios y forenses, entre otros. Otro de los retos que aborda la Tesis es el desarrollo de dispositivos que permitan realizar determinaciones in situ, es decir, en el lugar donde se encuentra el compuesto de interés y se produce el problema. Además de evitar el transporte de la muestra al laboratorio, que conlleva tiempo, costes y recursos, también se minimiza el riesgo de contaminación o degradación de la muestra. Los dispositivos de análisis in situ deben cumplir una serie de características, como portabilidad, bajo costo, simplicidad y rapidez, dichas características los hacen especialmente atractivos desde el punto de vista de la Química Analítica Sostenible.

Nanotechnology involves the design, characterization, production and application of structures, devices and systems by the control of the shape and size at the nanometer scale involving different fields. In the last decade, nanotechnology development has boosted the interest in hybrid nanomaterials. These materials are a complimenting combination of two (or more) nanoparticles (NPs) with enhanced performance characteristics that offer exciting opportunities. It allows the possibility of integrating materials with different physical and chemical properties to widen the range of practical applications. In this context, Au NPs have recently attracted a lot of attention due to the great opportunities that Au offers at the nanoscale. In fact, their facile synthesis and functionalization can be exploited for constructing hybrid nanoparticles showing multi-functionality. In this manner, different Au hybrid nanostructures have been developed exhibiting diverse sizes, shapes and compositions displaying novel physicochemical properties, opening the door to potential new applications. On the other hand, Coordination Polymers (CPs) possess besides interesting electronic properties, potential advantages over conventional inorganic nanomaterials such as structural and chemical versatility, high specific area and biodegradability, among others. Therefore, the integration of both Au and CPs in a single heterostructure has emerged as an appealing topic. However, suitable chemical design appears as one of the key factors to improve their applicability. The work described in this thesis is motivated by the purpose of designing and studying novel hybrid nanostructures formed by combining Au NPs with different CPs: i) Prussian Blue and its Analogues (PB and PBA), ii) Spin-Crossover compounds (SCO) and iii) Metal-Organic Frameworks (MOF). Taking into account the numerous possible heterostructures, it will be discussed why these tailored hybrid NPs are the most appropriate for magneto-optical, electrochemical and electrical applications. In chapter 1, it is described the optical properties and the synthesis of Au NPs as well as the main research efforts that have been made to combine CPs incorporating Au functionalities within the overall hybrid nanomaterials. The main results of this thesis are divided into three parts depending on the potential applications: magneto-optics, electrochemistry and electrical conductivity. Chapter 2 deals with the preparation of hybrid systems formed by metallic NPs decorated by electrostatic attraction onto PBA NPs of different sizes and nature. In this approach, the capping agent of the plasmonic NP is modified, thus, allowing to select the plasmonic NP (isotropic or anisotropic) and, therefore, to tune the plasmon band position in a broad range of the visible spectrum. The heterostructure keeps its plasmonic and magnetic properties becoming a suitable hybrid material for magneto-optical applications. In chapter 3, different heterostructures composed of Au and PBA (of NiFe and CoFe) are synthesized and evaluated as electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. The core@shell heterostructures are found to be the most appropriate to exploit the Au properties (conductivity and electronegativity). In this way, through a suitable chemical design it can be greatly enhanced the electrochemical activity and stability of the electroactive PBA. In chapter 4, a straightforward protocol is carried out to overgrow a thin SCO over different plasmonic NPs. Moreover, this synthetic route was extended to MOF. It is observed that thanks to the metallic core and the naked surface of the ultrathin SCO/MOF shell, these core@shell NPs are more conductive than the pristine SCO NPs when contacted to electrodes. In future work, further development will be done by taking advantage of the plasmon properties of the plasmonic core to get a light-induced spin transition (SCO) and to promote the adsorption/desorption of guest molecules (MOF) to obtain advanced sensing devices. This Ph.D. thesis is expected to represent a significant advancement in the development of novel heterostructures as a result of the incorporation of Au NPs to CPs.

To date, a plethora of electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction (OER) have been proposed. For evaluating their electrocatalytic behavior the determination of the onset potential in each studied electrolyte is a key parameter. Nevertheless, this evaluation becomes particularly problematic for first- transition metal catalysts as well as by the use of electroactive collectors ( e.g. Ni foams) whose redox peaks overlap the onset potential. A usual solution to detect the onset potential requires the availabil- ity of in-situ mass spectrometric determination of the generated oxygen. In this work, we present fast and easier available cyclic voltammetry and coulovoltammetric responses to determine the onset poten- tials of three benchmark electrocatalysts: a layered double hydroxide, a Prussian blue analogue and a β-Layered hydroxide. Cyclic coulovoltammetric responses allow, as we demonstrate here, a quantitative separation in the same potential range of the charge consumed by reversible (redox) reactions and the charge consumed by the irreversible reaction: the oxygen release. Quantifying the irreversible charges (that correspond to the OER) for different anodic potential limits permits the unambiguous determina- tion of both, the onset potential and the Tafel slope values without the catalyst redox contributions. As far as we know, this is the first time that this fast, available and cheap methodology has been applied for the OER determination. Thus, coulovoltammetry arises as a friendly and powerful tool for the investigation of electrocatalytic performances. To date, a plethora of electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction (OER) have been proposed. For evaluating their electrocatalytic behavior the determination of the onset potential in each studied electrolyte is a key parameter. Nevertheless, this evaluation becomes particularly problematic for first- transition metal catalysts as well as by the use of electroactive collectors ( e.g. Ni foams) whose redox peaks overlap the onset potential. A usual solution to detect the onset potential requires the availabil- ity of in-situ mass spectrometric determination of the generated oxygen. In this work, we present fast and easier available cyclic voltammetry and coulovoltammetric responses to determine the onset poten- tials of three benchmark electrocatalysts: a layered double hydroxide, a Prussian blue analogue and a β-Layered hydroxide. Cyclic coulovoltammetric responses allow, as we demonstrate here, a quantitative separation in the same potential range of the charge consumed by reversible (redox) reactions and the charge consumed by the irreversible reaction: the oxygen release. Quantifying the irreversible charges (that correspond to the OER) for different anodic potential limits permits the unambiguous determina- tion of both, the onset potential and the Tafel slope values without the catalyst redox contributions. As far as we know, this is the first time that this fast, available and cheap methodology has been applied for the OER determination. Thus, coulovoltammetry arises as a friendly and powerful tool for the investigation of electrocatalytic performances.

Poly(Amino Acids) (PAA)s are biocompatible, biodegradable and multifunctional polymers, which have been effectively used as building blocks in polymer-based delivery carriers for various medical applications. In addition, PAAs are envisaged to achieve a major impact on biomedical areas due to their structural versatility, biocompatibility, water-solubility and the important advances made on the synthetic strategies. Control on polymer chain length and stereochemistry have been one of the major challenges in PAA synthesis over the past years. Their physico-chemical properties can be modulated in terms of the manufacturing process, size, electrostatic charge, conformation, geometry, topology, monomer composition. Also, the structural elements such as the Active Pharmaceutical Ingredient (API) nature, the API-carrier interaction and the supramolecular architecture of the drug delivery system (micelle, vesicle, polymer-drug conjugate, polyplex, hydrogel, or nanoparticle) can be designed and controlled. Within the current state of the art of PAA-based materials, the vast majority of compounds are in the early stages of R&D or Proof of Concept (POC) with few examples of PAA-based therapeutics in clinical trials or marketed. The process to move a candidate from R&D to the market is a long travel that must be performed under the Good Manufacturing Practice (GMP) regulation. And inside of this GMP regulation, the Chemistry Manufacturing and Control (CMC) activities must be applied to support, control, and secure the travel. The CMC activities encompass the development, optimization, and performance of the manufacturing process and the analytical methodologies, as well as quality management systems, quality grade definition, facilities, equipment, laboratory controls, materials, packaging, labeling, and even shipment. Moreover, the quality management systems of CMC activities also contain the deviation identification, investigation, and risk management of the manufacturing process, and also the analytical methodologies qualification and validation.

Esta tesis tiene como objetivo principal la preparación de materiales moleculares multifuncionales magnéticos. Para ello se han usado dos estrategias diferentes: una aproximación iónica, en la que se han preparado sales de cationes funcionales y se han combinado con redes aniónicas extendidas (capítulos 2 y 3); y la segunda estrategia, donde, a través de enlaces covalentes entre ligandos funcionales y fulerenos (capitulo 4), o polioxometalatos (capítulo 5) se han obtenido sistemas que presentan la propiedad de transición de espín con efectos sinérgicos. En el capítulo 2 se presenta la síntesis y caracterización de varios polímeros de coordinación basados en el ligando anilato con cationes insertados de tipo amonio de diferentes tamaños que modulan la conductividad protónica del material. Las redes, con formula (Me2NH2)[MnIICrIII(Br2An)3]·2H2O, (Et2NH2)[MnIICrIII(Br2An)3], (Et3NH)[MnIICrIII(Cl2An)3] y [(Et)(i-Pr)2NH[MnIICrIII(Br2An)3]·(CHCl3)0.5·(H2O) (Me = metilo, Et = etilo y i-Pr = isopropilo) estructuralmente presentan la típica estructura de tipo panal de abeja con canales hexagonales. Los cationes más pequeños (Me2NH2+, Et2NH2+ y Et3NH+), se insertan dentro de los canales hexagonales, mientras que en el caso del derivado isopropilo de amonio, los cationes se encuentran insertados en los canales y entre las capas. Todos los sistemas se ordenan ferrimagnéticamente con Tc de 8-9 K. En el caso del compuesto con [(Et)(i-Pr)2NH]+, la diferencia de distancias entre capas provoca un comportamiento metamagnético cuando la muestra se mide en contacto con las aguas madre. Este comportamiento se ve alterado en la muestra desolvatada que muestra el mismo ordenamiento ferrimagnético del resto de compuestos debido al colapso de la estructura. El comportamiento metamagnético se puede recuperar simplemente volviendo a sumergir la muestra en aguas madre, lo que muestra la reversibilidad de las propiedades magnéticas del compuesto. Todos los compuestos presentan valores bajos de conductividad protónica de tipo Grotthuss con valores entre 2.3 × 10–6 S·cm–1 y 2.4 × 10–5 S·cm–1. En el capítulo 3 se presenta la preparación y caracterización de complejos de Co(II), que se comportan como imanes unimoleculares, y su inserción en redes 3D de tipo oxalato. La caracterización estructural de los complejos muestra dos complejos de simetría octaédrica de cobalto, [CoII(L)2](ClO4)2·0.5MeCN·Et2O·0.25H2O y [CoII(L)(CH3CN)2(H2O)](ClO4)2·MeCN (L = 3,5-Diamino-2,4,6-triazinil)2,2’-bipiridina). La inserción del complejo Co:L 1:2 en la red de tipo oxalato da lugar a un polímero de coordinación 3D aquiral. Esta red se ordena ferromagnéticamente. Las medidas de resonancia paramagnética electrónica sugieren interacciones débiles de tipo canje entre las dos subredes. En el capítulo 4, se muestra el diseño y la preparación de aductos hexakis-substituidos de [60]fulereno con bpp. La combinación de Fe(II) con estos aductos da lugar a diferentes moléculas con transición de espín, con hasta seis complejos de transición de espín por fulereno. Espectroscopías de ultravioleta visible y fluorescencia se utilizan como herramientas para monitorizar la formación de complejos de Fe(II) en disolución a través de la aparición secuencial de bandas de transferencia de carga metal-ligando y la disminución de la luminiscencia del ligando. Algunos de estos complejos polinucleares muestran transición de espín térmica y fotoinducida en estado sólido. Estos resultados demuestran que los derivados de fulereno presentados son plataformas muy versátiles para el desarrollo de nuevos materiales que presentan transición de espín y además son una alternativa interesante para la preparación de monocapas autoensambladas de este ligando tridentado, cosa que ha sido imposible hasta el momento. Finalmente, en el capítulo 5 se presenta la funcionalización y caracterización de un polioxovanadato de tipo Lindqvist. La subunidad [V6O19(C16H15N6O)2]2-, bifuncionalizada con 1-bpp, se combina con Fe(II) y Zn(II) para dar lugar a un polímero de coordinación 1D. La estructura del compuesto Zn[V6O19(C16H15N6O)2]2·solv, resuelta por difracción de rayos X de monocristal, muestra POMs unidos unos a otros a través de los centros metálicos divalentes. El derivado de Fe(II), isoestructural al de Zn(II), muestra una transición de espín térmica y fotoinducida que se puede controlar mediante la reducción y reoxidación química o intercambios de disolvente. Esto es debido a la flexibilidad estructural de las cadenas de POM que admiten la entrada de moléculas huésped (reductores, oxidantes y disolventes) que modulan el estado de espín de los complejos de Fe(II) y la cooperatividad de sus transiciones de espín. The main objective of this thesis is the preparation of multifunctional molecular magnetic materials. In order to address this, we have used two different approaches: an ionic approach where we prepared salts of functional cations and combined them with anionic extended networks (chapters 2 and 3); and a covalent approach where, through the use of covalent bonds between a functional ligand and a fullerene (chapter 4) or a POM (chapter 5) we have obtained SCO systems with synergistic effects.

La presente tesis doctoral ha sido realizada como compendio de publicaciones y lleva por título “Biodiseño en adaptabilidad conformacional y reconocimiento de huéspedes en estructuras cristalinas” (Biodesign for conformational adaptability and guest recognition in crystalline frameworks). Se encuentra dividida en cuatro capítulos con unas conclusiones finales y resumen en castellano. El primer capítulo se trata de una introducción a las redes metal-orgánicas (MOFs) basados en materiales biológicos, tanto su diseño a partir de éstos, como algunas de sus aplicaciones más notables. Inicialmente se habla del origen de este tipo de sistemas, que radica en la necesidad que tenían los químicos hace más de 30 años de poder racionalizar la obtención de estructuras periódicas, y convertir la química supramolecular en algo más predecible. Alrededor de esa fecha, muchos ya se dieron cuenta de que determinadas biomoléculas como los aminoácidos, péptidos, proteínas y nucleobases tenían potencial como ligandos, y de hecho existían varios ejemplos de incorporación a polímeros de coordinación. Siguiendo este orden, comenzamos la introducción hablando de cómo emplear materiales biológicos para el diseño de MOFs. Las primeras en ser nombradas son las nucleobases, de las cuales se han usado principalmente las bases púricas al ser las únicas con capacidad de conexión para la formación de redes. Éstas pueden proveer de uniones moleculares estables con cierta facilidad y varias posiciones para coordinar centros metálicos, teniendo cada una de esas bases una preferencia metálica única. Sin embargo, tienen muchas limitaciones al no ser elementos flexibles ni tener algún tipo de personalización. A diferencia de éstas, los péptidos suponen una mejora en el aspecto de la variedad, abriendo un abanico de posibilidades al poder combinarse varios aminoácidos en una secuencia peptídica para formar la cadena de un MOF. Además, son ligandos orgánicos excelentes y capaces de coordinar iones metálicos a través de sus grupos carboxilato y amino. La cadena lateral, al ser diferente en cada caso, puede impartir polaridad o apolaridad sobre el sistema del que forma parte. Finalmente se hayan las proteínas, el último escalón en complejidad, formadas por cadenas polipeptídicas asociadas de una forma predeterminada. La mayoría de las proteínas deben adoptar una conformación concreta, llamado plegado o estado nativo, para poder funcionar correctamente y desempeñar su función biológica. La energía necesaria para realizar ese plegado proviene principalmente de van der Waals, enlaces por puente de hidrógeno e interacciones electrostáticas que suceden entre elementos de esa cadena electrostática. Estas interacciones también se hayan en los aminoácidos más superficiales y permiten la formación de redes, otorgándoles una estructura periódica y la posibilidad de formar cristales. Posteriormente, se desarrollan algunas de las aplicaciones más importantes de dichos sistemas, teniendo en cuenta que el diseño de los MOFs biológicos permite el emplazamiento de grupos funcionales en el sistema. Por ello, los entornos de poro personalizados a nivel molecular pueden ser obtenidos a través de este diseño específico. Gracias a esta posible personalización, los MOFs han sido estudiados para una gran variedad de aplicaciones entre las que se encuentran la catálisis heterogénea, separación, y aplicaciones biomédicas, entre otras. Sin embargo, cuando se aplican estos sistemas a campos relacionados con lo biológico, la toxicidad es uno de los puntos más importantes a considerar y hace al tipo de sistemas que tratamos más interesantes. El primer gran grupo de aplicaciones que saca partido de la funcionalización es el de la catálisis. Los catalizadores basados en bio-MOFs son especialmente interesantes ya que no solo tienen las características de estos materiales como la personalización y la existencia de grupos catalíticos, sino que además son extremadamente robustos y eficientes. Además del gran contenido en metal, una de sus mayores ventajas es que los sitios activos son todos exactamente iguales, dando lugar a una catálisis homogénea. El segundo grupo es la separación, pues estos materiales pueden obtener reconocimiento específico de forma muy efectiva y son sencillos de producir. Los MOFs poseen una gran porosidad y área superficial, lo que junto con la personalización del poro, la posibilidad de obtener sitios de coordinación metálicos libres y la regularidad de su estructura, proporcionan una base para la separación de una gran variedad de compuestos. El tercer y último gran grupo se basa en el confinamiento de moléculas dentro de los poros. En esta parte nos centramos en la incorporación de enzimas al interior de los MOFs, al poder proporcionarles dicha estabilidad y personalización a las proteínas huésped. Dentro del poro, las enzimas se hayan protegidas de toda interacción con el exterior que les pueda perjudicar, pudiendo seguir realizando su función. Durante este capítulo se ha tratado de recalcar por separado cada una de las tres partes fundamentales que poseen todos los MOF: metal, ligando y poro. Por ello, se ha dividido por nivel de complejidad biológica: nucleótidos, péptidos y enzimas; y también por aplicaciones principales de cada uno de ellos. Los nucleótidos se han empleado principalmente para catálisis al tener la mayoría de estructuras grupos metálicos libres, los péptidos al ser quirales han tenido mayor relevancia en el campo de la separación quiral y para las enzimas se trata de emplear a los MOFs como plataformas personalizables capaces de acomodarlas sin afectar a su estructura. En el segundo capítulo se estudia la respuesta estructural a estrés por presión de un MOF compuesto por dipéptidos. Los dipéptidos nos ofrecen una gran variedad de combinaciones y son unos ligandos muy interesantes para la formación de MOFs, al dotar al complejo de la funcionalidad de dicha cadena. Es interesante estudiar cómo los sistemas flexibles actúan frente a presión externa ya que, precisamente una de las desventajas que poseen, es que tienen propiedades mecánicas muy débiles pudiendo acabar en el colapso del poro o de la estructura una vez se le añade presión. Por tanto, este tipo de deformaciones estructurales también afectan a la función, pudiendo producir efectos no deseados. La flexibilidad estructural abre un abanico gigantesco de posibles respuestas a la presión, las cuales deben ser investigadas en detalle con el objetivo de predecirlas. Lamentablemente, no hay una gran cantidad de ejemplos de este tipo de estudios, ya que hasta la fecha se han basado en sistemas porosos. Estas estructuras al poder alojar en su interior moléculas de disolvente o huéspedes, no permiten saber si realmente lo que se mide es efecto de la estructura o de una influencia externa. Por ese motivo, nosotros usamos el MOF Zn(GlyTyr)2 el cual se considera “denso” al no tener porosidad medible, esa imposibilidad de entrada de disolvente simplifica enormemente el refinamiento de la difracción de rayos X bajo presión. La estructura del dipéptido está basada en interacciones por puente de hidrógeno entre las diferentes láminas que lo forman, produciendo una estructura que se empaqueta siguiendo a su cadena lateral. Pese a que se puede considerar no poroso, sigue siendo un material con un volumen de celda variable y su compresibilidad es mucho mayor que otros materiales basados en zeolitas. Con el objetivo de discernir qué técnicas y medio usar para los experimentos, primero debimos elegir qué medio emplear de entre los más usados medios transmisores de presión (Pressure Transmitting Medium) abreviado PTM, dentro de una celda de diamante (Diamond Anvil Cell) abreviado DAC. Esta técnica permite aplicar una presión constante y homogénea a todas las partes del cristal. Con el objetivo de permitir una recogida de datos lo más adecuada posible y evitar a la vez la amorfización de las muestras, decidimos empezar con experimentos de rayos X. Para conocer la presión de trabajo se empleó un cristal de rubí, y se comprobó que había una diferencia notable en las medidas a 3.7 GPa, atribuyéndose a una deterioración intrínseca de las condiciones quasi-hidrostáticas de los PTMs. La cristalinidad se pudo recuperar tras retirar la presión. Tras elegir al fluorinert y la mezcla metanol:agua como las que más respetaban la estructura, promoviendo una menor amorfización según aumentaba la presión, se comenzaron los experimentos bajo presión. Para los experimentos de rayos X bajo alta presión, las estructuras se fueron refinando conforme se incrementaba la temperatura, teniendo algunas limitaciones al recogerse únicamente un 30% de las reflexiones. La celda del DAC está cerrada por ambos lados para poder ejercer la presión de forma controlada, y la única parte donde se podía enfocar era por la delantera. Por este motivo, tuvimos que emplear refinamientos estructurales para ser capaces de llegar a estructuras que pudiéramos comparar. Los cambios estructurales que observamos mostraban un cambio sobre los 2 GPa, indicando una transición de fase isoestructural de segundo orden. El grupo espacial, sin embargo, no cambiaba con el incremento de presión y el volumen de la celda no mostraban ninguna discontinuidad. La información obtenida mostraba claramente que el sistema Zn(GlyTyr)2 poseía una elevada resistencia anisotrópica a la compresión. Los mayores cambios en la estructura los pudimos observar de 0 a 4 GPa, donde la transición de fase del sistema se lleva a cabo gracias a una reorganización de la esfera de coordinación de los centros de Zn(II). Este fenómeno es controlado mediante la coordinación del grupo carboxilato de la glicina, haciendo que el clúster metálico cambie de configuración geométrica. El cambio en la conectividad general del sistema se lleva a cabo por igual por todo el MOF, mediante la relajación de las capas internas de la estructura, dependiendo de ajustes en las interacciones supramoleculares en el péptido. Esta información señala que el responsable real de esta capacidad del MOF de comprimirse sin degradarse es debida a los aminoácidos, pues son capaces de reducir la distancia del puente de H que separan las capas. El péptido es el responsable de los cambios cooperativos dentro del MOF, y concretamente, es la tirosina el aminoácido que más contribuye a esa relajación estructural y mantenimiento de la estructura. Como resumen se puede concluir que gracias al péptido junto con las interacciones no covalentes del MOF, éste puede soportar las presiones externas sin llegar a la amorfización. Gracias al hecho de ser un MOF denso, podemos descartar cualquier influencia de moléculas dentro del poro o de disolvente metiéndose en el poro. En el tercer capítulo se continúa hablando de estructuras de MOFs basadas en péptidos, pero se sube un escalón en cuanto a complejidad se refiere. Así pues, se emplea el sistema Cu(GlyHisGly), basado en un tripéptido con enriquecimiento quiral y coordinado con Cu(II). Este tipo de materiales pueden ofrecer un reconocimiento quiral manteniendo simultáneamente una gran robustez, estabilidad química y porosidad. En este trabajo empleamos este sistema para separar dos fármacos frecuentemente empleados como drogas recreacionales: metanfetamina (MA) y efedrina (EP). Ambos son compuestos quirales y a nivel farmacéutico es imprescindible su separación para poder ser empleados. Para poder saber si habrá una separación verdaderamente relevante, llevamos a cabo un estudio teórico de la respuesta a los enantiómeros mediante el programa Materials Studio Simulator para realizar simulaciones con Monte Carlo. Esta aproximación nos permitió comprender verdaderamente qué rol juega el péptido al establecer una adsorción preferencial para el sito de unión más probable. Los dos enantiómeros (+,-) de la MA y EP fueron introducidos en la estructura tras haberla vaciado de disolvente. Después procedimos a estudiar las condiciones más energéticamente favorables de EP y MA, haciendo girar las moléculas de forma aleatoria y aceptando la estructura resultante sólo si era más estable que el paso anterior. Aunque la precisión del método empleado no permite hacer una predicción cuantitativa de la selectividad quiral, la simulación consiguió aproximarnos las energías indicando que la separación más efectiva sería la de EP, como resultado de las interacciones supramoleculares cooperativas que lleva a cabo. La adsorción de la (+)-EP era pues preferencial y mucho mayor que en el caso de la (+)-MA, llegando a poseer energías cerca de 13 kcal/mol. Viendo que estos resultados eran prometedores de por sí, tratamos de trasladar estas energías al plano experimental para probar las capacidades predictivas de nuestro método. La explicación de este buen resultado radica en la interconexión de los canales, la cual da lugar a una decoración de la superficie del espacio vacío con grupos carboxilatos, amida e imidazol apuntando al interior de los canales. Para realizar un primer estudio tentativo de las capacidades separativas de este MOF, comenzamos con una prueba de absorción simple en disolución. Es importante destacar que usualmente estos sistemas suelen evacuarse completamente de disolvente antes de realizar las pruebas, sin embargo, los MOFs constituidos de péptidos suelen poseer una baja estabilidad en ausencia de disolvente. Afortunadamente, el reconocimiento quiral es un proceso dinámico y la eliminación del disolvente ocupando los poros no es necesaria al ser sustituido por las moléculas a separar. Por tal motivo, nos abstuvimos de secar el MOF y se usó directamente tras un lavado para medir las retenciones. En esta primera prueba, decidimos simplemente calcular cuánto fármaco entraría dentro del MOF, midiendo el exceso enantiomérico en disolución tras un tiempo determinado. Por tanto, a una pequeña cantidad de MOF se le añadió fármaco en mezcla racémica y se midió el enriquecimiento de los enantiómeros a diferentes tiempos. Tras 1 hora en el caso de MA y 4 horas en el caso de EP se vio claramente que, mientras que la cantidad de (-)-MA y (-)-EP eran prácticamente la misma, la cantidad de (+)-MA y (+)-EP había sido reducida de manera notable. Atribuimos los largos tiempos de contacto a la composición polar de los disolventes. La retención preferencial se debe a que los fármacos quirales se estabilizan de forma diferente dentro del poro, concretamente se llega al máximo de retención que supone un 30% de exceso para la (+)-MA y 37% para la (+)-EP tras 4 y 2 horas, respectivamente. Los resultados del experimento coinciden perfectamente con las simulaciones teóricas que predicen esa diferenciación de los enantiómeros (+) en el poro quiral, ligado a las conformaciones específicas que las moléculas adoptan en el interior de los poros. Las simulaciones teóricas además predicen una separación más favorable de los enantiómeros de EP respecto a lo obtenido para la MA, y efectivamente son los resultados que muestran los experimentos. Lamentablemente, el uso de MOFs como fase estacionaria posee una gran variedad de limitaciones debido a su baja estabilidad y heterogeneidad de partículas. Esto limita en gran medida las fases móviles que pueden ser usadas con analitos polares, e incrementa la dificultad para la obtención de un empacado de las partículas dentro de la columna. Una falta de control sobre el tamaño y forma de los cristales de MOF puede dar lugar a mayores tiempos de retención, un rendimiento cromatográfico bajo y separaciones más largas. Por este motivo e inspirados por los buenos resultados hasta el momento, decidimos probar una de las separaciones más usadas en industria por su sencillez: extracción en fase sólida (solid-phase extraction) o SPE. A diferencia de las columnas usualmente más empleadas, las SPE permiten el aislamiento de los enantiómeros en lugar de una medición de la riqueza de la mezcla. El SPE permite obtener una medida cromatográfica mediante la eliminación de interferencias, además de un incremento en la concentración total y simplificación de la muestra. Empleamos esta técnica con el MOF como base en un cartucho de polipropileno de SPE y le hicimos pasar una disolución racémica de EP por el interior. En esta segunda parte decidimos concentrarnos en la EP y dejar de lado la MA ya que la primera nos dio mejor resultado en la prueba inicial, además de ser la que más sería retenida mediante la predicción teórica. En los test que llevamos a cabo, la columna quiral permitió llegar a un 54% de separación del enantiómero (+)-EP a partir de dichas muestras equimolares en 4 minutos, con una precisión totalmente satisfactoria y tiempos de retención cortos. La valoración sobre la precisión de la separación es una relación entre la distancia entre los picos y la anchura de los mismos. Estos resultados sugieren que el sistema Cu(GlyHisGly) ofrece un alto rendimiento en términos de reconocimiento estereoselectivo y de eficiencia en tiempo, para una columna de separación quiral de alta velocidad. Para acabar, con el objetivo de actuar como test de que verdaderamente es el MOF el que está actuando para establecer la separación entre enantiómeros, se realizó la misma prueba inicial pero directamente con la mezcla de Cu(II) y GlyHisGly en la misma proporción en que estaba presente en el MOF. Tras observar una diferencia inexistente en término a separación enantiomérica, pudimos concluir que ésta estaba basada en la distribución periódica de los canales quirales de la estructura del MOF, y que ésta era clave a la hora de separar ambos enantiómeros. La esencia del trabajo radica en el potencial que posee la mezcla entre teoría y experimento, permitiendo realizar tareas predictivas para maximizar las separaciones. En el capítulo 4 se trata un tema completamente diferente. Este trabajo surge de la necesidad de idear un método de inmovilización de enzimas en MOFs diferente a lo ya reportado. Pese a que hay una gran cantidad de trabajos publicados sobre este tema, todos se centran en el contenedor y no en el contenido, modifican o alteran el MOF considerando a la enzima como un bloque inmóvil. Sin embargo, una de las propiedades más importantes de las enzimas y de la mayoría de las proteínas, es que tienen la capacidad de plegarse hacia su estructura terciaria sin ninguna asistencia. Este proceso se lleva a cabo mediante “saltos” energéticos, pues las enzimas siempre se pliegan hacia la formación energéticamente más favorable, y llegar a su estado nativo es un proceso de prueba-error a nivel de residuo. Basándonos en el único estudio donde esta peculiaridad se ha aprovechado para proteínas, decidimos llevarlo a un campo tan complejo como es el de las enzimas, tratando de usar un desenhebrado parcial para introducir la enzima dentro del poro del MOF. Al permitir que una enzima cupiera por la ventana de un poro donde normalmente sería incapaz de entrar abriría un nuevo abanico de posibles MOFs y enzimas a usar, eliminamos una de las restricciones más importantes de este tipo de técnicas. El proceso se inicia cuando la enzima lleva a cabo los cambios conformaciones bajo los cuales su estructura, y por tanto tamaño, van a variar permitiendo la migración a través de las ventanas del poro hacia la superficie del cristal. Empleando este proceso natural como concepto para desarrollar este nuevo tipo de inmovilización, decidimos atrapar a la enzima dentro del poro y provocar su replegado dentro de él, evitando su posterior salida. Usar enzimas obviamente supone un reto adicional, pues su estructura nativa es la que va a dar lugar a la función catalítica, por ello escogimos una familia de enzimas especialmente robusta y de tan solo una cadena. Se trata de una proteinasa aspártica de Aspergillus saitoi, la cual tiene propiedades biotecnológicas notables, habiendo sido estudiada previamente. Por otro lado, decidimos usar el poro del MIL-101(Al)-NH2, pues sus cavidades mesoporosas son de 3.6 y 2.9 nm con ventanas hexagonales y pentagonales de 1.6 y 1.2 nm respectivamente. Esos tamaños son compatibles con el diámetro de la enzima, con un ratio cerca del 1.2, dejando un cierto espacio para que la enzima pueda volver a su estructura nativa por sí misma. El tamaño de la enzima se calculó mediante el uso de Dynamic light scattering o DLS, un aparato capaz de medir el radio de objetos en disolución, captando un diámetro medio de 2.85 nm. Además el MOF ha sido previamente empleado en aplicaciones compatibles con las condiciones biológicas y se puede adaptar a los requerimientos de las enzimas. También se comprobó que el sistema era estable en el tampón empleado durante el proceso (TRIS) y se empleó la versión funcionalizada con aminos, ya que la dicha decoración del interior de los poros ofrece un ambiente de hidrofilicidad que promueve la formación de puentes de hidrógeno. El incremento en polaridad también aumentó la dispersibilidad del MOF en la disolución acuosa. Con el objetivo de permitir a la enzima entrar dentro de la estructura a través de esa desnaturalización parcial, pensamos en usar condiciones como un ligero incremento en la temperatura y el uso de un disolvente apolar. Estas son condiciones comúnmente empleadas con este propósito, ya que mediante ellas se puede reducir el efecto hidrofóbico e incrementar la energía cinética del sistema. La nueva disposición de péptidos con una estructura alterada, cambia de forma eficaz la distribución de energías asociadas con la selección de interacciones supramoleculares, con el disolvente y entre la proteína en si misma. Esto afecta a la estructura terciaria de la enzima. Para garantizar que toda la enzima se encuentra dentro del MOF, lavamos con detenimiento el sólido resultante del proceso, empleando buffer TRIS y midiendo en el UV-Vis hasta perderse la señal. Para poder entender qué le sucede exactamente a la enzima durante este proceso, empleamos simulaciones con dinámica molecular. Se realizaron 1.0 µs de simulación donde se permitió a la enzima interactuar en los tres medios que tratamos: buffer TRIS, hexano-buffer, y el interior del MOF. Mientras pasa el tiempo, y empleando un valor estándar para el tamaño de la proteína como es la desviación media cuadrática (root mean square deviation) o RMSD, concluimos que efectivamente hay un despliegue parcial. El RMSD continúa incrementando con el tiempo hasta llegar a valores mayores en hexano que en el medio polar, tanto a 25°C como 60°C. Estos datos confirman que la enzima es únicamente capaz de ese cambio estructural mediante la combinación de ambos parámetros durante el proceso de inmovilización. En una comparación de esta estructura con la nativa, se ve claramente que la proteína sufre un despliegue en el disolvente apolar, implicando la apertura de una hendidura entre las dos subunidades enzimáticas. De hecho, estas pruebas mostraron una transformación progresiva entre hélice alfa y hojas beta hacia regiones no estructuradas con un aumento progresivo hacia regiones sin estructurar, consistiendo en aminoácidos que no forman parte de una estructura secundaria definida. Los resultados obtenidos en las simulaciones confirman que en estas condiciones somos capaces de provocar a la enzima un despliegue parcial para prepararla para esas condiciones de inmovilización. Para apoyar estos cálculos, nos propusimos obtener resultados directos del estado de la enzima, empleando a tal efecto espectroscopía de fluorescencia. Esta técnica nos permite comparar los espectros de emisión de los tres estados: proteasa libre, proteasa en el medio de incubación y proteasa dentro del MOF. Esta proteína en particular consta de aminoácidos con fluorescencia como tirosina y triptófano, y por tanto podremos saber si ha habido algún cambio en su estructura siguiendo la señal que estos residuos proporcionan. Incubar la enzima en hexano provoca un desplazamiento de la señal hacia el rojo, que se asocia comúnmente a una desnaturalización proteica, correspondiente a un cambio en el entorno de los aminoácidos hacia lo apolar (siendo un cambio reversible). Por otro lado, cuando la proteína es introducida dentro del MOF hay un cambio diferente, llevando a un shift hacia el azul lo cual indicaría un cambio hacia la polaridad. Probablemente lo que ocurra es que al interaccionar con las cavidades del MOF, la enzima no esté verdaderamente plegada en su estructura nativa, sino en algo similar. Igualmente, la inmovilización de la enzima dio lugar a un incremento en su estabilidad, pudiéndose ver su inserción por TGA, Raman, Infrarrojo y experimentos de Adsorción. El MOF permaneció estable durante todo el proceso, sin variaciones notables en el tamaño de partícula. La parte final del trabajo consistía en corroborar si ese estado intermedio en el que se encontraba la enzima era funcional, llevándose a cabo experimentos de catálisis. La reacción que se siguió consiste en la rotura del enlace peptídico de Gly-Tyr, un sustrato que se puede medir en el UV-Vis con facilidad y puede entrar por las cavidades del MOF. Una primera tanda de medidas a condiciones óptimas para la enzima mostró que la enzima en disolución era más rápida que la que estaba dentro del MOF, explicándose ya que la velocidad de difusión del sustrato es mucho mayor estando fuera del composite. Sin embargo, cuando las condiciones fueron alejadas hacia extremos en pH y temperatura, la enzima inmovilizada mostró una notable estabilidad y eficiencia. En disolución, la enzima aguanta hasta los 55°C y pH 8 antes de perder toda actividad, mientras que la mezcla de MOF y enzima llega a 105°C y pH 12. Adicionalmente, se demostró dicho incremento en la actividad gracias a la unión, mediante el reciclaje y almacenaje a temperatura ambiente mostrando actividad tras 2 semanas y 5 ciclos de uso. This thesis intends to tackle some of the most common drawbacks in the synthesis and applications of metal-organic frameworks (MOFs) through the use of biologically-derived molecules. Using the Central Dogma of the Biology a study of all the components from DNA to proteins was carried out, implementing them in the design and applications of MOFs. Chapter 1 provides an overview of the different biologically-based frameworks reported to date, their structural variety and the different synthetic strategies used to create them. Special attention was given to the increase in complexibility that goes from nucleotide to peptide and then to the incorporation of enzymes. Posteriorly, there was a description of some of the most relevant applications of these systems, and the importance in them of their biologic counterpart. Chapter 2 studies the structural response to pressure-induced stress into a peptide-based MOF. This type of external stimulus can make the structure collapse, potentially affecting the function and producing adverse effects. However, the inclusion of flexible peptides into the structure of these systems proportionate them with a response to the pressure, which can be predicted. We use a “dense” MOF in order to study the progressive change of the structure with X-ray diffraction. Chapter 3 continues the exploration of flexible peptide-based MOFs, using a more complex system for enantiomeric discrimination of recreational drugs: methamphetamine and ephedrine. This type of materials are able to provide a chiral recognition framework, allowing at the same time structural stability and porosity. Moreover, we used theoretical simulations in order to predict the separation output, being afterwards corroborated experimentally. Chapter 4 was developed to proportionate a new immobilization of enzymes inside MOFs, different to what was already reported. Previous works are centered on the scaffold and not the content, modifying or altering the MOF considering the enzyme as an immobile element. However, far from this point of view, the enzymes are in constant movement between energetically favorable conformations. Based on this concept, we developed a procedure that allowed the enzyme to partially unfold into a temporary conformation that would allow it to enter to the pore of the MOF through smaller windows. The native structure could be then regained, which functionality was confirmed through catalytic studies. This Ph.D. thesis is expected to represent a significant advancement in the development of biologically-based MOFs, intending to provide a more biological approach to a problem that has been studied mostly from the chemical point of view.

El objetivo principal de la presente tesis fue el desarrollo de nuevos materiales que sirvan de ayuda en la actual emergencia climática. De este modo, se prepararon perovskitas de banda prohibida estrecha y ancha con la intención de integrarlas en tándems, que pueden aprovechar todo el espectro solar para generar energía, en el futuro. Las perovskitas fueron preparadas mediante la técnica de sublimación, o deposición a vacío. Además, se emplearon otras técnicas que no requieren del uso de disolventes, como la mecanoquímica. A lo largo de la tesis se preparan dos perovskitas de banda prohibida estrecha, siendo una de ellas la primera perovskita basada en plomo y estaño sintetizada mediante sublimación. Además, también se sintetizó una perovskita con la banda prohibida ideal. Finalmente, se preparó una perovskita de banda prohibida ancha y se estudió su formación mediante distintas técnicas a vacío para comprender mejor cómo la deposición afecta a la segregación de haluros.

En los pasados 50 nuestro mundo ha experimentado unos avances tecnológicos sin precedentes en la historia. Entre los múltiples motivos de esto, uno de los más importantes es la progresiva miniaturización de componentes electrónicos, que ha permitido la obtención de dispositivos cada vez más pequeños, eficientes y baratos. In este sentido los materiales utilizados típicamente para estos fines, especialmente el Silicio, están llegando a un plateau en lo que a eficiencia con respecto a su miniaturización se refiero. Esto es debido a que sus propiedades se ven gravemente afectadas cuando sus dimensiones son reducidas. Una solución muy interesante para sobrepasar esta limitación podría ser el desarrollo de materiales moleculares como componentes activos de estos dispositivos. Debido a su naturaliza molecular pueden conservar sus propiedades intactas incluso a escala monomolecular, representando el máximo exponente en el desarrollo de tecnologías a la nanoescala. Por este motivo el objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo de materiales híbridos, basados en materiales moleculares, cuyos componentes combinados den lugar a una modulación o incluso la aparición de nuevas propiedades, y que finalmente puedan emplearse en dispositivos electrónicos. Además, eligiendo apropiadamente los materiales que se combinan también se pueden desarrollar materiales multifuncionales que sean útiles para otros fines. Teniendo esto en mente, durante esta tesis doctoral se desarrollaron tres tipos de híbridos moleculares basados en componentes de distintas dimensionalidades. En primer lugar, en la parte I de la tesis se sintetizaron híbridos moleculares basados en oligopéptidos Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 227 de 1.6 nm de diámetro coordinado diferentes cationes sobre superficies metálicas, oro, y ferromagnéticas, oro/niquel, buscando el uso de estas moléculas como filtros de spin en espintronica. Es bien sabido que los electrones en movimiento son sistemas quirales, de forma que cuando interactúan con otros sistemas quirales interesantes fenómenos ocurren. Uno de los más interesantes para el desarrollo de dispositivos electrónicos es el acoplamiento de la quiralidad del electrón debido a su espín con la quiralidad de las biomoléculas, derivada de su helicidad. Debido a que los electrones fluyen a través del cuerpo central de este tipo de biomoléculas helicoidales, la quiralidad de esta puede acoplar con el espín del electrón, especialmente si la molécula esta apropiadamente orientada, facilitando el paso de corriente en un sentido para un determinado espín (espín-arriba o abajo). Con esto se pueden conseguir corrientes polarizadas en espín, pudiendo convertirse en perfectos filtros de espín para dispositivos spintronicos. Desde su descubrimiento este efecto ha sido conocido como chiral induce spin selectivity, efecto CISS, y aunque es un efecto interesante y con aplicaciones claras, su eficiencia se encuentra aun muy por debajo de los requisitos que demandan los dispositivos espintronicos actuales. Por este motivo en esta parte de la tesis nos centramos en intentar mejorar el filtrado de espín de un oligopéptido perteneciente a una familia de biomoléculas llamadas Lanthanide Binding tags (LBT) coordinándolo con diferentes cationes metálicos y estudiamos el rol del catión coordinado en el filtrado de espín del sistema. El motivo por el que la presencia de atamos pesados, el catión coordinado por la biomolécula debería afectar al filtrado Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 228 de espín es debido a que la interacción del electrón circulando por la cadena debería incrementarse al introducir elementos con un gran peso atómico. Con este fin decidimos usar dos tipos de cationes para coordinar a la biomolécula, Y3+ y Tb3+, los cuales presentan diferentes pesos atómicos (Z=39 y 65, respectivamente) pero la misma carga y coordinan de forma análoga. También presentan propiedades magnéticas completamente diferentes, siendo el primero diamagnético (S=0) y el segundo paramagnético (S=5/2), esto añade otro grado de libertad al sistema, obteniendo diferentes comportamientos magnéticos, que, además, idealmente pueden llegar a jugar también un rol en el filtrado de espín. Con esto en mente, lo primero que hicimos fue seleccionar el oligopéptido adecuado de la familia de los LBT, y para nuestros fines decidimos usar la siguiente secuencia YIDTNNDGWYEGDELC. Este oligopéptido presenta múltiples carbonilos terminales que coordinan fuertemente cationes como el Y3+ y el Tb3+, además de presentar una intensa luminiscencia en el caso de la coordinación con el Tb3+, lo puede usarse para demostrar la formación del complejo. El péptido presenta también 1.5 hélices, de forma que por su carácter helicoidal es capaz de filtrar espines, pero además presenta una cisteína terminal, cuyo grupo SH terminales es idóneo para anclar el péptido a superficies metálicas (gracias a la fuerte interacción de los S a metales). Después de elegir el péptido adecuado diseñamos el entorno químico adecuado para que los diferentes cationes pudieran ser coordinado por la molécula, y en el caso del complejo de Tb3+ lo comprobamos siguiendo la intensa luminiscencia que presenta a 550 nm Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 229 después de su coordinación y lo llamamos TbLBT. Una vez se obtuvo el complejo en disolución se procedió a su anclaje en un sustrato de oro. Este paso se realizo para estudiar la estructura que adquiría el péptido una vez se depositaba en una superficie, siendo esto la antesala a la producción de un dispositivo espintronico real, y se eligió el oro como punto de anclaje por los fuertes enlaces que forma con el S. Después de la incubación toda la noche del sustrato de oro en una disolución del complejo de TbLBT pudimos demostrar la presencia de péptido en la superficie metálica por MALDI-TOF, donde se puedo distinguir el fragmento completo del péptido, y la presencia del péptido fue demostrada por XPS, donde los característicos picos Tb3d eran perfectamente visibles. Para demostrar que la coordinación se había mantenido en nuestro sustrato de oro recubierto estudiamos la luminiscencia del mismo, observando una ligera emisión de luz proveniente del sustrato que demostraba la presencia de Tb3+ coordinados por el péptido. Todas estas pruebas sugieren fuertemente que nuestro protocolo sintético permite el recubrimiento de sustratos de oro con TbLBT sin afectar ni la estructura ni la coordinación del sistema, desde ahora el sustrato de oro modificado con el complejo será llamado Au/TbLBT. Después estudiamos el porcentaje de recubrimiento y la topografía del sustrato mediante QMCD y AFM. El QMCD nos permitió estimar que la incubación del sustrato en la disolución del TbLBT daba lugar a monocapas de péptido en el sustrato metálico. Esta caracterización estaba en consonancia con las medidas de AFM de la topografía, donde no se veían cambios apreciables en la rugosidad del sustrato después del Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 230 recubrimiento, lo cual indica que el empaquetamiento de las moléculas es tan eficiente que no se puede distinguir de la rugosidad del sustrato. Todo esto también fue corroborado con técnicas más sofisticadas como el XPS, donde el pico Au4f del oro se investigó antes y después de haber eliminado la monocapa de complejo mediante exposición a un tratamiento de Ar. De acuerdo con el aumento de la intensidad del oro, el complejo forma una monocapa de 1.6 nm, lo cual cuadra perfectamente con el tamaño del péptido, se pudo estimar. Una vez se demostró que se podía anclar el TbLBT sobre superficies metálicas, procedimos a anclarlo a una superficie ferromagnética para estudiar su potencial como filtro de espín. Como superficie ferromagnética elegimos un sustrato de Ni recubierto con Au 5 nm de oro. El Au juega en este sistema un doble papel, por un lado, sirve como superficie ideal de anclaje para le péptido, mientras que protege al Ni de oxidarse. El crecimiento se realizado de forma análoga al sustrato de Au pero en atmosfera inerte, obteniendo el sistema llamado Ni/Au/TbLBT o Ni/Au/YLBT, dependiendo del complejo usado para modificar el sustrato ferromagnético. Después del recubrimiento del Ni/Au con los diferentes complejos estudiamos la eficiencia de estos como filtros de espín mediante dos técnicas la primera basada en procesos electroquímicos y la segunda en conductividad eléctrica en estado sólido. En el primer caso estudiamos la oxidación y reducción de una disolución de Fe2+/Fe3+ donde el Ni/Au/TbLBT o Ni/Au/YLBT se usaron como electrodos de trabajo Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 231 mientras se le aplicaba un campo magnético externo. De esta forma introducíamos electrones polarizados en espín a través del sustrato los cuales al presentar la misma quiralidad el TbLBT experimentarían menor resistencia y favorecieran la reducción y oxidación de los Fe, presentando picos Redox más intenso y más cercanos a potenciales de 0V. De hecho estas medidas indicaron que en efecto ambos complejos presentaban una modesta polarización de espín, donde los espines abajo tienen la misma quiralidad que la biomolécula, exhibiendo los picos REDOX más intensos. Remarcablemente, el sistema de Ni/Au/TbLBT presentaba una polarización de espín un 1% mayor que su análogo de Y. Para descartar que esto pudiera ser debido a degradación o a un error sistemático en estas medidas por la agresividad de los altos voltajes empleados, se estudio este mismo sistema mediante EIS, la cual permite seguir el mismo proceso REDOX, pero a voltajes ordenes de magnitud menores. Los resultados obtenidos por EIS encajaban perfectamente con los obtenidos por las típicas voltamperometrías cíclicas, confirmando que el cation juega un rol en el filtrado de la monocapa. Finalmente, se midió la conductividad en función del campo magnético externo de ambos sistemas usando un contacto líquido, para minimizar cortocircuitos. Los resultados obtenidos, una vez soportaban el papel no inocente del catión coordinado, presentando un filtrado de espín del 70% para el Ni/Au/TbLBT y un 50% para el Ni/Au/YLBT. Como se puede ver en este caso el filtrado obtenido es de 1 orden de magnitud más que los registrados por electroquímica. Esto es debido al carácter local de estas medidas. Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 232 En el futuro se investigará más en profundidad el efecto de las propiedades magnéticas del catión en la selectividad de espín, diseñando complejos de Fe2+ que pueden pasar de un estado paramagnético a diamagnético con la aplicación de estímulo externo y así poder investigar el rol del magnetismo para un peso atómico constante. La parte II pasa de sistemas molecular (parte I), a un tipo muy particular de polímeros de coordinación 1D que presentan el llamado fenómeno de la transición de espín. El objetivo de esta parte fue la síntesis de estructuras core@shell basadas en compuestos de transición de espín para modificar o mejorar su rendimiento físico. La transición de espín es uno de los fenómenos moleculares más espectaculares, donde un complejo de coordinación de un metal de transición del grupo d4-d7 puede estar en dos estados electrónicos, llamados bajo espín (LS) y alto espín (HS) diferentes en un mismo rango de un estímulo externo, como temperatura, luz, moléculas de gases o presión (a esto se le llama cooperatividad). Ambos estados electrónicos exhiben propiedades físicas completamente diferentes. Por ejemplo, la conductividad del HS difiere dramáticamente del LS, o el tamaño del HS puede ser hasta un 10% mayor que en el LS, debido a la elongación de los enlaces entre el metal y el ligando por el llenado de orbitales antienlazantes. Esto hace que sean sistemas muy interesantes como interruptores moleculares, no obstante, hay algunos impedimentos que hay que superar antes de poder usarlos en dispositivos reales. Los dos problemas que enfrentamos en esta tesis son su fragilidad frente a oxidación o degradación y su carácter aislante. Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 233 El primer punto es un problema general a todos los compuestos de transición de espín, ya que al nanoestructurarlo el número de centros metálicos en la superficie aumenta, y puestos que estos son metales con esferas de coordinación incompletas son altamente reactivos y fácilmente oxidables. Además, las miniaturización afecta a la cristalinidad del sistema eliminando la cooperatividad del sistema. Para mejorar esto una de las mejores opciones es el recubrimiento de las nanoestructuras de transición de espín con caparazones de silica para aumentar su robustez. Algunos trabajos en esta línea ya se desarrollaron anteriormente a esta tesis, y aquí nos dedicamos a explorar en detalle el protocolo sintético para obtener estas nanoestructuras corazón@caparazón, basadas en un corazón de transición de espín y un caparazón de silica, y poder modular el tamaño de la partícula total y de cada uno de sus componentes, el corazón y el caparazón. Como sistema de transición de espín elegimos el ampliamente conocido [Fe(Htrz)2(trz)](BF4), el cual es presenta una transición de espín muy cooperativa, una histéresis de 40 K, encima de temperatura ambiente. Además el recubrimiento de nanopartículas de este sistema con silica ya fue reportado, sirviéndonos como punto de partida de esta parte de la tesis. La síntesis de la nanoestructura corazón@caparazón se hizo mediante la técnica de la micela inversa, donde dos emulsiones una con el ligando y otra con el metal se juntan y se dejan reaccionar. En este protocolo las micelas actúan como nanoreactores controlando el crecimiento de las nanoestructuras. Para sintetizar las [Fe(Htrz)2(trz)](BF4)@SiO2 juntamos una emulsión de Fe(BF4)2 y TEOS con otra de HTrz y TEOS. En este caso el TEOS actúa como precursor del SiO2 reaccionando al contactar la fase Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 234 acuosa de las emulsiones. El control del tamaño de las nanopartículas resultantes se consiguió modificando el tiempo de reacción y el ratio agua: surfactante, consiguiendo nanopartículas de entre 28 nm a 90 nm. Además, pudimos obtener un caparazón mucho más fino que los reportados (12 nm en anteriores publicaciones, en esta tesis 4 nm) jugando con la cinética de la polimerización del TEOS. La estructura de las diferentes nanopartículas se estudió por difracción de rayos X de polvo y TGA, demostrando que la estabilidad de las nanopartículas era la misma que el material en masa. Finalmente se estudió el comportamiento magnético de las diferentes nanopartículas, observando que la cooperatividad se mantenía incluso para las más pequeñas, aunque es cierto que la histéresis se veía afectada por encogimiento, siendo de 20 K para las nanopartículas más pequeños. Esto indica que el caparazón formado no es rígido como se pensaba si no flexible, de forma que aunque proteja de la oxidación y aumente la estabilidad del corazón, no parece tener un efecto determinante en la cooperatividad del [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) sintetizado bajo nuestras condiciones sintéticas. El segundo punto mencionado previamente, el carácter aislante eléctricamente hablando del material, se enfrente de sintetizando un hibrido entre el compuesto de transición de espín [Fe(Htrz)2(trz)](BF4) y nanopartículas de oro, de forma que la alta conductividad eléctrica del oro pueda aumentar la respuesta electrónica del compuesto de transición de espín. De forma que diseñamos un protocolo sintético para obtener una estructura corazón@caparazón con un corazón de oro y un caparazón de [Fe(Htrz)2(trz)](BF4). Este fue un enfoque totalmente novedoso, ya que, al Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 235 momento de la publicación del trabajo derivado de esta parte de la tesis, no había ningún sistema reportado de este tipo. Si que habían reportados trabajos donde se anclaban nanopartículas de oro a nanopartículas de transición de espín, pero todos estos sistemas presentaban pobres sinergias, además de no poder caracterizarse eléctricamente por el contacto entre oros. De hecho, el uso habitual de estas nanopartículas de transición de espín decoradas con oro era el aprovechamiento del efecto fototérmico del oro para inducir la transición de espín mediante irradiación a bajas potencias. En nuestro caso pensamos en la síntesis de una nanoestructura corazón@caparazón para maximizar la interacción entre ambos componentes. El protocolo sintético esta basado en un proceso de dos etapas. La primera etapa consiste en la sustitución parcial del recubrimiento de citratos que tienen las nanopartículas de oro por Htrz. De esta forma estos Htrz se anclan al oro por la presencia de los grupos amino del Htrz. Estos Htrz actúan como centros de nucleación, donde después de la adición alternativa de Fe2+ y más Htrz acaban dando lugar a un recubrimiento homogéneo y progresivo de la nanopartícula de oro por el compuesto de transición de espín [Fe(Htrz)2(trz)](BF4), llamado Au@SCO. Con este protocolo y jugando con los tiempos de reacción o concentraciones de precursores, caparazones de 2-4 nm pueden obtenerse rodeando las nanopartículas de oro. Desafortunadamente, debido a la gran exposición del fino caparazón al exterior una rápida oxidación ocurre durante la síntesis, dando lugar a un 8% de centros metálicos susceptibles de transitar entre los dos estados de espín. Además, mediante varios ciclos de Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 236 calentamiento y enfriamiento para inducir sucesivas transiciones de espín pudimos observar que el material sufría de una enorme fatiga, disminuyendo aún más con cada ciclo el número de centro metálicos susceptibles de transitar. Una vez el Au@SCO estaba completamente caracterizado, se preparó un dispositivo para estudiar la respuesta eléctrica de este en función de la temperatura. Para ello las nanopartículas fueron depositadas en electrodos Inter digitados mediante dielectroforesis, técnica que permite atrapar nanoestrucuturas entre electrodos mediante la aplicación de una corriente alterna. Tras obtener un contacto óptico, pudimos medir una corriente de unos pocos nA a voltajes muy bajos, obteniendo una respuesta eléctrica muy superior a todos los demás sistemas reportados hasta la fecha de spincrossover. Esto esta claramente relacionado con la alto conductividad que proporciona el corazón de oro. Además se pudo ver como al calentar por encima de la temperatura de transición una abrupta caída en al corriente registrada se observa y al enfriar a la temperatura de recuperación del LS, esta volvía a su valor inicial. Dibujando claramente la histéresis típica de este compuesto de transición de espín. Posteriormente este protocolo sintético fue expandido a otras nanoformas, y no solo a nanopartículas de oro, si no también a nanoestrellas de Au. Usar estrellas tiene varias ventajas respecto a las típicas esferas, por un lado, sus propiedades ópticas son mucho más ricas, abriendo nuevas posibilidades para estudiar el efecto de la transición de espín sobre el plasmon del Au. Por otro lado, estas nanoformas de Au son coloidalmente mucho más estables, al estar estabilizadas con polímeros voluminosos, Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 237 permitiendo el trabajar en concentraciones mucho mayores y pudiendo escalar la síntesis o crecer un caparazón más gordo. Con esta idea en mente conseguimos sintetizar un caparazón de unos 14 nm, que como el DSC mostraba no presentaba ningún tipo de degradación después de los primeros ciclos. En el futuro esta síntesis se expandirá a otras nanoformas (nanotriángulos o nanorods) o incluso materiales (plata) y se estudiará el efecto fototérmico de la nanoestructura plasmonica sobre la transición de espín, buscando obtener transiciones de espín a temperatura ambiente. Finalmente, la parte III traslada esta tesis a planilandia, estudiando el uso de nanopartículas de transición de espín como actuadores mecánicos para estresar materiales 2D y así poder modular sus propiedades físicas. Los materiales 2D son compuestos que pueden ser estabilizados como mono o pocas capas presentando fenómenos de confinamiento cuántico. Por esto presentan propiedades físicas muy exóticas, como el grafeno que es un semimetal in contraste con el grafito. Desde el punto de vista del estrés mecánico, los materiales semiconductores son especialmente sensibles a este, de forma que elegimos como material 2D para estresar el MoS2. Este esta formado por lamines de Mo encapsuladas con dos laminas de S. Lo interesante de este material es que en masa el MoS2 es un semiconductor indirecto con un ancho en su estructura de bandas de 1.2 eV, mientras que al exfoliarse hasta la monocapa cambia su comportamiento y pasa a ser directo con un ancho de banda de 1.9 eV. Remarcablemente es especialmente sensible al estrés mecánico, y por ese motivo varios estudios se han hecho estresando el material por medios mecánicas aplicando tensión directamente con un AFM o con sustratos flexibles. En Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 238 esta tesis planteamos una aproximación totalmente diferente, basada en el uso del cambio de volumen que experimentan las nanopartículas de transición de espín para estresar MoS2 exfoliado mecánicamente y producir un material auto-estresable. La preparación de la heteroestructurar transición de espín/MoS2 (SCO/MoS2) se realizó mediante la modificación química del MoS2 para después anclar las nanopartículas mediante una molécula puente anclada al compuesto 2D y al de transición de espín. Como compuesto de transición de espín utilizamos las nanopartículas sintetizadas en la parte II de [Fe(Htrz)2(trz)](BF4)@SiO2. La ventaja de este sistema es la presencia del caparazón de silica que es fácilmente funcionalizable, y que usaremos para anclar la nanopartícula al MoS2. Por otro lado, el MoS2 se exfolio químicamente mediante la intercalación con n-BuLi, la cual produce nanohojas de μm de dimensiones laterales y entre 1-6 nm de espesor. No obstante debido a la donación de carga provocada por el n-BuLi el MoS2 cambia de politopo, pasando del termodinámicamente estable 2H al metaestable 1T. Este cambio de fase aumenta la reactividad del plano basal del MoS2 permitiendo que reaccione fácilmente con electrófilos. En esta tesis nos aprovechamos de esto para hacer reaccionar el MoS2 exfoliado con IPTS, una molécula con un enlace C-I, cuyo carbono es altamente electrófilo y por ende susceptible de reaccionar con el MoS2, y un grupo funcional silanol que puede reaccionar covalentemente con el caparazón de silica de las nanopartículas [Fe(Htrz)2(trz)](BF4)@SiO2. De esta forma la decoración del MoS2 con [Fe(Htrz)2(trz)](BF4)@SiO2 se puede conseguir fácilmente. De hecho, modificando ligeramente el protocolo Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 239 pudimos jugar con el porcentaje de recubrimiento (50%, 80% y 100% de recubrimiento) o anclar nanopartículas de diferentes tamaños (40 y 70 nm) y de esa forma jugar con la presión aplicada por el compuesto de transición de espín. El politopo del MoS2 después de la decoración fue estudiado cuidadosamente por múltiples técnicas (XPS, XAS, Raman, medidas de fotoluminiscencia) y todas ellas indican que la fase semiconductora se recupera después de la funcionalización con el IPTS, sugiriendo que la molécula es capaz de sustraer el exceso de carga negativo donado por el n-BuLi. Finalmente se investigo el efecto de la transición de espín en el MoS2 mediante el estudio de la conductividad eléctrica de las diferentes heteroestructuras, con diferentes recubrimientos y tamaños, en función del estado de espín de las nanopartículas. Enfocándonos en la heterostructura hecho con nanopartículas de 40 nm con diferentes recubrimientos podemos ver comportamientos completamente diferentes para las tres muestras. La primera con 50% de recubrimiento presenta una alta conductividad eléctrica (compatible con un MoS2 funcionalizado) pero sin ningún tipo de dependencia con el estado de espín, indicando que el estrés es insuficiente para afectar al MoS2. La segunda muestra con 80% de recubrimiento es un poco más aislante, debido al mayor número de nanoparticulas en la heteroestructura, pero en este caso una clarísima dependencia con el estado de espín se puede observar, donde al contrario de las nanopartículas el HS es más conductor que el LS, además de que presenta varios ordenes de magnitud mayor conductividad eléctrica. Este seria el escenario ideal, donde las nanopartículas están estresando al MoS2 Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 240 y alterando su comportamiento eléctrico, presumiblemente por estar modificando su estructura de bandas y acercando el máximo de la banda de valencia y el mínimo de la de conducción. Pasando ahora a la muestra con el 100% de recubrimiento, en este caso observamos un comportamiento análogo a las nanopartículas solas, indicando que en este caso el recubrimiento es demasiado grande y el MoS2 está aislado por las nanopartículas. De forma que se observó que el ratio optimo para obtener una respuesta adecuada era 80%, así que la decoración con las nanopartículas de 70 nm se hizo buscando este mismo recubrimiento. En este caso al medir la conductividad eléctrica con la temperatura se observo un comportamiento similar a su análogo con 40 nm, pero con unas diferencias en conductividad entre el LS y el HS muy superior a lo registrado con las nanopartículas de menor tamaño. Sugiriendo que de hecho al ser más grandes son capaces de transmitir el estrés al 2D más eficientemente. De acuerdo a estimaciones teóricas la tensión sentida por el MoS2 con las nanopartículas de 40 nm era de ̴0.2%, mientras que para las de 70 nm de ̴0.6%, Para comprobar estos resultados se investigo la fotoluminiscencia de las heteroestructura optimas con 40 y 70 nm en función del estado de espín, para cuantificar directamente el cerramiento de las bandas del MoS2. Los resultados obtenidos coincidían perfectamente con lo medido eléctricamente, obteniendo un estrés aproximado del ̴0.1% para las nanopartículas de 40 nm y un ̴0.6% para las de 70 nm. Corroborando que Nanomaterials based on magnetic switchable molecules for hybrid devices 241 los cambios observados en las propiedades eléctricas del 2D son debidos a la alteración de la estructura de bandas del MoS2 causada por la tensión aplicada por las nanopartículas después de cambiar su estado de espín. En el futuro este protocolo se expandirá a otros 2D que puedan ser más sensibles al estrés o a 2D exfoliados mecánicamente que tienen menos defectos y por lo tanto los efectos mecánicos serán más eficientes.

The charge density wave (CDW) state in van der Waals systems shows interesting scaling phenomena as the number of layers can significantly affect the CDW transition temperature, $T_{CDW}$. However, it is often difficult to use conventional methods to study the phase transition in these systems due to their small size and sensitivity to degradation. Degradation is an important parameter which has been shown to greatly influence the superconductivity in layered systems. Since the CDW state competes with the onset of superconductivity, it is expected that $T_{CDW}$ will also be affected by the degradation. Here, we probe the CDW phase transition by the mechanical resonances of suspended 2H-TaS2 and 2H-TaSe2 membranes and study the effect of disorder on the CDW state. Pristine flakes show the transition near the reported values of 75 K and 122 K respectively. We then study the effect of degradation on 2H-TaS2 which displays an enhancement of $T_{CDW}$ up to 129 K after degradation in ambient air. Finally, we study a sample with local degradation and observe that multiple phase transitions occur at 87 K, 103 K and 118 K with a hysteresis in temperature in the same membrane. The observed spatial variations in the Raman spectra suggest that variations in crystal structure cause domains with different transition temperatures which could result in the hysteresis. This work shows the potential of using nanomechanical resonance to characterize the CDW in suspended 2D materials and demonstrate that degradation can have a large effect on transition temperatures., The following article has been accepted by Applied Physics Letters. After it is published, it will be found at [https://doi.org/10.1063/5.0051112]

Les partícules portadores basades en biopolímers són biocompatibles i ofereixen la capacitat d’incorporar agents actius hidròfils i hidròfobs. La incorporació d’un fàrmac en una matriu polimèrica pot millorar-ne la protecció contra la degradació en mitjans fisiològics severs. A més, pot controlar-ne l’alliberament al lloc d’acció específic, amb una biodisponibilitat terapèutica augmentada i efectes secundaris o toxicitat minimitzats. Aquesta tesi presenta la preparació de diferents sistemes híbrids de polisacàrids per a encapsular substàncies hidròfiles, que posteriorment són alliberades. Es preparen portadors que varien de mida macroscòpica a nanomètrica mitjançant diferents mètodes: gelificació ionotròpica, assecat per polvorització i tècniques de nanoemulsió. El quitosà i l’alginat s’utilitzen com a polímers de matriu i la sílice s’aplica com a additiu estructurant. En la primera part del treball es prepara un gel macroscòpic orgànico-inorgànic mitjançant un procés simple que implica una gelificació ionotròpica i s’investiga l’eficiència del mètode per a incorporar molècules hidròfiles (sal disòdica d’erioglaucina i clorhidrat d’efedrina). L’alliberament de les substàncies encapsulades es controla adaptant l’estructura de la xarxa híbrida. El segon enfocament implica la preparació de microcàpsules usant gelificació ionotròpica seguida d’assecat per polvorització. En aquest procés, que és ràpid i continu, el líquid inicial es transforma en partícules seques. S’estudia el comportament d’alliberament de fàrmacs hidròfils i es compara amb els resultats obtinguts en la primera part per a partícules macroscòpiques. D’altra banda, les micropartícules biopolimèriques es carreguen amb ions Pd(II) i, després de la reducció a Pd(0), s’apliquen com a catalitzadors per a una reacció model, la reducció de 4-nitrofenol mitjançant borhidrur de sodi. El tercer enfocament consisteix en la preparació d’un nanogel orgànico-inorgànic mitjançant dos mètodes diferents de nanoemulsió inversa. El primer mètode, en el qual intervé una sola nanoemulsió, és un procés en què s’obtenen nanopartícules de quitosà quan es produeix la difusió d’un agent entrecreuant a una nanoemulsió que conté una dissolució de quitosà en la fase dispersa. En el segon mètode, es mescla una nanoemulsió de polisacàrid amb una segona nanoemulsió d’un agent entrecreuant. Es forma un nanogel després de la fusió de les gotetes de les dues nanoemulsions. En els sistemes preparats pels tres enfocaments, les nanoestructures de sílice s’incorporen de manera homogènia dins de la matriu del polímer. El comportament de l’alliberament depèn del mètode de preparació, de la mida de les estructures i de la presència o no de sílice. Amb caràcter general, es pot concloure que la sílice té un paper molt important tant en l’augment de l’estabilitat estructural dels portadors d’hidrogel com en el retard de l’alliberament en diferents medis. Biopolymer-based carrier particles are biocompatible and offer the ability to incorporate hydrophilic and hydrophobic active agents. The incorporation of a drug into a polymeric matrix can enhance its protection against degradation in harsh physiological media. In addition, it can control the release to the specific site of action, with increased therapeutic bioavailability and minimized side effects or toxicity. This thesis presents the preparation of different polysaccharide hybrid systems for encapsulating hydrophilic substances, which are subsequently released. Carriers ranging from macroscopic to nanometric size are produced by different methods: ionotropic gelation, spray drying, and nanoemulsion techniques. Chitosan and alginate are used as matrix polymers and silica is applied as a structuring additive. In the first part of the work, an organic–inorganic macroscopic gel is prepared by a simple process involving ionotropic gelation, and the efficiency of the method for entrapping hydrophilic molecules (erioglaucine disodium salt and ephedrine hydrochloride) is investigated. The release of the encapsulated substances is controlled by tailoring the hybrid network structure. The second approach involves the preparation of microcapsules by using ionotropic gelation followed by spray drying. In this process, which is fast and continuous, a liquid feed is transformed into dry particles. The release behavior of hydrophilic drugs is studied and compared with the results obtained in the first part for macroscopic particles. In addition, the biopolymer microparticles are loaded with Pd(II) ions and, after reduction to Pd(0), applied as catalysts for a model reaction, namely the reduction of 4 nitrophenol by sodium borohydride. The third approach consists in the preparation of an organic–inorganic nanogel by two different inverse nanoemulsion methods. The first method is a “one-nanoemulsion” process in which chitosan nanoparticles are produced by allowing the diffusion of a cross-linking agent to a nanoemulsion containing a solution of chitosan in the dispersed phase. In the second method, a polysaccharide nanoemulsion is mixed with a second cross-linking nanoemulsion. A nanogel is formed after fusion of the droplets of the two nanoemulsions. In the systems prepared by the three approaches, silica nanostructures are homogeneously incorporated within the polymer matrix. The release behavior depends on the preparation method, the size of the structures, and the presence or not of silica. Overall, it can be concluded that silica plays a very important role in both increasing the structural stability of the hydrogel carriers and retarding the release in different media.

La principal motivación de esta tesis doctoral es el análisis de biomarcadores basados en moléculas pequeñas de relevancia en el periodo neonatal, específicamente, en situaciones de asfixia perinatal y estrés oxidativo. Se han desarrollado métodos analíticos novedosos y se han adaptado para lidiar con los retos que suponen las muestras en neonatología, empleando enfoques mínimamente invasivos y pequeñas cantidades de muestra. Se han implementado diferentes procesados de muestra para el análisis de orina, sangre y leche humana como la extracción en fase sólida y diferentes tipos de desprotenización. Los métodos analíticos desarrollados están basados en: cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas tándem (LC-MS/MS) para el análisis de biomarcadores relacionados con la síntesis de fosfolípidos, biomarcadores de daño oxidativo a ADN, proteínas y lípidos; cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS) para el análisis de biomarcadores del metabolismo energético; espectroscopía Raman amplificada por superficies (SERS) para el análisis de glutatión. Los diferentes métodos desarrollados se han aplicado con éxito en la evaluación temprana de la asfixia perinatal, el análisis de los compuestos relacionados con el metabolismo energético bajo tratamiento de hipotermia terapéutica, el análisis de nuevos biomarcadores de peroxidación lipídica después de la asfixia perinatal, el análisis del estrés oxidativo en leche materna, y el análisis directo de glutatión en micromuestras de sangre. Por tanto, se ha demostrado la aplicabilidad potencial de las tecnologías analíticas avanzadas en la toma de decisiones clínicas. The main motivation of this PhD thesis is the assessment of small molecule biomarkers with relevance in the neonatal period, and more specifically, in situations of perinatal asphyxia and oxidative stress of the newborn. Novel analytical methods have been developed and tailored to deal with the limitations of sampling in the neonatal population, employing minimally invasive approaches and small sample amounts. Different sample pre-processing steps are implemented within the workflows for the analysis of urine, blood, and human milk including Solid Phase Extraction and different deproteinizations. The employed analytical methods are based on Liquid Chromatography-tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) for the analysis of phospholipid synthesis-related biomarkers, DNA & protein oxidative damage compounds, and lipid peroxidation products; Gas chromatography-Mass spectrometry (GC-MS) for the analysis of biomarkers of the energy metabolism; and Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for the analysis of glutathione. The different developed methods have been successfully applied in the early assessment of severity of perinatal asphyxia, the analysis of the energy metabolism-related compounds under therapeutic hypothermia treatment, the analysis of novel lipid peroxidation biomarkers after perinatal asphyxia, the analysis of oxidative stress in human milk, and the direct analysis of glutathione in blood microsamples. Therefore, it has been demonstrated the potential applicability of the advanced analytical technologies into the clinical decision-making.

La contaminación ambiental es un problema tanto local como global de gran importancia en la actualidad. En concreto, la contaminación urbana es uno de los principales peligros para la salud humana, y en especial para la salud de la piel, lo que ha provocado un incremento de la concienciación y la preocupación con respecto a los niveles de contaminación en aire. La aparición de cosméticos antipolución, destinados a combatir estos efectos negativos sobre la salud humana, es el resultado de dicha preocupación. Sin embargo, el desarrollo de metodologías analíticas adecuadas para la evaluación de su efectividad es un gran desafío. Por ello, la presente Tesis se centra en el desarrollo de métodos analíticos para la evaluación de la efectividad de cosméticos antipolución frente a dos grupos principales de HAPs (Hazardous Air Pollutants): los VOCs (Volatile Organic Compounds) y los compuestos presentes en el humo de tabaco. Para ello, se ha llevado a cabo el diseño, desarrollo y puesta a punto de una cámara de simulación que permite la generación de atmósferas contaminadas controladas en su interior, tanto en condiciones de infinitas como en condiciones de dosis finitas y semi-infinitas. Se ha diseñado y desarrollado una celda vertical de Franz modificada para evaluar la permeabilidad de HAPs en fase gas en el interior de la cámara de simulación. Además, se ha desarrollado y validado una metodología analítica para la evaluación de la absorción dérmica y la efectividad de cosméticos antipolución y materias primas empleadas para su desarrollo, frente a diferentes HAPs, basada en el uso de membranas Strat-M® como simulantes de piel humana. Para ello, empleando la cámara de simulación en condiciones de dosis infinitas de HAPs, se han llevado a cabo estudios de absorción dérmica mediante la introducción de las celdas de Franz modificadas en el interior de la cámara de simulación durante distintos períodos de exposición. Posteriormente, se analizaron las disoluciones receptoras mediante GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry), para así determinar la cinética de los HAPs evaluados a través de simulantes de piel. La efectividad antipolución de los cosméticos evaluados, se demostró mediante la evaluación estadística de los parámetros de permeabilidad (J y tlag) obtenidos para controles y muestras problema. Por otro lado, se ha diseñado una máquina de fumar que permite la combustión de tres cigarrillos de forma simultánea, siendo capaz de opera en condiciones de dosis finita o semi-infinita en el interior de la cámara tras una serie de modificaciones de la misma. Se ha desarrollado una metodología analítica, versátil y adaptable para evaluar la absorción dérmica de contaminantes presentes en humo de tabaco, así como la efectividad de cosméticos antipolución, mediante la determinación y comparación de la concentración de los contaminantes seleccionados en la disolución receptora y membranas Strat-M® en muestras control (sin cosmético) y muestras de cosméticos. Se ha demostrado que los productos cosméticos antipolución con un mayor porcentaje de surfactantes y materiales poliméricos formadores de barrera, así como la presencia de polisacáridos de elevado peso molecular, y de partículas minerales capaces de adsorber compuestos orgánicos en su superficie, poseen una efectividad antipolución más elevada.

La presente Tesis Doctoral contempla dos grandes líneas de actuación. La primera de ellas consiste en la síntesis, caracterización y modificación de materiales porosos para su uso como sorbentes en técnicas miniaturizadas de extracción en fase sólida (Solid-Phase Extraction, SPE) de analitos de interés biológico y medioambiental (fármacos, péptidos, proteínas, y contaminantes) utilizándose para ello diferentes formatos o soportes de extracción de uso común en el laboratorio químico tales como jeringas, columnas de centrífuga, etc. con diversos materiales híbridos desarrollados a este respecto (Objetivo i). La segunda línea de actuación consiste en la puesta a punto de metodologías sencillas y fiables en técnicas de separación miniaturizadas como la electrocromatografía capilar (Capillary Electrochromatography, CEC) empleándose para ello monolitos poliméricos como fases estacionarias capaces de ofrecer altas eficacias en la separación cromatográfica de solutos pequeños de diferentes polaridades y naturaleza química (Objetivo ii). Así pues, para la consecución de los objetivos planteados en la presente memoria se ha considerado la experiencia previa del grupo de investigación en el diseño, síntesis y desarrollo de materiales poliméricos y su aplicación en el campo del tratamiento de muestra y de separación miniaturizadas. De entre todas las etapas de un análisis químico, la etapa de tratamiento de muestras tanto de muestras biológicas como medioambientales constituye una tarea complicada, debido al amplio espectro de interferentes que se pueden presentar en dichas matrices. Por lo que, el aislamiento, separación y preconcentración de los analitos de interés (fármacos, péptidos, proteínas y contaminantes) pueden verse comprometidas por las posibles interacciones de éstos con la matriz de la muestra dificultando así su extracción y posterior análisis. En este sentido, los métodos de extracción miniaturizados desarrollados en esta memoria (Objetivo i) suponen una interesante y prometedora alternativa al empleo de las metodologías tradicionales de extracción disponibles, las cuales suelen ser tediosas, poco selectivas y de dudosa sostenibilidad medioambiental. El resultado de este primer objetivo se traduce en el desarrollo de dispositivos miniaturizados para SPE eficaces con prestaciones mejoradas (selectividad, coste o reutilización, entre otros) y en consonancia con los principios de la Química Verde, que los hacen enormemente atractivos para ser empleados en laboratorios analíticos de rutina. Por otro lado, la metodología desarrollada en el Objetivo ii), relacionada con el empleo de una técnica de separación miniaturizada, presenta un gran interés debido a los buenos resultados que se han obtenido con el uso de monolitos poliméricos como fases estacionarias en nuestro grupo de investigación en la separación de moléculas pequeñas, tratándose de alcanzar mejores prestaciones (eficacia y tiempo de análisis) en el ámbito (electro)cromatográfico. Asimismo, el procedimiento desarrollado es sencillo, sostenible, y de bajo coste, lo cual podría permitir abordar el análisis de este tipo de solutos de una forma competitiva frente a técnicas cromatográficas más convencionales. Estructura La presente memoria de Tesis Doctoral se divide en tres grandes bloques. El primer bloque consta de una breve introducción, donde se muestra en el Capítulo 1, una visión general del fundamento de la SPE y los posibles formatos miniaturizados de ésta, así como los tipos de sorbentes disponibles, centrándose en la descripción de aquellos que han sido empleados en esta Tesis: los materiales porosos, incluyéndose por un lado, los materiales monolíticos de naturaleza orgánica sin modificar como modificados con nanopartículas de oro (gold nanoparticles, AuNPs), derivados de ácido borónico y líquidos iónicos (ionic liquids, ILs), y por el otro, las redes metalo-orgánicas (metal–organic frameworks, MOFs). Ambos tipos de materiales porosos han supuesto en los últimos años un avance significativo en el desarrollo de nuevas estrategias competitivas y prometedoras en el ámbito del tratamiento de muestra. A continuación, en el Capítulo 2 se abordan las técnicas de electroseparación miniaturizadas, centrándose en la electrocromatografia capilar (capillary electrochromatography, CEC), describiendo brevemente su fundamento teórico y la instrumentación necesaria para llevarla a cabo. Además, se recogen las fases monolíticas comúnmente empleadas en CEC, así como las posibles estrategias que se pueden llevar a cabo para mejorar sus prestaciones, entre las que se encuentran modificaciones en la mezcla de polimerización y condiciones de reacción, el empleo del hiper-entrecruzamiento y la incorporación de nanomateriales. Estas estrategias han resultado esenciales de cara a poder desarrollar de manera relativamente sencilla la manipulación de las propiedades cromatográficas (eficacia, retención, selectividad) de las fases estacionarias y su adaptación a la separación de los analitos de interés. Por su parte, el segundo bloque de la presente Tesis engloba los Capítulos 3-6, en los cuales se muestra la puesta a punto de diferentes sorbentes para su uso en SPE en diferentes formatos de extracción competitivos y sostenibles. Los materiales desarrollados se basan en materiales porosos de diferente naturaleza, como los monolitos poliméricos de metacrilato de glicidilo (glycidyl methacrylate, GMA), los cuales fueron posteriormente modificados químicamente con AuNPs e ILs. También, se describe el uso de otros materiales porosos como los MOFs para su posterior aplicación como sorbentes de extracción. A lo largo de estos capítulos se desarrollarán dispositivos extractivos en diversos soportes de uso común en el laboratorio incluyéndose desde los cartuchos y jeringas convencionales de 1 mL, hasta minicolumnas de centrífuga. A su vez, los materiales desarrollados se han aplicado a diferentes familias de compuestos (β-bloqueantes, péptidos, glicoproteínas y benzomercaptanos) presentes en muestras de naturaleza biológica (orina, saliva y suero) y medioambiental (aguas y suelos). El tercer bloque engloba el Capítulo 7, el cual se centra en el desarrollo de un método cromatográfico miniaturizado, en concreto de CEC, para la separación de moléculas pequeñas de diferente polaridad (alquilbencenos, sulfonamidas y compuestos organofosforados), empleando una fase estacionaria monolítica polimérica hiper-entrecruzada. Resultados y conclusiones En este apartado, se describen los principales resultados obtenidos y las conclusiones derivadas de cada uno de los trabajos incluidos en la Tesis Doctoral. Los trabajos han sido divididos en dos grandes grupos (A y B), correspondientes a los bloques II y III de la presente memoria, donde se indica de forma desglosada por capítulos (cada capítulo corresponde a una publicación), la metodología adoptada en cada uno de ellos para alcanzar los objetivos planteados, así como los resultados y conclusiones más relevantes obtenidos de los mismos. A. Evaluación del potencial de nuevos materiales porosos en técnicas de microextracción A.1. Diseño y aplicación de soportes poliméricos modificados con diversos nanomateriales o ligandos selectivos En estos trabajos (Capítulos 3-5 de la memoria) se desarrollaron y evaluaron diferentes materiales monolíticos porosos como sorbentes de SPE para el aislamiento de diferentes analitos (fármacos, péptidos y glicoproteínas). En concreto, los materiales seleccionados incluyen un monolito polimérico de GMA modificado con AuNPs (Capítulo 3), un monolito de GMA funcionalizado con un derivado del ácido borónico y posteriormente con AuNPs (Capítulo 4), y por último un monolito de GMA funcionalizado con un IL de tipo alquilpiridinio (Capítulo 5). En el primer estudio que abre el bloque II (Capítulo 3) se llevó a cabo la síntesis de materiales poliméricos de GMA modificados con AuNPs y se evaluó su aplicación como sorbentes de SPE en formato jeringa para el aislamiento del polipéptido glutatión (GSH) en fluidos biológicos. Para ello, en primer lugar se prepararon sorbentes a partir de monolitos genéricos de GMA modificados con tres ligandos diferentes (amoníaco, cisteamina y cistamina) con el fin de dotar la superficie del sorbente de grupos amino (amoníaco) y grupos tiol (cisteamina y cistamina), para poder así modificar posteriormente la superficie de dicho sorbente con AuNPs. Para llevar a cabo la síntesis de los diferentes materiales poliméricos en el interior de jeringas, las paredes interiores de éstas fueron previamente vinilizadas para permitir el anclaje covalente de la fase monolítica, y así evitar su desprendimiento durante las operaciones de carga de muestra, lavado y elución. El tratamiento de la superficie interior de la jeringa se llevó a cabo en dos etapas. En primer lugar, se realiza una reacción de vinilización del polipropileno de la jeringa para facilitar el posterior anclaje del monolito, seguido de una polimerización in-situ de la fase monolítica en la jeringa mediante radiación UV. El resultado es un monolito híbrido unido covalentemente a la superficie interior de la jeringa, pero que presenta a su vez la suficiente estabilidad y permeabilidad para facilitar el proceso de extracción. Una vez realizada la modificación de la pared de la jeringa y generado el monolito de GMA, este polímero base conteniendo grupos epóxido en su superficie se funcionaliza con los ligandos anteriormente mencionados y posteriormente con AuNPs, Los materiales resultantes fueron caracterizados mediante técnicas tales como SEM (para evaluar la morfología) y microanálisis (para confirmar la presencia de Au). De los tres materiales preparados, el material funcionalizado con cistamina fue el que proporcionó el mayor contenido de Au (entre 22 y 29%), y por ello se seleccionó este material para los estudios posteriores. Esto puede ser debido a que la cistamina produce mayor número de grupos reactivos (en este caso, tiol) sobre los cuales se puede depositar o inmovilizar mayor cantidad de AuNPs. Para demostrar la aplicabilidad del sorbente desarrollado, se seleccionó como analito diana, el GSH. Este compuesto es un tripéptido de vital importancia a nivel biológico que se produce dentro de los organismos y desempeña la función de antioxidante. Además, puede ser un marcador de algunas enfermedades como artritis reumatoide, distrofias musculares o Alzheimer. Por ello, su extracción de matrices complejas tales como fluidos biológicos y su posterior determinación resulta de enorme interés. Con respecto al procedimiento SPE, se optimizó el pH de la muestra y la composición de la fase eluyente. Se obtuvieron las mejores condiciones de extracción ajustando la muestra a un pH final de 6, y usándose como eluyente una disolución de ditiotreitol (DTT) de una concentración de 500 mM. Si bien se ensayaron otros reactivos para producir la desorción del GSH del material híbrido diseñado, el DTT proporcionó rendimientos elevados así como no produjo interferencia, tras la reacción de derivatización oportuna con o-ftalaldehído, con el pico cromatográfico del analito. A continuación, se obtuvieron los parámetros de calidad del dispositivo, obteniéndose un satisfactorio volumen de ruptura (1,5 mL), una buena capacidad de carga (2,93 mg de GSH por g de sorbente polimérico modificado), y una adecuada reutilización del sorbente (hasta 15 ciclos de carga y desorción sin obtener pérdidas significativas en las recuperaciones del analito). Tras llevar a cabo la optimización de las diferentes etapas del proceso de extracción, se analizaron muestras reales de saliva, lográndose valores de recuperación comprendidos entre 86 y 105%, y un LOD muy bajo (1,5 ng mL-1). Estos resultados pusieron de manifiesto la buena efectividad del sorbente sintetizado tanto en el proceso de “clean-up” de la muestra como en la preconcentración del GSH. El mecanismo de retención de este analito en el sorbente diseñado radica principalmente en la elevada afinidad que existe entre el grupo tiol presente en la molécula de GSH y las AuNPs que se encuentran localizadas en la superficie del monolito durante la etapa de extracción.En comparación con otros métodos actuales que emplean nanomateriales para la preconcentración de GSH en diferentes muestras, la metodología aquí desarrollada resultó ser más simple y económica, gracias a la buena reutilización del material. Así pues, la metodología propuesta representa una alternativa alentadora para la extracción de compuestos relevantes que contengan grupos tiol en su estructura presentes en diferentes muestras biológicas. En lo referente a los materiales monolíticos funcionalizados con grupos boronato (Capítulo 4), se sintetizaron dos materiales a partir de un monolito genérico de GMA en jeringas para su posterior uso como sorbentes en la extracción de glicopéptidos derivados de una proteína estándar, la proteína del rábano picante (Horseradish peroxidase, HRP), y las glicoproteínas presentes en suero humano. Para ello, se seleccionó el polimercaptopropilmetilsilosano (PMPMS) como politiol para reaccionar con los grupos epoxi presentes en la molécula de GMA, para posteriormente introducir el ácido vinil fenil borónico (vinyl phenyl boronic acid, VPBA) mediante una reacción de química click (reacción de acoplamiento tiol-alqueno). En concreto, en el primero de los materiales sintetizados, se partió del polímero de GMA, el cual se funcionalizó con PMPMS y VPBA de forma sucesiva. El polímero resultante de esta estrategia se designó como GMA-PMPMS-VPBA. Por su parte, el segundo material utilizó como polímero base un monolito de GMA modificado con cistamina (véase capítulo anterior), el cual fue funcionalizado con AuNPs. Posteriormente, este material híbrido se modificó con PMPMS y seguidamente con VPBA. El material híbrido obtenido siguiendo esta segunda estrategia se designó como GMA-SH@AuNP@PMMPS-VPBA. Se procedió a llevar a cabo la caracterización de ambos materiales mediante SEM y microanálisis. Los resultados de esta caracterización morfológica condujo a la presencia de estructuras globulares en ambos materiales (características de los monolitos poliméricos), y además se obtuvo un contenido de silicio y boro de 2,48 y 2,78% en el primer material, y de 2,02% y de 3,04, en el segundo material. También, se determinó la cantidad de boro presente en el polímero total, no únicamente en la superficie, mediante espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), obteniéndose 0,10 y 0,45% en peso para el monolito GMA-PMPMS-VPBA y GMA-SH@AuNP@PMMPS-VPBA, respectivamente. Estos datos demuestran que los grupos boronato se anclaron de forma satisfactoria sobre la superficie del monolito. No obstante, la presencia de VPBA en el material resultante se confirmó/corroboró mediante las bandas de absorción en el infrarrojo características del derivado de ácido borónico. La alta cantidad de boro inmovilizado en el segundo material puede ser atribuido al mayor número de AuNPs disponible en este material, causado por el alto grado de recubrimiento que ofrece el ligando PMPMS, obteniéndose así un mayor número de sitios activos disponibles de NPs para una mayor inmovilización del VPBA. En lo que respecta al protocolo SPE, los materiales preparados se emplearon como sorbentes SPE para el aislamiento de glicopéptidos tras la digestión de la proteína HRP. El material GMA-SH@AuNP@PMMPS-VPBA fue el que mostró una mayor eficacia extractiva de los glicopéptidos, lo cual puede ser atribuido a la mayor cantidad de grupos boronato presente en su estructura del polímero, tal y como se ha comentado anteriormente. Además, el material mostró una preconcentración selectiva de glicopéptidos (24 glicopéptidos de un total de 27), una elevada capacidad de adsorción (25 mg g-1), alta sensibilidad (0.5 fmol/µL) y selectividad, así como una buena reproducibilidad y reutilización (hasta 10 ciclos sin pérdidas apreciables en los valores de recuperación). También, se evaluó las prestaciones del material GMA-SH@AuNP@PMMPS-VPBA a la preconcentración de glicopéptidos en una muestra de suero humana. El empleo de este material junto con el protocolo de extracción óptimo y con el análisis mediante nano-LC–MS/MS permitió obtener la identificación de un total de 85 péptidos N-glicosilados derivados de 42 proteínas N-glicosiladas sin necesidad de eliminar ninguna proteína abundante. La capacidad de preconcentrar e identificar péptidos del sorbente monolítico desarrollado en este trabajo fue ligeramente superior a otros monolitos de tipo hidrofílico descritos en bibliografía. Sin embargo, el rendimiento en la identificación de péptidos resultante fue menor que el obtenido utilizando monolitos híbridos con AuNPs inmovilizados y modificados con cisteína. Los buenos resultados obtenidos en este trabajo hacen que la metodología propuesta represente una alternativa sencilla para el aislamiento y preconcentración de glicopéptidos en matrices biológicas complejas. En este trabajo (Capítulo 5) se prepararon sorbentes monolíticos funcionalizados con IL de tipo imidazolio (cloruro de 1-alil-3-metilimidazolio, [AMIM] [Cl]) en columnas de microcentrífuga para su posterior aplicación en la extracción de β-bloqueantes en muestras de orina humana. Estos analitos generalmente se emplean en el tratamiento de algunas enfermedades cardiacas, y actúan relajando los músculos cardiacos y disminuyendo la frecuencia cardiaca. Por ello, se emplean de forma fraudulenta en algunos deportes siendo necesario llevar a cabo un control estricto de estas sustancias en muestras biológicas. Con el fin de desarrollar un sorbente capaz de extraer dichos analitos de muestras complejas, en primer lugar, se optimizó la relación monómeros/porógenos, proporcionando la ratio 60/40% (p/p) los mejores resultados en cuanto a estabilidad mecánica y resistencia durante la etapa de centrifugado. En segundo lugar, se llevó a cabo la incorporación del IL al monolito mediante su generación in situ sobre la superficie del monolito base (GMA). Esta estrategia dio lugar a sorbentes monolíticos frágiles los cuales se rompían durante la etapa de centrifugación. Por ello, se abordó una estrategia alternativa para llevar a cabo la introducción del IL en el monolito que consistía en incorporar el IL a la mezcla de polimerización. El material resultante mostró una buena resistencia mecánica y unas propiedades de permeabilidad y porosidad apropiadas. Así pues, se seleccionó este segundo polímero como sorbente y se optimizó el protocolo SPE en términos de contenido de [AMIM] [Cl], el pH de carga de la muestra y la composición del eluyente con el fin de obtener el mayor rendimiento de extracción posible. Así pues, la presencia de [AMIM] [Cl] en el sorbente polimérico resultante causó una mayor retención de los β-bloqueantes (en comparación con el polímero base de GMA) debido a interacciones electrostáticas, enlaces por puente de hidrógeno, interacciones π-π, y fuerzas hidrofóbicas. Bajo las condiciones óptimas del procedimiento SPE, el sorbente desarrollado mostró altas recuperaciones (> 90 %), LODs entre 1,4 y 40 μg L-1, una capacidad de carga de 2.5 μg por mg sorbente y una reutilización de hasta 20 ciclos sin apreciar pérdidas de analitos significativas. El método desarrollado se aplicó a la extracción del β-bloqueante propranolol en muestras de orina humana, observándose una limpieza efectiva (clean up) de la muestra, pudiéndose determinar de forma satisfactoria. Por último, cabe destacar que, el método de tratamiento de muestra propuesto no sólo implica una reducción en la cantidad de reactivos necesaria, sino que, debido a la simplicidad asociada al manejo del material requerido, permite el procesamiento de un mayor número de muestras respecto a métodos de SPE tradicionales. Los resultados de estos trabajos se encuentran publicados en: Ó. Mompó-Roselló, M. Vergara-Barberán, E.F. Simó-Alfonso, J.M. Herrero-Martínez, In syringe hybrid monoliths modified with gold nanoparticles for selective extraction of glutathione in biological fluids prior to its determination by HPLC, Talanta 209 (2020) 120566. Ó. Mompó-Roselló, M. Vergara-Barberán, M.J. Lerma-García, E.F. Simó-Alfonso, J.M. Herrero-Martínez, Boronate affinity sorbents based on thiol-functionalized polysiloxane-polymethacrylate composite materials in syringe format for selective extraction of glycopeptides, Microchem. J. 164 (2021) 106018. Ó. Mompó-Roselló, A. Ribera-Castelló, E.F. Simó-Alfonso, M.J. Ruiz-Ángel, M.C. García-Álvarez-Coque, J.M. Herrero-Martínez, Extraction of β-blockers from urine with a polymeric monolith modified with 1-allyl-3-methylimidazolium chloride in spin column format, Talanta 214 (2020) 120860. A.2. Diseño y aplicación de sorbentes basados en redes metalo-orgánicas (MOF) En este trabajo (Capítulo 6) se sintetizaron y caracterizaron nanocristales de MOF con topología zeolítica, empleándose grupos imidazolato como ligandos orgánicos (Zeolite imidazolate frameworks, ZIFs). En concreto, el MOF sintetizado fue el ZIF-8, el cual se modificó con grupos amino empleándose como moduladores aminas orgánicas (concretamente, la n-butilamina, BA). El MOF resultante se evaluó como sorbente en SPE para la extracción de benzomercaptanos en muestras de agua y suelo. En primer lugar, se estudió la influencia de la cantidad del modulador BA (en la mezcla de síntesis) sobre el tamaño de los cristales resultantes además de la capacidad de retención del MOF. La caracterización morfológica del material sintetizado por SEM mostró la estructura poliédrica característica de los nanocristales ZIF-8. Además, se determinó el tamaño de partícula mediante microscopía de transmisión electrónica (Transmission electron microscopy, TEM), situándose entre 47 y 89 nm. Asimismo, se apreció que un incremento del contenido de BA se tradujo en un aumento del tamaño de partícula. También, la presencia de grupos amino (proporcionados por la molécula BA) en los materiales obtenidos se confirmó mediante microanálisis. Además, se determinó el área superficial de todos los materiales sintetizados mediante las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno, obteniéndose en todos los casos valores superiores a 1000 m2 g-1. Todos los materiales sintetizados se testaron como sorbentes en SPE, y se obtuvieron los mejores resultados con ZIF-8 que contenía 10 mmol de BA como modulador. Además, se investigaron varios parámetros experimentales del protocolo SPE que influyen en el rendimiento de extracción (pH de la muestra, composición y volumen del disolvente de elución o reutilización). Para llevar a cabo este estudio, se utilizaron 20 mg del material seleccionado y se colocaron en un cartucho convencional de 1 mL. Para poner de manifiesto la aplicabilidad del material fabricado como sorbente, se seleccionó una mezcla de benzomercaptanos como disolución test. Como resultado de este estudio, se estableció que el pH de la muestra no era un factor que implicara cambios significativos en la retención, mientras que la composición del eluyente si afectaba a la retención de los solutos. En concreto, los mejores rendimientos de extracción (97-108%) se obtuvieron con un eluyente compuesto por 0,5 M NaOH en 50/50 % (v/v) MeOH/H2O, y un volumen de 250 µL. Además, cabe destacar que el método propuesto permitió alcanzar factores de preconcentración de 100, obteniéndose LODs comprendidos entre 1,6 y 2 µg L-1. Por último, se aplicó la metodología desarrollada a la extracción de los benzomercaptanos en muestras de agua y suelos, alcanzándose unos rendimientos comprendidos entre 74 y 117%. Este trabajo representa el primer estudio sobre la influencia del contenido de modulador en la morfología del sorbente, así como en el rendimiento de extracción de contaminantes orgánicos. La satisfactoria aplicación del material a la extracción de benzomercaptanos abre la puerta, sin duda, a su extensión a otro tipo de contaminantes como otras posibles aplicaciones de interés industrial. Los resultados de estos trabajos se encuentran publicados en: H. Martínez-Pérez-Cejuela, Ó. Mompó-Roselló, N. Crespí-Sánchez, C.P. Cabello, M. Catalá-Icardo, E.F. Simó-Alfonso, J.M. Herrero-Martínez, Determination of benzomercaptans in environmental complex samples by combining zeolitic imidazolate framework-8-based solid-phase extraction and high-performance liquid chromatography with UV detection, J. Chromatogr. A 1631 (2020) 461580. B. Aplicación de materiales monolíticos en técnicas cromatográficas miniaturizadas En el trabajo descrito en el Capítulo 7 se sintetizaron y caracterizaron una serie de columnas monolíticas basadas en polietilenglicol diacrilato (PEGDA) para la separación de moléculas pequeñas de diferentes polaridades mediante la técnica CEC. En este caso, el empleo de monómeros de PEGDA de diferentes longitudes de cadena del grupo alquilo permitió modificar la hidrofobicidad de la fase estacionaria resultante, así como también una manipulación en las eficacias de separación obtenidas. En primer lugar, se optimizó la composición de las mezclas de polimerización (concentración y longitud de cadena del PEGDA, concentración de porógenos y temperatura de polimerización). Se caracterizaron morfológicamente las fases monolíticas mediante SEM, y se evaluó la eficacia de separación cromatográfica de las columnas sintetizadas empleando una mezcla de alquilbencenos como soluto test, obteniéndose valores cercanos a 76.000 platos m-1 con una mezcla compuesta por el monómero de PEGDA 700. Posteriormente, se demostró la viabilidad de esa misma fase estacionaria en la separación mediante CEC de pequeños solutos polares de naturaleza diferente como son los compuestos organofosforados, derivados del ácido benzoico y sulfonamidas, que se emplearon como soluto test en este trabajo. Cabe destacar la elevada eficacia cromatográfica que se obtuvo en la separación de sulfonamidas, en concreto 144.000 platos m-1. Además, las columnas sintetizadas exhibieron excelentes reproducibilidades con valores de coeficiente de variación por debajo del 2,5 %, lo que confirma los beneficios de utilizar el monómero de PEGDA en las mezclas de polimerización debido al alto grado de entrecruzamiento que genera. Asimismo, cabe destacar que el empleo de PEGDA como único monómero en la mezcla de polimerización, sin la necesidad de recurrir a ningún otro agente entrelazante, facilita la preparación y la optimización de las diferentes variables que afectan a las propiedades morfológicas y cromatográficas del monolito resultante. Los resultados de este trabajo se encuentran publicados en la siguiente referencia: M. Vergara-Barberán, Ó. Mompó-Roselló, J.M. Herrero-Martínez, E.F. Simó-Alfonso, Poly (ethylene glycol) diacrylate based monolithic capillary columns for the analysis of polar small solutes by capillary electrochromatography, J. Sep. Sci. 41(12) (2018) 2632-2639. This thesis is divided into three main blocks. The first block consists of a brief introduction including an overview of the fundaments of the solid-phase extraction (SPE) and the possible miniaturized formats as well as the types of solid phases available. Also, a description of porous materials, which have been used in this thesis, including monolithic materials modified with gold nanoparticles (AuNPs), boronic acid derivatives and ionic liquids (ILs) and metal-organic frameworks (MOFs) has been accomplished. Both types of porous materials have represented a significant advance in the development of new competitive and promising strategies in the field of sample treatment in the last years. Next, in Chapter 2, miniaturized electroseparation techniques are discussed, focusing on capillary electrochromatography (CEC), its theoretical basis and the instrumentation required to carry it out is briefly descripted. In addition, the most commonly used monolithic phases in CEC are commented, as well as the possible approaches that can be adopted to improve their chromatographic performance. These approaches include: modifications in the polymerization mixture and reaction conditions, the use of hyper-crosslinking. and the incorporation of nanomaterials. These strategies have been essential in order to be able to develop in a relatively simple way the manipulation of the chromatographic properties (efficiency, retention, selectivity) of the stationary phases and their adaptation to the separation of the target analytes. For its part, the second block of this thesis includes Chapters 3-6, which involve the development of different sorbents to be used as sorbents in different competitive and sustainable extraction formats in SPE. The developed materials, based on porous materials of a different nature, such as glycidyl methacrylate (GMA) polymeric monoliths, were later chemically modified with AuNPs and ILs. Also, the use of other porous materials such as MOFs for their subsequent application as extraction sorbents is described. Throughout these chapters, extractive devices will be developed on various supports commonly used in the laboratory, ranging from conventional 1 mL cartridges and syringes to mini centrifuge columns. In turn, the materials developed have been applied to different families of compounds (β-blockers, peptides, glycoproteins and benzomercaptans) present in samples of biological (urine, saliva and blood serum) and environmental nature (water and soil). The results of those studies are published in: Ó. Mompó-Roselló, M. Vergara-Barberán, E.F. Simó-Alfonso, J.M. Herrero-Martínez, In syringe hybrid monoliths modified with gold nanoparticles for selective extraction of glutathione in biological fluids prior to its determination by HPLC, Talanta 209 (2020) 120566. Ó. Mompó-Roselló, M. Vergara-Barberán, M.J. Lerma-García, E.F. Simó-Alfonso, J.M. Herrero-Martínez, Boronate affinity sorbents based on thiol-functionalized polysiloxane-polymethacrylate composite materials in syringe format for selective extraction of glycopeptides, Microchem. J. 164 (2021) 106018. Ó. Mompó-Roselló, A. Ribera-Castelló, E.F. Simó-Alfonso, M.J. Ruiz-Ángel, M.C. García-Álvarez-Coque, J.M. Herrero-Martínez, Extraction of β-blockers from urine with a polymeric monolith modified with 1-allyl-3-methylimidazolium chloride in spin column format, Talanta 214 (2020) 120860. The third block includes Chapter 7, which focuses on the development of a miniaturized chromatographic method. A series of monolithic columns based on polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) were synthesized and characterized for the separation of small molecules of different polarities using the CEC technique. The results are published in: M. Vergara-Barberán, Ó. Mompó-Roselló, J.M. Herrero-Martínez, E.F. Simó-Alfonso, Poly (ethylene glycol) diacrylate based monolithic capillary columns for the analysis of polar small solutes by capillary electrochromatography, J. Sep. Sci. 41(12) (2018) 2632-2639.

“En resumen, toda obra grande es el fruto de la paciencia y de la perseverancia, combinadas con una atención orientada tenazmente durante meses y aun años hacia un objeto particular”. “In summary, all great work is the fruit of patience and perseverance, combined with tenacious concentration on a subject over a period of months or years”. Santiago Ramón y Cajal (Reglas y consejos sobre investigación científica. Madrid: Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, 1897). The present Thesis constitutes a journey –a romance of many dimensions, quoting Edwin Abbot Abbot– from 3D to 2D and, hopefully (we let the curious Reader judge), “Through Flatland to Thoughtland” (citing, again, Abbot). Thus, it can be understood as the addition of different strongly correlated lives: the life as a crystal grower, the life as an electrical contact maker, the life as an exfoliator, the life as a lab plumber, the life as…, but, overall, the life as an ever-learning process. Towards a better understanding of the present Thesis, a brief summary including the principal aspects of the work developed in each Chapter is provided below. The order of the Chapters reflects the chronological learning process that has taken place: from solid-state crystal growth (Chapter I) to the fabrication of different set-ups for the assembly and electrical characterization of atomically-thin layers (Chapter VII), from the study of 3D inorganic compounds (Chapter I and Chapter II) to the isolation of atomically-thin layers of molecular systems (Chapter III) followed by the fabrication of inorganic (Chapter IV and Chapter V) and hybrid molecular/inorganic (Chapter VI) van der Waals heterostructures based on 2D materials. Every Chapter consists on an initial brief overview, followed by an introduction (both historical and conceptual). Next, it is discussed the different topics to be covered (thus, results and discussion). Finally, different conclusions are sketched followed by detailed appendices and references. As a general concept, the Chapters are conceived to be short and easy-reading (or, at least, that has been ourintention). Thus, specific details as data analysis and reproducibility over devices are shown as appendixes. Chapter I constitutes the cornerstone of the present manuscript since it implies the initial crystal growth process for the ulterior study of their physical properties. In particular, it describes succinctly the different solid-state techniques employed in the Thesis as well as the main family of compounds grown: transition metal dichalcogenides, transition metal phosphochalcogenides and metal halides. Chapter II discusses the properties of bulk 1T-TaS2 as a quantum spin liquid based on muon spin relaxation and heat capacity. Our results evidence the existence of different competing quantum phases in this compound. Chapter III introduces the interest for two-dimensional materials and deals with the mechanical exfoliation of layered molecular compounds with magnetic properties. It constitutes the first report on the isolation of a molecular monolayer by mechanical exfoliation. Chapter IV describes the fabrication of vertical van der Waals heterostructures based on few-layers graphene and atomically thin-layers of 1T-TaS2 for exploring the interplay between dimensionality and out-of-plane correlations. Chapter V focuses on superconducting van der Waals heterostructures based on few-layers of NbSe2 and TaS2, highlighting the formation of electronic barriers at the interfaces. Chapter VI reports on the sensing of the spin state of molecular materials with two-dimensional materials based on the fabrication of hybrid molecular/inorganic van der Waals heterostructures (formed by spin-crossover systems and few-layers graphene or WSe2 monolayers). Chapter VII compiles briefly some of the plumber actions behind the present Thesis as the development of new equipment and techniques that were not present in the laboratory before. General Conclusions summarizes some of the most relevant aspects developed in this Thesis, although specific conclusions are included at the end of each chapter. Resumen de la Tesis Doctoral is a resume of the Thesis in Spanish. “En resumen, toda obra grande es el fruto de la paciencia y de la perseverancia, combinadas con una atención orientada tenazmente durante meses y aun años hacia un objeto particular”. “In summary, all great work is the fruit of patience and perseverance, combined with tenacious concentration on a subject over a period of months or years”. Santiago Ramón y Cajal (Reglas y consejos sobre investigación científica. Madrid: Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, 1897). The present Thesis constitutes a journey –a romance of many dimensions, quoting Edwin Abbot Abbot– from 3D to 2D and, hopefully (we let the curious Reader judge), “Through Flatland to Thoughtland” (citing, again, Abbot). Thus, it can be understood as the addition of different strongly correlated lives: the life as a crystal grower, the life as an electrical contact maker, the life as an exfoliator, the life as a lab plumber, the life as…, but, overall, the life as an ever-learning process. Towards a better understanding of the present Thesis, a brief summary including the principal aspects of the work developed in each Chapter is provided below. The order of the Chapters reflects the chronological learning process that has taken place: from solid-state crystal growth (Chapter I) to the fabrication of different set-ups for the assembly and electrical characterization of atomically-thin layers (Chapter VII), from the study of 3D inorganic compounds (Chapter I and Chapter II) to the isolation of atomically-thin layers of molecular systems (Chapter III) followed by the fabrication of inorganic (Chapter IV and Chapter V) and hybrid molecular/inorganic (Chapter VI) van der Waals heterostructures based on 2D materials. Every Chapter consists on an initial brief overview, followed by an introduction (both historical and conceptual). Next, it is discussed the different topics to be covered (thus, results and discussion). Finally, different conclusions are sketched followed by detailed appendices and references. As a general concept, the Chapters are conceived to be short and easy-reading (or, at least, that has been ourintention). Thus, specific details as data analysis and reproducibility over devices are shown as appendixes. Chapter I constitutes the cornerstone of the present manuscript since it implies the initial crystal growth process for the ulterior study of their physical properties. In particular, it describes succinctly the different solid-state techniques employed in the Thesis as well as the main family of compounds grown: transition metal dichalcogenides, transition metal phosphochalcogenides and metal halides. Chapter II discusses the properties of bulk 1T-TaS2 as a quantum spin liquid based on muon spin relaxation and heat capacity. Our results evidence the existence of different competing quantum phases in this compound. Chapter III introduces the interest for two-dimensional materials and deals with the mechanical exfoliation of layered molecular compounds with magnetic properties. It constitutes the first report on the isolation of a molecular monolayer by mechanical exfoliation. Chapter IV describes the fabrication of vertical van der Waals heterostructures based on few-layers graphene and atomically thin-layers of 1T-TaS2 for exploring the interplay between dimensionality and out-of-plane correlations. Chapter V focuses on superconducting van der Waals heterostructures based on few-layers of NbSe2 and TaS2, highlighting the formation of electronic barriers at the interfaces. Chapter VI reports on the sensing of the spin state of molecular materials with two-dimensional materials based on the fabrication of hybrid molecular/inorganic van der Waals heterostructures (formed by spin-crossover systems and few-layers graphene or WSe2 monolayers). Chapter VII compiles briefly some of the plumber actions behind the present Thesis as the development of new equipment and techniques that were not present in the laboratory before. General Conclusions summarizes some of the most relevant aspects developed in this Thesis, although specific conclusions are included at the end of each chapter. Resumen de la Tesis Doctoral is a resume of the Thesis in Spanish.

La contaminación medio ambiental, debida a la actividad antrópica, ha crecido de forma exponencial en el último siglo. Por esta razón la tesis se ha centrado en una clase de contaminantes, fiel reflejo de esta presión, los fármacos y productos para el cuidado personal (PPCPs). El trabajo realizado incluye la optimización de métodos analíticos para detectar estos compuestos y la aplicación de estos a muestras medioambientales, para evaluar el estado de contaminación de una importante Reserva Natural. En primer lugar, se realizó una revisión bibliográfica que describe la importancia de cada paso en la preparación de la muestra para optimizar la determinación de estos contaminantes en ecosistemas acuáticos. Posteriormente, se propusieron dos métodos de extracción en fase sólida para determinar, mediante el uso del HPLC-MS/MS, 32 PPCPs en aguas y sedimentos. El primero, el método SDS, caracterizado por la formación de un par iónico, gracias a la presencia de una solución de SDS (dodecil sulfato de sodio) durante la activación de los cartuchos (Strata-X). El segundo, método WC (mixed mode), caracterizado por cartuchos con sorbentes mixtos a intercambio catiónico (Strata-X-CW). Los dos métodos resultaron ventajosos para fármacos básicos y neutros que son de alta a moderadamente polares y están ionizados a pH medioambientales. Además, proporcionaron también parámetros de validación adecuados para los productos de carácter ácido. Una vez optimizados los métodos, se aplicaron a muestras recogidas en el Parque Natural de L’Albufera (Valencia). Por obtener una visión global del estado de contaminación del área, se eligieron 53 puntos de muestreo ubicados en toda la zona, incluyendo más de 100 muestras totales de sedimentos, suelos, aguas superficiales y residuales. El seguimiento de los contaminantes realizado muestra la contribución de la presión antrópica a la alteración del ecosistema, ya que se encontró un gran porcentaje de los PPCPs estudiados, en las distintas matrices, a concentraciones de ng L-1 en aguas y ng g -1 en suelos y sedimentos. Además, se incluyeron otros estudios. Cómo la evaluación de la eficiencia de las EDAR cuyos efluentes se utilizan para el riego y por esto pueden jugar un papel clave en la contaminación del parque. Los resultados indican los compuestos con peores eliminaciones (ej. tramadol). Igualmente, los datos relacionados con la presencia de PPCPs en las distintas matrices, permitieron realizar un estudio sobre la distribución geográfica en todo el territorio y evaluar la presión antrópica, dependiendo del área involucrada, calculando las diferencias estadísticamente significativas entre las concentraciones de los contaminantes en diferentes áreas. Finalmente, el posible impacto sobre el ecosistema de estos compuestos fue evaluado considerando el cociente de riesgo (HQ) para tres niveles tróficos de los ecosistemas acuáticos. Environmental pollution, due to anthropic activity, has grown exponentially in the last century. For this reason, the thesis has focused on a class of pollutants that reflects this pressure, namely pharmaceuticals and personal care products (PPCPs). The work carried out includes the optimisation of analytical methods to detect these compounds and the application of these to environmental samples to assess the state of contamination of an important Nature Reserve. First, a literature review was carried out describing the importance of each step in sample preparation to optimise the determination of these pollutants in aquatic ecosystems. Subsequently, two solid-phase extraction methods were proposed to determine, using HPLC-MS/MS, 32 PPCPs in water and sediments. The first, the SDS method, is characterised by the formation of an ionic pair, thanks to the presence of a SDS (sodium dodecyl sulphate) solution during the activation of the cartridges (Strata-X). The second method, WC (mixed mode), is characterised by cartridges with mixed cation exchange sorbents (Strata-X-CW). Both methods proved advantageous for basic and neutral drugs that are highly to moderately polar and ionised at environmental pH. In addition, they also provided suitable validation parameters for acidic products. Once the methods were optimised, they were applied to samples collected in L'Albufera Natural Park (Valencia). In order to obtain a global view of the pollution status of the area, 53 sampling points located throughout the area were chosen, including more than 100 total samples of sediment, soil, surface water and wastewater. The monitoring of the pollutants carried out shows the contribution of anthropic pressure to the alteration of the ecosystem, as a large percentage of the PPCPs studied were found, in the different matrices, at concentrations of ng L-1 in waters and ng g -1 in soils and sediments. In addition, other studies were included. Such as the evaluation of the efficiency of WWTPs whose effluents are used for irrigation and therefore may play a key role in the contamination of the park. The results indicate the compounds with the worst removals (e.g. tramadol). Likewise, the data related to the presence of PPCPs in the different matrices allowed a study to be carried out on the geographical distribution throughout the territory and to evaluate the anthropic pressure, depending on the area involved, calculating the statistically significant differences between the concentrations of pollutants in different areas. Finally, the possible impact on the ecosystem of these compounds was evaluated by considering the hazard quotient (HQ) for three trophic levels of aquatic ecosystems.

The solid-state synthesis of pure sodium-black phosphorus intercalation compounds (Na-BPICs) has been optimized in bulk for two stoichiometric ratios. Specifically, in-situ X-Ray diffraction (XRD) allowed the precise identification of the optimal temperature range for the formation of Na-BPICs: 94 °C–96 °C. Moreover, as the undesired formation of Na3P takes place at this very same range, we succeeded in introducing a new synthetic route based on a fast-thermal ball milling implementation that results in the bulk production of BPIC without Na3P in 9 out of 10 cases. Finally, by combining XRD, Raman spectroscopy, and DFT calculations we developed a new structural model for Na-based BPICs showing an increase of BP's unit cell with Na atoms incorporated in every second layer. These results will pave the way for the large-scale synthesis and application of pure BPICs, which are of great interest in fields such as optoelectronics or energy storage. PNICTOCHEM 804110 (G.A.) PID2019-111742-GA-I00 CIDEGENT/2018/001

Esta tesis fue planteada para el desarrollo de nuevos polímeros de coordinación y materiales híbridos metalorgánicos (MOFs) basados en rutas sintéticas novedosas en ausencia de disolvente. Esta novedosa metodología de síntesis permite acceder a nuevos materiales inalcanzables por rutas más clásicas como las solvotermales. La tesis se centra en la obtención de materiales basados en Fe(II), el cual es sensible a ser oxidado durante las reacciones de formación de MOFs a Fe(III). Por ello se utilizó una síntesis en ausencia de disolvente en atmosfera inerte compatible con Fe(II). Para ello se utiliza una familia de ligandos sublimables tipo imidazol y metalocenos, como el ferroceno como fuente metálica. Este tipo de materiales basados en derivados de imidazol suelen denominarse “Zeolitic Imidazolate Frameworks” (ZIFs) ya que poseen una topología similar a las zeolitas.Síntesis. La ruta sintética principal utilizada durante esta tesis se basa en una metodología en ausencia de disolvente. Eso significa que se mezclan en fase sólida todos los componentes en un tubo de vidrio de tamaño variable y después de tres ciclos de vacío y purga con Ar, se sellan para mantener la atmosfera inerte durante la reacción. Los componentes suelen ser metalocenos, que son compuestos que tienen un punto de sublimación entre 100 °C y 200 °C, junto con ligandos orgánicos con puntos de fusión también entre 100 °C y 200 °C. Estos tubos con todos los componentes se meten en un horno de reacción durante 72-96 horas a 150-250 °C. El resultado de esta reacción se abre con una punta de diamante y se lava con acetonitrilo para disolver el ligando no reaccionado y con benceno para disolver el metaloceno no reaccionado. Los cristales aislados se secan.En el Capítulo 1 se hace un repaso de cómo nacen los compuestos metal–orgánicos porosos desde las primeras estructuras halladas por B. Hoskins y R. Robson en 1989 hasta las últimas tendencias en MOFs. Los primeros años fueron marcados por la búsqueda de nuevas estructuras con porosidad accesible y que pudiesen adsorber gases de forma reversible sin colapsar. Más tarde, los esfuerzos se centraron en conseguir materiales con alta estabilidad térmica para poder competir con las zeolitas, que eran los materiales porosos por excelencia. El número de estructuras fue creciendo a un ritmo muy alto y una vez cubiertas las principales demandas de estabilidad térmica y química, surgieron innumerables aplicaciones combinando el diseño químico que permite la composición hibrida de estos materiales y la porosidad accesible. Algunas de ellas eran la adsorción de gases como por ejemplo de efecto invernadero o tóxicos para aplicaciones relacionadas con la medicina, ya que pueden albergar grandes moléculas/medicamentos para estudiar sus propiedades electrónicas o para catálisis sirviendo como nanoreactores. Más recientemente, las tendencias actuales se dirigen hacia materiales vítreos o amorfos, propiedades mecánicas o explorar la dimensionalidad. En el Capítulo 2 se desarrolla una nueva metodología de síntesis en ausencia de disolvente usando ferroceno, 2-metilimidazol y 4,4–bipiridina. El material obtenido es análogo al ZIF-8 con una estructura cristalina muy similar, pero reemplazando los centros metálicos de Zn(II) por Fe(II), llamado MUV-3 (Material de la Universitat de València). Hasta ahora no había podido ser sintetizado por las rutas sintéticas clásicas debido a la facilidad de oxidarse de Fe(II) a Fe(III) durante la síntesis. Su estructura y estabilidad se caracteriza por difracción de monocristal, difracción de polvo (con la cual se detecta su inestabilidad frente al agua), análisis termogravimetrico, adsorción de gases, microscopia electrónica (SEM) y espectroscopia infrarroja. También se miden sus propiedades magnéticas. La clave de la síntesis es el uso de la 4,4–bipiridina, que actúa como ligando plantilla, el cual después no forma parte de la estructura cristalina, pero es fundamental durante la síntesis para obtener una fase pura del material. Se pueden utilizar otro tipo de bipiridinas siempre y cuando tengan disponible el N para coordinar/interactuar durante la síntesis y sean suficiente voluminosas para favorecer el crecimiento del MUV-3. La particularidad de la incorporación de Fe(II) a esta estructura tipo ZIF permite una mayor adsorción de gases tóxicos como el NO. En el caso del ZIF-8, solo se produce una fisiadsorción del NO, mientras que en el MUV-3 se produce además de la fisiadsorción una quimiadsorción, siendo mucho mayor la cantidad de NO atrapado. Este método novedoso de síntesis también es ampliable a otros metales, y se puede sintetizar materiales conocidos como el ZIF-8 y el ZIF-67 utilizando ZnO o cobaltoceno, respectivamente. Esto abre la puerta a explorar nuevos materiales de tipo ZIF con diversos metales, además de la posibilidad de expandir la familia de materiales tipo ZIF de Fe(II), como los MUV-6 (Fe(2etim)) y MUV-7 (Fe(2mebim)). En el Capítulo 3 se explora una vía de mejora de la estabilidad frente al agua del MUV-3. Siendo los materiales basados en ZIFs estables desde el punto de vista térmico y químico, recientes estudios de procesos donde el agua está presente muestran una degradación de estos materiales. Para la mejora de la estabilidad frente al agua se utiliza un método de síntesis directa pretendiendo obtener un nuevo material conservando la topología del MUV-3, pero incorporando ligandos más voluminosos que impidan o dificulten la entrada de agua. Este tipo de síntesis directa con mezcla de ligandos es poco usual ya que se suelen utilizar métodos post-sintéticos para intercambiar los ligandos debido a la dificultad de mantener la topología utilizando dos ligandos distintos. En este estudio se utiliza 2-etilimidazol y el 2-metilbenzimidazol junto con el anterior ligando, el 2-metilimidazol. De las posibles mezclas, las que consiguen mantener la estructura tipo SOD son 2-metilbenzimidazol + 2-metilimidazol (MUV-3-mixme) y 2-metilbenzimidazol + 2-etilimidazol (MUV-3-mixet). Las estructuras se estudian por difracción de monocristal y difracción de polvo. Se encuentra que solo hay una fase cristalina la cual concuerda con la del MUV-3, siendo materiales isoreticulares. Pero, para estar completamente seguros de la relación entre los ligandos dentro de la estructura, se hace un estudio de espectroscopia de RMN de 1H para ver los porcentajes de ligandos, siendo 70 (2-metilimidazol, 2-etilimidazol) – 30 (2-metilbenzimidazol) el porcentaje más encontrado. Los análisis termogravimétricos señalan un aumento de la estabilidad térmica, lo que puede estar relacionado con una pérdida de porosidad, ya que se asemeja más a la estabilidad térmica de otros compuestos densos sintetizados anteriormente (MUV-6 y MUV-7). Las medidas magnéticas de susceptibilidad en función de la temperatura muestran diferentes ordenamientos magnéticos para cada material, señalando una sola temperatura de ordenamiento en cada material, lo que confirma la existencia de un solo tipo de fase cristalina. De hecho, las temperaturas de ordenamiento de MUV-3-mixme (15 K) y MUV-3-mixet (17 K) son más próximas a las del MUV-3 (23 K) que a la de las estructuras de ligando puro correspondientes a otras topologías (qtz-MUV-6 y dia-MUV-7, 34 y 39 K). Esta estructura tipo SOD con mezcla de ligandos otorga algo más de estabilidad frente al agua, unas 24-36 horas. Siendo el caso que el Fe(II) presenta una sensibilidad alta en este tipo de estructuras, se pensó en trasladar esta estrategia de síntesis directa a otros metales como el Zn(II) y el Co(II), que parten de base de una estabilidad mayor para comprobar su impacto en la resistencia frente al agua. Para ello se utilizó la misma ruta sintética cambiando el ferroceno por cobaltoceno o ZnO. Por suerte, se consiguió obtener el mismo tipo de estructura tipo SOD con los dos metales en combinación con los ligandos, nombrando a los nuevos materiales ZIF-8-mixme, ZIF-8-mixet, ZIF-67-mixme y ZIF-67-mixet, confirmado por difracción de polvo. En el caso del Co(II) y el Zn(II) también se exploró que estructuras son accesibles mediante la síntesis en ausencia de disolvente con los ligandos puros, sin combinarlos, ya que se conocen más estructuras que con Fe(II). Se obtuvo una variedad grande de compuestos, donde suelen aparecer como mezclas de todos los sistemas conocidos, pudiéndose orientar la síntesis cambiando las condiciones de éstas. El RMN de los nuevos materiales de ligando mixto confirmó la mezcla de ligandos en las estructuras. En experimentos para comprobar la estabilidad frente al agua se utilizó una proporción del 0.006 % en peso de los materiales en agua durante 48 horas en agitación. Los materiales puros de ligando, ZIF-8 y ZIF-67, presentan una mayor descomposición en agua frente a los compuestos mixtos de ligando. Esto fue analizado por RMN del agua, para comprobar la cantidad de ligando presente en el agua, y mediante difracción de polvo para comprobar la cristalinidad y la aparición de otras fases. La adsorción de gases muestra que los compuestos de Fe(II) no adsorben prácticamente, los de Co(II) solo un 2 %, frente al 10 % y 4% de los materiales ZIF-8-mixme y ZIF-8-mixet. Estos datos concuerdan con los análisis termogravimétricos realizados. El Capítulo 4 muestra una aproximación sintética muy distinta para controlar el crecimiento cristalino del ZIF-8. Los sistemas que se utilizaron, sistemas microfluídicos, son buenos para controlar y estudiar los procesos de ensamblaje y cristalización ya que no presentan fenómenos turbulentos como las rutas sintéticas clásicas. Basados en los trabajos anteriores desarrollados por J. Puigmartí sobre la síntesis de MOFs en superficie denominada “In-flow MOF lithography”, se adaptó esta metodología para sintetizar ZIF-8 sobre substratos de vidrio con finas capas de ZnO crecidas encima. La metodología consiste en el uso de chips microfluídicos basados en un polímero, PDMS (polidimetilsiloxano), el cual tiene un canal de dimensiones conocidas con una entrada y salida para los reactivos. En este caso, los reactivos consisten en una disolución de 2-metilimidazol en metanol (saturada). Se hace pasar esta disolución saturada sobre el sustrato con ZnO a través del chip microfluídico controlando la cantidad de volumen por minuto. Los que se observa es el crecimiento de ZIF-8 en una especia de película fuera del canal principal del chip, al contrario que en el caso reportado para otro MOF, el HKUST-1. Además, se observa la aparición de patrones con una distancia establecida y repetida. Las dos claves fundamentales de este experimento son el control de la difusión a través del chip con el flujo continuo y la propia difusión en sí misma. Por ello, se diseñaron experimentos complementarios con bloques de PDMS para ver la influencia de la difusión en el crecimiento cristalino, pero en ausencia de control sobre el flujo de la disolución de 2-metilimidazol. Lo que se observó para esta batería de experimentos es la ausencia de patrones, y una mayor tendencia a crecer en forma de cristales aislados. Por tanto, se concluye que el control sobre el flujo continuo es crucial para la aparición de patrones, lo que abre la puerta a estudiar y formar diferentes patrones y ver cómo afecta a las propiedades del material o película. En el Capítulo 5 la motivación principal cambia de redes tridimensionales a la búsqueda de materiales laminares tipo MOF para explorar la incorporación de magnetismo en materiales estables al aire y poder llegar por primera vez a obtener materiales bidimensionales en este tipo de compuestos híbridos. Los materiales bidimensionales han cobrado protagonismo los últimos años debido al aislamiento del grafeno, el cual es una sola lamina de grafito aislada del resto de capas. La baja dimensionalidad del grafeno afecta a sus propiedades, las cuales distan de las mismas en forma de grafito (3D). La química molecular puede aportar nuevos materiales complementarios a los clásicos inorgánicos ya conocidos como el MoS2 o el fósforo negro gracias a su composición híbrida de moléculas. Para ello, se utiliza la síntesis en ausencia de disolvente como en los primeros capítulos, pero utilizando un ligando distinto, benzimidazol y derivados, para tratar de obtener un sistema isostructural con el conocido Zn(bim)2. La substitución de Zn(II) por Fe(II) en la síntesis podría permitir la presencia de propiedades magenticas, gracias a la configuración del Fe(II) en un entorno tetraédrico sien un d6. La síntesis utilizada da lugar a cristales de gran tamaño, los cuales después de ser analizados por difracción de monocristal, presentan una estructura laminar, es decir, capas extendidas en dos dimensiones covalentemente y en una tercera dimensión solo interactuando mediante fuerzas débiles de van der Waals. Este material fue nombrado MUV–1–Cl. La pureza y estabilidad en aire fue comprobada por difracción de polvo siendo este sistema un material robusto y estable. Las imágenes de SEM corroboran la estructura laminar del MUV–1–Cl. Las medidas magnéticas muestran un ordenamiento antiferromagnético a baja temperatura 20 K. La particularidad de este ordenamiento es que los espines no están perfectamente alineados (“spin canting”) y, por ello, se produce un momento magnético no compensado, como si fuese un ordenamiento ferromagnético muy débil. Todas estas características y propiedades promovieron la exploración del mundo bidimensional a través de su exfoliación por métodos micromecánicos (método de la cinta Scotch). Este método suele romper en exceso los materiales tipo MOF debido a su baja robustez, pero en este caso se obtuvieron magníficos resultados con monocapas de gran tamaño y haciendo posible su caracterización mediante técnicas como espectroscopia Raman o el microscopio electrónico de transmisión, para demostrar su composición química y que se mantiene la estructura cristalina original. Además, se utiliza el MUV-1-Cl exfoliado para construir resonadores mecánicos, lo cual solo se había conseguido hasta el momento con grafeno y MoS2. Esto demuestra que los materiales 2D moleculares pueden ser útiles y complementarios a los clásicos inorgánicos debido a su gran versatilidad y posibilidad de diseño químico. El Capítulo 6 se enfoca en demostrar la versatilidad de los materiales moleculares, ya que al estar construidos de una parte inorgánica (centros metálicos) y una parte orgánica (ligando), pueden presentar una gran variedad. Por ello, uno de los grandes problemas de los materiales bidimensionales es su dificultad a la hora de funcionalizarlos, tanto en control sobre la funcionalización como tener un orden de largo alcance de los grupos funcionales. La ventaja de los materiales moleculares es la posibilidad de poder implementar estos grupos funcionales en el ligando orgánico manteniendo la estructura cristalina. En el caso del MUV-1, se utilizaron diferentes ligandos organicos con un esqueleto común (benzimidazol) pero con diferentes grupos funcionales: CH3, H, NH2, Br. Utilizando la misma síntesis que con el MUV-1, se sintetizó una familia de compuesto isoreticulares, lo que significa que se mantiene la estructura cristalina en todos ellos, solo cambiando los grupos funcionales. Por tanto, es posible, de una forma pre-sintetica, obtener una familia con el mismo tipo de estructura, pero con una funcionalización distinta. Estos cambios en el ligando no afectan a ninguna de sus propiedades, manteniendo la robustez y propiedades magnéticas. Este hecho permite obtener materiales moleculares bidimensionales en los cuales las propiedades magnéticas se mantienen, pero presentan diferente comportamiento en la superficie, desde la hidrofobicidad hasta la hidrofilicidad. El Capítulo 7 nos sigue mostrando la gran versatilidad de la química de coordinación, esta vez desde el punto de vista de la parte metálica. En materiales 2D, el cambio de metal puede significar un cambio de estructura cristalina, como en el caso de grafeno o fosforo negro, o mantener una “familia” de estructuras cristalinas como en los dicalcogenuros de metales de transición. Las propiedades electrónicas suelen variar, ya que el metal es uno de los grandes responsables de estas propiedades. En compuestos de coordinación, donde los metales más usados son los metales de la primera serie de transición, también es muy importante el metal usado, ya que puede determinar las propiedades eléctricas y dirigir hace una estructura cristalina concreta. En el caso de los ZIFs, los metales pueden presentar propiedades catalíticas distintas, flexibilidad diferente incluso no favorecer las redes tipo ZIF, debido a la necesidad de estar en un entorno tetraédrico. Por ello, basándonos en la química de ZIFs, la familia del MUV-1 se ha ampliado a nuevos centros metálicos con el objetivo de variar sus propiedades magnéticas. Utilizando la misma ruta sintética en ausencia de disolvente, nuevas fuentes metálicas se utilizaron, como el ZnO, cobaltoceno o manganoceno, esperando obtener los análogos de Zn(II), Co(II) y Mn(II). Los materiales obtenidos son isostructurales con los compuestos MUV-1, manteniendo la misma estructura cristalina, comprobada por difracción de polvo. La morfología de estos materiales casa con la estructura laminar y lo observado para los MUV-1 de Fe (II). Las propiedades magnéticas fueron medidas una vez se conocía que los materiales compartían la misma estructura. Para el Zn(II) no se observó ordenamiento magnético, debido a su naturaleza electrónica d10. Para el Mn(II) se observa un ordenamiento antiferromagnetico puro, alrededor de 20 K. A diferencia de con el Fe(II), no hay rastro de un momento magnético no compensado debido al “canting”. El comportamiento del Co(II) es más similar al del Fe(II), presentando un ordenamiento magnético alrededor de 11-12 K, mostrando también un momento no compensado debido a la no alineación perfecta de los espines. En estas medidas magnéticas se resalta la importancia del metal en este tipo de materiales y su influencia en las propiedades electrónicas. Aunque el metal influye en este tipo de propiedades, la resistencia mecánica no se ve alterada, y es posible exfoliar estos materiales hasta el límite bidimensional. Gracias a esto, se pudieron construir nanoresonadores con los materiales basados en Fe(II) y Co(II), para detectar el ordenamiento magnético a baja temperatura del material exfoliado. Esta parte del trabajo se realizó en colaboración dek grupo de P. Steneeken en la Universidad de Delft. A la temperatura de ordenamiento de ambos materiales (20 K y 11 K) se puede apreciar un cambio en la frecuencia del resonador y en el factor Q, lo cual corrobora que el material exfoliado mantiene las propiedades magnéticas. En el último capítulo, el Capítulo 8, se abordan dos nuevas estrategias para expandir la síntesis de materiales laminares con el objetivo de obtener más materiales moleculares bidimensionales más allá del MUV-1. La primera de las estrategias se basa en introducir un nuevo sustituyente en el ligando X-benzimidazol, ya que ese segundo grupo funcional es incompatible con la estructura del MUV-1 por impedimento estérico. Para ello, se utilizan dos ligandos nuevos, con dos –Cl/–CH3 en las posiciones 5–6. Gracias a la difracción de monocristal se resuelve la estructura cristalina del nuevo material, el MUV-8, el cual sigue siendo un material laminar, pero con otro tipo de estructura. En este caso, la red pasa de ser cuadrada (MUV-1) a ser hexagonal, siendo el hecho más inusual, que una lámina del material, esté formada por dos centros metálicos (Fe(II)). Es decir, una monocapa del compuesto está constituida por dos series de centros de Fe(II). En una misma serie de centros metálicos se unen a través de puentes benzimidazol (tres ligandos) y entre series de centros metálicos se conectan por un puente benzimidazol, completando el entorno tetraédrico. Entre las monocapas del MUV-8 interactúan por fuerzas débiles de van der Waals. También se encuentran moléculas de ferroceno en el espacio entre capas, el cual no se puede retirar. El magnetismo de estos dos compuestos es muy similar al del MUV-1, presentando un ordenamiento magnético alrededor de 24 K con espin “canting”. La segunda aproximación se basa en la síntesis de materiales con dos ligandos, los cuales suelen ser denominados pilar-laminar, debido a que están construidos formando laminas (con uno de los ligandos) y éstas laminas a su vez unidas entre sí por el otro ligando. Utilizando el ejemplo del primer compuesto publicado con la metodología de ausencia de disolvente en nuestro laboratorio, compuesto por imidazol y bipiridina, se diseñó una nueva aproximación. El ligando tipo pilar, la bipiridina en ese caso, suele ser un ligando didentando. Para la nueva aproximación se pensó utilizar un ligando asimétrico para favorecer uno de los modos de coordinación e intentar debilitar el otro con el fin de poder delaminar un posible material pilar-laminar. Se utilizó un ligando piridina–pirazol donde el pka del pirazol lo hace coordinar más fuertemente. Utilizando el mismo ligando para la parte laminar, el imidazol y este nuevo ligando asimétrico, se obtuvo una estructura tridimensional densa. Observando la estructura tridimensional se apreció que un ligando más impedido estéricamente como el 2-metilimidazol no sería compatible con esta estructura, así que se decidió utilizar este otro ligando para comprobar que estructura se obtendría. En este caso, el material obtenido sí es un material laminar que gracias a la difracción de monocristal, el cual presenta las bipiridinas orientadas hacia la parte exterior de las láminas sin coordinar. Los grupos pirazolato unen centros de Fe(II) al igual que los puentes imidazol. Esto forma una red extendida en dos dimensiones. En la tercera dimensión, los grupos piridina interactúan débilmente por fuerzas de van der Waals. Los centros de Fe(II) se encuentran en entornos tetraédricos. Las imágenes de SEM muestran un material de naturaleza laminar concordando con lo observado en su estructura cristalina. El nuevo material, el MUV-9, puede ser exfoliado y se pueden obtener finas capas del material de largas dimensiones laterales como los anteriores MUV-1 y MUV-8. Las propiedades magnéticas presentan dos tipos de ordenamientos, lo que puede ser debido a los dos diferentes puentes entre los centros de Fe(II). The work described in this thesis is motivated by the solvent-free synthesis of hybrid materials. These molecular compounds are based on azolates ligands and Fe(II) as metallic nodes. The sensibility of the Fe(II) species and facility to oxidizes to Fe(III) makes the solvent-free methodology based on ferrocene as metal source an important approach to expand the Fe(II) chemistry in materials science. This novel synthetic route can be applied to different metals and expand the synthesis to more metals such as Co(II), Zn(II) and Mn(II).Chapter 1 offers a general introduction to hybrid materials based on molecules, as coordination polymers and metal-organic frameworks. The introduction is focused on zeolitic imidazolate frameworks and layered molecular materials, after a historical review of these metal-organic frameworks. Chapter 2 presents the synthesis of the iron ZIF-8 analogue (the MUV-3), using a solvent-free synthesis. This material was an elusive compound owing to the facility of the Fe(II) to oxidize to Fe(III) in the classic synthetic routes. In Chapter 3 it is shown a mixed-ligand approach to improve the water stability of SOD zeolitic imidazolate frameworks, using bulkier ligands to prevent the etching of water molecules. Chapter 4 presents a novel methodology to grow ZIF-8 in a controlled manner as a film onto a glass substrate, based on microfluidic techniques. This technique permits the study of the crystal growth and the control of different parameters such as diffusion and time. In Chapter 5 it is shown the first example of a high-quality 2D material based on a molecular compound (the MUV-1) thanks to its great stability and robustness. Its high quality permits to study and confirm its chemical composition and its crystallinity. Chapter 6 presents the goodness of the molecular materials, showing the easy implementation of several functionalities in a pre-synthetic approach, preserving all the properties and crystallinity. Chapter 7 shows the versatility of the MUV-1 family, thanks to the tunability of the magnetic properties changing the metallic nodes of the systems maintaining the crystal structure. Finally, in Chapter 8 it is shown two different approaches to expand the synthesis of layered molecular materials to achieve 2D robust molecular materials such as the MUV-1.

Los retos actuales de la Química Analítica Verde son el desarrollo, y su implementación en el análisis de rutina, de nuevas metodologías “verdes”, que sean más sostenibles con el medio ambiente. Por ello, el objetivo de esta tesis es desarrollar métodos de análisis directos mediante el empleo de la fluorescencia de rayos X en la determinación del perfil mineral y fomentar el uso del Smartphone como una herramienta de análisis complementaria a las técnicas convencionales en la determinación de compuestos de interés en muestras de alimentos y medioambientales. La presente tesis se estructura en 7 capítulos que de acuerdo con su temática pueden clasificarse en dos apartados: 1. Análisis de alimentos mediante fluorescencia de rayos X, técnica aplicada al análisis de la composición mineral en cacaos solubles, leches infantiles, frutas y legumbres. 2. Análisis mediante Smartphone, técnica desarrollada para la determinación del contenido de clorofila en hojas de cítricos y la determinación de compuestos polares totales (TPC) en aceite de girasol usado. Esta Tesis Doctoral se basa en la idea del desarrollo y optimización de métodos directos aplicando el concepto de la Química Analítica Verde, reduciendo el coste y el tiempo del análisis, así como el volumen de los reactivos empleados y de los residuos generados. En los primeros cinco capítulos de la tesis se analiza el perfil mineral en alimentos empleando la espectrometría de emisión óptica con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES) como técnica de referencia. En el caso del análisis de clorofila (capítulo 6) se ha empleado como técnica de referencia la espectroscopia UV-Vis, se han realizado calibraciones con los datos de los dispositivos portátiles Chlorophyll Content Meter (CCM) y Soil Plant Analysis Development (SPAD) y las fotografías realizadas con el fin de predecir la concentración de clorofila en las hojas analizadas. En el trabajo del análisis de TPC en aceite (capítulo 7) se ha empleado el dispositivo portátil TESTO-270 como técnica de referencia. La Química Analítica Verde se basa en el empleo de metodologías analíticas más sostenibles con el medio ambiente y surge como respuesta a la demanda de métodos más rápidos, con un menor consumo de reactivos, una menor generación de residuos o sustitución de reactivos peligrosos por otros menos tóxicos, manteniendo a su vez las propiedades analíticas. El proceso de la generación del espectro de rayos X consta de 2 partes: la excitación, en la que la radiación primaria de rayos X incide sobre un electrón de las capas internas del átomo y se produce su expulsión, quedando así el átomo en estado excitado; y la emisión, en la que este átomo excitado tiende a volver a su estado más estable (estado fundamental), por lo que se producen saltos de los electrones que ocupan niveles más externos para cubrir los huecos en las capas internas. La excitación que se produce por el bombardeo de electrones se denomina excitación primaria, característica de los tubos de rayos X, y la emisión de otra radiación X, que se conoce como radiación secundaria, es la que se emplea para el análisis químico en los equipos de fluorescencia de rayos X. Hoy en día existen más de 3500 millones de usuarios de Smartphone en todo el mundo y este dispositivo se ha convertido en una herramienta indispensable en nuestras vidas. Sin embargo, este dispositivo móvil no solo sirve para la comunicación, fin con el que se diseñó en un principio, sino que nos permiten realizar cualquier tipo de acción y, si nos centramos en el campo de la ciencia con este pequeño dispositivo se pueden determinar y cuantificar analitos sin perder las propiedades analíticas a día de hoy.Los Smartphones se han convertido en una herramienta complementaria y verde de las técnicas convencionales en el análisis de sustancias y en los últimos años el empleo del Smartphone como herramienta analítica ha crecido de forma exponencial debido a su capacidad de realizar análisis in situ y a la no destrucción de las muestras. En el caso de determinaciones colorimétricas es necesario el uso de reactivos y de una preparación específica de la muestra, por lo que en estos casos no sería una herramienta tan “verde”.

El camp dels materials moleculars atrau l’atenció de molts científics degut al gran potencial de la química molecular en el disseny de materials amb un ajust precís de les seues propietats. Els dos projectes tractats en aquesta tesi representen dos temes que destaquen en aquesta àrea, materials de transició d’espín i polímers de coordinació amb propietats òptiques i/o magnètiques, gràcies al seu significant progrés i ràpid desenvolupament en els últims anys. La primera part d’aquesta tesi es basa en l’ús d’enllaços d’hidrogen en el disseny de xarxes multifuncionals de ferro(II) amb transicions d’espín abruptes. El capítol 1 és una introducció a aquest tema des de la perspectiva dels complexos [Fe(bpp)2]2+ (bpp = 2,6-bis(pirazol-3-il)piridina). El capítol 2 mostra un anàlisi comparatiu de les sals [Fe(bpp)2]2+ construïdes amb l’anió flexible adipat o l’anió rígid tereftalat com acceptors d’enllaç d’hidrogen. Aquest estudi mostra la rellevància de la rigidesa dels anions en les propietats magnètiques de les xarxes resultants. A més a més, dos materials anhidres amb diferents comportaments magnètics i grau de cristal·linitat han sigut obtinguts per al derivat basat en l’anió adipat en funció del tractament tèrmic emprat. El capítol 3 descriu la incorporació d’anions acèntrics mononegatius, la qual cosa permet l’optimització de la connectivitat dels enllaços d’hidrogen. Concretament, l’ús de l’anió isonicotinat ha permés la construcció d’una xarxa cristal·lina acèntrica de tipus diamant en base a un senzill disseny per sintetitzar xarxes acèntriques. La fase anhidra d’aquest material exhibeix una transició de fase entre dos estructures ferroelèctriques en el mateix rang de temperatura en el que s’observa la transició d’espín. L’ús de l’anió isonicotinat N-òxid ha donat lloc a l’aïllament de dos sals que presenten transicions d’espín abruptes i que desencadenen noves redistribucions estructurals en resposta a l’aplicació de llum o a un canvi de temperatura: una isomerització d’un enllaç d’hidrogen que involucra a un carboxilat i un desplaçament de protó entre dos anions que formen un enllaç d’hidrogen molt fort. Experiments isotòpics i dades de difracció de neutrons revelen una gran influència dels enllaços d’hidrogen sobre les propietats de transició d’espín. Específicament, els enllaços d’hidrogen presents en la segona esfera de coordinació del ferro són més curts en l’estat de baix espín en comparació a aquelles distàncies mesurades en l’estat d’alt espín. La segona part d’aquesta tesi se centra en la síntesi i caracterització de polímers de coordinació basats en una nova família de lligands politòpics segmentats per triples enllaços. L’objectiu d’aquest treball és millorar l’estabilitat en aigua i a valors de pH extrems dels compostos de coordinació actuals mitjançant l’ús del grup funcional quelant picolinat. El capítol 4 conté un breu resum sobre les aproximacions sintètiques i aplicacions d’aquest tipus de materials. El capítol 5 descriu la síntesi (reaccions d’acoblament tipus Sonogashira) i caracterització de la nova família de lligands. La metodologia sintètica, propietats magnètiques, tèrmiques, estructurals i luminescents dels compostos cristal·lins construïts a partir d’aquests lligands i ions divalents es descriuen en el capítol 6. En canvi, el capítol 7 descriu el progrés assolit amb ions lantànids trivalents. Els experiments de detecció revelen que els derivats de Zn i Eu poden ser selectivament emprats com a sondes luminescents en medi aquós per tal de detectar ions Fe3+ i nitrobenzè gràcies a un descens dramàtic en la seua senyal luminescent. Finalment, el capítol 8 conté les conclusions generals d’aquesta tesi doctoral. The field of molecular materials attracts the interest of many scientists due to the huge potential of molecular chemistry in materials design and fine tuning of materials properties. The two different projects addressed in this thesis represent two topics that stand out in this area, spin crossover (SCO) compounds and coordination polymers with optical and/or magnetic properties, due to their significant progress and rapid development in the last years. The first part of this thesis is based on the use of hydrogen bonds in the design of multifunctional iron(II) supramolecular networks with abrupt spin transitions. Chapter 1 is an introduction to this topic from the perspective of [Fe(bpp)2]2+ complexes (bpp = 2,6-bis(pyrazol-3-yl)pyridine). Chapter 2 shows a comparative analysis of [Fe(bpp)2]2+ salts with the flexible adipate or the rigid terephthalate as hydrogen bond acceptors. This study shows the relevance of the rigidity of the anions in defining the magnetic properties. Moreover, two anhydrous materials with distinct magnetic behaviour and degree of crystallinity were obtained for the adipate derivative depending on the thermal treatment used. Chapter 3 describes the incorporation of acentric mononegative anions which enables the optimisation of the hydrogen bond connectivity. In particular, the use of the isonicotinate linker has allowed the construction of an acentric diamond-like crystal lattice, following a basic design for acentric networks. The anhydrous phase of this material exhibits a phase transition between two ferroelectric structures in the same temperature range in which the spin crossover is observed. The employment of the isonicotinate N-oxide anion has led to the isolation of two salts that present abrupt spin transitions triggering novel structural rearrangements that respond towards light irradiation or temperature change: a supramolecular linkage (H-bond) isomerisation involving a carboxylate moiety and a proton displacement between two anions that form a short strong hydrogen bond. Isotopic experiments and neutron diffraction data reveal that hydrogen bonding influences the spin crossover properties. Specifically, hydrogen bonds in the 2nd iron coordination sphere are found to be shorter for the low-spin species in comparison to those in the high-spin state. The second part of this thesis relies on the synthesis and characterisation of coordination polymers based on a novel family of ethynyl-bridged polytopic ligands. The aim of this work is to improve the stability in water and at extreme pH values of current coordination compounds through the use of the chelating picolinate functional group. Chapter 4 contains a brief summary about synthetic approaches and applications of these materials. Chapter 5 describes the synthesis (Sonogashira-type cross-coupling reactions) and characterisation of the novel family of ligands. The synthetic methodology, thermal, structural, luminescent and magnetic properties of crystalline compounds constructed from these ligands and divalent ions are described in Chapter 6. Instead, Chapter 7 gathers the progress achieved with trivalent lanthanide ions. Sensing experiments reveal that Zn and Eu derivatives can be selectively used as luminescent probes in aqueous medium towards Fe3+ and nitrobenzene detection through luminescent quenching. All these polymers are remarkably robust in water within a wide pH range. Finally, Chapter 8 compiles the general conclusions of the present dissertation.

Pollinator decline is an emerging worldwide problem with serious repercussions on agriculture and environment. Around one third of human food relies on insect pollination, and most of the flowering plants need pollinators to survive. Honey bee is the main pollinator in environments where anthropogenic pressure has reduced the number of native pollinators, like urban, rural and agricultural areas. The main cause of beekeeping crisis is parasite Varroa destructor and secondary infections associated with the mite. Pesticide contamination and nutritional deficiencies, combined with the parasite, can act synergistically and reduce survival of bee colonies. Honey bees patrol extensive areas when foraging for nectar and pollen. These foraging flights expose them to compounds applied to crops like insecticides, fungicides, nematicides and herbicides through different routes. They are also in contact with pesticides applied inside the hive against varroa mite by beekeepers. As a result, honey bees are exposed to cocktails of pesticides inside and outside their colonies. Multiresidue methods for the screening, identification and quantitation of pesticides require a high sensitivity and reliability. The LC-MS/MS is a rugged technique that can cover the majority of the challenges involved in that task. Prior to the determination of the pesticides, it is necessary an efficient extraction procedure as comprehensive as the equipment used in the identification. The QuEChERS procedure followed by HPLC-MS/MS provided appropriate results in terms of accuracy, precision, sensitivity and quickness, and therefore was a suitable method for the determination of the selected pesticides in honey bees, pollen and beeswax. Miticides used in beekeeping were the most frequently detected pesticides in beeswax, pollen and live bees, whereas insecticides were the most frequent compounds found in dead honey bees. Beeswax is the most contaminated hive compartment regarding levels of pesticides detected, whereas pollen revealed the highest number of different pesticide residues detected in the samples. Live honey bees were remarkably less contaminated in both quantities and number of pesticides detected. Pesticide poisoning episodes took place only in apiaries located near agricultural settings, and dead honey bees revealed high levels of chlorpyrifos, dimethoate and imidacloprid insecticides, used in the surrounding crops. Beeswax was the beekeeping matrix with the highest pesticide hazard to honey bees and acrinathrin was the most important contributor to the HQ scores. The pesticide hazard of pollen was considered relevant for bees, and the main contributors to HQ scores were acrinathrin and chlorpyrifos. Pesticide hazard in live bees was considered low. The results obtained showed the widespread occurrence of pesticides used in plant protection in pollen and dead bees samples, pointing out that the reliance on pesticides of modern agriculture should be reconsidered. Pollinator decline is an emerging worldwide problem with serious repercussions on agriculture and environment. Around one third of human food relies on insect pollination, and most of the flowering plants need pollinators to survive. Honey bee is the main pollinator in environments where anthropogenic pressure has reduced the number of native pollinators, like urban, rural and agricultural areas. The main cause of beekeeping crisis is parasite Varroa destructor and secondary infections associated with the mite. Pesticide contamination and nutritional deficiencies, combined with the parasite, can act synergistically and reduce survival of bee colonies. Honey bees patrol extensive areas when foraging for nectar and pollen. These foraging flights expose them to compounds applied to crops like insecticides, fungicides, nematicides and herbicides through different routes. They are also in contact with pesticides applied inside the hive against varroa mite by beekeepers. As a result, honey bees are exposed to cocktails of pesticides inside and outside their colonies. Multiresidue methods for the screening, identification and quantitation of pesticides require a high sensitivity and reliability. The LC-MS/MS is a rugged technique that can cover the majority of the challenges involved in that task. Prior to the determination of the pesticides, it is necessary an efficient extraction procedure as comprehensive as the equipment used in the identification. The QuEChERS procedure followed by HPLC-MS/MS provided appropriate results in terms of accuracy, precision, sensitivity and quickness, and therefore was a suitable method for the determination of the selected pesticides in honey bees, pollen and beeswax. Miticides used in beekeeping were the most frequently detected pesticides in beeswax, pollen and live bees, whereas insecticides were the most frequent compounds found in dead honey bees. Beeswax is the most contaminated hive compartment regarding levels of pesticides detected, whereas pollen revealed the highest number of different pesticide residues detected in the samples. Live honey bees were remarkably less contaminated in both quantities and number of pesticides detected. Pesticide poisoning episodes took place only in apiaries located near agricultural settings, and dead honey bees revealed high levels of chlorpyrifos, dimethoate and imidacloprid insecticides, used in the surrounding crops. Beeswax was the beekeeping matrix with the highest pesticide hazard to honey bees and acrinathrin was the most important contributor to the HQ scores. The pesticide hazard of pollen was considered relevant for bees, and the main contributors to HQ scores were acrinathrin and chlorpyrifos. Pesticide hazard in live bees was considered low. The results obtained showed the widespread occurrence of pesticides used in plant protection in pollen and dead bees samples, pointing out that the reliance on pesticides of modern agriculture should be reconsidered.

En la última década, las perovskitas de haluro de plomo, así como otros haluros de metales múltiples, incluidas las alternativas sin plomo, han demostrado ser materiales prometedores para su uso en optoelectrónica. Por lo tanto, se buscan activamente nuevas formas de producir semiconductores de alta pureza a gran escala. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis doctoral es el desarrollo de perovskitas y semiconductores relacionados utilizando métodos sin disolventes. Además, con la perspectiva del uso de dichos materiales en optoelectrónica a escala industrial, el foco está puesto en trabajar con materiales benignos para el desarrollo de alternativas a las perovskitas tóxicas. La síntesis mecanoquímica ha surgido recientemente como un método muy conveniente y confiable para obtener perovskitas de haluro de plomo de alta calidad, así como otros haluros metálicos multinarios sin plomo. Por lo tanto, esta tesis contribuye a un estudio de materiales para el desarrollo de perovskitas y materiales relacionados a través de una ruta mecanoquímica libre de solventes y la investigación de sus características fundamentales. Además, con el interés en la implementación de estos semiconductores de alta pureza en optoelectrónica, además de un estudio de materiales, esta tesis contribuye a la investigación de una forma novedosa para la fabricación de perovskitas de película delgada a través de la deposición al vacío de una sola fuente de perovskita sintetizada mecanoquímicamente. polvos. Como tal, este trabajo allana el camino para una nueva forma tanto de comprender la formación de perovskitas como de una forma alternativa para el desarrollo de películas delgadas con la perspectiva de la fabricación de aplicaciones en el campo de la optoelectrónica. In the past decade, lead halide perovskites, as well as other multinary metal halides – including lead-free alternatives – have shown to be promising materials for their use in optoelectronics. Therefore, new ways of producing high-purity semiconductors in large scale are actively sought after. Hence, the main aim of this doctoral thesis is the development of perovskites and related semiconductors using solvent-free methods. Furthermore, with the prospect of the use of such materials in optoelectronics on an industrial scale, the focus is put on working with benign materials for the development of alternatives to toxic perovskites. Mechanochemical synthesis has recently emerged as a highly convenient and reliable method to obtain high-quality lead halide perovskites, as well as other lead-free multinary metal halides. Hence, this thesis contributes to a material study for the development of perovskites and related materials via a solvent-free mechanochemical route and the investigation of the fundamental characteristics thereof. Furthermore, with the interest in the implementation of these high-purity semiconductors in optoelectronics – besides a material study – this thesis contributes to the investigation of a novel manner for the fabrication of thin film perovskites via single-source vacuum deposition of mechanochemically-synthesized perovskite powders. As such, this work paves the way to a new manner for both understanding the formation of perovskites, as well as an alternative way for thin film development with the prospect of the fabrication of applications in the field of optoelectronics.

Development of new memristive hardware is a technological requirement towards widespread neuromorphic computing. Molecular spintronics seems to be a fertile field for the design and preparation of this hardware. Within molecular spintronics, recent results on metallopeptides demonstrating the interaction between paramagnetic ions and the chirality induced spin selectivity effect hold particular promise for developing fast (ns–μs) operation times. [R. Torres-Cavanillas et al., J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c07531]. Among the challenges in the field, a major highlight is the difficulty in modelling the spin dynamics in these complex systems, but at the same time the use of inexpensive methods has already allowed progress in that direction. Finally, we discuss the unique potential of biomolecules for the design of multistate memristors with a controlled- and indeed, programmable-nanostructure, allowing going beyond anything that is conceivable by employing conventional coordination chemistry. ERC-CoG DECRESIM 647301 COST-MOLSPIN-CA15128 CTQ2017-8952 CEX2019-000919-M Prometeo Program of Excellence PRECOMP14-202646 Development of new memristive hardware is a technological requirement towards widespread neuromorphic computing. Molecular spintronics seems to be a fertile field for the design and preparation of this hardware. Within molecular spintronics, recent results on metallopeptides demonstrating the interaction between paramagnetic ions and the chirality induced spin selectivity effect hold particular promise for developing fast (ns–μs) operation times. [R. Torres-Cavanillas et al., J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c07531]. Among the challenges in the field, a major highlight is the difficulty in modelling the spin dynamics in these complex systems, but at the same time the use of inexpensive methods has already allowed progress in that direction. Finally, we discuss the unique potential of biomolecules for the design of multistate memristors with a controlled- and indeed, programmable-nanostructure, allowing going beyond anything that is conceivable by employing conventional coordination chemistry.

La irrupción de los nanomateriales en la vida moderna es un claro indicador del avance científico. El diseño de materiales a la carta permite establecer un control preciso sobre las propiedades finales de estos. El objetivo principal que ha motivado la presente Tesis es la combinación y funcionalización de láminas de MoS2 ultrafinas químicamente exfoliadas (ce-MoS2) con diferentes sistemas de base molecular. La Tesis se divide en los siguientes Capítulos: Capítulo I: En primer lugar, se introducen brevemente los nanomateriales. En segundo lugar, se describen los materiales bidimensionales (2D). A continuación, se detallan algunos aspectos generales de los dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs). Luego, la atención se dirige al MoS2, el TMDC más estudiado. En este bloque, se ofrece información detallada sobre los politipos más conocidos, los principales métodos de exfoliación y la preparación de materiales de tipo composite (composite) basados en láminas de MoS2. Finalmente, se profundiza en la funcionalización del MoS2. Capítulo II: Se centra en la preparación de un composite a partir de la combinación de láminas de ce-MoS2 con precursores de azul de Prusia (PB). La estrategia sintética se basa en el doble rol del ce-MoS2 (como agente reductor y plataforma 2D de nucleación). Se demuestra que las láminas de MoS2 se oxidan completamente como consecuencia de su funcionalización con el PB. El composite resultante exhibe un excelente rendimiento como material catódico en baterías de iones sodio y potasio (SIBs and KIBs, respectivamente). Finalmente, se explica cómo reducir el contenido de óxido en el composite final. Capítulo III: Se basa en la preparación de un nuevo composite a partir de la combinación de ce MoS2 y cubo molecular diamagnético de Fe y Co. Como consecuencia de la transferencia electrónica del ce-MoS2 al cubo diamagnético de partida, el sistema diamagnético se transforma en un compuesto paramagnético. Capítulo IV: Tiene por objetivo la funcionalización covalente de ce-MoS2 con un sistema fotocrómico (derivado de ditienileteno) tanto en su forma abierta como en la cerrada. Los resultados obtenidos mediante diferentes técnicas de caracterización confirman la formación de nuevos enlaces covalentes (C-S) entre los dos componentes. Además, parece que la fotoluminiscencia (PL) inherente al sistema fotocrómico decae después de la funcionalización, indicando una posible transferencia de carga entre el material 2D y el derivado de ditienileteno. Capítulo V: Trata sobre la formación de heterostructuras de WS2/MoS2. El método que se propone consta de 2 partes: i) funcionalización de ce-MoS2 con un clúster de tungsteno a través de interacciones electrostáticas, ii) tratamiento térmico del composite resultante a fin de inducir la formación de nanodominos de WS2 sobre las láminas de MoS2. Esta estrategia sintética combina las ventajas de un método en disolución (sencillez, escalabilidad y bajo coste) con la formación de interfases de alta calidad. Además, como consecuencia del fuerte acoplamiento entre ambos dicalcogenuros, se observa una atenuación de la PL correspondiente a la heterostructura. Capítulo VI: Recoge las conclusiones principales de la Tesis. The outbreak of nanomaterials is a clear sensor of the scientific advance. The design of nano-sized materials at will permits to tailor the fascinating novel properties resulting from a drastic reduction in dimensionality. In this vein, we have done our particular contribution to the field of the so-called 2D materials. The main goal that has motivated the development of this Thesis is the functionalization and combination of ultrathin MoS2 flakes obtained by chemical exfoliation (abbreviated as ce-MoS2 flakes) with different molecular-based systems. This Thesis is divided into the following blocks: Chapter I: It begins with a brief introduction to nanomaterials. After that, two-dimensional (2D) materials are succinctly described. Subsequently, the family of layered transition metal dichalcogenides (TMDCs) is presented. Next, the focus turns to MoS2, the most studied layered TMDC. In this latter section, we can find detailed information about the most common polytypes, dry and wet exfoliation methods, and composites based on MoS2 layers. Finally, the molecular functionalization of MoS2 is described. Chapter II: It is focused on the preparation of a new MoS2-based composite by combining ce MoS2 flakes and Prussian blue (PB) precursors. The synthetic strategy here described takes profit from negative-charged MoS2 flakes as both reducing agent and 2D platform for the PB nucleation. We show that MoS2 layers are fully oxidized after functionalization. Interestingly, the resultant composite exhibits an excellent performance as cathode material for sodium- and potassium-ion batteries (SIBs and KIBs, respectively). Finally, we give some insights about how to reduce the oxidation extent into our final composite. Chapter III: It aims to the preparation of a novel composite by combining ce-MoS2 flakes and a preformed diamagnetic FeCo molecular cube. We provide evidence to support the idea that the diamagnetic system is transformed into a paramagnetic compound, as a result of the electron transfer from negative-charged MoS2 flakes to the starting FeCo cube. Chapter IV: It talks about the covalent functionalization of ce-MoS2 flakes via the well-known diazonium strategy, starting from a photochromic dithienylethene derivative (in its open- and closed structure forms) bearing two reactive sites. The results obtained from several characterization techniques confirm the formation of new C–S bonds between both interacting components. Interestingly, it appears that the inherent photoluminescence (PL) of the organic molecule is quenched after functionalization, indicating a possible charge transfer between the 2D material and the attached dithienylethene derivative. Chapter V: It tackles the formation of WS2/MoS2 heterostructures through the thermal treatment of MoS2 layers electrostatically functionalized with W3S4-core clusters. This chemical strategy combines the advantages of a solution approach (simplicity, scalability, and low cost) with the formation of good quality interfaces (usually, reached by more complex physical methods). The PL of both counterparts is significantly quenched, which would confirm an efficient interlayer coupling between them. Chapter VI: It summarizes the main conclusions of this Thesis.

The aryl hydrocarbon receptor (AhR) is a cytoplasmatic sensor of diverse endogenous and exogenous substances. In a toxicological context, the former known as “dioxin receptor” has been investigated as a xenobiotic chemoreceptor and due to its roles in mediating carcinogenesis, endocrine disruption, among other immunological, hepatic, cardiovascular, and dermal toxicity mechanisms. The deep physiological implications of AhR in cellular proliferation, adhesion, division, differentiation, as well as in the reproductive, immunological and cardiovascular homeostasis have opened a new field of research in order to harness AhR’s pharmacological potential. Hence, AhR has become a therapeutic target of inflammatory, infectious, malignant, and immunological conditions. Toxicological and pharmacological fields could benefit from discovering novel AhR modulators to elucidate further on the chemical-biological implications of this crucial transcription factor. In this Thesis, the following objective was proposed in order to contribute to such understanding. General Objective: Evaluate diverse chemical compounds as modulators of AhR by means of in silico and in vitro methods. The general objective was concretized in specific aims distributed in the five Chapters of this Thesis as follow: Chapter 1. Review the literature on AhR mediated effects and the existing theoretical and experimental methods employed to study the structural and functional aspects of the receptor. Chapter 2. Develop and experimentally validate QSAR models to predict the AhR agonist activity of chemical compounds. Chapter 3. Analyze the dual effects of a set of benzothiazoles as AhR modulators and antimicrobial agents. Chapter 4. Evaluate a novel set of triarylmethane compounds as AhR ligands. Chapter 5. Study the AhR antagonism discovered in potentially harmful substances using computational methods. The aryl hydrocarbon receptor (AhR) is a cytoplasmatic sensor of diverse endogenous and exogenous substances. In a toxicological context, the former known as “dioxin receptor” has been investigated as a xenobiotic chemoreceptor and due to its roles in mediating carcinogenesis, endocrine disruption, among other immunological, hepatic, cardiovascular, and dermal toxicity mechanisms. The deep physiological implications of AhR in cellular proliferation, adhesion, division, differentiation, as well as in the reproductive, immunological and cardiovascular homeostasis have opened a new field of research in order to harness AhR’s pharmacological potential. Hence, AhR has become a therapeutic target of inflammatory, infectious, malignant, and immunological conditions. Toxicological and pharmacological fields could benefit from discovering novel AhR modulators to elucidate further on the chemical-biological implications of this crucial transcription factor. In this Thesis, the following objective was proposed in order to contribute to such understanding. General Objective: Evaluate diverse chemical compounds as modulators of AhR by means of in silico and in vitro methods. The general objective was concretized in specific aims distributed in the five Chapters of this Thesis as follow: Chapter 1. Review the literature on AhR mediated effects and the existing theoretical and experimental methods employed to study the structural and functional aspects of the receptor. Chapter 2. Develop and experimentally validate QSAR models to predict the AhR agonist activity of chemical compounds. Chapter 3. Analyze the dual effects of a set of benzothiazoles as AhR modulators and antimicrobial agents. Chapter 4. Evaluate a novel set of triarylmethane compounds as AhR ligands. Chapter 5. Study the AhR antagonism discovered in potentially harmful substances using computational methods.

Through the end of contribute to the next generation of photovoltaics and light emitting devices the preparation of no-expensive and high quality materials with high PLQY and reduced non-radiative recombination is crucial. For such a reason the thesis is focus on the develop of high optoelectronic potential hybrid perovskite material and on their processing methods. In the different Chapters, various low dimensional perovskite synthetic approaches and their application are investigated. In the Chapter 2, a low dimension quasi-2D perovskite with a remarkable PLQY was prepared thanks to interplay of different fabrication approaches such us altered stoichiometry, solution engineered deposition and the use of electron donor passivating agent. In the Chapter 3, quasi-2D and pure 2D perovskite were fabricated by vacuum-deposition method in order to overcame the limitation of the solution process approach. High crystallinity, homogenous, compact films were prepared. However, different challenges were face up during the deposition process. In the Chapter 4, the 2D perovskites fabricated by dual-source vacuum deposition in the Chapter 3 were apply to study the effect and the advantages of a wide bandgap 2D perovskite material on the reduction of non-radiative recombination of a polycrystalline 3D perovskite in a heterostructure system.

The aim of this thesis was the development of materials and device architectures for the preparation of efficient vacuum deposited perovskite solar cells. The effect of different charge transport layers, interfacial materials and electrodes on the performance of perovskite solar cells was studied. Emphasis was placed on the importance of reducing non-radiative recombination within the perovskite and at the interfaces, which is the key to maintain high photovoltage in a solar cell. a novel approach to prepare mixed iodide-chloride perovskites, using three-source vacuum deposition technique, was presented. MAPbI3-xClx perovskite films showed a homogenous morphology and good crystallinity, and were hence used to fabricate thin-film diodes to examine the optoelectronic properties. Under illumination, the photovoltage was found to be larger as compared to pure iodide perovskite, reaching 1.13 V and a power conversion efficiency exceeding 16%. In forward bias, we detected intense electroluminescence with a quantum yield of 0.3%, similar to that of state-of-the-art evaporated MAPbI3 solar cells. The high quantum yield for electroluminescence together with the long photoluminescence lifetime suggests a reduction of the non-radiative recombination rate. The importance of the choice of suitable interfacial charge transport layers, electrodes, and their combinations, was highlighted in chapter 4. The MAPbI3 perovskite layer was deposited by dual source vacuum deposition. BCP, Liq and their combination were used as interlayers between the electron transport layer and the top electrode. We observed that BCP and Liq can lead to devices with high rectification, fill factor, and photovoltage. We also observed that the use of low work function metals, such as Ba, can be beneficial for the reduction of non-radiative recombination, although at the price of the device stability. In chapter 5, the optimization of the front contact in perovskite solar cells was investigated. As in chapter 4, the MAPbI3 perovskite film was deposited by dual source vacuum deposition. The hole transport layer which was used to fabricate the perovskite solar cells is TaTm. To ensure an ohmic contact between the TaTm layer and the ITO, an additional MoO3 layer was placed in between the two materials. The hole extraction properties of the MoO3/TaTm was evaluated by selectively annealing either MoO3 (prior to the deposition of TaTm) or the bilayer MoO3/TaTm (without pre-treatment on the MoO3), at temperature ranging from 60 °C to 200 °C. We observed that having TaTm deposited and annealed together with the MoO3 layer led to large improvement in fill factor (80%) and power conversion efficiency (> 18%) at any annealing temperature, with the best results obtained at 140 °C.

La presente tesis doctoral titulada “Diseño, síntesis y evaluación de quimiodosímetros para la detección de formaldehído” está centrada en el desarrollo de sistemas para la detección cromo-fluorogénica de formaldehído, tanto en disolución acuosa como en fase gas, empleando conceptos de química orgánica, química supramolecular y ciencia de los materiales. El formaldehído es una molécula ampliamente utilizada en distintos sectores industriales como la industria del mueble, farmacéutica o el sector textil. Sin embargo, su toxicidad pone en riesgo tanto a consumidores como a los trabajadores de dichos sectores, lo que convierte el desarrollo de sensores para detectar y monitorizar los niveles ambientales de formaldehído en un campo de gran interés. En la introducción se describen los conceptos necesarios para iniciarse en el campo de los sensores y poder comprender el trabajo y los resultados obtenidos. Durante el desarrollo de la tesis se utilizan distintas estrategias para la detección de este analito, desde la síntesis de moléculas orgánicas diseñadas específicamente para reaccionar con formaldehído dando lugar a un cambio de color o de emisión de fluorescencia, hasta el uso de nanopartículas de oro funcionalizadas con distintos ligandos capaces de experimentar procesos de agregación en presencia de formaldehído. En el capítulo 3 se describe el uso de dopamina y de la reacción de Pictet-Spengler para desarrollar un sistema para la detección de formaldehído en disolución y en fase gas, registrando los cambios observados en los espectros de UV-visible y fluorescencia. Por último, se describe la utilización de dicho sistema en un ambiente real para comprobar su aplicabilidad. Esta experiencia se realizó en la sala de disección de la Facultad de Medicina de la Universidad de Valencia. En el capítulo 4 se extiende el trabajo realizado en el capítulo anterior funcionalizando en la posición meso un BODIPY con un derivado de dopamina. Tras caracterizar estructural y espectroscópicamente el sistema obtenido, se evalúa su capacidad para la detección de formaldehído en disolución mediante un proceso de transferencia de energía. En el capítulo 5 se describe la utilización de nanopartículas de oro funcionalizadas con distintos ligandos para la detección cromogénica de formaldehído. Tras caracterizar algunas de las propiedades básicas de estos materiales híbridos, se evalúa su capacidad para agregarse en presencia del analito dando lugar a un cambio de color. Por último, en el capítulo 6 se describe la síntesis y propiedades de una serie de derivados de BODIPY funcionalizados con un grupo nitrogenado (amina o hidracina) en la posición meso, y se evalúa su capacidad para la detección cromo-fluorogénica de formaldehído tanto en disolución como en fase gas.

Entre las leguminosas, el lupino ha sido identificado como promisorio, por su alto contenido y calidad de proteínas y otros nutrientes, apropiados para la producción sostenible y con beneficios potenciales para la salud. A pesar de su alto contenido nutricional, la presencia de alcaloides quinolizidínicos (QAs) en la especie Lupinus mutabilis limita la expansión de su uso y consumo. Por lo tanto, el objetivo general de la presente tesis doctoral es mejorar el procesamiento de lupino con respecto a la eficiencia del proceso y la composición nutricional, y validar la aplicabilidad de los productos resultantes en un alimento básico como el pan. Con ese objetivo, se evaluó el efecto de dos tratamientos térmicos, acuoso (ATT) y salino (STT), sobre los QAs y el contenido total de proteínas, así como sobre las características del grano (tamaño, textura y color) en tres variedades de lupino (INIAP-450, INIAP-451 y Criollo). Los dos métodos fueron efectivos para reducir los QAs a niveles seguros de consumo (2,5-3,5 g•kg-1 peso seco), pero el STT fue más eficiente en términos del tiempo (58 h frente a 84 h) y el volumen de agua (66 L frente a 127 L) requeridos. Debido a que el proceso de desamargado causó la pérdida de ciertos nutrientes del grano de lupino, se exploró la fermentación en estado sólido, utilizando Rhizopus oligosporus, para mejorar el valor nutricional de tres variedades de L. mutabilis, incluyendo el impacto de la condición del grano (entero o triturado) y la presencia de tegumento. Después de la incubación a 28 °C por 96 h, la acidez titulable aumentó a 0,60%, el pH disminuyó a 4,03 y el nitrógeno total del grano triturado sin tegumento alcanzó un valor de 108,27 g•kg-1 peso seco, en la variedad Criollo; confirmando el efecto positivo de la fermentación de los granos. El desamargado y la fermentación sólida indujeron cambios significativos en la composición nutricional de las tres variedades de lupino. Concretamente, la aplicación de los dos procesos aumentó el contenido de proteína a 644,55 g•kg-1 peso seco (Criollo). Los aminoácidos variaron de forma diferente según el proceso aplicado al grano, así el desamargado causó una disminución de la mayoría de aminoácidos, excepto los ácidos aspártico y glutámico, leucina y fenilalanina. En contraste, al aplicar la fermentación la mayoría de aminoácidos experimentaron un incremento, con relación al grano desamargado, excepto el ácido aspartico, serina, histidina, glicina, arginina, alanina, lisina y fenilalanina. Los ácidos grasos poliinsaturados aumentaron por efecto del desamargado hasta un valor promedio de 292,25 g•kg-1; con la fermentación aumentó el contenido de monoinsaturados (559,78 g•kg-1 de aceite de lupino) y poliinsaturados (293,17 g•kg-1 de aceite de lupino). Paralelamente, la fermentación causó una disminución del almidón total, almidón resistente, potasio, hierro y zinc, pero el nivel de reducción varió dependiendo de la variedad de lupino. Los procesos de desamargado y fermentación sólida afectaron también a los componentes antinutricionales y las propiedades antioxidantes benéficas de las tres variedades de lupino, causando una disminución de los siguientes antinutrientes: nitratos (94,47%), taninos (82,14%), alcaloides (93,80%), ácido fítico (71,57%) e inhibidores de tripsina (76,83%). La actividad ureasa expresada como diferencia de pH disminuyó hasta 0,05. Los fenoles, los carotenoides y la capacidad antioxidante disminuyeron debido al proceso de desamargado en 96,83; 52,63 y 96,12%, respectivamente, pero mejoraron debido a la fermentación sólida en 1056,87%, 165,42% y 1509,81%, respectivamente. Cuando las harinas de lupino se probaron en panificación, se obtuvieron panes trigo-lupino con diferentes niveles de substitución (10%, 15%, 20%). El lupino debilitó la masa durante el mezclado, con un tiempo de desarrollo y estabilidad más cortos, especialmente la harina de lupino fermentado (FLF). Las harinas de lupino desamargado (DLF) y fermentado (FLF) redujeron significativamente el volumen de los panes lupino-trigo, particularmente con una sustitución (> 10%). El efecto detrimental observado con mayores niveles de sustitución (20%) fue atenuado usando FLF, sin embargo, los panes elaborados con esta harina, recibieron menores calificaciones sensoriales, debido al sabor ácido detectado por los panelistas. Las dos harinas de lupino permitieron obtener panes lupino-trigo con una composición química similar, aumentando el contenido promedio de proteína, grasa y fibra dietética, en comparación con los panes de trigo. En general, este estudio dio a conocer las condiciones para realizar un eficiente desamargado del lupino y el impacto de la fermentación en estado sólido para la mejora nutricional del grano, lo que condujo a la obtención de harinas que podrían usarse para reemplazar parcialmente a la harina de trigo en la elaboración de pan, contribuyendo a la sostenibilidad económica de los cultivos de Ecuador. Among legumes, lupin has been identified as particularly promising, characterized by high-quality protein content and other nutrients suitability for sustainable production and potential health benefits. Despite its high nutritional content, the presence of quinolizidine alkaloids (QAs) in the species Lupinus mutabilis limits the expansion of its consumption and use. Therefore, the general objective of the present PhD thesis was to improve lupin processing regarding process efficiency and nutritional composition, and to validate the applicability of the resulting products on a staple food like bread. With this goal the effect of two thermal treatments, aqueous (ATT) and saline (STT), on QAs and total protein contents, as well as on grain features (size, texture and color) was evaluated in three lupin varieties (INIAP-450, INIAP-451 and Criollo). Both methods were effective for reducing QAs to safe levels for consumption (2.5-3.5 g·kg-1 dry weight), but the STT was more efficient in terms of the time required (58 h vs 84 h) and volume of water (66 L vs 127 L). Since the debittering process caused the loss of certain lupin nutrients, the solid-state fermentation using Rhizopus oligosporus was explored to improve the nutritional value of three L. mutabilis varieties, including the impact of the grain status (whole or crushed) and the presence of tegument. After incubation at 28 °C for 96 h, the titratable acidity increased to 0.60%, the pH decreased to 4.03 and the total nitrogen of the crushed grain without tegument reached a value of 108.27 g•kg-1 dry weight in the Criollo variety; confirming the positive effect of fermentation of the grains. Debittering and solid-state fermentation induced significant changes in the nutritional composition of the three lupin varieties. Regarding macronutrients fermentation increased the protein content of Criollo variety (644.55 g·kg-1 dry weight). The amino acids varied differently according to the process applied to the grain, thus debittering caused a decrease in most amino acids, except aspartic and glutamic acids, leucine and phenylalanine. In contrast, with fermentation, most amino acids experienced an increase, in relation to the debittered grain, except aspartic acid, serine, histidine, glycine, arginine, alanine, lysine and phenylalanine. Polyunsaturated fatty acids increased due to debittering to 292.25 g•kg-1 of lupine oil (average value); with fermentation, not only the content of monounsaturated fatty acids (559.78 g•kg-1 of lupine oil) but also of polyunsaturated (293.16 g•kg-1 of lupine oil) was increased. In parallel, fermentation caused a decreased of total starch, resistant starch, potassium, iron and zinc; the extend of the reduction was dependent on the lupin varieties. Debittering and solid-state fermentation processes affected also the anti-nutritional components and the beneficial antioxidant properties of three lupin varieties, causing a decrease of the following antinutrients: nitrates (94.47%), tannins (82.14%), alkaloids (93.80%), phytic acid (71.57%) and trypsin inhibitors (76.83%). Urease activity expressed as a difference in pH decreased to 0.05. Phenols, carotenoids and antioxidant capacity decrease due to the debittering process by 96.83, 52.63 and 96.12%, respectively, but they were improved due to solid fermentation by 1056.87%, 165.42% and 1509.81%, respectively. When lupin flours were tested on breadmaking lupin-wheat breads with different levels of substitution (10%, 15%, 20%) were obtained. Lupin weakened the dough during mixing, having shorter development time and stability, especially fermented lupin flour (FLF). Debitter lupin flour (DLF) and FLF significantly reduced the bread volume of the lupin-wheat breads particularly at higher substitution (>10%). Detrimental effects observed at the highest substitutions (20%) were diminished when using FLF, although breads received lower score due to the acidic taste detected by panelists. Both lupin flours provided lupin-wheat breads with rather similar composition, rising the average content of proteins, fat and dietary fiber, compared to wheat breads. Overall, this study provided the conditions for performing an efficient debittering of lupin and the impact of solid-state fermentation for the nutritional improvement of lupin, leading to flours that could be used to partially replace wheat flour in breadmaking, contributing to the economic sustainability of Ecuador crops.

Ocratoxina A (OTA) es un metabolito secundario producido por hongos del género Aspergillus y Penicillium. Esta micotoxina puede encontrarse en una gran variedad de alimentos, entre los que se encuentran cereales, café o vino. OTA es un potente carcinógeno en roedores, motivo por el que se encuentra clasificado en el grupo 2B (posible carcinógeno para humanos) por la Agencia Internacional de Investigación sobre el Cáncer. Con el objetivo de reducir la exposición de los consumidores a esta micotoxina, la Comisión Europea ha establecido concentraciones máximas en varias matrices alimentarias, siendo este límite de 2 µg/L en el caso de vino y zumo de uva. Entre las diferentes técnicas analíticas para la detección de OTA, los métodos ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) y los ensayos de flujo lateral (LFIA, Lateral Flow ImmunoAssay) son métodos ampliamente utilizados debido a su simplicidad, bajo coste, portabilidad y alta capacidad de análisis. Se ha publicado en la literatura científica un gran número de inmunoensayos para la detección de OTA, pero en todos ellos los conjugados empleados, tanto de inmunización como de ensayo, fueron preparados mediante el acoplamiento directo de esta micotoxina a proteínas empleando el grupo carboxilo presente en su estructura. La presente Tesis Doctoral se ha centrado en la síntesis de nuevos derivados funcionalizados de ocratoxina A (haptenos) y en el uso de los mismos para el desarrollo de inmunoensayos que permitan la detección de esta micotoxina en alimentos con elevada sensibilidad y especificidad. Los nuevos haptenos fueron químicamente sintetizados manteniendo libre el grupo carboxilo de la toxina, con el objetivo de que este pudiese participar en la interacción antígeno–anticuerpo. La hipótesis de partida planteaba que la presencia de dicho grupo en los conjugados destinados a inmunización de animales de laboratorio permitiría la producción de anticuerpos con mejores prestaciones analíticas. Dos de estos haptenos fueron preparados con grupos carboxilo en posiciones distales de la estructura de OTA, manteniendo libre el carboxilo propio de la toxina. Además, se prepararon dos haptenos con un grupo azida en el extremo del brazo espaciador con el objetivo de evaluar la viabilidad de la generación de anticuerpos a partir de conjugados proteicos obtenidos a través de una reacción de cicloadición de Huisgen 1,3-dipolar catalizada por cobre (I) (CuAAC), el ejemplo clásico de reacción “click”. La importancia del grupo carboxilo nativo de OTA se confirmó mediante la evaluación de anticuerpos policlonales de conejo. Los antisueros producidos a partir de haptenos con dicho grupo carboxilo libre mostraron afinidades hacia OTA superiores a aquellos que se obtuvieron a partir de conjugados preparados a través del mismo. Además, se obtuvo una buena respuesta inmune a partir de los bioconjugados preparados mediante química “click”, demostrando que la presencia del anillo de triazol en el brazo espaciador producto del acoplamiento no impide la generación de anticuerpos de elevada afinidad. Finalmente, se llevó a cabo la producción de anticuerpos monoclonales de ratón a partir de todos los haptenos sintetizados y, tras su caracterización mediante ELISA competitivo, las mejores combinaciones de inmunorreactivos se utilizaron para el desarrollo de un ELISA y de tiras inmunorreactivas para la detección de OTA en vino y zumo de uva. Las características analíticas de los ensayos desarrollados fueron similares o superiores a los kits comerciales evaluados. Ochratoxin A (OTA) is a secondary metabolite produced by several species of Aspergillus and Penicillium. This mycotoxin can be found in a wide variety of foodstuffs, including cereals, coffee and wine. OTA is a strong carcinogen for rodents and it is classified into group 2B (possible human carcinogen) by the International Agency for Research on Cancer (IARC). In order to protect consumers from exposure, the European Commission has established regulations concerning OTA levels in several foodstuffs, being wine and grape juices the commodities with the most demanding limit (2 µg/L). Among the different analytical techniques employed nowadays for OTA detection, the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) or the lateral flow immunoassay (LFIA) are popular methods because they are rapid, affordable, simple, portable and high throughput. Noticeably, in all immunoassays for OTA detection developed so far, the employed immunizing and assay conjugates were obtained using the native carboxylic group of the mycotoxin for protein coupling. This PhD Thesis has focused on the synthesis of a novel set of OTA functionalised derivatives (haptens), their use for the generation of new antibodies and the development of immunoanalytical techniques for the detection of this mycotoxin in foodstuff. Those new haptens were chemically synthesised by introducing the functionalised spacer arm at positions other than the native carboxylic moiety of OTA, so this group may participate in the antibody–analyte interaction. Our hypothesis was that bioconjugates based on those novel haptens may elicit the generation of antibodies with superior binding properties. Two of these new haptens were prepared with a carboxylic group at the end of the spacer arm, thus allowing their coupling to proteins by carbodiimide chemistry. Additionally, two novel haptens were synthesised bearing an azide group in the linker in order to test the feasibility of producing antibodies using protein conjugates prepared by copper(I)-catalysed Huisgen 1,3-dipolar azide–alkyne cycloaddition (CuAAC), the prototypical example of click chemistry reactions. The relevance of the native carboxylic group in the antibody–analyte interaction was first confirmed by assessing the immune response in rabbits. Polyclonal antibodies (pAbs) obtained from haptens displaying the free native carboxylic group showed higher affinities than antisera from haptens conjugated through this group. Moreover, adequate immune responses to OTA were found from click chemistry-assisted bioconjugates, thus demonstrating for the first time that the presence of a triazole ring in the spacer arm does not handicap the generation of antibodies suitable for immunodiagnostics. Thereafter, mouse monoclonal antibodies (mAbs) with subnanomolar affinities towards OTA were produced from all haptens and, following characterization of their binding properties in different formats with homologous and heterologous conjugates, the best immunoreagent combinations were used to develop ELISAs and immunostrips for the detection of this mycotoxin in grape wine and juice samples. Remarkably, the analytical characteristics of these new immunochemical methods favourably compare with the performance of commercial kits.

En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo el estudio de la cicloadición formal [3+2] enantioselectiva de isocianoacetatos a diferentes electrófilos para la formación de nuevas estructuras cíclicas nitrogenadas. Para ello, se ha desarrollado un método catalítico cooperativo consistente en un organocatalizador bifuncional de tipo escuaramida y óxido de plata como ácido de Lewis. En el primer capítulo se ha estudiado la reacción de adición de isocianoacetatos a trifluoroacetofenonas para la obtención de 2-oxazolinas con dos centros estereogénicos consecutivos, siendo uno de ellos cuaternario y estando sustituido con un grupo trifluorometilo. Se ha estudiado el alcance y las limitaciones de la reacción de adición de diferentes isocianoacetatos obteniendo en todos los casos buenos rendimientos y enantioselectividades. Además, se ha estudiado la adición de un isocianoacetato sustituido en posición alfa con un grupo fenilo, obteniendo las oxazolinas con dos centros cuaternarios consecutivos. Se determinó la configuración absoluta de las 2-oxazolinas derivadas de la adición de los isocianoacetatos de metilo y terc-butilo como 4S, 5S, mediante la utilización de técnicas de rayos X de dos monocristales. No obstante, la determinación de la configuración absoluta de las oxazolinas derivadas de 2-fenil-2-isocianoacetato de metilo no pudo ser determinada. En el segundo capítulo, se estudia la adición de isocianoacetatos a cetonas no activadas para la obtención de cis-2-oxazolinas. Los productos de cicloadición se obtienen en todos los casos con excelente enantioselectividad, obteniendo excesos enantioméricos superiores al 95%. Se determinó la configuración absoluta de los productos mediante técnicas cristalográficas de rayos X, asignando su configuración como 4R, 5S. En el tercer capítulo se sintetizan 2-imidazolinonas quirales mediante la formación de un nuevo enlace carbono-carbono. Para ello se hacen reaccionar dos dipolos 1,3 como son las nitronas y los isocianoacetatos. En lugar de la obtención del producto de cicloadición formal [3+3], se obtiene un producto de cicloadición [3+2], las 2-imidazolinonas. Se ha estudiado la optimización y el alcance y limitaciones de esta reacción, obteniendo buenos resultados en cuanto a exceso enantiomérico. La determinación de la configuración absoluta de las 2-imidazolinonas se ha llevado a cabo mediante un estudio de correlación química y se asignó su estructura como 4R, 5S. Además, se ha propuesto un mecanismo que explica la formación de estos productos de cicloadición [3+2] en lugar del esperado [3+3]. En el cuarto capítulo, se sintetizan espirociclos altamente funcionalizados con tres centros cuaternarios consecutivos. Para ellos se estudia la reacción de adición de isocianoacetatos sobre 4-alquilidenisoxazol-5-onas. Se ha estudiado la optimización de las condiciones de reacción y el alcance y limitaciones de la misma. Los diazaespirociclos se han obtenido con buen rendimiento, moderada diastereoselectividad y alto exceso enantiomérico y su configuración absoluta se ha determinado mediante una combinación de estudios de resonancia magnética nuclear de tipo NOE y correlación química. De esta forma se pudo asignar la configuración absoluta de ambos diastereoisómeros. Al diastereoisómero mayoritario se le asignó la configuración 5S, 8R, 9R, mientras que al minoritario se le asignó la configuración 5S, 8S, 9S. El sistema catalítico diseñado, constituido por una escuaramida quiral derivada de alcaloides de la cinchona y óxido de plata como ácido de Lewis, permite la obtención de un amplio espectro de compuestos heterocíclicos nitrogenados quirales a partir de isocianoacetatos. Se ha ampliado la colección de heterociclos nitrogenados accesibles mediante reacciones de adición de isocianoacetatos.

Molecular nanomagnets based on mononuclear metal complexes, also known as single-ion magnets (SIMs), are crossing challenging boundaries in molecular magnetism. From an experimental point of view, this class of magnetic molecules has expanded from lanthanoid complexes to both d-transition metal and actinoid complexes. From a theoretical point of view, more and more improved models have been developed, and we are now able not only to calculate the electronic structure of these systems on the basis of their molecular structures but also to unveil the role of vibrations in the magnetic relaxation processes, at least for lanthanoid and d-transition metal SIMs. This knowledge has allowed us to optimize the behavior of dysprosocenium-based SIMs until reaching magnetic hysteresis above liquid-nitrogen temperature. In this contribution, we offer a brief perspective of the progress of theoretical modeling in this field. We start by reviewing the developed methodologies to investigate the electronic structures of these systems and then move on focus to the open problem of understanding and optimizing the vibrationally induced spin relaxation, especially in uranium-based molecular nanomagnets. Finally, we discuss the differences in the design strategies for 4f and 5f SIMs, including an analysis of the metallocenium family. COST Action CA15128 MOLSPIN ERC-2014-CoG-647301 DECRESIM MdM-2015-0538 MAT2017-89993-R CTQ2017-89528-P Prometeo Program of excellence EU-QUANTERA project SUMO Molecular nanomagnets based on mononuclear metal complexes, also known as single-ion magnets (SIMs), are crossing challenging boundaries in molecular magnetism. From an experimental point of view, this class of magnetic molecules has expanded from lanthanoid complexes to both d-transition metal and actinoid complexes. From a theoretical point of view, more and more improved models have been developed, and we are now able not only to calculate the electronic structure of these systems on the basis of their molecular structures but also to unveil the role of vibrations in the magnetic relaxation processes, at least for lanthanoid and d-transition metal SIMs. This knowledge has allowed us to optimize the behavior of dysprosocenium-based SIMs until reaching magnetic hysteresis above liquid-nitrogen temperature. In this contribution, we offer a brief perspective of the progress of theoretical modeling in this field. We start by reviewing the developed methodologies to investigate the electronic structures of these systems and then move on focus to the open problem of understanding and optimizing the vibrationally induced spin relaxation, especially in uranium-based molecular nanomagnets. Finally, we discuss the differences in the design strategies for 4f and 5f SIMs, including an analysis of the metallocenium family.

Controlling the coordination sphere of lanthanoid complexes is a challenging critical step toward controlling their relaxation properties. Here we present the synthesis of hexacoordinated dysprosium single-molecule magnets, where tripodal ligands achieve a near-perfect octahedral coordination. We perform a complete experimental and theoretical investigation of their magnetic properties, including a full single-crystal magnetic anisotropy analysis. The combination of electrostatic and crystal-field computational tools (SIMPRE and CONDON codes) allows us to explain the static behavior of these systems in detail. NRF-2015R1A2A1A10055658 Grant NRF-2012-0008901 NRF2010-0020209 ERC-CoG-647301 DECRESIM ERC-StG-338258 OptoQMol COST Action 15128 MOLSPIN MAT2014-56143-R CTQ2014-52758-P Excellence Unit María de Maeztu MDM-2015-0538 Prometeo Programme of excellence Controlling the coordination sphere of lanthanoid complexes is a challenging critical step toward controlling their relaxation properties. Here we present the synthesis of hexacoordinated dysprosium single-molecule magnets, where tripodal ligands achieve a near-perfect octahedral coordination. We perform a complete experimental and theoretical investigation of their magnetic properties, including a full single-crystal magnetic anisotropy analysis. The combination of electrostatic and crystal-field computational tools (SIMPRE and CONDON codes) allows us to explain the static behavior of these systems in detail.

[Image: see text] Fluorescent dye labeling of DNA oligonucleotides and nanostructures is one of the most used techniques to track their fate and cellular localization inside cells. Here, we report that intracellular fluorescence, and even FRET signals, cannot be correlated with the cellular uptake of intact DNA structures. Live cell imaging revealed high colocalization of cyanine-labeled DNA oligos and nanostructures with phosphorylated small-molecule cyanine dyes, one of the degradation products from these DNA compounds. Nuclease degradation of the strands outside and inside the cell results in a misleading intracellular fluorescent signal. The signal is saturated by the fluorescence of the degradation product (phosphorylated dye). To test our hypothesis, we synthesized a range of DNA structures, including Cy3- and Cy5-labeled DNA cubes and DNA tetrahedra, and oligonucleotides with different stabilities toward nucleases. All give fluorescence signals within the mitochondria after cellular uptake and strongly colocalize with a free phosphorylated dye control. Kinetics experiments revealed that uptake of stable DNA structures is delayed. We also studied several parameters influencing fluorescent data: stability of the DNA strand, fixation methods that can wash away the signal, position of the dye on the DNA strand, and design of FRET experiments. DNA nanostructures hold tremendous potential for biomedical applications and biotechnology because of their biocompatibility, programmability, and easy synthesis. However, few examples of successful DNA machines in vivo have been reported. We believe this contribution can be used as a guide to design better cellular uptake experiments when using fluorescent dyes, in order to further propel the biological development, and application of DNA nanostructures.