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El presente trabajo de tesis doctoral contempla tres objetivos generales. El primero de ellos es sintetizar y estudiar las propiedades vibracionales, conformacionales y estructurales de compuestos derivados del cloruro de metoxicarbonilsulfenilo, CH₃OC(O)SCl. Entre las especies que serán objeto de estudio, se encuentran compuestos pseudohalogenados, disulfuros, esteres sulfénicos e imídicos. El segundo objetivo general es derivatizar mediante reacciones de adición con alcoholes, tioles y aminas algunos de los compuestos anteriores. Muchos de estos compuestos obtenidos son especies noveles para los cuales se estudiarán las propiedades físicas y químicas. En especial, se analizarán su capacidad para actuar como ligantes en la química de coordinación, apuntando hacia la formación de complejos metálicos que puede reconocerse como el tercer objetivo general que engloba este trabajo. Por lo expuesto en el párrafo anterior el trabajo fue dividido en dos partes, la primera parte está referida a la síntesis y estudios vibroconformacionales y estructurales de compuestos derivados del CH₃OC(O)SCl, mientras que la segunda parte está dedicada a la síntesis y caracterización de ligandos y su estudio hacia la formación de complejos de metales de transición. Cabe mencionar que la mayor parte de las especies estudiadas en este trabajo son nuevas al presente. Es así que además de estudiar las condiciones óptimas de reacción para sus síntesis, se realizó un amplio trabajo experimental tendiente a la caracterización fisicoquímica y espectroscópica.

El tema central del presente trabajo es la preparación de nuevos complejos nitrosilados, y su utilización como modelos de estudio de especies reducidas del grupo NO. Se presenta la síntesis y caracterización estructural, electrónica y electroquímica de compuestos pertenecientes a la serie [Ru(Me3[9]aneN3)(L2)(L)]m+ (L2: bpy, bpy-MeO, phen; L: NO+, NO2-) (Me3[9]aneN3: 1,4,7- trimetil-1,4,7-triazaciclononano, bpy: 2,2'-bipiridilo, bpy-MeO: 4-4’-Dimetoxi-2-2’-bipiridina, phen: 1,10-fenantrolina), mediante diversas técnicas que incluyen espectroscopías de RMN, DRX, IR, UV-Vis, estudios de voltametría cíclica y de reactividad frente a OHˉ. La incorporación de ligandos L2 con distintas cualidades “donoras”, apunta a modificar las características electrónicas del fragmento NO coordinado, y con esto sus principales propiedades y reactividad. El análisis de los resultados a lo largo de la Tesis se complementa con cálculos computacionales DFT. En el presente trabajo se abordó el estudio de las especies nitrosiladas {MNO}n (n: 6, 7 y 8). La reducción de las especies se llevó a cabo vía reducción química con Eu2+ o electroquímicamente, acoplada al monitoreo espectroscópico de la solución estudiada, técnica denominada espectroelectroquímica, que resultó la principal metodología empleada. Los estudios de reactividad abarcan la reacción de la especie {MNO}7 frente a O2, que resulta un proceso relevante desde el punto de vista biológico. Presentaremos resultados de estudios de cinética, variación de pH, y estudio comparativo de la reacción con H2O2, buscando aportar a la descripción generalizada de esta reacción. Se expone el estudio detallado de las especies {MNO}8 y {MHNO}8 en CH3CN y medio acuoso. Hemos explorado la obtención e interconversión de estas especies, mediante varias metodologías que permiten trabajar en condiciones anaeróbicas a distintos valores de pH. Como resultado más relevante presentamos la determinación del pKa de la especie {MHNO}8 en distintos compuestos. El estudio de una serie de especies estructuralmente relacionadas, nos permitió discutir los resultados de manera integradora, en el contexto global de esta familia de compuestos. Buscamos comprender la variación en las principales propiedades al modificar el sustituyente L2 a lo largo de la serie, enfocándonos en la densidad electrónica del fragmento NO como eje fundamental.

El objetivo general de este trabajo está relacionado con una herramienta que ayuda en el diseño para el medio ambiente, que es la catálisis heterogénea. En particular, el trabajo plantea estudiar la síntesis y caracterización de nuevos materiales basados en heteropoliácidos con estructura Keggin inmovilizados en nanopartículas de sílice de tamaño y tamaño de poros controlable, obtenidas mediante el empleo de agentes directores de textura orgánicos en sistemas bifásicos agua/solvente, y su uso en la síntesis de compuestos orgánicos heterocíclicos con potencial actividad biológica, mediante catálisis ácida. Específicamente, los nuevos materiales se emplearán en la obtención de algunos compuestos pertenecientes a las familias de las quinoxalinas y pirido [2,3-b] pirazinas, que se usan en las industrias agroquímica y farmacéutica, entre otras aplicaciones.

Las investigaciones en el ámbito de la catálisis implican el estudio de procesos y mecanismos en diferentes condiciones operativas y catalizadores así como el diseño, preparación y caracterización de nuevos materiales para tal aplicación. En relación a los procesos de interés tanto en petroquímica como en química fina, actualmente la ciencia está realizando un gran esfuerzo para desarrollar sistemas catalíticos no agresivos al medio ambiente. Dentro de los materiales catalíticos más interesantes y de mayor potencial, se encuentra un extenso grupo de compuestos inorgánicos denominados “polioxometalatos”. Si bien dichos sistemas oxídicos condensados se conocen desde fines del siglo XIX, no fue hasta fines del siglo XX, que comenzaron a revalorizarse, dadas su versatilidad estructural y atractivas propiedades químicas. Sus propiedades los convierten en especies funcionales a exigencias medioambientales y económicas, poseen grandes posibilidades de aplicación en diferentes áreas como la biomedicina; en tecnología de materiales (sensores, pigmentos, electrodos, capacitores, etc.); en el proceso de blanqueo del papel; en química analítica, inclusive en alimentación.

La producción de bioetanol involucra las etapas de licuefacción y sacarificación del almidón, con la posterior fermentación anaeróbica de los azúcares más simples por parte de levaduras. Previo proceso de fermentación, los azúcares deben estar disponibles en el medio de reacción para ser metabolizados por levaduras, para esto, se usan las enzimas alfa y gluco -amilasa. En el proceso de producción clásico tanto enzimas como levaduras, son adicionadas a la mezcla de reacción y permanecen suspendidas libremente en el medio(Binod et al., 2010), con lo cual resulta dificultoso de ser operado de forma continua e imposibilita la reutilización de los catalizadores. En consiguiente, los niveles de rentabilidad del proceso convencional son bajos. Así surge la necesidad de estudiar distintas opciones que posibiliten el aumento de la productividad del proceso, permitan altos rendimientos de producto, disminuyan costos y tiempos de operación.En la presente tesis doctoral fue demostrado que el empleo de enzimas y levaduras inmovilizadas en una matriz polimérica y monolítica, ofrece múltiples mejoras y no implica cambios radicales en el proceso de producción. Para tal fin, se inmovilizaron enzimas alfa y gluco-amilasa y levaduras S. cerevisiae como bio-catalizadores utilizados industrialmente en el proceso de producción de bioetanol. Se estudiaron distintas matrices de inmovilización, particularmente hidrogeles de poliacrilamida macro y microporosos, y acrilamidas co-polimerizadas con otros monómeros vinílicos y nanocompuestos poliméricos de hidrogeles-óxido de grafeno. También se analizó el uso como matriz de inmovilización de un bio-polímero de origen natural (alginato). Además, se utilizaron diversas técnicas de inmovilización: inmovilización por atrapamiento, inmovilización por adsorción superficial y por encapsulación. Los distintos procedimientos de preparación e inmovilización fueron comparados con los componentes activos libres, en las reacciones de hidrólisis-sacarificación y fermentación, involucradas en la producción de bioetanol. Las mejores condiciones de síntesis fueron seleccionadas analizando parámetros tales como: incorporación del componente activo a la matriz, estudios de resistencia mecánica y estabilidad química, análisis de impedimentos difusionales y condiciones de reacción (tanto de hidrólisis-licuefacción para enzimas como fermentación para levaduras). Para la inmovilización de enzimas se analizó la actividad enzimática en las reacciones de hidrolisis-sacarificación. Se determinaron los parámetros cinéticos de Michaelis-Menten. Los valores de actividad enzimática, durante ambas reacciones, pronostican reacciones algo más lentas inicialmente para enzimas inmovilizadas en hidrogeles respecto a las enzimas libre. Sin embargo, la posibilidad de reutilización y el mantenimiento de la capacidad catalíticas de enzimas inmovilizadas resultan en grandes ventajas operativas. Las levaduras fueron retenidas de manera eficiente en hidrogeles monolíticos, presentando excelentes propiedades mecánicas y alta viabilidad celular reforzadas por un sistema nanocompuesto de hidrogel y óxido de grafeno. Durante la reacción de fermentación, hidrogeles macroporosos mostraron un transporte masivo rápido permitiendo que los sistemas hidrogel-levaduras alcancen rendimientos y productividades de etanol similares a las levaduras libres. Por otra parte, las mismas levaduras fueron capaces de mantener su actividad por hasta cinco ciclos de reacción. Respecto a la temperatura de operación, levaduras inmovilizadas lograron soportar activamente hasta una temperatura de trabajo 10 ºC superior a la máxima soportada por levaduras libres. También se mostraron más resistentes a la presencia de etanol (aunque por tiempos limitados) y respondieron en forma positiva al incremento de glucosa inicial en el sistema. Por último, se estudió un sistema que involucra la inmovilización simultánea de enzimas y levaduras mediante el uso de un programa de Diseño Experimental, logrando su optimización en el sistema de producción de bioetanol.En conclusión, matrices de hidrogeles de poliacrilamida reforzadas con oxido de grafeno (nanocompuestos), ofrecen múltiples posibilidades al implementarse como matrices de inmovilización de biocatalizadores para la producción de bioetanol. El particular carácter monolítico y macroporoso de estos hidrogeles los hace especialmente adecuados para salvar tres dificultades, frente a otras matrices de inmovilización: la facilidad de reutilización, la mayor tolerancia a condiciones medioambientales adversas y el atrapamiento del componente activo durante un periodo prolongado de tiempo.

La escasez de recursos en nuestro planeta a raíz del uso indiscriminado de fuentes minerales o agrícolas para la manufactura de diversos productos y obtención de materiales ha contribuido a un incremento en la generación de residuos contaminantes con una amplia y variada gama de efectos para la salud y un importante riesgo para el medioambiente. El sector industrial, de la mano de la ciencia química, ha encarado el difícil desafío de implementar una nueva filosofía corporativa denominada Economía Circular, integrando alternativas amigables para el medioambiente donde la innovación tecnológica juega un papel central enfocándose en la reducción al mínimo nivel de la generación de residuos, recirculación o reutilización de los desechos y, por supuesto, ahorrando en gasto energético o materias primas, creando empleos de calidad como negocios rentables. La incorporación de metabolitos vegetales a una matriz de sílice por el método de sol-gel se ha investigado recientemente entendiendo que su diversa funcionalidad química y la presencia de ácidos orgánicos pueden promover la obtención de materiales porosos con potencial aplicación en catálisis sustituyendo a los clásicos precursores ácidos que se utilizan en ese tipo de síntesis que resultan ser costosos ya que en diversos casos requieren de procesos de importación. El método sol-gel abrió una nueva vía de síntesis a temperatura ambiente, ya que permite controlar las propiedades de un material obtenido a partir de precursores líquidos muy puros, de forma que reúna las características necesarias para ser utilizado como membrana selectiva. En el contexto de este trabajo se desarrollan sólidos cuya fase activa está formada por óxidos de silicio con las que interaccionan con las moléculas vegetales presentes en las matrices vegetales utilizadas como fuente de biomasa específicamente a partir de cítricos (limón, mandarina y naranja) aplicando como materia prima los distintos órganos que componen a cada uno de los frutos por separado (cáscara, pulpa y zumo) y, en otros casos, aplicar métodos de extracción exhaustiva por lixiviación etanólica para ejecutar la misma ruta de obtención de los sólidos en presencia de sustancias con eluotropía polar. Por otro lado, a modo comparativo, se llevó a cabo el mismo esquema para otra clase de bio-residuo como lo es la yerba mate. La evaluación por medio de un seguimiento fotográfico de los estadios de madurez de los frutos permitió establecer cuándo un material vegetal podría ser considerado de descarte por su apariencia o carácter organoléptico. Asimismo, el seguimiento fotográfico permite monitorear el grado de solidificación que sufre la sílice obtenida en presencia de los bio-residuos utilizados al ser envejecida a condiciones ambientales. Además, el aporte en el uso de técnicas analíticas, espectrales, térmicas y texturales otorga un panorama específico de las propiedades de los materiales obtenidos siendo por otro lado analizada su superficie y forma con herramientas de micrografías electrónicas. El mecanismo de síntesis para la obtención de sílice integrando los percusores puros utilizados para la síntesis sol-gel y las biomoléculas presentes en las matrices vegetales estudiadas aún debe ser consensuado para ser completamente comprendido. Algunas investigaciones proponen que los ácidos orgánicos aportan la suficiente acidez para dar inicio a las reacciones de polimerización entre los grupos funcionales de los metabolitos presentes en dichos residuos los cuales se pueden condensar con el TEOS generando así los sólidos observados. Este es un punto por más interesante para la realización de la investigación que se llevó a cabo en este trabajo de Tesis Doctoral. Esta propuesta permitió realizar aportes en las áreas de los materiales y de síntesis amigables con el medio ambiente, buscando al mismo tiempo una solución a la interacción entre las biomoléculas presentes en la biomasa de frutos cítricos y la yerba mate para la obtención de sílice como una alternativa de mitigación a la generación de residuos agrícolas para así otorgarles un valor agregado.

En esta tesis se fundamentó nuevos desarrollos científicos y tecnológicos dentro del control óptimo de procesos, especialmente sobre estrategias de control basadas en el formalismo Hamiltoniano. Se puso el énfasis en que los diferentes esquemas presentados se puedan implementar completamente en tiempo real. Principalmente, las estrategias descritas forman una nueva metodología denominada "Control Hamiltoniano con dos grados de libertad" que tienen como núcleo unas ecuaciones en derivadas parciales que permiten resolver el problema de control óptimo continuo en tiempo real. El primer grado se ocupa de la acción de control en lazo abierto para la construcción de la trayectoria óptima, y el segundo genera una ley de control retroalimentada que permite la compensación de desviaciones o seguimiento de la trayectoria óptima. Dentro de las aplicaciones de la tesis, la más importante fue la del tratamiento de la dinámica del virus de inmunodeficiencia humana (VIH/SIDA) debido a sus impacto social, que debido a ciertas características se debió estudiar bajo una metodología de control que contempla las características continuas y descritas de la aplicación, y que en esta tesis fue llamada "programación dinámica híbrida". Esta metodología permite encontrar las dosificaciones óptimas de droga que debe ingerir el paciente en tratamiento. El planteamiento resultó también útil para abordar el problema de reducir los efectos colaterales (side-effects) asociados con la ingestión de ciertas drogas utilizadas en las terapias antirretrovirales del VIH logrando presentar por primera vez en la literatura, un modelo empírico de la dinámica del sistema que incluye estos efectos secundarios.