Hybrid materials: discovering properties and mechanisms

Abstract

Tot el que ens envolta és quiral, per tant, una de las propietats més importants que recau en la disposició i la acció de fàrmacs ve donada por la quiralitat de la substància activa. En conseqüència, la estereoquímica representa un camp actiu, canviant i desafiant que combina diferents disciplines de las ciències naturals que condueixen als resultats més espectaculars. En aquest context, la present tesis es centra en: i) el desenvolupament de nous sistemes catalítics per a la producció de substàncies quirals, ii) la comprensió dels mecanismes de reacció posteriors, i iii) el disseny de processos més ecològics i sostenibles. Bio-nanohíbrids amb una alta varietat de propietats van ser obtinguts mitjançant la immobilització de la L-leucina i la poli-L-leucina en l’espai entre capes de materials del tipus hidrotalcita. Aquests catalitzadors són ecològics, fàcils de sintetitzar i no requereixen pre-activació. Substàncies amb una aplicació potencial en la indústria química i farmacèutica van ser obtingudes utilitzant aquests nanohíbrids com a catalitzadors, emprant un únic reactor, en la reacció d’addició aldòlica i la reacció de condensació de Claisen-Schmidt /epoxidació Juliá-Colonna. La cooperació entre la ciència de superfícies i la catàlisis va permetre revelar el verdader mecanisme de Juliá-Colonna mitjançant l’anàlisi amb micro-balança de cristall de quarts amb dissipació (QCM-D). Per últim, però no menys important, els reactors híbrids de membrana catalítica es poden utilitzar en la transformació de reaccions complexes en altres més trivials, com la producció de peròxid d’hidrogen in-situ i la posterior epoxidació de la calcona.

Todo lo que nos rodea es quiral, por lo tanto, una de las propiedades más importantes que subyace en la disposición y la acción de fármacos está dada por la quiralidad de la sustancia activa. En consecuencia, la estereoquímica representa un campo activo, cambiante y desafiante que combina diferentes disciplinas de las ciencias naturales que conducen a los resultados más espectaculares. En este contexto, la presente tesis se centra en: i) el desarrollo de nuevos sistemas catalíticos para la producción de sustancias quirales, ii) la comprensión de los mecanismos de reacción posteriores, y iii) el diseño de procesos más ecológicos sostenibles. Bio-nanohíbridos con una alta variedad de propiedades se obtuvieron mediante la inmovilización de L-leucina y poli-L-leucina en el espacio entre capas de materiales del tipo hidrotalcita. Estos catalizadores son ecológicos, fáciles de sintetizar y no requieren pre-activación. Sustancias con una aplicación potencial en la industria química y farmacéutica se obtuvieron utilizando estos nanohíbridos como catalizadores, empleando un único reactor, en la reacción de adición aldólica y la reacción de condensación de Claisen-Schmidt /epoxidación Juliá-Colonna. La cooperación entre la ciencia de superficies y la catálisis permitió revelar al verdadero mecanismo de Juliá-Colonna mediante el análisis con micro-balanza de cristal de cuarzo con disipación (QCM-D). Por último, pero no menos importante, los reactores híbridos de membrana catalítica se pueden emplear en la transformación de reacciones complejas en otras más triviales, como la producción de peróxido de hidrógeno in-situ y posterior epoxidación de la calcona.

Everything around us is chiral, thus, one of the most important properties which underlies the drug disposition and action is given by the chirality of the active substance. Consequently, stereochemistry represents an active, changing, and challenging field which combines different disciplines of natural sciences that lead to the most spectacular findings. In this context, the present thesis focuses on: i) the development of new catalytic systems for the production of chiral substances, ii) the understanding of the subsequent reaction mechanisms, and iii) the design of greener sustainable processes. Bio-nanohybrid materials with a high variety of properties were obtained by immobilizing L-leucine and poly-L-leucine in the interlayer space of hydrotalcite-type materials. These catalysts are eco-friendly, are facile to synthesize, and no pre-activation is required. Substances with potential application in pharmaceutical or fine chemical industries were obtained using these nanohybrids as catalysts in the aldol addition reaction and the one-pot Claisen-Schmidt condensation / Juliá-Colonna epoxidation reaction. Cooperation between surface science and catalysis revealed the real Juliá-Colonna mechanism by using quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) analysis. Last but not the least, hybrid catalytic membrane reactors can be employed in transforming complex reactions into simpler ones, like the production of hydrogen peroxide in-situ and subsequent epoxidation of chalcone.