Hybrid inorganic-organic materials for the optical recognition of neutral and anionic species

Abstract

[EN] The doctoral thesis presented under the title "Hybrid inorganic-organic materials for the optical recognition of neutral and anionic species" has had as its main objective the synthesis and characterization of organic-inorganic hybrid materials based on the combination of the principles of Supramolecular Chemistry and Materials Science.

Recent studies confirm that cooperation between these two areas of Chemistry allow the simulation of what natural living beings have been doing for millions of years in a natural way. At cellular level, many vital functions are related to the ability of a particular receptor to recognize a particular species, giving a specific answer. But what is more interesting is that in living organisms, most of these systems do not exist as dissolved molecules, but are bounded to a (bio)organic skeleton with more or less flexibility.

When we imitated these systems bearing in mind the supramolecular and analytical chemistry, we find that we need a sensory molecule able to join with the specie that we want to detect and at the same time, this union must produce a change in its physico-chemical properties giving as a result a signal. But moreover, if we take advantatge of the fact that siliceous nanostructured materials present a high physical and chemical stability and that they have cavities where the sensor system can be incorporated into, we have the synthetic hybrid organic-inorganic combination similar to the natural one.

In order to develop this idea, we have used sensor systems widely studied in molecular recognition processes in aqueous media and we have applied them to the inorganic-organic hydrid materials. Therefore, the present work thesis has been structured in two parts: on the one hand, the synthesis and characterization of the functionalized inorganic porous solid materials by the study and detection of amines using the "chemodosimeter" approach. On the other hand, we have made the synthesis and characterization of the organic functionalized inorganic porous solid materials for the study and detection of anionic species through the displacement assays approach.

[ES] La tesis doctoral que se presenta bajo el título "Hybrid inorganic-organic materials for the optical recognition of neutral and anionic species" ha tenido como objetivo principal la síntesis y caracterización de materiales híbridos orgánico-inorgànicos basados en la combinación de los principios de la Química Supramolecular y la Ciencia de los Materiales.

Recientes estudios corroboran que la cooperación entre estas dos áreas de la Química permite simular lo que ya hace millones de años realizan de forma natural los organismos vivos. A nivel celular, muchas de las funciones vitales están relacionadas con la habilidad de un receptor concreto para reconocer una determinada especie, dando una respuesta específica. Pero lo que resulta más interesante, es que en los organismos vivos, la mayoría de estos sistemas no existen en forma de moléculas disueltas, sino que están unidos con mayor o menor flexibilidad a un esqueleto bio(in)orgánico.

Cuando imitamos estos sistemas teniendo en cuenta la química supramolecular y analítica, nos encontramos que necesitamos de una molécula indicadora que sea capaz de unirse a la especie que queremos detectar y que a su vez, esta unión produzca un cambio en las propiedades físico-químicas de la entidad para producir una señal. Pero además, si aprovechamos el hecho de que los materiales silíceos nanoestructurados presentan una alta estabilidad física y química y que proporcionan cavidades donde alojar al sistema sensor, tenemos la combinación híbrida orgánico-inorgánico sintética similar a la natural.

Con el objetivo de desarrollar esta idea, hemos utilizado sistemas sensores ampliamente estudiados en procedimientos de reconocimiento molecular en disolución acuosa y los hemos aplicado a los materiales híbridos orgánico-inorgànicos. De esta manera, el trabajo de tesis se ha estructurado en dos partes: por una parte, la síntesis y caracterización de materiales sólidos inorgánicos porosos funcionalizados para el estudio y detección de aminas utilizando el procedimiento de "dosímetro químico", y en una segunda parte, se ha llevado a cabo la síntesis y caracterización de sólidos inorgánicos porosos funcionalizados para el estudio y detección de especies aniónicas mediante el procedimiento de "ensayos por desplazamiento".

[CA] La tesis doctoral que es presenta sota el títol "Hybrid inorganic-organic materials for the optical recognition of neutral and anionic species" ha tingut com objectiu principal la síntesi i caracterització de materials híbrids orgànic-inorgànics basats en la combinació dels principis de la Química Supramolecular i la Ciència dels Materials.

Estudis recents corroboren que la cooperació entre aquestes dues àrees de la Química permet simular el que ja fa milions d'anys realitzen de forma natural els organismes vius. A nivell cel·lular, moltes de les funcions vitals estan relacionades amb l'habilitat d'un receptor concret per a reconèixer una espècie determinada, donant una resposta específica. Però el que és més interessant, és que als organismes vius, la majoria d'aquests sistemes no existeixen en forma de molècules dissoltes, sinó que estan units amb major o menor flexibilitat a un esquelet bio(in)orgànic.

Quan imitem aquests sistemes tenint en compte la química supramolecular i analítica, ens trobem que necessitem d'una molècula indicadora que sigui capaç d'unir-se a l'espècie que volem detectar i que alhora, aquesta unió produeixi un canvi en les propietats fisico-químiques de l'entitat per produir una senyal. Però a més, si aprofitem el fet que els materials silícics nanoestructurats presenten una alta estabilitat física i química i que proporcionen cavitats on es pot allotjar el sistema sensor, tenim la combinació híbrida orgànica-inorgànica sintètica semblant a la natural.

Per tal de desenvolupar aquesta idea, hem utilitzat sistemes sensors ampliament estudiats en procediments de reconeixement molecular en dissolució aquosa i els hem aplicat als materials híbrids orgànic-inorgànics. Així el present treball de Tesis s'ha estructurat en dues parts: per una banda, la síntesis i caracterització de materials sòlids inorgànics porosos funcionalitzats per l'estudi i detecció d'amines utilitzant el procediment de "dosímetre químic", i en una segona part, s'ha realitzat la síntesis i caracterització de sòlids inorgànics porosos funcionalitzats per a l'estudi i detecció d'espècies aniòniques mitjançant el procediment "d'assajos per desplaçament".