Functionalized silica nanoparticles for catalysis, nanomedicine and rare earth metal recycling

Abstract

Durant la darrera dècada, les nanopartícules de sílice han trobat aplicacions en catàlisi, depuració d’aigua, camps biomèdics, agrícoles i industrials ... per les seves característiques físiques i químiques úniques, com ara una gran superfície, una excel·lent biocompatibilitat, una bona estabilitat tèrmica, mecànica i química, mida i forma de porus regulable, riquesa en grups silanol a la superfície que permeten una fàcil modificació superficial. La nostra recerca en aquesta tesi s’ha centrat en la preparació i caracterització de diversos tipus de nanopartícules de sílice funcionalitzades i la seva aplicació en catàlisi, biomedicina i recuperació d’elements de terres rares.

Es van preparar noves nanopartícules de sílice mesoporoses derivades d’amides de prolina-valinol mono i disililades i es van utilitzar com a catalitzadors reciclables per a la reacció aldòlica asimètrica amb elevada activitat i selectivitat. Aquests nanomaterials es poden recuperar i reutilitzar amb èxit fins a sis vegades (capítol 2). Per contra, els nostres esforços en la preparació de nanopartícules d’organosílice reciclables com a catalitzadors quirals o lligands per a la α-trifuorometilació i α-fluorinació enantioselectives de compostos carbonílics no van tenir èxit (capítol 2).

Es van preparar una sèrie de nanopartícules d’organosílice mesoporoses periòdiques mixtes que posseïen grups Boc i tert-butil èster com a agents potencials per ultrasons focalitzat d’alta intensitat (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU). Es preveia que aquests nanomaterials alliberessin CO2 i / o isobutè del grup COOtBu sensible a la temperatura. Tanmateix, es va trobar que el grup Boc era bastant estable i no es podia eliminar en condicions de HIFU a 80 ºC, requerint l’addició d’àcid. El concepte no deixa de ser prometedor per futurs agents de contrast per a teràpies basades en HIFU (Capítol 3).

Medicaments antiinflamatoris no esteroides com l’ibuprofè i el diclofenac es van unir de forma covalent a nanopartícules de sílice a través d’un grup funcional amida per a aplicacions potencials en formulacions tòpiques (pomades i cremes). A més, el recobriment de teixits de cotó amb aquestes nanopartícules de sílice funcionalitzades va proporcionar teixits hidrofòbics per a potencials aplicacions cutànies tòpiques en apòsits destinats a tractar ferides cròniques. El medicament antiinflamatori corresponent s’allibera in situ mitjançant el trencament enzimàtic selectiu de l’enllaç amida en presència de proteases (capítol 4).

Es van preparar nanopartícules de sílice mesoporoses amb nucli magnètic funcionalitzades amb fragments de cyclen com a adsorbents nous per a la recuperació específica i selectiva de diferents ions de terres rares (RE) de les aigües residuals (Capítol 5).

Durante la última década, las nanopartículas de sílice han encontrado aplicaciones en catálisis, purificación de agua, campos biomédicos, agrícolas e industriales ... debido a sus características químicas y físicas únicas, tales como alta superficie, excelente biocompatibilidad, buena estabilidad térmica, mecánica y química, tamaño y forma de poro ajustable, superficie enriquecida con grupos silanol que permiten una fácil modificación superficial. Nuestra investigación en esta tesis se ha centrado en la preparación y caracterización de varios tipos de nanopartículas de sílice funcionalizadas novedosas, así como su aplicación en catálisis, biomedicina y recuperación de elementos de tierras raras. Se prepararon nuevas nanopartículas de sílice mesoporosa derivadas de amidas de prolina-valinol mono y disililadas y se usaron como catalizadores reciclables para la reacción aldólica asimétrica con elevada actividad y selectividad. Estos nanomateriales se pueden recuperar con éxito y reutilizar hasta seis veces (Capítulo 2). Por el contrario, nuestros esfuerzos en la preparación de nanopartículas de organosílice reciclables como catalizadores o ligandos quirales para la α-trifuorometilación y α-fluoración enantioselectivas de compuestos carbonílicos no tuvieron éxito (Capítulo 2). Se preparó una serie de nanopartículas de organosilica mesoporosas mixtas periódicas que poseen grupos Boc y éster de terc-butilo como posibles agentes sensibles al ultrasonido focalizado de alta intensidad (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU). Se esperaba que estos nanomateriales liberaran CO2 y / o isobuteno del grupo COOtBu sensible a la temperatura. Sin embargo, se encontró que el grupo Boc era bastante estable y no podía eliminarse en condiciones HIFU a 80 ºC, sino que se requería además la adición de ácido. Sin embargo, el concepto es prometedor para futuros agentes de contraste para terapias basadas en HIFU (Capítulo 3). Fármacos antiinflamatorios no esteroideos como ibuprofeno y diclofenaco se unieron de forma covalente a nanopartículas de sílice a través de un grupo funcional amida para su posible aplicación en formulaciones tópicas (pomadas y cremas). Además, el recubrimiento de telas de algodón con estas nanopartículas de sílice funcionalizadas proporcionó telas hidrófobas para posibles aplicaciones cutáneas tópicas en apósitos destinados a tratar heridas crónicas. El fármaco antiinflamatorio correspondiente se libera in situ mediante la escisión enzimática selectiva del enlace amida en presencia de proteasas (Capítulo 4). Se prepararon nanopartículas de sílice mesoporosas con núcleo magnético funcionalizadas con fragmentos de cyclen como adsorbentes novedosos para la recuperación específica y selectiva de diferentes iones de tierras raras (RE) del agua residual (Capítulo 5).

During the last decade, silica nanoparticles have found applications in catalysis, water purification, biomedical, agricultural and industrial fields… due to their unique chemical and physical characteristics, such as high surface area, excellent biocompatibility, good thermal, mechanical and chemical stability, adjustable pore size and shape, enriched surface silanol groups with easy surface modification. Our research in this thesis has been focused on the preparation and characterization of various types of novel functionalized silica nanoparticles, as well as their application in catalysis, biomedicine and rare earth elements recovery. Novel mesoporous silica nanoparticles derived from mono- and bis-silylated proline-valinol amides were prepared and used as recyclable catalysts for the asymmetric aldol reaction with high activity and selectivity. These nanomaterials can be successfully recovered and reused for up to six runs (Chapter 2). Conversely, our efforts in the preparation of recyclable organosilica nanoparticles as chiral catalysts or ligands for the enantioselective α-trifuoromethylation and α-fluorination of carbonyl compounds were not successful (Chapter 2). A series of mixed periodic mesoporous organosilica nanoparticles possessing Boc and tert-butyl ester groups were prepared as potential high intensity focused ultrasound (HIFU) responsive agents. These nanomaterials were expected to release CO2 and/or isobutene from the temperature-sensitive COOtBu group. However, Boc group was found to be quite stable and could not be removed under HIFU conditions at 80 ºC, requiring the addition of acid. The concept is nevertheless promising for future contrast agents for HIFU based therapies (Chapter 3). Non-steroidal anti-inflammatory drugs such as ibuprofen and diclofenac were grafted to silica nanoparticles through an amide functional group for potential application in ointment and cream topical formulations. Furthermore, coating of cotton fabrics with these functionalized silica nanoparticles provided hydrophobic fabrics for potential topical cutaneous applications in dressings intended to treat chronic wounds. The corresponding anti-inflammatory drug is released in situ by the selective enzymatic cleavage of the amide bond in the presence of proteases (Chapter 4). Two functionalized magnetic core-shell mesoporous silica nanoparticles containing cyclen moieties were prepared as novel adsorbents for the specific and selective recovery of different rare earth (REs) ions from wastewater (Chapter 5).