Arquitecturas metal-orgánicas procesables: aplicaciones medioambientales, catalíticas y biológicas

Abstract

Con el avance de la sociedad en la historia se han desarrollado distintos conflictos bélicos motivados por distintas cuestiones políticas. Con el avance de la tecnología y la ciencia, algunos países empezaron a utilizar una serie de compuestos químicos con la intención de decantar las guerras o conflictos a su favor. Estos compuestos químicos empleados se conocen como compuestos organofosforados (OPs, del inglés Organophosphorus compounds). Con el tiempo se han ido modificando estos compuestos organofosforados provocando que tengan una alta toxicidad como agentes de guerra química (CWAs, del inglés Chemical Warfare Agents), lo que representan una seria amenaza para la sociedad. Como se explica en el Capítulo I, en la Introducción, la gran toxicidad de estos compuestos organofosforados radica en dos factores principales, uno de ellos es que, gracias a su carácter lipofílico, son capaces de atravesar con gran facilidad varios tejidos del cuerpo humano (incluida la barrera hematoencefálica) y el otro factor es que estos compuestos inhiben a la enzima acetilcolinesterasa (AChE), bloqueando su sitio activo. Esta inhibición provoca un descontrol en la regulación del neurotransmisor acetilcolina (ACh) durante la transmisión nerviosa. Al estar inhibida la enzima, se produce una acumulación de ACh que deriva en una saturación de los receptores neuronales, lo que provoca un sobre estímulo de músculos del corazón y diafragma que puede desencadenar en la muerte del individuo. Ante estas situaciones se ha visto necesario el desarrollo de materiales que sean capaces de llevar a cabo la detoxificación de estos compuestos. Entre las aproximaciones que se pueden abordar se destacan: • Desarrollo de materiales que adsorban estos tóxicos (no los eliminan o degradan). • Desarrollo de materiales que degraden a los tóxicos y los transformen en sustancias inocuas. • Desarrollo de materiales que reconstituyan las biomoléculas dañadas por los tóxicos. De esta manera, las tres medidas que se aplican en estos estudios están ligadas a distintas etapas de un proceso de intoxicación. Las dos primeras etapas se centran en un carácter preventivo, evitando la exposición del tóxico ya sea adsorbiéndolo o degradándolo. La tercera aproximación se enfoca más como solución a un proceso de intoxicación. Dentro de los materiales que se han estudiado y utilizado para adsorber estos tóxicos destacan los carbones activos. El problema que esto ofrece es que la fisisorción puede provocar que el propio carbón activo se convierta en un emisor secundario. Esta situación derivó en el interés de encontrar materiales que sean capaces de degradar estos tóxicos. Inicialmente se han utilizado para este fin las redes metalorgánicas porosas (Metal-Organic Frameworks, MOFs), que son materiales porosos cristalinos tridimensionales constituidos de nodos metálicos y ligandos orgánicos. Posteriormente se han empezado a utilizar también los análogos moleculares de estas redes, conocidos como poliedros metal-orgánicos (Metal-Organic Polyhedra). De entre todos estos tipos de materiales resultan importantes los formados a partir de nodos metálicos de zirconio. La gran estabilidad térmica y química de esta familia de compuestos se debe a la gran unión que existe en los enlaces entre los iones metálicos Zr(IV) y los grupos carboxilatos. Estos son compuestos interesantes gracias a su alta porosidad para capturar estos tóxicos, además de que presentan la ventaja de poder almacenar, transportar y liberar fármacos para el tratamiento de estas intoxicaciones. Partiendo de este contexto, esta Tesis Doctoral plantea dos vías principales para remediar el problema de la intoxicación por compuestos OPs, por un lado, la funcionalización de tejidos de diferente naturaleza (carbón activo, polipropileno, etc.) con MOFs de Zr con el fin de alcanzar sinergias entre las propiedades adsorbentes de los tejidos y las propiedades catalíticas de los MOFs. Por otro lado, se plantea el uso de diferentes MOPs como sistemas duales para la captura y/o degradación de compuestos tóxicos organofosforados, así como utilizar estos materiales como vehículos de transporte de fármacos que se puedan utilizar en el tratamiento de intoxicaciones por OPs. Con esta finalidad, en el Capítulo II se ha llevado a cabo la preparación de materiales híbridos formados por redes metalorgánicas porosas y materiales adsorbentes de carbón activado (MOF@AC). La formación de estos híbridos se ha llevado a cabo utilizando una estrategia de síntesis capa a capa (layer-by-layer, LBL) sobre el material de carbón activado. Estos híbridos MOF@AC son útiles para la prevención de las emisiones secundarias de los agentes de guerra química. Con objeto de estudiar el impacto del tamaño de poro del carbón activo en el crecimiento de la capa de MOF se han preparado composites con esferas de carbón activo con distintos tamaños de poro de microporosas a mesoporosas. A su vez y con objeto de facilitar el crecimiento de las capas de MOF la superficie del carbón activado se han tratado con diferentes oxidantes (peróxido de hidrógeno, ácido nítrico y/o persulfato de amonio) con objeto de crear funcionalidades coordinantes (p. ej. carboxilos, hidroxilos). En este estudio se ha estudiado el crecimiento de los MOFs de zirconio representativos UiO-66 (Zr6O4(OH)4(benceno-1,4-dicarboxilato-2-H)6 y UiO-66-NH2 (Zr6O4(OH)4(benceno-1,4-dicarboxilato-2-NH2)6. En este capítulo se han evaluado diferentes aspectos como la importancia del tamaño de poro en los materiales de carbón activo para favorecer el crecimiento de los MOFs. Asimismo, se han evaluado las mejores condiciones de oxidación de los materiales, utilizando distintos tipos de oxidantes, así como el impacto de la naturaleza del MOF en la capacidad para detoxificar el simulante del agente nervioso DIFP (Diisopropilfluorofosfato). Por otra parte, el Capítulo III se ha centrado en la posibilidad de utilizar poliedros metal-orgánicos de Zr(IV) como agentes duales para la detoxificación de compuestos organofosforados y para el transporte y liberación de fármacos que sean capaces de reactivar la encima AChE, previamente inhibida por los tóxicos. En este sentido se han desarrollado una serie de MOPs tetraédricos de Zr(IV). Estas distintas cajas moleculares de Zr se han sintetizado y caracterizado, demostrando ser cajas moleculares catiónicas [((n-butilCpZr)3(OH)3O)4L6]Cl6 (Zr-MOP-1; H2L = ácido tereftálico, n-butilCp = n-butilciclopentadienilo; Zr-MOP-1-NH2; HL-NH2 = ácido aminotereftálico y Zr-MOP-10; H2L = ácido bifenil-4,4’-dicarboxílico). Una vez sintetizados y caracterizados los MOPs se han evaluado la estabilidad y capacidad para capturar el simulador de agente nervioso DIFP. Además, se ha estudiado la capacidad de estos sistemas para almacenar y liberar de forma controlada el fármaco reactivador de la AChE pralidoxima (2-PAM o 2-[(hidroxiimino)metil]-1- metilpiridin-1-ium). Finalmente se ha estudiado la capacidad que tiene este fármaco cuando es liberado el MOP para reactivar la encima AChE, previamente inhibida por el DIFP. Como resumen, la presente Tesis Doctoral muestra por un lado la capacidad para el diseño racional de composites o sistemas híbridos formados por materiales adsorbentes y redes metal-orgánicas (MOF@AC) obteniendo así una sinergia entre ambas partes y mejorando por tanto las propiedades para la detoxificación de los agentes de guerra químicos. Por otro lado, se muestra el diseño y síntesis de distintos MOPs de zirconio (Zr-MOPs), su caracterización y su aplicación como sistemas duales, capaces de albergar en su interior fármacos, para transportarlos y liberarlos con el fin de poner solución a problemas por intoxicación con compuestos organofosforados.