Soft nanomaterials from bis-imidazolium amphiphiles

Resumo

El trabajo de investigación de la presente tesis doctoral abarca esencialmente la preparación de protofanos y ciclofanos anfifílicos basados en sales de imidazolio, y en utilizar sus propiedades moleculares y supramoleculares para construir nanomateriales blandos funcionales. La hipótesis de trabajo principal está basada en que las interacciones no-covalentes que gobiernan la estructura molecular y supramolecular de protofanos y ciclofanos de bis-imidazolio previamente descritos seguirá existiendo en sus análogos anfifílicos, y que precisamente esta característica será el elemento estructural fundamental para dirigir la propiedad que se transferirá desde la supramolécula al material. El estudio de su comportamiento ionofórico, uno de los aspectos más significantes, no se limitará al estado sólido o en disolución. Así, se han llevado a cabo estudios de auto-ensamblado y auto-organización en disolución, en interfase aire-agua, así como en superficies y en el estado sólido. La capacidad de los nuevos compuestos para interactuar con diferentes aniones y reconocerlos es un elemento central en la tesis. Si esos aniones son biológicamente importantes o fármacos aniónicos, puede establecerse los fundamentos de su posible explotación como sensores o en el ámbito de la administración de fármacos. Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral han sido los siguientes: 1) Selección de compuestos. Se han seleccionado ciclofanos constituídos por dos anillos de imidazolio unidos a través de unidades de metileno y anillos de fenilo funcionalizados con cadenas hidrocarbonadas de diferente longitud a través de un enlace éter (-OR). Del mismo modo, se han sintetizado protofanos constituídos por dos anillos de imidazolio unidos a través de unidades de metileno y anillos de fenilo, y las cadenas hidrocarbonadas están introducidas mediante cuaternización de los anillos de imidazolio o mediante funcionalización del espaciador fenilo con un grupo alcoxi (-OR). Algunos ciclofanos y protofanos incorporan átomos de azufre en su cadena a fin de que puedan formar monocapas autoensambladas sobre superficies de oro. En general, los contraiones (X-) de los compuestos dicatiónicos son bromuros (Br-), pero se han llevado a cabo intercambios aniónicos a fin de obtener las correspondientes sales hexafluorofosfato (PF6-), tetrafluoroborato (BF4-), trifluorometanosulfonato (CF3SO3-), y trifluorometanosulfonimida (N(CF3SO2)2-). 2) Síntesis y caracterización molecular Se han sintetizado nuevos protofanos y ciclofanos basados en sales de bis-imidazolio y caracterizado estructuralmente. La metodología de síntesis varía en función de la estructura particular. Para la síntesis de ciclofanos de bis-imidazolio, se ha recurrido a la síntesis dirigida plantilla. La caracterización a nivel molecular se ha logrado por medio de las técnicas estándar, como 1H y 13C RMN, espectrometría de masas (MS) y análisis elemental; la información estructural que se obtuvo indicó que moléculas eran prometedoras para su posterior estudio en la formación de nanomateriales blandos. 3) Estudio de sus propiedades como ionóforos en disolución. Las propiedades ionofóricas de los compuestos fueron determinados mediante experimentos de valoración con diferentes aniones (acetato, cloruro y fosfato), a través de espectroscopía de RMN 1H en disolventes polares, y cálculos de las correspondientes constantes de estabilidad. A partir de los resultados se pudo observar la influencia de la constitución (protofano vs ciclofano) y la longitud de la cadena alquílica en el comportamiento ionofórico de los compuestos. Del mismo modo, como fármacos aniónicos modelo, se han utilizado el valproato o ibuprofenato, por los que las sales de bis-imidazolio también han mostrado afinidad. 4) Evaluación del comportamiento como cristales líquidos (LC). Mediante técnicas como la microscopia óptica de luz polarizada (POM), combinada con termoanálisis, y la difracción de rayos-X, algunos de los sistemas anfifílicos de bis-imidazolio han mostrado comportamiento de LC termotrópicos o liotrópicos. Asimismo, se ha observado la influencia de la longitud de las cadenas alquílicas, del contraanión y de la constitución molecular en la modulación de esta propiedad. 5) Estudio de propiedades tensioactivas. Mediante tensiometría de placa de Wilhelmy y fluorescencia, se ha observado la capacidad de auto-ensamblaje de varios protofanos formando micelas en soluciones acuosas, y la influencia de la longitud de la cadena alquílica en el proceso de micelización. También se ha explorado la capacidad de auto-organización de determinados ciclofanos y protofanos para formar monocapas en la interfase aire-agua mediante el uso de la balanza de Langmuir, y la influencia de a) la constitución molecular y b) la presencia de aniones en la subfase acuosa en la organización de la monocapa formada. 6) Estudio del proceso de auto-ensamblaje y efecto aniónico en solución acuosa. Se ha determinado el tamaño y forma elipsoidal de los sistemas micelares en solución acuosa, así como el efecto de la presencia de valproato (fármaco aniónico) en su formación, dimensión y morfología. Para ello, se han utilizado técnicas como Pulse-Gradient Spin-Echo RMN (PGSE-RMN), y Small-Angle Neutron Scattering (SANS), como técnica de dispersión de ángulo pequeño 7) Preparación de nanopartículas de oro recubiertas con derivados anfifílicos de bis-imidazolio. Se han sintetizados nanopartículas de oro utilizando las sales de bis-imidazolio, con indicación de que éstas pueden actuar tanto como agentes de transferencia de fase, así como de estabilizantes y a la vez como receptores de aniones. Posteriormente, estudios preliminares han mostrado resultados que sugieren la capacidad de estas nanopartículas rodeadas de sales de bis-imidazolio de ser adecuados transportadores de fármacos (como el ibuprofeno).