Tesis defendidas

El trabajo de investigación que se recoge en la presente memoria se centra, por una parte, en el desarrollo de nuevos métodos sintéticos basados en el empleo de reacciones tipo Heck catalizadas por Pd(0) para la formación de enlaces carbono-carbono, orientados a la preparación de heterociclos nitrogenados con un centro cuaternario. Asimismo, se estudia la síntesis de una nueva familia de ligandos quirales híbridos guanidina/amina, capaces de formar complejos con distintos metales de transición, tales como Cu(I), para promover enantioselectividad en reacciones de adición conjugada y Henry. Finalmente, durante una estancia predoctoral en la Universidad de Illinois en Chicago se ha estudiado la síntesis y reactividad de N-alquenilnitronas.

The main objective of this Ph. D. Thesis has been the development of new Brønsted base assisted methodologies for the synthesis of enantiomerically enriched secondary and tertiary amines of synthetic utility and with possible biological activity. First, the enantioselective synthesis of gamma-sulfonyl allyl amines has been developed through a ureidopeptide-based bifunctional Brønsted base catalyzed nitro-Mannich reaction of 2-nitroethyl sulfones with N-Boc imines followed by a nitrous acid elimination. Second, the stereoselective synthesis of pyridine based tertiary and secondary amines has been developed via alpha-amination of 2-cyanoalkyl pyridine N-oxides (JACS 2016, 138, 3282-3285) and Mannich-type reaction of 2-azaaryl acetate N-oxides with N-carbamoyl aldimines (Chem. Eur. J. 2017, 23, 13332-13336), respectively. In both cases, the N-oxide functionality has been employed as a removable activating and stereodirecting group. Finally, during a short stay at Prof. Baran¿s group, a synthetic strategy for the enantio- and diastereoselective modular preparation of trans-disubstituted cyclopropanes has been developed combining cycloaddition and decarboxylative C-C cross-coupling reactions (Nature 2018, 560, 350-354).

Antecedentes y objetivos: Las enfermedades hepáticas poliquísticas (PLD) son un grupo heterogéneo de trastornos genéticos hereditarios caracterizados por el desarrollo progresivo de múltiples quistes biliares llenos de líquido. Anteriormente hemos demostrado que el ácido ursodesoxicólico (UDCA) inhibe la cistogénesis hepática en modelos experimentales y un subgrupo de pacientes con PLD. Además, la inhibición selectiva de la histona desacetilasa 6 (HDAC6) reduce significativamente la cistogénesis hepatorrenal en ratas PCK. Por esta razón, hemos planteado que, nuevas entidades químicas que combinen las características de UDCA y de los HDAC6is en una misma estructura química podrían proporcionar un valor aditivo y/o sinérgico para el tratamiento de las PLDs. Resultados: Diez conjugados sintéticos UDCA- HDAC6i-# 1-10 fueron diseñados, estudiados in silico, sintetizados y analizados para su actividad inhibitoria sobre HDAC6 y HDAC nucleares. 4 de estos 10 conjugados sintéticos de UDCA presentaron una capacidad inhibidora altamente selectiva sobre HDAC6, emergiendo UDCA- HDAC6i # 1 como la molécula más prometedora. UDCA- HDAC6i # 1 inhibió la cistogénesis hepatorenal, mejoró las funciones hepática y renal y aumentó la concentración de UDCA en hígado, bilis y suero de un modelo animal de PLD. Este compuesto mostró mayores efectos antiproliferativos sobre los colangiocitos poliquísticos que el UDCA solo, o el tratamiento combinado con sus componentes farmacológicamente activos. Además, la incubación de colangiocitos poliquísticos con UDCA-HDAC6i #1 produjo una elongación significativa del cilio primario de estas células. Por último, UDCA-HDAC6i #1 es transportado activamente a través de los transportadores NTCP, OCT1 y OCT3.

El trabajo llevado a cabo en esta tesis doctoral se ha dividido en tres partes, que corresponden a los capítulos 3,4 y 5 de la memoria. En la primera parte del trabajo, se presenta el desarrollo de una nueva herramienta para la evaluación de la ventilación pulmonar en ratas sanas (wild type), utilizando la tecnología PET (Tomografía por Emisión de Positrones, de sus siglas en inglés). La herramienta para la determinación de la ventilación pulmonar se basa en la utilización de dos gases radiofluorados, siguiendo una metodología completamente innovadora. En la segunda parte del trabajo, se describe la evaluación y comparación de tres dispositivos diferentes de administración pulmonar de aerosoles en ratas. Para ello, se marcó el aerosol con 2-deoxi-2-(18F)fluoro-D-glucosa ([18F]FDG), un radiotrazador ampliamente conocido en el ámbito clínico principalmente para el diagnóstico precoz y la evaluación de respuesta a tratamientos de diferentes tipos de cáncer, y se efectuaron estudios PET tras administración utilizando los diferentes dispositivos. La tercera y última parte del trabajo ha consistido en la evaluación mediante PET del tiempo de residencia en el pulmón de dos péptidos antimicrobianos tras la administración pulmonar, bien en su forma libre o bien conjugados con diferentes nanovehículos. En primer lugar, se estudiaron diferentes estrategias para incorporar un radioisótopo emisor de positrones o de fotones gamma a los diferentes compuestos (péptidos y nanovehículos). Una vez implementadas las estrategias de marcaje, tanto los péptidos como los nanovehículos como sus combinaciones fueron administrados en ratas wild type y se llevaron a cabo estudios de imagen para determinar el tiempo de residencia en los pulmones tanto de los péptidos marcados como de los nanovehículos seleccionados.

Las reacciones transanulares son procesos con un gran potencial sintético ya que permiten acceder a estructuras policíclicas de forma sencilla y con un alto grado de economía de átomos. Por definición, una reacción transannular requiere del empleo de precursores cíclicos, caracterizados por presentar una tensión de anillo inherente a toda estructura cíclica y asociada a la existencia de eclipsamientos e interacciones estéricas así como a la distorsión de ángulos de enlace. Una reacción transannular se encuentra, por tanto, favorecida por la liberación de tensión que se produce como consecuencia del proceso. Asimismo, la adquisición de determinadas conformaciones energéticamente favorables por parte del precursor cíclico puede emplearse para favorecer el curso estereoquímico de la reacción. En este sentido, la organocatálisis destaca como herramienta de gran interés para el desarrollo de reacciones químicas estereocontroladas, mediante el empleo de moléculas quirales como elementos de enantiocontrol. Esta memoria recoge el estudio y desarrollo de reacciones transanulares enantioselectivas mediante el empleo de organocatalizadores quirales. En primer lugar, se recogen los resultados logrados en el estudio de la reacción de Morita-Baylis-Hillman transanular sobre una serie de ceto-enonas cíclicas catalizada por fosfinas quirales. De esta forma se pudo demostrar la capacidad de estos catalizadores para promover la reacción deseada, dando lugar a una gran variedad de productos policíclicos con excelentes rendimientos y un alto grado de enantiocontrol. Adicionalmente, se puso de manifiesto la aplicabilidad de esta reacción mediante la incorporación de la metodología desarrollada como paso clave en la primera síntesis total enantioselectiva del sesquiterpeno natural (-)-¿-gurjunene. Por otro lado, se estudió la capacidad de estos sustratos para participar en reacciones en cascada Michael/aldólica iniciadas por la adición conjugada de compuestos de metileno activo bajo el empleo de catalizadores quirales bifuncionales. Estos catalizadores, cuya acción se basa en el establecimiento de interacciones no covalentes con el sustrato, permitieron obtener los productos policíclicos correspondientes con excelentes resultados. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos durante el estudio de la síntesis de ¿ lactamas mediante una reacción de Mukaiyama-Mannich catalizada mediante el empleo de disulfonimidas como ácidos de Lewis. Este estudio se llevó a cabo en el contexto de una estancia predoctoral de 3 meses en el grupo del profesor Jared T. Shaw en el Universidad de California ¿ Davis.

La presente Tesis Doctoral se ha divido en dos apartados principales. En el segundo capítulo se presenta el empleo de las proteínas CTPR como enzimas que catalizan la reacción de Huisgen entre iminas y nitroestirenos, describiendo una de las primeras actividades catalíticas Huisgenasas inequívocas. Posteriormente, se desarrollan varias mutaciones en estas proteínas para entender el mecanismo de reacción presente en esta catálisis. Basándonos en una hipótesis inicial y mediante el uso de cálculos QM/MM se proponen dos mecanismos diferentes basados en la actividad catalítica de diadas o monadas presentes en las proteínas CTPR. Finalmente, se llevó a cabo un estudio por RMN para analizar la interacción entre el substrato y las mencionadas proteínas. Por otro lado, en el tercer capítulo se presenta el diseño, síntesis y evaluación biológica de una nueva familia de derivados de platino(II) que potencialmente pueden superar los mecanismos de resistencia desarrollados por las células tumorales frente a cisplatino. Se diseño una serie de 20 compuestos nuevos que posteriormente fueron testado en la línea celular de cáncer de ovario resistente a cisplatino A2780cis empleando ensayos de viabilidad celular WST-1 y de citometría de flujo para analizar la muerte celular. Se obtuvieron resultados muy prometedores en los que se observa que esta nueva familia de compuestos es capaz de superar la resitencia, finalmente, se estudio la unión de varios compuestos al DNA mediante TEM y AFM.

Las prolinas cuaternarias son aminoácidos estructuralmente únicos de gran importancia en química de péptidos, así como en el área de productos naturales y sustancias biológicamente activas. La estrategia más utilizada para la síntesis catalítica asimétrica de prolinas ¿-cuaternarias se basa en las cicloadiciones [3+2] con iluros de azometino y olefinas deficientes en electrones haciendo uso de catalizadores metálicos. En comparación, la síntesis de prolinas ¿-cuaternarias a través de cicloadiciones que implican el uso de isocianoacetatos ha sido mucho menos desarrollada (Figura 1). Estos métodos además han requerido dipolarófilos muy reactivos y salvo alguna excepción, la presencia de metal para promover la reacción. No obstante, a lo largo de la historia los isocianoacetatos han demostrado su potencial sintético, en gran medida gracias a la diversidad química que le confiere el grupo isonitrino (isociano) y en consequencia, las reacciones que implican su uso son consideradas rutas alternativas de gran interés. Figura 1. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis ha sido contribuir a la síntesis de prolinas ¿- quaternarias y otros derivados de amino ácidos ¿-cuaternarios a través de reacciones con isocianoacetatos. Para ello se ha estudiado por primera vez la reacción organocatalítica asimétrica de Michael entre isocianoacetatos ¿-sustituidos y vinyl cetonas, cuyos aductos sirven como intermedio común para la síntesis de varios tipos de derivados de prolina. Además, la reacción de cicloadición correspondiente informada previamente había proporcionado resultados estereoquímicos insatisfactorios en las prolinas resultantes. Resumen Esquema 1. Los resultados obtenidos con los organocatalizadores bifuncionales comunmente conocidos se pudieron mejorar con éxito gracias al diseñó de una nueva familia de catalizadores del tipo escuaramida/amina terciaria (Figura 2). La clave del éxito de estos catalizadores reside en el impedimento estérico generado por el grupo voluminoso gem,gem-(bis)diaril que, además de proporcionar un estereocontrol excelente, impide la frecuente auto-agregación entre distintas moléculas de escuaramidas que suele dificultar la actividad del catalizador. Por otro lado, el grupo poliarilo favorece la solubilidad del catalizador en disolventes tanto polares como apolares. Figura 2. Al catalizar la reacción en ausencia del metal se ha conseguido favorecer la protonación del aducto de Michael carbaniónico frente a la ciclación intramolecular que comúnmente ocurre en estas reacciones de adición 1,4 dando lugar a cicloadiciones [3+2]. Esto ha permitido sacar partido a la diversidad química del grupo funcional isonitrilo en los productos enantioenriquecidos de la reacción de Michael y diseñar una ruta sintética divergente para la síntesis de ¿4-dehidroprolinas que formalmente derivan de las cicloadiciones [3+2] y ¿5-dehidroprolinas con un estereocentro cuaternario en la posición ¿ (Esquema 2). Sin embargo, mientras que la reacción asimétrica de Michael da muy buenos resultados cuando se emplean isocianoacetatos ¿-aril sustituidos, cuando la Resumen sustitución es ¿-alquílica, el nucleófilo no resulta lo suficientemente reactivo y no se produce reacción. Esquema 2. Adición de Michael enantioselectiva de isocianoacetatos ¿-sustituidos a vinil cetonas. Inspirados en como la naturaleza ha encontrado una solución elegante utilizando tioesteres como sustitutos activos de oxo-ésteres en la ruta sintética de policétidos y ácidos grasos, propusimos abordar la adición de Michael a vinyl cetonas con isocianotioésteres ¿-alquílicos, sustratos nunca antes empleados en reacciones de catálisis asimétrica. Figura 3. Aunque estos nuevos nucleófilos demuestran ser lo suficientemente reactivos para dar la adición a vinil cetonas de forma perfectamente estereocontrolada, el transcurso de la reacción está estrechamente relacionado con la naturaleza del tioester. En este sentido, los mejores resultados se producen empleando isocianotioacetatos con un grupo tioester con demanda estérica, como por ejemplo tioesteres con grupos aril ortodisustituidos (Esquema 3). Resumen Esquema 3. Reacción de Michael vs reacciones secundarias no deseadas. De este modo, la reacción asimétrica asistida por el nuevo catalizador y empleando isocianotioacetatos con una variedad de sustituyentes alquílicos en la posición alfa proporciona los productos de Michael deseados con buenos rendimientos y excelentes excesos enantioméricos. Los productos de Michael obtenidos pueden ser fácilmente transformados en ¿4- y ¿5-dehidroprolinas. En conjunto, la reacción asimétrica de Michael a vinyl cetonas proporciona una nueva ruta sintética para la síntesis enantioselectiva de diversas prolinas cuaternarias ¿-aril y ¿-alquil sustituidas. Gracias a estos nuevos nucleófilos, se ha podido realizar por primera vez la adición de Michael estereocontrolada entre un equivalente de isocianoacetato ¿-alquil sustituido y una vinil sulfona, aunque empleando el mismo catalizador la reacción da resultados inferiores a los logrados con las vinil cetonas. Esquema 4. Isocianotioacetatos ¿-alquilados en adiciones de Michael enantioselectivas. Resumen Por otro lado, la reacción de Mannich de isocianoacetatos ¿-sustituidos aun presenta muchas limitaciones, sobre todo cuando se trata de nucleófilos ¿-alquil sustituidos en combinación con el uso de organocatalizadores. No obstante, esta reacción proporciona una vía para la síntesis de 2-imidazolinas ¿-cuaternarias, subunidades estructurales de compuestos biológicamente activos y precursores ideales de ¿,ß-diamino ácidos. Por consiguiente, la reacción de Mannich asimétrica de isocianotioacetatos ¿-alquilados con aldiminas activadas (N-Nosyl) y aldiminas menos activas (N-Aril) también ha sido explorada mediante el uso de organocatalizadores. Los resultados preliminares indicaron, igual que en el caso anterior, que la reacción tiene lugar si bien los productos se obtuvieron con bajos excesos enantioméricos. Esquema 5. Isocianotioacetatos ¿-alquilados en reacciones de Mannich enantioselectivas.

Los ciclopropanos dadores-aceptores, son considerados importantes estructuras en la construcción de moleculas más complejas, debido a su tendencia termodinámica a sufrir apertura de anillo impulsada por la liberación de tensión anular. En este sentido, los ácidos de Brønsted se pueden utilizar para activar ciclopropanos dadores-aceptores que contienen un grupo acilo a través de la formación de enlace de hidrógeno, lo cual aumenta el efecto push-pull, induciendo una alta polarización del enlace C-C que se encuentra entre ambos sustituyentes y favoreciendo su escisión para formar el reactivo 1,3-dipolo intermedio. El trabajo realizado se centra tanto en la reacción intra- como intermolecular de estos ciclopropanos en presencia de ácidos de Brønsted. Por un lado, se ha llevado a cabo la versión enantioselectiva del reagrupamiento de Cloke-Wilson para la síntesis de una variedad de 2,3-dihidrofuranos enantioenriquecidos con buenos rendimientos empleando ácidos fosfóricos quirales derivados del BINOL como catalizadores. Por otro lado, se ha estudiado la reactividad de ciclopropanos dadores-aceptores frente a indoles 3-sustituidos, para la síntesis de varios derivados de dihidropiridoindol con rendimientos de buenos a excelentes. Además, se ha evaluado trasladar dicha reactividad a la formación de dihidropiridoindoles enantioeriquecidos mediante activación de ácidos fosfóricos y fosforamidas quirales derivados de BINOL, aunque deben considerarse modificaciones adicionales en las condiciones de reacción para lograr un proceso totalmente regio- y enantioselectivo.

El objetivo de esta tesis ha sido lograr la ¿-desimetrización de amidas por medio de la organocatálisis. Este estudio ha sido enfocado a dos subconjuntos de amidas: derivados del ácido barbitúrico y ¿-iminoamidas, debido a que ambas estructuras tienen un alto interés farmacológico. - En la primera parte del trabajo, se ha estudiado la ¿-funcionalización enantioselectiva de ácidos barbitúricos para dar lugar a productos con un átomo de carbono cuaternario en el ciclo. De esta manera, se ha sintetizado una gran variedad de derivados del ácido barbitúrico enantiómericamente enriquecidos. - En la segunda parte de la tesis, se pensó en la síntesis de un nucleófilo derivado de amida con elementos activantes para aumentar su reactividad en la posición ¿. Con estas propiedades, se sintetizó un derivado de iminoamida, pensando que la formación de enlaces de hidrógeno intramoleculares podrían facilitar su reactividad.

Bioinspired Catalysis using Oligourea Helical Foldamers Catalysis and folding are two closely interwoven notions in Nature particularly among enzymes, and by extension can be applied to synthetic catalysts designed by chemists. Artificial monomers have been created for two decades to synthesize new oligomeric molecular architectures with a high propensity to fold, which are called foldamers. In many systems, folded structure is stabilized by a strong hydrogenbonding network, in a similar way to biopolymer structures. These folded backbones may provide significant advantages as catalyst as they could offer cooperativity in ligand binding, a greater stabilization of charged intermediates and then a minimization of entropic cost of the transition state binding. They constitute a class of potential organocatalysts which deserves more investigation. Organocatalysis is an area of strong interest nowadays because of the lower toxicity of the catalysts and meta free procedures, their modularity and easiness to handle them. But generally high loading (5-20 mol%) are needed to perform chemical transformations with good yields and good stereoselectivities. The synergistic effect brought by the well-defined structures of foldamers through the strong hydrogen-bonding network can be in favour of a decrease of the catalyst loading.

O-glycans from the helminth Schistosoma mansoni represent promising leads in the development of immunomodulatory compounds via the interaction with C-type lectin receptors (CLRs), as reported for DC-SIGN, L-SIGN, Langerin and MGL. We undertook the chemoenzymatic synthesis of an O-glycan library inspired from structures previously isolated from the helminth. We described the synthesis of parasitic O-glycan cores mucin core 2 and the S.mansoni specific core. Enzymatic elongations towards a library of O-glycans were limited to the Galß-1,6GalNAc arm of the cores owing to an unanticipated acceptor specificity of the recombinant glycosyltransferase LgtA_X. Synthesized as aminopentyl glycosides, eight O-glycans were obtained and were printed on-chip alongside N-glycans available from our laboratory. The array was enzymatically modified using a FucT from H.pylori in conjunction with either a fucose or 6-azido-fucose donor and arrayed against a selection of CLRs, revealing interesting features in the CLR specificity and suggesting the existence of exploitable chemical space for CLR targeting.

Glycans are among the most varied and complex molecules in biological systems. The glycosylation process is the most complex and widespread modification of proteins and lipids, with an unsurpassed capacity to generate a wide array of different structures. Recognition of glycans by specific receptors translates the glycome into unprecedented biological signals in physiological and pathological events. In this work, we applied Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy to gain structural insights of different molecular recognition processes between glycans and diverse proteins with biomedical relevance. As key highlight, key aspects of the glycosylation mechanism of MUC1 by GalNAc-Transferases (GalNAc-Ts) have been unraveled, paying special attention to the site-specificity of the process. Furthermore, our targets have an important impact in disease, particularly, in cancer (mucin-1) and in bacterial infections (Toll-like receptor 4). Throughout this Thesis, state-of-the-art NMR experiments have been applied to dissect the molecular details of these biomolecular recognition processes. Thus, ligand-based and receptor-based methods have been used, in combination with a variety of additional experimental and theoretical techniques. Thus, biophysical, biochemical, molecular biology and computational methodologies have complemented the NMR data in order to attain a complete description of the interaction events.

promover la a-funcionalización directa y enantioselectiva de cetonas y aldehídos con ciertas características estructurales. Específicamente, en esta Tesis Doctoral se ha estudiado la reacción de Michael enantioselectiva de cetonas y aldehídos con nitroolefinas promovida por bases de Brønsted bifuncionales, lo que conduce a los correspondientes aductos con muy buen estereocontrol. En estas reacciones se han empleado a-hidroxicetonas saturadas e insaturadas, bencil alquinil cetonas y arilacetaldehídos como dadores de Michael eficientes. La posterior elaboración de los correspondientes aductos ha proporcionado a) mediante escisión oxidativa de la función aciloínica en el caso de las a-hidroxicetonas, ácidos carboxílicos y aldehídos a- funcionalizados enantiopuros, b) mediante reducción de las bencil alquinil cetonas a-funcionalizadas, cetonas dialquílicas no simétricas a-sustituidas enantiopuras, c) mediante ciclación ipso intramolecular de los correspondientes aductos de las bencil alquinil cetonas, espirociclos y estructuras moleculares tricíclicas. Para el estudio de la citada reacción con aldehídos una nueva familia de catalizadores de bases de Brønsted que contienen un amino ácido y el grupo escuaramida ha sido sintetizada para obtener los correspondientes aductos con elevada estereoselectividad. Finalmente, durante una breve estancia en la Unviersidad de Toronto en los Lash Miller Chemical Laboratories, bajo la supervisión del Prof. Robert Batey, se ha llevado a cabo el estudio y la validación de una metodología para la síntesis de 5-aminotetrazoles 1-sustituidos obteniéndose con buenos rendimientos.

Las reacciones transanulares y pseudotransanulares constituyen una estrategia eficaz para acceder a estructuras policíclicas complejas de manera directa, pudiéndose generar compuestos con uno o más centros estereogénicos de forma enantioselectiva gracias a la inducción quiral ejercida por un elemento estereodirigente apropiado. En este sentido, el trabajo recogido en la presente memoria se ha centrado en el desarrollo de reacciones promovidas por organocatalizadores y, más concretamente, por ácidos de Brønsted, con objeto de optar a estructuras azabicíclicas de interés. Así, por un lado, se ha estudiado una aminohalogenación de alquenos transanular sobre sulfonamidas cíclicas con una olefina en su estructura, la cual ha dado acceso a una variedad de haloaminas policíclicas con resultados altamente dependientes de las características estructurales del precursor. Por otra parte, se ha demostrado la capacidad de los catalizadores mencionados para promover la desimetrización pseudotransanular de epóxidos meso derivados de ciclohept-4-en-1-aminas, a través de una apertura nucleofílica promovida por el nitrógeno, reacción que ha proporcionado el esqueleto privilegiado de 8-azabiciclo[3.2.1]octano con excelentes resultados. Además, se ha demostrado la aplicabilidad de la metodología mediante la incorporación de la misma como paso clave en la síntesis total de los alcaloides del tropano (-)-2¿-tropanol y (+)-ferruginina. Asimismo, se ha sintetizado (±)-ferrugina, no pudiéndose optar al compuesto enantiopuro debido a la racemización observada en las primeras etapas de las rutas sintéticas diseñadas.

En esta tesis doctoral se han desarrollado nuevas metodologías para la ¿-funcionalización regio- y estereoselectiva de cetonas cíclicas. Para ello se han empleado catalizadores con carácter bifuncional base de Brønsted/dador de enlace de H, cuya acción se basa en procesos de transferencia de protón. El estudio se ha basado en la funcionalización de ¿-tetralonas y ¿-alquenil cicloalcanonas, ya que dichos sustratos podrían ser desprotonados mediante bases débiles al conducir a enolatos parcialmente estabilizados (anión alílico/bencílico) favoreciendo el proceso catalítico. En nuestra investigación se ha observado que las ¿-tetralonas ¿-sustituidas son capaces de reaccionar con varios aceptores en condiciones suaves por acción de un catalizador bifuncional base de Brønsted/enlace de H adecuado de manera regio- y estereoselectiva. En el caso de la funcionalización de ¿-alquenil cicloalcanonas, los estudios llevados a cabo con sistemas cíclicos revelaron que los correspondientes dienolatos generados in situ son capaces de reaccionar con varios electrófilos predominantemente en el C¿ y de forma estereoselectiva.

Dada la necesidad de las empresas farmacéuticas de comercializar compuestos enantioméricamente puros, la síntesis de moléculas enantiopuras ha atraído mucho interés en los últimos años. La síntesis asimétrica y en concreto, la organocatálisis, constituyen hoy en día uno de los principales métodos para la obtención de compuestos enantioméricamente puros. Este tipo de catálisis emplea una gran variedad de organocatalizadores que pueden clasificarse en función de su modo de activación en ácidos de Brønsted, bases de Brønsted, ácidos de Lewis y bases de Lewis. El trabajo recogido en esta memoria se centra en el uso de bases de Lewis para promover transformaciones novedosas en el ámbito de la síntesis asimétrica. Así, se han empleado aminas secundarias quirales para llevar a cabo la reacción de reagrupamiento vinilciclopropano-ciclopenteno enantioselectiva de manera efectiva. Por otro lado, mediante la activación del bis(pinacolato)diboro a través de bases de Lewis y su reactividad frente a alenilamidas, se ha desarrollado una reacción de hidroborilación regioselectiva de alenilamidas a través de la cual se ha podido acceder a olefinas trisustituidas empleadas como ¿building blocks¿ en futuras transformaciones. Además, como parte de una estancia predoctoral, se incluye el trabajo realizado en el grupo de investigación del Prof. Nuno Maulide en la Universidad de Viena el cual se centra en el campo de la activación de amidas mediante el uso de anhídrido tríflico.

En esta tesis doctoral se han desarrollado nuevas metodologías para la funcionalización organocatalítica asimétrica de cetonas insaturadas empleando catalizadores bifuncionales de tipo Base de Brønsted/dador de enlace de H, cuya acción se basa en procesos de transferencia de protón. Por un lado, se ha demostrado que los catalizadores bifuncionales de tipo amina terciaria/escuaramida pueden promover la adición de cetonas ß,¿- y ß,¿,¿,¿-insaturadas a nitroolefinas vía los correspondientes di- o trienolatos, un proceso que transcurre no solo con muy buen enantio- y diastereocontrol, sino también con total regioselectividad ¿. Por otro lado, se ha demostrado la utilidad de la 2,4-dimetil-4-hidroxipenten-3-ona como equivalente del metacrilato en una adición de Michael promovida por un catalizador bifuncional tipo base de Brønsted/esquaramida, seguida de una ¿-protonación asimétrica. Esta reacción en cascada supone un método directo para la construcción de compuestos carbonílicos acíclicos con estereocentros de carbono terciario/cuaternario no adyacentes con alta diastereo- y enantioselectividad. Finalmente, como parte de una estancia internacional en el laboratio del Prof. Keiji Maruoka en la Universidad de Kyoto, se ha descrito un catalizador de tipo aminoamida fácilmente accesible, la N-fenil-L-valinamida, capaz de promover la reacción aldólica entre la ciclohexanona y aldehídos aromáticos.

En la presente Tesis Doctoral, se han desarrollado dos nuevos pronucleófilos para reacciones catalíticas promovidas por bases de Brønsted (BB) quirales bifuncionales. Por un lado se ha demostrado la utilidad de las pirrolidin-2,3-dionas como pronucleófilos en reacciones de adición conjugada a enonas y en la ¿-alilación asimétrica promovidas por BB quirales y un sistema catalítico compuesto por paladio y un ligando de fosfina quiral, respectivamente. Ambas reacciones generan aductos con un estereocentro tetrasustituído y con alta enantioselectividad, y son precursores de ß2,2-aminoácidos mediante su transformación a NCAs por expansión de anillo, seguido de apertura por distintos nucleófilos. Esta metodología supone una nueva estrategia catalítica para acceder a ß2,2-aminoácidos. Por otro lado, se han diseñado bases de Schiff de la glicina como pronucleófilos en la reacción aldólica promovida por BB quirales bifuncionales. Dichos pronucleófilos ofrecen una reactividad aumentada, debido a los enlaces de hidrógeno intramoleculares formados, que aumentan la acidez del carbono el alfa, y que son claves para el control tanto de la reactividad como de la estereoselectividad. Finalmente, durante una breve estancia en el Instituto Europeo de Química y Biología (IECB) en Pessac (Francia), bajo la supervisión de Gilles Guichard, se ha llevado a cabo la síntesis de oligoureas constituídas por distintos números de residuos de valina y se han evaluado como organocatalizadores quirales de enlace de hidrógeno.

En la presente tesis doctoral se han desarrollado dos nuevas metodologías para la funcionalización organocatalítica asimétrica de compuestos carbonílicos insaturadas empleando catalizadores bifuncionales de tipo Base de Brønsted/dador de enlace de H, cuya acción se basa en procesos de transferencia de protón. Por un lado, se ha demostrado que los catalizadores bifuncionales de tipo amina terciaria/escuaramida pueden promover la adición de cetonas, tioésteres y ésteres ß,¿-insaturadas a nitroolefinas vía los correspondientes dienolatos, proceso que transcurre con muy buen enantio- y diastereocontrol, sino también con total regioselectividad ¿ (menos para los ésteres y tioésteres que se obtienen mezclas de aductos ¿ y ¿). Además, se ha estudiado la extensión de la metodología descrita en el párrafo anterior, pero esta vez involucrando trienolatos. De esta manera, hemos desarrollado una síntesis enantio- y diastereoselectiva de ciclohexenos tetrasustituidos a partir de cetonas y tioésteres terminales ß, ¿- ¿, ¿-insaturados con nitroolefinas, la cual es promovida por un catalizador bifuncional de tipo amina terciaria/escuaramida. Finalmente, durante una corta estancia en la Facultad de Química de la Universidad de Bristol (Reino Unido), bajo la supervisión del profesor Jonathan Clayden, se ha desarrollado una ciclación de derivados de aril imidazolidinonas cuaternarias. Gracias a esta metodología, se consiguen aductos derivados de las 3,4- dihidroisoquinolonas con buenos rendimientos.

En esta tesis doctoral, se han estudiado diferentes metodologías para la síntesis de quinolinas fosforadas y naftiridinas fusionadas con otros heterociclos mediante la reacción de Povarov. Además, se ha utilizado la reacción de Povarov en su forma intermolecular e intramolecular dando lugar a una amplia gama de heterociclos nitrogenados. Además, se ha evaluado la actividad biológica de los compuestos. Por un lado, se estudió el comportamiento de los aductos sintetizados como inhibidores de topoisomerasa I humana y topoisomerasa I de leishmania. Por otro lado, se ha evaluado la actividad antiproliferativa de los compuestos sintetizados en diferentes líneas celulares cancerosas de pulmón (A549), ovario (SKOV3), riñón (HEK3) y mama (BT20), así como en una línea de células de pulmón no cancerosas (MRC5).

Carbohydrate microarrays are well established tools for high-throughput analysis of carbohydrate-protein interactions and for screening the specificity of carbohydrate processing enzymes, In addition, a few groups have also explored the on-chip synthesis of ligands. The use of small amounts of substrates and the absence of long purification step make the microarray a time-saving approach for the parallel synthesis of hundred scaffolds. We developed a versatile platform to quickly synthesize significant number of glycomimetics via chemoenzymatic protocols and test them as potential ligands for C-type lectin receptors (CLRs). The transparent and the conductive hydrophobic-ITO surface allows to perform binding studies with labeled lectins by fluorescent spectroscopy as well as to estimate conversion rates of the on-chip reactions for every printed ligand by MALDI-TOF MS.

Gold nanoparticles (GNP) are hybrid materials, with excellent physicochemical characteristics, made of a gold core and a corona of organic molecules, amongst them carbohydrates. Ultrasmall GNP (nanoclusters) are usually obtained through a modified Brust-Schiffrin synthesis. The combination of glycoscience and ultrasmall GNP enables wide biotechnological and clinical applications. Using the GNP multivalency or multifunctionality properties, carbohydrates can, for instance, trigger the cluster glycoside effect required for the targeting of lectin receptors. To deliver reliable and reproducible GNP material, a tight control of the synthesis and a broad spectrum of analytical techniques are essential. To this end, the passivation step of the aqueous Brust-Schiffrin synthesis was thoroughly studied with different platforms and narrow one-parameter variations. Moreover, an extensive characterization was performed to optimize the analytical techniques, compare the data and obtain the most accurate description of the synthetized material. A novel chromatographic method of corona characterization for weak or non-UV absorbent ligands was developed using charged aerosol detection coupled with mass spectrometry (LC-CAD-MS), accompanied by a new etching protocol using tris(2-carboxyethyl)phosphine. The results were compared to those obtained by 1H NMR. A library of ¿-mannose (¿-Man) derivatives together with oligosaccharides were used to decorate the GNP through post-functionalization reactions. The different routes to achieve the ¿-Man library and functionalize the GNP were compared to find the most efficient method. Biochemical (microarray, biolayer interferometry) and biological (cell uptake) assays were performed to achieve and optimize the targeting of lectins such as DC-SIGN by Glyco-GNP. ¿-Man and, more significantly, the dimer ¿-Man1,2¿-Man were able to effectively bind to DC-SIGN and improve the specific uptake of GNP in dendritic cells. Moreover, the ability of GNP to quench fluorescence was used to screen a library of lectins with different carbohydrate specificities.

El objetivo de este trabajo de tesis doctoral consiste en evaluar la biodistribución de nanotransportadores de naturaleza inorgánica y orgánica a través de técnicas nucleares. En concreto, en el efecto del recubrimiento utilizado en nanopartículas poliméricas y la interacción con la corona de proteínas; en el efecto de la integración durante la síntesis y la biodistribución de un compuesto orgánico y el destino biológico de los componentes de un nanotransportador de naturaleza híbrida. En el primer capítulo, se ha optimizado la puesta a punto de nanopartículas utilizando polímeros de ácido láctico y glicólico en distintas ratios y evaluando el efecto que tienen en la síntesis el incremento del compuesto encapsulado, en esta tesis se ha utilizado un compuesto hidrofóbico rico en átomos de boro por su capacidad para ser utilizado en terapias contra el cáncer en terapias en las que se pueda aplicar la captura de neutrones. El siguiente capítulo aborda la interacción de las NPs poliméricas con las proteínas presentes en la sangre. Se evaluaron nanopartículas de PLGA de 150 nm de tamaño hidrodinámico recubiertas de albúmina y polietilenimina. La tercera y última parte del trabajo ha consistido en la evaluación de la degradación de un sistema de estructura híbrida ampliamente utilizado en diversos campos de investigación. En concreto se ha evaluado el destino biológico de nanopartículas mesoporosas de sílice estabilizadas en la superficie con moléculas de polietilenglicol y decorados con un péptido en la superficie.

En la presente tesis se describe la preparación y caracterización de nanopartículas de oro de diversos tamaños y formas geométricas (nanoesferas y nanorods), funcionalizadas simultáneamente con polietilenglicol y moléculas ricas en boro, como potenciales herramientas terapéuticas en el contexto de la terapia por captura de neutrones (BNCT). Las nanopartículas preparadas se han caracterizado utilizando una batería de técnicas, incluyendo microscopía electrónica de transmisión, dispersión dinámica de luz, espectrofotometría UV-Vis, espectroscopía Raman y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. Posteriormente, los nanosistemas se han marcado con isótopos emisores de positrones para evaluar su biodistribución y su capacidad de acumularse en el tumor, utilizando para ello dos modelos animales de cáncer, generados mediante inoculación sub-cutánea de células tumorales de origen humano en ratones inmunodeprimidos. Dos de los nanosistemas ensayados han mostrado buena capacidad de acumulación en los tumores, con concentraciones alcanzadas alrededor del 5% de la dosis administrada por gramo de tejido, mostrado su potencial como herramientas terapéuticas. Además, los nanorods podrían utilizarse en abordajes duales, combinando BNCT con terapia fototérmica.

Carbohydrates are one of the most variable and complex molecules of biological systems. They are usually located at the cell membrane, mainly as glycoconjugates, glycoproteins or glycolipids and play an important role in the specific molecular recognitions. Within glycans, polysaccharide capsules (CPS) are universal structures found on the cell surface of a broad range of bacterial species and often constitute the outermost layer of the cell; as such, they mediate the direct interactions between the bacterium and its immediate environment. Since structure and function are intrinsically correlated, the three-dimensional shape, dynamics and presentation of these molecules play a role in the recognition processes. In this work, we have employed a variety of Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) techniques, assisted by different computational approaches, in particular Molecular Dynamics (MD) simulation and ab initio methods, for obtaining atomic-scale information on the conformation, dynamics and interactions, in solution, of different types of capsular polysaccharides present in Neisseria meningitis and Streptococcus B.

El presente trabajo de Tesis Doctoral recopila la síntesis y evaluación biológica de nuevos derivados híbridos de quinolinas fosforadas como inhibidores de topoisomerasa 1B humana (hTOP1B) con actividad antiproliferativa. Se estudiaron varias metodologías sintéticas basadas en la reacción de Povarov, que permitieron la obtención de dichos derivados mediante procesos one-pot y estrategias multicomponente. Se estudió el comportamiento de los compuestos como inhibidores de hTOP1B, identificando los compuestos con mayor actividad inhibitoria de la diana y estudiando su mecanismo de inhibición, resultando en inhibidores catalíticos (supresores) de hTOP1B. A mayores, se desarrolló un nuevo método cuantitativo de drug screening para la detección de nuevas moléculas con capacidad de inhibir hTOP1B, así como elucidar su afectación al ciclo catalítico de hTOP1B. Por otro lado, se investigó la actividad antiproliferativa de los compuestos mediante ensayos de viabilidad celular in vitro en líneas celulares humanas cancerosas/embrionaria/no-cancerosa (A-549, SK-OV-3/HEK-293/MRC-5) y se estudió como afecta selectivamente la diana hTOP1B a la citotoxicidad inducida por los compuestos en las líneas celulares RMPI-8402/CPT-K5 y HEK-293 con knockdown de hTOP1B.

Los ácidos ¿-aminofosfónicos y sus derivados son estructuras muy frecuentes en productos con alto interés biológico como fármacos y agroquímicos. Durante las últimas décadas, el elevado interes de la industria en derivados de ácidos ¿-aminofosfónicos ha dado lugar al desarrollo de múltiples rutas sintéticas para la obtención de estos compuestos de forma ópticamente pura. Dado que no existen muchos ejemplos de formación asimétrica de enlaces C-C para la formación de este tipo de compuestos, el principal objetivo de esta tésis doctoral ha sido la sintesis de ¿-iminofosfonatos y la adición enantioselectiva de diferentes nucleófilos a las mismas. En este contexto, se han llevado a cabo con éxito las reacciones Friedel-Crafts de índoles y aza-Reformatsky sobre las iminas mencionadas, obteniendo excesos enantioméricos de 68 a 82 % para las adiciones de indol y superiores al 93% para la reacción de aza-Reformatksy. Además, algunas de las familias de compuestos sintetizadas han sido utilizadas en ensayos de citotoxicidad, demostrando tener un elevado potencial como agentes antiproliferativos de células cancerosas de pulmón y ovario.

El objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido desarrollar nuevas metodologías de modificación selectiva de compuestos peptídicos. Por un lado, hemos estudiado metales alternativos como el cobalto para la modificación C-H selectiva de N-aril glicinas mediante procesos CDC (Cross-Dehydrogenative Coupling). Por otra parte, también hemos desarrollado nuevas metodologías para la diversificación de enlaces C ¿ H de aminoácidos con ramificaciones aromáticas como la fenilalanina (Phe) y tirosina (Tyr). Para ello se introdujeron grupos directores exógenos de tipo piridina en las estructuras peptídicas que permitieron llevar a cabo la acilación selectiva de enlaces C-H con aldehídos mediante procesos radicalarios en presencia de catalizadores de paladio. Esta aproximación sintética ofrece múltiples ventajas frente a métodos más convencionales, donde generalmente se requieren sustratos prefuncionalizados y la generación de residuos halogenados es inevitable.

La biocatálisis industrial ha demostrado ser una alternativa más económica y limpia a la síntesis química tradicional. Sin embargo, la baja estabilidad de las enzimas, el insuficiente reciclaje de moléculas y las limitaciones de transferencia de masas aún dificultan su progreso. Para solucionar estos problemas, la presente tesis doctoral propone un enfoque a micro-escala y un diseño racional de los biocatalizadores heterogéneos. Para ello, se han ensamblado sistemas moleculares en materiales artificiales mimetizando la compartimentalización de las rutas metabólicas que existe de forma natural en el interior de las células. La estructura resultante es un biomaterial llamado célula metabólica artificial. La integración de todas las moléculas (enzimas y cofactores) en la fase sólida permite su reuso y reciclaje. Este sistema se ha expandido a la co-inmovilización de diferentes enzimas (alcohol deshidrogenasas, ketoreductasas, oxidasas y transaminasas) con sus respectivos cofactores (NAD(P)H, NAD+, FAD+, PLP), demostrando el amplio rango de aplicación de esta estrategia. De forma paralela, se han desarrollado varias técnicas de mejora de los biocatalizadores heterogéneos. En primer lugar, se ha desarrollado una estrategia de biología sintética para acelerar la optimización de la inmovilización de enzimas. En segundo lugar, se ha utilizado la microscopía de fluorescencia para analizar estos biocatalizadores a nivel de una sola partícula con resolución espacio-temporal. Finalmente, estos biocatalizadores heterogéneos autosuficientes fueron incorporados a reactores de flujo continuo para la síntesis de aminas y alcoholes quirales.

En esta tesis doctoral, se ha utilizado la administración pulmonar y las técnicas de imagen molecular in vivo con el objetivo final de explorar la idoneidad de polímeros y NPs poliméricas basadas en dextrano para estabilizar nanoemulsiones de aceite-en-agua cuya principal función es la encapsulación, transporte y liberación controlada de fármacos poco solubles en agua. Las nanoemulsiones resultantes se han reticulado en la interfase aceite/agua permitiendo mejorar significativamente su estabilidad a largo plazo en agua y PBS. Además, se ha estudiado su (i) capacidad de carga y (ii) liberación controlada de fármacos en presencia de enzimas de tipo lipasa, así como, (iii) su uso para prolongar el tiempo de residencia de dichos fármacos en los pulmones según lo determinado a través de tomografía por emisión de positrones (PET-CT) in vivo. Por otro lado, se ha explorado el uso del anión anfifílico conocido como COSAN, cobalto bis(dicarballuro), para la estabilización de nanoemulsiones y su capacidad para prolongar el tiempo de residencia de fármacos hidrofóbicos en los pulmones.

The research work developed in this Ph.D. Thesis is focused on the development of novel methodologies based on transition-metal-catalyzed C-H activation/C-C bond formation reactions for the synthesis of a variety of oxygen- and nitrogen-containing heterocycles. The intramolecular Fujiwara-Moritani reaction has been extended to the synthesis of a number of heterocyclic compounds. The chromane an quinoline cores have been efficiently constructed via 6-exo-trig processes, while 1,2- and 1,4- dihydroquinolines could be regioselectively obtained via 6-endo-trig cyclizations. The synthesis of indoles by means of the 5-exo-trig intramolecular Fujiwara-Moritani reaction has also been achieved. Afterwards, the interest was focused on cobalt. In this sense, we have developed the first Cp*Co(III)-catalyzed intramolecular hydroarylation of unactivated olefins to the synthesis of 2,3-dihydrobenzofurans, pyrroloindoles and chromanes through 5-exo-trig and 6-exo-trig cyclization processes using amide-based directing groups. Moreover, it was found that allyl phenyl ether could be used as allylating agents under Cp*Co(III). Besides, a three-month stay was carried out at the University of Manchester under the supervision of Professor Igor Larrosa. During this period, the optimization of the Ru(II)-catalyzed ortho-monomethylation of 2-phenylpyridine was performed, using aryltrimethylammonium salts as the methylation agents.

La presente tesis consiste en una serie de estudios realizados en el marco de la química computacional. La teoría del funcional de la densidad ha sido aplicada para la simulación de diversas reacciones químicas. Mediante la optimización y el cálculo de las energías de sustratos, intermedios, productos y estados de transición, se han elucidado los mecanismos de reacciones pericíclicas y de reacciones catalizadas por metales. Concretamente, se ha examinado la estereoespecificidad de reacciones 6¿-electrocíclicas que utilizan oximas como producto de partida. El mecanismo ha estudiado y clasificado como pseudopericíclico mediante el analisis de la aromaticidad del estado de transición. En cuanto a las reacciones organometálicas, por un lado se ha estudiado una reacción intramolecular de Fujiwara-Moritani para la síntesis de 1,4-dihidroquinolinas, explorando el mecanismo con el objetivo de explicar los diferentes isómeros observados experimentalmente. Por otro lado, se han estudiado una serie de cicloisomerizaciones catalizadas por oro y platino, cuya compleja reactividad ha podido ser racionalizada. Los estudios computacionales han sido llevados a cabo en colaboración con diferentes grupos experimentales, y han dado como resultado tres publicaciones científicas.

Doktoretza tesi honetan,1H-triazol N-oxidoen sintesi eta erreaktibitatea ikertu dira. N-oxidoek sortzen duten aktibazioaz baliaturik, 1H-1,2,3-triazol konplexuagoak sintetizatu dira, hots, ohiko zikloadizio bidez sor ezin litezkeen 1,4,5-triazol N-oxido desberdinak sintetizatu dira. Horretaz gain, akoplamendu erreakzio ezberdinak ikertu dira, egitura konplexuagoko triazolak osatu ahal izateko. Horretarako, aurrez funtzionalizatutako sustratuak eta funtzionalizatu gabeko sustratuak erabili dira. Bistriazoletan oinarritutako ligando berriak ere sintetizatu dira, Noxidoen aktibazioa baliatuz. Gainera, bibliografiako aurrekariak begiratuz, guztiz ordezkatutako bistriazol oso gutxi aurki daitezke eta prozedura orokorrik ez da aurkitzen. Hori dela eta, triazol N-oxidoen akoplamendu bidezko prozedura garatu da, zeinak guztiz ordezkatutako bistriazolak sintetizatzea posible egiten duen, bistriazol simetriko eta ez-simetrikoak osatzeko gaitasunarekin.

Las reacciones de halofuncionalización enantioselectiva constituyen una estrategia sintética altamente eficaz para la generación de al menos dos nuevos estereocentros gracias a la inducción quiral ejercida por un elemento estereodirigente apropiado. En este sentido, las investigaciones recogidas en la presente memoria se han centrado en el desarrollo de reacciones de halofuncionalización enantioselectivas promovidas por organocatalizadores quirales cuya estructura es derivada del BINOL. Así, por un lado, se ha estudiado una reacción de halogenación/reacción semipinacolínica de expansión de anillo enantioselectiva llevada a cabo sobre 1-alquenilciclobutan-1-oles 3,3-disustituidos, transformación que ha dado acceso a una gran variedad de ciclopentanonas 2,2,4,4-tetrasustituidas enantiopuras. La reacción ha sido catalizada por una base de Lewis quiral, en concreto, por un fosfato quiral de magnesio derivado del BINOL que en las posiciones 3 y 3¿ posee el grupo trifenilsililo que es el responsable de generar impedimento estérico y con ello enantiocontrol. Se ha de mencionar que los cálculos computacionales llevados a cabo muestran que la etapa limitante de la transformación es la migración del enlace del ciclobutanol para generar la ciclopentanona. Por otra parte, se ha demostrado que la reacción de halofuncionalización puede aplicarse a reacciones transanulares permitiendo la generación de policiclos funcionalizados derivados de productos bioactivos inhibidores de la encima topoisomerasa I. En concreto, mediante una reacción de haloaminación transanular en aminociclos de tamaño medio que poseen una olefina en configuración Z se ha conseguido sintetizar una amplia variedad de policiclos, cuyo esqueleto es empleado como intermedio para la síntesis total de la Rosettacina. Además, el empleo de otros ciclos de tamaño medio con configuración E en la insaturación endocíclica ha permitido acceder de forma directa a una gran variedad de estructuras tetracíclicas.

Esta Tesis Doctoral, tiene como objetivo principal la síntesis de nuevos derivados de aziridina fosforados y su estudio como agentes antiproliferativos. Esta memoria se fundamenta en 4 objetivos principales, algunos de los cuales abarcan a su vez objetivos secundarios. Con la finalidad de explorar la utilidad sintética de las 2H-azirinas como intermedios sintéticos, el primer objetivo consiste en el estudio de la adición nucleófila de cianuro al doble enlace C-N de las 2H-azirinas fosforadas, con el fin de sintetizar nuevas 2-cianoaziridinas fosforadas. Continuando con nuestro interés en la reactividad de las aziridinas, como segundo objetivo, se estudia la adición electrófila de iso(tio)cianatos a las NH-cianoaziridinas fosforadas, así como la expansión del anillo en las cianoaziridinas N-funcionalizadas sintetizadas, para la preparación de nuevos heterociclos nitrogenados. Como tercer objetivo, se estudia la adición nucleófila de diferentes fenoles funcionalizados, tales como salizaldehídos funcionalizados o 2-hidroxiacetofenona al doble enlace C-N de las 2H-azirinas fosforadas, lo que ha permitido obtener nuevos híbridos fusionados de azirino[2,1-b]benzo[e][1,3]oxazinas con grupos fosforados. Finalmente, en el cuarto objetivo, describe una metodología sintética regioselectiva de derivadados ¿-aminofosfónicos mediante la adición de nucleófilos oxigenados y azufrados al doble enlace C¿N de 2H-azirinas fosforadas. En cada uno de los objetivos propuestos, se realiza un análisis de la actividad antiproliferativa de los diferentes derivados frente a diferentes líneas de cáncer humano, como por ejemplo, adenocarcinoma de pulmón humano (A549), células embrionarias de riñón humano (HEK293), carcinoma de colon humano (RKO), así como también se estudia el efecto citotóxico de todos los compuestos en células no malignas (MRC-5).

Las diferentes generaciones de organocatalizadores basadas en prolinas no naturales han demostrado ser muy eficientes a la hora de catalizar reacciones de formación de enlaces carbono-carbono como la reacción aldólica y Michael. En este último caso, los mejores resultados se obtuvieron con los catalizadores de segunda generación, también conocidos como aminoprolinas. Sin embargo, su capacidad catalítica resultó moderada en términos de diastereo- y enantioselectividad al emplear la ciclopentanona y la cicloheptanona como nucleófilos. Con el fin de mejorar dichos resultados y ampliar su alcance catalítico, en la presente Tesis Doctoral se evalúa el uso de ¿-dipéptidos como organocatalizadores en la reacción de Michael y en su versión multicomponente Michael-Henry-Acetilación. Por otro lado, con el fin de determinar el alcance sintético de estos organocatalizadores diméricos, también se estudia la cicloadición (4+2) entre cetonas cíclicas y acíclicas y nitroalquenos. Por último, esta Tesis Doctoral estudia a su vez la reacción 1,3-dioxa-[3,3] sigmatrópica de carbamatos alílicos sustituidos. Para evaluar el alcance sintético de la transformación se emplean tanto alcoholes alílicos de diferente densidad electrónica como isocianatos de diferente naturaleza. (Llevado a cabo en una estancia predoctoral de tres meses en la Université de Rennes 1 (Rennes, Francia)).

The aim of this thesis has been the development of new pronucleophiles for organocatalytic reactions, leading to 2-tert-alkyl azaaryl adducts and 5,5-disubstituted hydatoins, products that are of interest in biological and medicinal chemistry. To this end, we have developed for the first time 2- (cyanomethyl)azaarene N-oxides and 1H-imidazol-4(5H)-ones and 1H-imidazol-5(4H)-ones (Figure 1) as easily enolizable pronucleophiles . Figure 1 On one hand, 2-(cyanomethyl)azaarene N-oxides were tested in the addition to ¿-oxyenones (whose utility was first recognized by this group, JACS 2014, 136, 17869¿17881) using a new family of multifunctional squaramide-Brønsted base catalysts bearing a bulky silyl group. Reactions performed with these catalysts gave the addition products (with quaternary stereocenters) with high yields and excellent enantiolectivities (up to 93 % yield; up to 94% ee) (JACS 2016, 138, 3282¿3285). Scheme 2 On the other hand, 1H-imidazol-4(5H)-ones and 1H-imidazol-5(4H)-ones were synthesized and evaluated as new pronucleophiles in conjugated reactions. After acidic or basic hydrolysis, these compounds allow highly efficient construction of 5,5-disubstituted hydantoins. Their addition to nitroolefins and vinyl ketones carried out with squaramide type bifunctional catalysts proceed in general with excellent stereoselectivities (up to >98:2 dr; up to >99% ee) (doi:10.1002/chem.201800506) (Scheme 3). Scheme 3 In conclusion, three new pronucleophiles and two new bifunctional catalysts have been described for the organocatalytic asymmetric formation of quaternary stereocentres. 2-Cyanomethylazaarene Noxides have demonstrated their utility as efficient reagents for the asymmetric synthesis of ¿- quaternary o-substituted alkylazaarenes via soft enolization conditions. 1H-Imidazol-4(5H)-ones I and 1H-Imidazol-5(4H)-ones II have proved to be excellent substrates for the organocatalytic Michael reaction of enantiomerically enriched 5,5-disubstituted hydantoins.

The aim of this thesis has been the development of new synthetic procedures for the asymmetric formation of carbonyl componenets bearing a stereocenter at C¿. Covered topics include (i) the particular case of the use of ¿-unsaturated aldehydes as donors in the aldol reaction with propargylic aldehydes and the subsequent Pauson-Khand reaction of the resulting 1,¿-enynes (Scheme 1), (i) the behaviour of alkynyl ketones (ynones) as acceptors in such aldol reactions. Main results on these topics have been published in Chem. Eur. J. 2014, 20, 15543¿15554. Scheme 1 A second chapter deals with the use of ¿¿-oxy enones as acrylate equivalents in Brønsted base-catalyzed enantioselective conjugate addition of oxazolones for the stereoselective generation of new tetrasubstituted carbon stereocenters (results published in JACS 2014, 136, 17869¿17881; Scheme 2). Three situations have been addressed: a) addition to the unsubstituted enone (acrylate equivalent), b) addition to ß-substituted enones, and c) addition to ¿-substituted enones (metacrylate equivalent). Scheme 2 As a complement, the behaviour of the homologue ¿¿-hydroxy dienones have been studied with the aim to ascertain to which extent both the stereoselectivity, and the regioselectivity of the process (1,4- vs 1,6-addition) could be controlled. For this purpose, new chiral guanidine and phosphanimines were synthetized and tested(Scheme 3). Scheme 3 Chapter 3 deals with the Brønsted base-catalyzed addition of ¿-substituted cycloalkanones to suitable acceptors to produce the corresponding ¿,¿-disubstituted (quaternary) ketones in good yield and overall high selectivity. The method was demonstrated to be robust, admitting cycloalkanones with different ring-sizes (n = 0, 1, 2, 3; Scheme 4a). In the same context, the completely regio- and stereoselective functionalization of ¿-substituted ß-tetralones through the bifunctional Brønsted base-catalyzed Michael reaction with nitroalkenes (ACIE 2017, 56, 2059¿2063) and addition to azodicarboxylates have been achieved (Scheme 4b). Scheme 4 The last part of this Thesis was carried out in the laboratory of Prof. Jonathan Clayden in the School of Chemistry of the University of Bristol. Studies there were focused on routes to the synthesis of the aromatic amino acid precursor arogenate from the natural amino acid L-tyrosine (Scheme 5). Scheme 5

La reacción catalizada por las oxigenasas no-hemo dependientes de¿¿-cetoglutarato en humanos corresponde a la hidroxilación de enlaces C-H, y la N-desmetilación mediante la C-hidroxilación. Está reacción conlleva la activación del enlace C-H catalizada por enzimas. Además, esta reacción de N-desmetilación despierta gran interés, ya que esta fracción está presente en un gran número de principios activos, y forma parte del metabolismo de los mismos. Por ello, en el presente trabajo se ha estudiado mediante métodos DFT esta reacción de N-desmetilación de aminas con diferente grado de sustitución catalizada por dos familias de enzimas: las desmetilasas de histonas con dominio Jmj-C, por su relación con los cambios en la transcripción de los genes, y el Citocromo P450, como responsable del metabolismo de compuestos tanto endógenos como exógenos. Se han analizado las reacciones en diversos estados de espín, así como el efecto del grado de sustitución de los sustratos sobre la velocidad y la selectividad de la reacción. Ambas familias de enzimas realizan la N-desmetilación de aminas trimetiladas mediante la ruta del carbinol. Por el contrario, las aminas dimetiladas y monometiladas son desmetiladas mediante la ruta del catión iminio en el caso de la JMJD2A, mientras que los CYP450 pueden realizar la N-desmetilación de aminas di- y monometiladas tanto por la vía del carbinol, como por la vía del catión iminio. Este último mecanismo no había sido reportado hasta la fecha. Se ha comprobado que el modelo computacional propuesto para la familia del CYP450 sirve para poder calcular in silico el metabolismo primario de fármacos catalizados por estas enzimas. Nuestros resultados han permitido calcular las preferencias de formación del Tamoxifeno tal y como ocurren experimentalmente.

La aminocatálisis se ha convertido en un área de gran interés especialmente para el desarrollo de reacciones químicas estereocontroladas. Esta metodología implica la condensación de aminas primarias o secundarias quirales con aldehídos o cetonas, generando cantidades subestequiométricas de intermedios tipo azometino activados (enamina o ion iminio). Simultáneamente, el empleo de fosfinas nucleófilas como organocatalizadores ha ido ganando importancia durante los últimos años debido a su habilidad para promover satisfactoriamente transformaciones enantioselectivas en las que participan alquinos, alquenos y alenos pobres en electrones, las cuales no han podido ser promovidas previamente por otros catalizadores nucleófilos. Esta memoria recoge el estudio y desarrollo de reacciones organocatalíticas enantioselectivas usando tanto aminas secundarias quirales como fosfinas quirales como catalalizadores. En este sentido, se han seleccionado reactivos alternativos a los comúnmente descritos en la bibliografía con la intención de desarrollar transformaciones nuevas empleando organocatalizadores covalentes.

Este trabajo de investigación se centra en el estudio del potencial catalítico de óxidos de fosfina y fuentes de paladio en diferentes transformaciones sintéticas llevadas a cabo en agua. Así, se han sintetizado 1,2-diaril- y 1,2,2-triariletanonas a través de la ¿-arilación catalizada por cantidades infinitesimales de paladio de compuestos carbonílicos (desoxibenzoinas y derivados de acetofenona) en agua. Este mismo sistema catalítico también resultó eficaz para llevar a cabo una reacción one-pot (alquinilación-(hidrólisis)-hidrofenoxilación) que permite el aceso a diferentes heterociclos fusionados, como benzo[b]furanos 2-substituidos e isoindolonas.

Este trabajo de investigación se centra en la síntesis de tres nuevos complejos pincer de paladio, así como en el estudio de su actividad catalítica en la reacción de acoplamiento cruzado de Suzuki-Miyaura y la cicloisomerización de ácidos alquinoicos, haciendo hincapié en el empleo de medios de reacción sostenibles y en el uso de la mínima carga catalítica posible. Por otro lado, se han sintetizado pirazoloheterociclos fusionados de diversa complejidad empleando enaminocetonas como building-blocks clave en base a dos estrategias diferenciadas: reacciones en cascada, y reacciones multicomponente. Asimismo, durante el estudio de la reacción en cascada se accedió de manera directa a 5-acetil-8-alcoxi/amino/tioxiindolizinas. La modalidad multicomponente catalizada por paladio permitió obtener de forma directa a pirazoloisoquinolinas, furopirazolopiridinas, pirazolotienopiridinas y benzotienopirazolopiridinas, empleando fuentes comerciales de paladio en medio acuoso y alcohólico. Asimismo, los ensayos de marcaje isotópico, envenenamiento de catalizador y curva cinética nos proporcionaron la información necesaria para postular los mecanismos de dichas transformaciones. Finalmente, se menciona brevemente el trabajo de síntesis de ciclodecapeptidos llevado a cabo durante la estancia en Novartis Pharma AG.

La observación de la desintegración beta doble sin neutrinos (¿¿¿¿) demostraría que el neutrino es una partícula de Majorana, es decir, su propia antipartícula. Este proceso de desintegración sólo es posible en algunos isótopos de la tabla periódica. Uno de ellos es el 136-Xe, que tras este proceso da lugar a un catión de bario. Debido a la naturaleza inusual de este evento, la detección de este catión de bario requiere un indicador fluorescente sensible y selectivo que genere una señal clara con respecto al ruido de fondo. En este contexto, en esta Tesis se descibe el proceso de diseño y síntesis de un indicador bicolor fluorescente altamente sensible y capaz de trabajar en fase gas, que exhibe diferentes longitudes de onda de emisión cuando está en su estado libre no coordinado y después de capturar un catión de bario. Además, se lleva a cabo una caracterización fotofísica completa para estos sensores. La química computacional también se refleja en distintos puntos, apoyando los resultados experimentales. Por último, se inicia el estudio de los mismos sobre distintas superficies. Llevando a cabo distintas reacciones orgánicas y experimentos fotofísicos.

El cáncer es la segunda causa de muerte a nivel mundial, y por ello, existe una gran necesidad de encontrar nuevos agentes quimioterapéuticos que puedan interaccionar con dianas selectivas a nivel molecular. Una de las más destacadas es la interacción de las proteínas MDM2 y MDMX con el factor de transcripción p53 y, entre los inhibidores de esta interacción, destacan los que presentan en su estructura química un anillo de ¿-lactama. Por ello, mediante el uso de reacciones multicomponente entre derivados de piruvato o alquinos activados, aminas y aldehídos se han preparado diferentes familias de -lactamas ¿,ß-insaturadas, incluyendo compuestos con sustituyentes fluorados y fosforados. Adicionalmente, se ha extendido este protocolo, usando ácidos fosfóricos quirales derivados de BINOL, para obtener los sustratos lactámicos con un alto grado de pureza óptica (excesos enantioméricos de hasta >99%). También, debido a la gran versatilidad que presenta su estructura, las ¿-lactamas ¿,ß-insaturadas han sido utilizadas como sustratos de partida en diversas transformaciones químicas, incluyendo la reacción [3+3] formal regio y diastereoselectiva con cetoésteres ß,¿-insaturados, catalizada por triflato de iterbio. Además, se ha estudiado la actividad citotóxica de los diferentes productos sintetizados mediante ensayos in vitro frente a diferentes líneas celulares de cáncer, demostrando un elevado potencial como agentes antiproliferativos en células cancerosas de pulmón, presentando valores de IC50 hasta 0.11 ¿M y demostrando capacidad para inducir apoptosis en dichas células. Por último, se ha determinado la capacidad inhibitoria de la interacción proteína-proteína MDM2/MDMX-p53 de los compuestos sintetizados, obteniendo valores de Ki de hasta 47.69 y 98.58 ¿M en MDM2 y en MDMX, respectivamente.

El principal objetivo de esta Tesis Doctoral consiste en el diseño de nuevos métodos sintéticos medioambientalmente atractivos como los acoplamientos que transcurren via funcionalización de enlaces C¿H, los cuales permiten obtener diversidad química en estructuras heterocíclicas y peptídicas, de amplia presencia en química médica. En relación a los procesos de CDC, se han desarrollado dos nuevas metodologías. La primera consiste en la ¿-heteroarilación y aminocarbonilación de derivados de glicina con indoles o formamidas respectivamente, por activación de enlaces C(sp3)¿H adyacentes al grupo amino en presencia de catalizadores de cobalto o hierro. En cuanto a la segunda reacción de CDC se trataría de una reacción oxidativa de tipo Ugi entre N,N-dimetilanilinas e isocianuros con la combinación de sales Fe(II) y TBHP, siendo así un nuevo método para la síntesis de ¿-amino amidas. Por otro lado, se ha puesto a punto con gran éxito un proceso de trifluorometilación C(sp2)¿H selectiva de derivados de triptófano catalizado por sales de Cu(I). Por último, anteriormente nuestro grupo ha demostrado que los 1,2,3-triazoles preparados a través de procesos ¿click¿ pueden ser versátiles y eficientes grupos directores para llevar a cabo reacciones de oxigenación y halogenación de anillos aromáticos. En consiguiente, nuestro siguiente objetivo ha consistido en explorar el uso de estos triazoles en reacciones de funcionalización C(sp2)¿H en posición meta, comparativamente menos exploradas.

El presente trabajo de investigación recoge el estudio y desarrollo de nuevas metodologías sintéticas basadas en procesos en cascada a partir de la cicloisomerización de ácidos alquinoicos catalizada por cobre. Además de un estudio más pormenorizado de dicha reacción clave, se presenta el resultado de la interacción de las alquilidenlactonas intermedias con nucleófilos simples, como aminas y alcoholes, así como con aminoacetales, junto con el estudio de transformaciones one-pot que pueden realizarse en algunos de los productos resultantes. Asimismo, se presentan los resultados obtenidos en el contexto de una estancia predoctoral de 3 meses en el grupo de investigación del Prof. Dr. Burkhard König en la Universidad de Regensburg, Alemania. En dicha estancia se colaboró en el desarrollo de una metodología foto-inducida para la homologación de compuestos carbonílicos.

The research work collected in this thesis is focused on the development of new methodologies of carbon-carbond bond formation (acylation, aminocarbonylation and olefination) of heteroaromatic rings, such as pyrroles or thiophenes via C-H activation reactions catalyzed by Pd(II) and Co(III). In the first chapter, and to give context to this thesis, the experience of our researching group in the Palladium and Cobalt catalyzed reactions is described. The second chapter is focused, on the one hand, on the development of a methodology of Pd(II)-catalyzed acylation of pyrroles. The optimized reaction conditions have been applied to the synthesis of Celastramycin analogue and Tolmentin. As a secondary objective, anti-leishmanicidal activity against visceral (L. donovani) and cutaneous (L. amazonensis) leishmaniasis and cytotoxicity of some of the synthesized 2-acylpyrroles have been evaluated through biological assays carried out by Dr. M. A. Dea from University CEU Cardenal Herrera (Valencia). On the other hand, Pd(II)-catalyzed C-3 acylation of thiophenes with aldehydes via C(sp2)-H activation has been developed. To show the synthetic applicability, selected ketones were subjected to further diversifications, including an intramolecular reaction, which involves the directing group. In the third chapter, the attempts to expand the methodology for the acylation of pyrroles to the use of Co(III) catalysis, is described. Furthermore, the nucleophilic addition of thiophene C-H bond to isocyanates catalyzed by Co(III) has been explored. Finally, in the fourth chapter, the research realized in my predoctoral three-month stay in Prof. Manuel Antonio van Gemmeren¿s research group at the Organic Chemistry Institute of the University of Münster is explained, which was focused on the use of dual-ligand-based palladium catalysts for the late-stage olefination of bioactive arenes.

En la presente Tesis Doctoral se han desarrollado dos nuevas subfamilias de catalizadores derivados de péptidos cortos que contienen una base de Brønsted (BB) y un dador de enlaces de H (escuaramida o ureidoaminal). Dichos catalizadores se han explorado en reacciones que presentan dificultades. Por un lado, se ha investigado por primera vez el uso de aldehídos como pronucleófilos en adiciones de Michael a nitroolefinas catalizadas por bases de Brønsted. Usando una nueva subfamilia de catalizadores de tipo BB-escuaramida se ha promovido la adición de ¿-amino aldehídos y ¿-aril acetaldehídos ¿-sustituidos con excelentes rendimientos y estereoselectividad. Los cálculos de DFT han subrayado la importancia para el estereocontrol de los enlaces de hidrogeno intramoleculares que forman tanto los catalizadores como los ¿-amino aldehídos pronucleofílicos. La posterior elaboración de los aductos ha proporcionado ¿-amino ácidos tetrasustituidos, alilaminas altamente funcionalizadas y ciclohexilaminas que presentan seis centros estereogénicos, incluyendo uno cuaternario. Por otro lado, se ha estudiado por primera vez la adición conjugada de nitroalcanos ¿-sustituidos proestereogénicos no activados a ¿-hidroxi enonas promovida por catalizadores de tipo ureidopeptídico que contienen BB. Los mejores resultados se han obtenido con sustituyentes de mayor tamaño en la posición geminal de la hidroxi enona, y el protocolo podría extenderse al uso de distintas olefinas electrodeficientes, aunque es necesario un proceso de optimización de condiciones de reacción.

En la presente tesis se describe en primer lugar una comparativa entre diferentes técnicas analíticas para la caracterización de anticuerpos funcionalizados con ligandos utilizados típicamente en imagen nuclear. Se comparar concretamente la valoración directa utilizando métodos espectrofotométricos y radiométricos, MALDI-espectrometría de masas y HPLC-espectrometría de masas. Los resultados demuestran que las tres técnicas son válidas para determinar el número de funcionalizaciones por anticuerpo, si bien las técnicas de masas pueden ofrecer información adicional acerca de la heterogeneidad de la muestra analizada. En segunda instancia, se describe la preparación y caracterización de nanopartículas de oro esféricas de pequeño tamaño, funcionalizadas simultáneamente con polietilenglicol, moléculas ricas en boro y unidades tetrazina, como potenciales herramientas terapéuticas en el contexto de la terapia por captura de neutrones (BNCT) utilizando una estrategia de pretargeting. Las nanopartículas preparadas se han caracterizado utilizando una batería de técnicas. Posteriormente, los nanosistemas se han marcado con isótopos emisores de positrones para evaluar su biodistribución y su capacidad de acumularse en el tumor, utilizando para ello un modelo animal de cáncer de mama. En este caso concreto, se consiguió una acumulación en tumor perceptible, si bien la estrategia de pretargeting no supuso una mejora respecto a los resultados obtenidos tras administrar únicamente las NPs. Por este motivo, se ensayó un segundo nanosistema, formado por pequeñas partículas de carbono (carbón dots) dopadas con boro y funcionalizadas con unidades tetrazina. Estas nanopartículas mostraron una eliminación muy rápida del organismo, y su acumulación en tumor se mejoró significativamente cuando se aplicó una estrategia de pretargeting.

The presen thesis describes computational and experimental studies used to drive the reactivity o allylic and enol subtrates towards new transformations. These synthetic methods give access to a number of organic molecules that may serve as important moieties in synthetic organic chemistry. Additionally, this thesis describes the synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOFs) and their use in catalytic organic reactions. The introductory chapter gives an overview of the concept of catalysis emphasizing those that have been used in the thesis. Moreover, synthetic procedures for the formation of MOFs and their use in catalysis. The importance and reactivity of allylic substrates are also presented. A short introduction to hypervalent iodine and their reactivity. Finally, a brief description of computational studies. Chapter 2, an umpolung protocol for the cross-nucleophile coupling of silyl enol ethers with heteronucleophiles mediated by a benzodioxole. The mechanistic study of the reaction has been carried out employing DFT calculations and kinetic investigations. Paper I Totgether with deuterium labelling studies and kinetic simulations, DFT calculations have been used in Chapter 3 for the examination of the base-catalyzed [1.n]-proton shift in conjugated polyenyl ethers. Paper II Chapter 4, describes the synthesis of the family MIL-101(Cr) and MIL-101-NH2(Cr) employing microwave-assisted methods. The method has been compared to the common solvothermal synthetic pathways using common characterization techniques for heterogeneous materials. Paper III Finally, Chapter 5 of this thesis describes the synthesis of a UiO-67 MOF containing a iminophosphorane superbase to study the effect of spatial confinement within a MOF on the stereospecific isomerization of allylic systems. Paper IV, Supporting Information.

The present thesis deals with three different topics that have in common the formation of carbo- and heterocycles. The whole work is organized as a synergy of experimental and computational studies to provide a deep understanding of the systems of interest. The first chapter contains an introduction about computational chemistry with a particular focus on DFT and its application. The second chapter regards asymmetric catalysis and includes two works made in collaboration with the group of Prof. Palomo at the Universidad del País Vasco. Bifunctional catalysts are employed to afford good levels of stereoselectivity in the ¿-functionalization of challenging substrates, as substituted dienolates and trienolates, with olefins. Computational studies were performed mainly to rationalize the role of the catalyst. The third chapter in collaboration with the group of Prof. E. Occhiato at the Universitá degli Studi di Firenze presents two examples of gold catalysis applied to the [3,3]-rearrangement/Nazarov reaction of propargylic esters and the tandem Claisen Rearrangement/Hydroarylation reaction of propargyl vinyl ethers. The mechanism of the reactions were studied computationally, as well as the effect of particular features in the substrates or in the catalysts. The last two chapters concern the synthesis of fluorinated isoquinolines and computational studies on particular issues encountered experimentally. The strategy employed is a two step reaction that includes a Rh-catalyzed CH activation of oximes with difluoroalkenes and an electrocyclisation.

Esta Tesis describe la síntesis de una biblioteca de nuevos heterociclos nitrogenados ricos en carbonos sp3, que contienen funcionalidad ortogonal, introducida mediante una secuencia de alilación-condensación catalizada por paladio. El empleo de un carbamato cíclico fácilmente disponible, en presencia de un catalizador de paladio, genera un ion híbrido estabilizado por el metal, que reacciona con una amplia gama de sustratos de carbonilo para proporcionar los compuestos ¿-alilados correspondientes. Estos productos se pueden convertir adicionalmente en N-heterociclos de seis miembros, mediante una etapa de desprotección-condensación mediada por TFA. Se discute el alcance de esta metodología, para 1-aril-2-indanonas, 1-aril-2-tetralonas, ¿-fluoro-ß-cetoésteres y ¿ trifluorometiltiocetonas, y se analiza el potencial de los compuestos heterocíclicos finales para experimentar una derivación adicional. Además, se presenta la aplicación de esta metodología a la síntesis de ácido lisérgico.

In this thesis, Density Functional Theory (DFT) methods have been applied to study the mechanisms of three different multicomponent organic reactions. Also, a new synthetic procedure for the preparation of quinolinium salts is presented, and its mechanism also studied by DFT calculations. The thesis summarizes the work realized in two universities, and is divided in the following way: The first part of the thesis concerns the development of an experimentally simple, but mechanistically complex, reaction for the formation of quaternary quinolinium salts catalyzed by palladium salts. This multicomponent process uses readily available propylamine and its derivatives as starting materials. Through DFT studies a mechanism through the activation of two aliphatic C¿H bonds is proposed. The second part focuses on the mechanistic investigation of a three-components reaction, namely terminal alkynes, CO2 and allylic chlorides, mediated by an N-heterocyclic carbene catalyst that yields propargylic esters. By DFT calculations, the rate-limiting step was identified to be the reaction between the carboxylated catalyst and the allylic chloride. Through DFT, we were also able to understand the limitations of this reaction. The mechanism of a multicomponent reaction in which allylic alcohols are transformed into ¿-functionalized carbonyls was also investigated. The reaction relies on an umpolung strategy that enables to react enol intermediates with different nucleophiles. By DFT studies, a mechanism via enolonium intermediates is proposed, which provides an understanding of the selectivity of the reaction. The final chapter of the thesis deals with another multicomponent solvent-free reaction for synthesizing propargylamines catalyzed by manganese via a KA2 coupling. DFT studies were undertaken and a mechanism via manganese phenylacetylide species is proposed.

Introducimos dos pronucleófilos, 1H-imidazol-4(5H)-onas y pirrolo[1,2-a]pirazin-4(3H)-onas, los cuales cumplen los requerimientos para actuar eficientemente en reacciones organocatalizadas y permitir su posterior funcionalización. En el Capítulo 2, las primeras estructuras mencionadas demostraron su eficiente actuación para producir precursores de hidantoínas en reacciones de Michael con nitroolefinas. En el Capítulo 3, en relación a las segundas estructuras mencionadas validamos su uso como pronucleófilos en la producción pirrolodiquetopiperacinas quirales a través de la adición de Michael a nitroolefinas. Por último, el Capitulo 4 describe el proyecto llevado a cabo durante una estancia breve en el grupo de investigación de la Prof. Suyzanna Harutyunyan en la Universidad de Groningen que consistió en la exploración de la versatilidad de derivados boronados quirales como precursores de fosfinas quirales.

Glycans are ubiquitous in Nature. They are mainly found conjugated with other biomolecules giving rise to glycoproteins and glycolipids. Relevant biological events such as cell-cell, cell-matrix and host-pathogen interactions are orchestrated through the recognition of glycans by a group of specific proteins, called lectins. Several sub-families of lectins can be differentiated, being galectins, C-type lectins, and siglecs the most studied and suitable for biomedical applications. In this Thesis, different lectin-sugar systems have been selected and the fine details of their binding events have been decoded from the structural, conformational, and dynamic points of view. Particular attention to aspects such as conformational motions, multivalency, presentation, and the actual in-vitro or cell-like environment were the driving force behind this work.

El carcinoma de próstata es una de las principales causas de muerte en todo el mundo. Por ello, su estudio en modelos animales que mimeticen la enfermedad en humanos se convierte en un tema de interés científico. El objetivo de esta tesis es investigar los marcadores moleculares relacionados con la enfermedad. Con este fin, se eligieron los aminoácidos radiomarcados, para ser utilizados como sondas PET (Positron Emission Tomography) en un modelo animal de cáncer de próstata. Se han desarrollado estrategias sintéticas para la preparación de L- y D-[metil-11C]alanina y L-[13N]alanina, basadas en la catálisis por transferencia de fase y la biocatálisis, respectivamente. Se ha llevado a acabo su estudio de imagen PET, que mostró diferente biodistribución in vivo y una elevada acumulación en las próstatas de los animales inyectados con D-[metil-11C]alanina. Asimismo, se ha abierto una nueva ruta biosintética para la producción de L-[13N]glutamina, cuyo refinamiento hará posible su uso en estudios de imagen.

El presente trabajo de investigación describe diferentes reacciones "one-pot" catalizadas por metales de transición en presencia de oxígeno molecular. Este oxidante, respetuoso con el medio ambiente, en combinación con catalizadores de vanadio y hierro bajo irradiación de luz visible en un proceso "one-pot" en dos pasos, da lugar a la degradación aeróbica del poliestireno a ácido benzoico. A su vez, el oxígeno molecular induce la síntesis con alto rendimiento de más de 65 amidas secundarias y terciarias a través de la amidación directa de ésteres y ácidos carboxílicos, en presencia de un catalizador de hierro, uno de los metales más abundantes de la tierra. Además, esta reacción, a través de un proceso consecutivo "one-pot", abre una nueva vía de acceso a oxazoles y N-acil-aminocetonas. Finalmente, se describe la estancia de tres meses en el grupo de Martín-Matute, basada en el breve estudio de la N-funcionalización de carbohidratos catalizada por iridio.

A pesar de los avances en la investigación contra el cáncer, este sigue siendo la principal causa de muerte en el mundo. En particular, el cáncer de vejiga es el noveno más común, del que se diagnostican globalmente medio millón de casos. A pesar de tener una tasa de supervivencia del 77%, la recurrencia aparece en el 30-70% de los pacientes en un plazo de 5 años. Es por eso, que nuevas estrategias terapéuticas necesitan ser desarrolladas para mejorar la efectividad de los tratamientos actuales. Estos últimos años, los avances en el área de la nanotecnología han tenido mucho impacto por su potencial uso en el tratamiento de varias enfermedades, especialmente en el tratamiento del cáncer. Estos nanomateriales pueden contener en su interior el fármaco o ser funcionalizados para mejorar la solubilidad, estabilidad, vida de circulación o acumulación de los medicamentos en el sitio de destino. Dentro de estos nanomateriales, ha surgido una nueva generación de nano-vehículos, llamados micro- y nanomotores, que son capaces de auto-propulsarse en un medio determinado, combinando las propiedades de los nanomateriales tradicionales con el auto-movimiento. Es por esto por lo que en esta tesis doctoral evaluamos la posibilidad de utilizar nanomotores funcionalizados con ureasa como agentes de diagnóstico i/o terapia para el cáncer de vejiga, mediante el uso de técnicas de imagen molecular; Tomografía de Positrones, Tomografía Computarizada por Emisión de Fotón Único y Resonancia Magnética, en animales portadores de cáncer de vejiga.

Glycans are essential molecules that are ubiquitously found in every living cell. The interaction between galect in 4, a human sugar binding protein, with the histo blood group antigens has been studied by Nuclear Magnetic Resonance ( Isothermal Titration Calorimetry and Molecular Dynamics simulations. The effect of the chemical modification of these antigens on the interaction with galectin 4 has been addressed. These antigens are mimicked by various pathogens, thus, the interaction between galectin 4 and the antigenic fragment of these pathogens ( LPS) has also been studied using NMR. The m ain co receptor for LPS, the glycoprotein CD14 has also been analysed. The relevance of each of the glycans of CD14 in its stability and folding, as well as for the interaction with galectin 4 has been characterized. Finally, using a solid phase synthesize r, the synthesis of oligosaccharides has been performed.

El desarrollo de fármacos es un proceso complejo destinado a evaluar la seguridad, la toxicidad y la eficacia de los nuevos medicamentos. La tomografía por emisión de positrones (PET, de sus siglas en inglés; Positron Emission Tomography) puede jugar un papel importante a la hora de proporcionar datos valiosos para la identificación temprana de moléculas con características prometedoras. El objetivo final de esta tesis doctoral fue la evaluación farmacocinética de nuevos fármacos con potencial aplicación en la distrofia muscular de Duchenne utilizando la PET y técnicas complementarias. Para esto, en la primera parte del trabajo, se presenta el desarrollo de métodos de marcaje de las moléculas de interés, AHK-1 y AHK-2, utilizando una estrategia de marcaje multi- radioisótopo/multi-posición con el fin de obtener, en una primera etapa, información sobre la tasa metabólica junto a una información básica sobre la estructura química de los metabolitos. En la segunda parte del trabajo, con el fin de concretar el entorno experimental y el método de procesamiento de datos más adecuado, se abordó el estudio para la determinación de la función de entrada (IF, de sus siglas en inglés; input function) a partir de imágenes PET dinámicas (IDIF, de sus siglas en inglés; image derived input function) y de un detector gamma externo (medición de la IF en tiempo real). La determinación de la concentración del compuesto no metabolizado en el plasma arterial (o en la sangre, dependiendo del trazador) representa la función de entrada de referencia para el análisis cuantitativo de datos PET. En la tercera y última parte del trabajo, una vez establecidas las estrategias de radiomarcaje y el método para determinar la IF, se abordó finalmente la evaluación de la farmacocinética (ADME: Absorción, Distribución, Metabolismo y Eliminación) de los compuestos AHK-1 y AHK-2 tras la administración de los derivados radiomarcados a animales de experimentación (ratas y ratones) mediante inyección intravenosa (IV), oral (OR) a dos dosis diferentes.

Esta tesis se ha enfocado principalmente en desarrollar nuevas metodologías para aislar N-glicanos e fuentes naturales. Se han desarrollado dos nuevos protocolos que permiten obtener una librería de N-glicanos de una complejidad alta y en cantidades significativamente superiores a partir de fuentes naturales económicas. La primera metodología permite la obtención de N-glicanos marcados con procainamida que pueden ser utilizados como estándares generales para cualquier método de análisis empleando este marcaje. El segundo protocolo incluye también la síntesis de un nuevo espaciador bifuncional fluorescente que permite, al mismo tiempo, la separación de mezclas de glicanos por HPLC y su inmovilización en superficies y soportes sólidos para estudios de microarrays u otras finalidades.

Las reacciones transanulares han demostrado ser una herramienta sintética eficiente para la preparación de moléculas policíclicas complejas. Esta reactividad se ve favorecida por la liberación de tensión que se produce durante el proceso y requiere, por definición, el empleo de precursores cíclicos, que se caracterizan por la tensión de anillo inherente en la estructura. La rigidez conformacional resultante se puede emplear para controlar la estereoquímica de la reacción. En este contexto, el presente manuscrito abarca el estudio y desarrollo de nuevas reacciones transanulares basadas en el uso de la organocatálisis y la catálisis asimétrica de boro como sistemas eficientes para promover estas transformaciones e inducir enantiocontrol.

La combinación de enfoques computacionales clásicos con técnicas de aprendizaje automático (MLT) está ganando adeptos en el mundo académico y en la industria. Las MLT se utilizan en procesos de quimioinformática para predecir la actividad de un fármaco desconocido y descubrir así nuevos fármacos antibacterianos potenciales (AD). Esta tesis se centra en el diseño de una metodología basada en la aplicación de la teoría de la perturbación (PT) combinada con métodos de aprendizaje automático (ML) y la fusión de información para predecir la actividad antibacteriana de fármacos en fase de diseño desde la información de ensayos preclínicos, estructuras químicas, nanopartículas y variaciones de redes de reacción metabólica de múltiples microorganismos. En primer lugar, se realizó una exploración sobre el estado del arte sobre la resistencia bacteriana, las dianas y mecanismos de acción, las bases de datos útiles para la modelización computacional, las técnicas de aprendizaje automático y los algoritmos de evaluación del rendimiento aplicados en el campo de los fármacos antibacterianos. Posteriormente, se continuó con el estudio con la creación de un modelo computacional para estudiar la conectividad (estructura) de un metabolito en las redes de reacción metabólica de un organismo de consulta. Una vez identificado los principales nodos (metabolitos), reacciones metabólicas de > 40 especies bacterianas se relacionaron cuantitativamente con los datos químicos y preclínicos de la base de datos ChEMBL. A continuación, se desarrolló un modelo para la predicción de actividades biológicas de fármacos antibacterianos funcionalizados con sistemas de nanopartículas. Finalmente, se realizó un análisis y mapeo de sistemas DADNP (AD + NP) contra MN de especies bacterianas patógenas mediante el Invariancia de la red (NI) Aprendizaje Automático (ML) por Fusión de Información (IF) con Teoría de la Perturbación (PT) (NIFPTML=N+IF+PT+ML) como una aplicación de los métodos de IA/ML en la búsqueda de fármacos antibacterianos (AD) que hagan frente a la aparición de cepas multirresistentes. La estrategia aditiva NIFPTMTL puede convertirse en una herramienta útil para ayudar al diseño y descubrimiento de nuevos sistemas DADNP.

El principal objetivo de esta Tesis Doctoral consiste en el diseño de nuevos métodos catalíticos via funcionalización de enlaces C¿H dirigidos a la modificación selectiva de aminoácidos y péptidos. En particular, se han desarrollado dos nuevas metodologías: una reacción de alcoxicarbonilación de derivados de Phe por activación de enlaces C(sp2)¿H catalizada por sales de Pd, y una reacción de hidroxilación de derivados de Tyr por funcionalización enlaces C(sp2)¿H catalizada por sales de Ru. El mecanismo a través del cual ocurren dichos procesos se ha estudiado mediante cálculos computacionales. Así mismo, estudios de DFT han permitido elucidar el mecanismo a través del cual ocurren las reacciones de CDC entre unidades de N-aril glicinas e indoles en presencia de sales de cobalto. En global, esta Tesis Doctoral ha permitido avanzar en el desarrollo de nuevas estrategias sintéticas para modificar selectivamente biomoléculas de alto valor añadido.

Glycans are everywhere in Nature, where they play a plethora of functions in every domain of life. The recognition of glycans by lectins is at the heart of a myriad of biological proceses, including host-pathogen interactions, which have made them essential targets in the field of drug discovery. In this context, the main focus of this Thesis has centred on unravelling of the conformational and structural properties of the recognition of a battery of natural and synthetically obtained glycans to two specific human lectins, galectin-8 and DC-SIGN. This analysis has been performed employing a synergic combination of NMR-based methods, assisted by other experimental methods (ITC) and computational tools (Molecular Dynamics simulations).

Desde una perspectiva sintética, las reacciones multicomponentes (MCRs) son consideradas el 'Santo Grial' de los procesos sintéticos debido a sus numerosas ventajas en comparación con los protocolos secuenciales. Por otro lado, los aminoácidos, especialmente los -aminoácidos, son fundamentales en proteínas y péptidos, y sus derivados tienen diversas actividades biológicas. Los derivados cíclicos de aminoácidos, como las -lactamas, son estructuras heterocíclicas ampliamente distribuidas en la naturaleza, las cuales muestran una amplia gama de actividades biológicas. En esta tesis, se persigue sintetizar derivados de aminoácidos mediante MCRs y su funcionalización mediante reacciones estereoselectivas. Se logra la síntesis de -aminofosfonatos tetrasustituidos mediante la MCR de Ugi. Además, se sintetizan 3-amino , ß-insaturados -lactamas mediante una MCR catalizada por ácido de Brønsted. La funcionalización selectiva de los derivados -lactámicos se alcanza mediante diversas estrategias, incluyendo química de enaminas, adiciones nucleofílicas y reacciones con organometálicos. La síntesis estereoselectiva de espirociclos derivados de -lactama se lleva a cabo mediante reacciones tipo Diels-Alder. Se realizaron cálculos DFT que respaldan los resultados empíricos. Varios compuestos mostraron citotoxicidad selectiva hacia células tumorales en estudios in vitro. Además, se ha logrado la síntesis de -amino BCHeps mediante la adición de radicales -amino a [3.1.1]propelanos. Este trabajo demuestra contribuciones significativas en la síntesis y funcionalización de derivados de aminoácidos con potencial aplicación en química medicinal.

Glycans are ubiquitous molecules in nature. They participate in a plethora of functions, they cover the surface of cells as integral constituents of complex glycoconjugates (glycoproteins, and glycolipids) forming the glycocalyx. The molecular recognition of glycans by lectins is a finely tuned process where even the most minimal change within the recognized glycan structure can lead to drastic changes within the meticulously orchestrated symphony of life. For that reason, understanding the structure, dynamics, and interactions of glycans is of paramount importance for being able to modulate biological events related to health and disease. In this Thesis, I have employed a synergic combination of advanced NMR spectroscopy and X-ray crystallography methods with biophysical techniques, assisted by computational chemistry tools to elucidate the intricate process of molecular recognition of glycans.

Gold nanoparticles (AuNPs) are nanomaterials with excellent physicochemical and optical properties for a broad range of applications. The surface functionalization of the AuNPs enables the formation of glyco-gold nanoparticles (GAuNPs). GAuNPs multivalency properties can trigger the cluster glycoside effect overcoming the low affinity between individual carbohydrate-protein interactions. Therefore, these nanoparticles (NPs) have been demonstrated to be excellent candidates for lectin targeting among other biological applications. Moreover, AuNPs when in contact with biological media interact with the present proteins forming the protein corona (PC) which has an effect in the final fate and efficacy of the NPs. The study of the PC formation of the NPs is extremely important to assure the activity of the AuNPs. The PC formation can be modulated with the surface coating, size, and shape of the AuNPs. Ligand stabilizers as for example polyethylene glycol (PEG) can prevent the PC formation and the consequent recognition by the immune system and clearance of the body. Additionally, the glycan coating of the AuNPs can also modulate the PC composition and therefore the biodistribution of the GAuNPs can be modified. The final aim of this project is the increase of the circulation time of glyco-nanomaterials in the body in order to enhance the active targeting. To accomplish this objective some features of the nanomaterials such as size, shape, surface coating, and composition were considered as they play a crucial role. The modulation of these features can highly impact the protein corona formation when in contact with biological media and consequently the half-life of the nanomaterials. The size was tuned by designing a new synthetic procedure for the synthesis of glyco ultra-small gold nanoparticles. The effect over the half-life of the nanoparticles of AuNPs with different surface coating was studied by performing biodistribution studies in healthy mice and novel Glyco-PEGylated polyamine phosphate nanoparticles were synthesized. The results obtained throughout this thesis contribute to the advance of the research of glyco nanomaterials towards the production of new nanomedicines. As it provides a better understanding of crucial aspects regarding their future applications. Moreover, a novel synthetic procedure of ultra-small GAuNPs was developed overcoming some of the current challenges in nanoparticles production as it enables an easy scale-up, it is an automated system, and it offers a fine control over the surface coating of the nanoparticles.

Organocatalysis is a rapidly expanding methodology enabling challenging chemical transformations to be performed in the broad context of sustainable chemistry (metal-free procedures, catalyst recycling¿). Potential applications include the rapid elaboration of advanced and useful building blocks for pharmaceutical development. Despite major achievements, organocatalysts generally suffer from low rate acceleration and turnover and the need for relatively high amounts to achieve good conversion and selectivity. Enzymes are generally regarded as very efficient catalysts at low loading levels and commonly act through a dual activation mechanism involving multiple cooperative interactions. A fundamental paradigm in nature is the connection between biopolymer function (transport, sensing, signaling, catalysis¿) primary sequence and folding (e.g. protein tertiary structure). In enzymes, precise organization of active-site side chains in the 3D space, participation of cofactors, electrostatic interactions through folding of the backbone are inherent elements which contribute to enhance the interaction with the substrate ultimately leading to the catalytic activity. The ability to synthesize artificial sequence-based oligomers that fold with high fidelity (i.e. foldamers) raises new prospects for mimicking biopolymers and for creating molecules with emergent functions tailored to various applications including catalysis. The presented works build upon previously published data by the team in an effort to explore new reactions that can be catalysed by oligourea foldamers.

La biocatálisis se presenta como una alternativa sostenible dentro de la química verde, basada en el uso de enzimas para la síntesis de productos químicos complejos. La inmovilización de enzimas en soportes sólidos permite la reutilización de los biocatalizadores, aunque todavía enfrenta desafíos, como la estabilidad en condiciones no fisiológicas. En este contexto, el objetivo de la presente tesis es crear biocatalizadores heterogéneos para la síntesis de productos enantiopuros mediante procesos enzimáticos, concretamente ß-hydroxyésteres y ß-aminoésteres a partir de un sustrato común: ß-cetoésteres. El trabajo se centra en la co-inmovilización de enzimas y cofactores en soportes sólidos para permitir la reutilización de ambos en procesos de flujo continuo. Se estudiaron dos cetorreductasas (TtHBDH y LkKRED) para la síntesis enantiocomplementaria de ß-hydroxyésteres. Se inmovilizaron en microesferas de agarosa junto con sus respectivos cofactores, creando sistemas autosuficientes, que alcanzaron buenos niveles de productividad en la síntesis en continuo de 3-hydroxybutirato de etilo. Posteriormente, se desarrollaron dos reactores enzimáticos alternativos para uso en flujo continuo: por un lado se inmovilizó TtHBDH en membranas de Yttria-Stabilized Zirconia, logrando co-inmovilizarlo con enzimas para la regeneración del cofactor, consiguiendo llevar a cabo la reducción de ß-cetoésteres en procesos en continuo. En paralelo, se desarrollaron biorreactores autosuficientes mediante impresión 3D, aplicando una tinta basada en agarosa y polímeros catiónicos mezclados con TtHBDH y NADH. Tras estudiar la arquitectura óptima del reactor y añadir una segunda enzima para la regeneración del cofactor conseguimos la reducción de ß-cetoésteres sin la adición externa de cofactor en procesos en continuo. El último capítulo se centró en la síntesis de ß-aminoésteres mediante aminodeshidrogenasas que fueron seleccionadas y co-inmovilizadas junto con glucosa deshidrogenasa para la regeneración del cofactor, alcanzando buenos rendimientos y sintetizando por primera vez ß-aminoésteres en reacciones de flujo continuo. Este trabajo destaca por la creación de biocatalizadores autosuficientes y robustos, aplicados a procesos sostenibles y eficientes para la síntesis de productos químicos complejos.

Esta tesis doctoral se centra en la caracterización longitudinal de la patogénesis de Alzheimer en el modelo de rata TgF344-AD, utilizando la PET con diferentes radiotrazadores a diferentes puntos temporales. Específicamente, nuestro objetivo es evaluar la progresión de las patologías de Aß y Tau y la respuesta neuroinflamatoria asociada en este modelo in vivo a lo largo del tiempo. Para este propósito, hemos utilizado varios trazadores PET para detectar estas características patológicas y evaluar su uso como herramientas de diagnóstico en un entorno preclínico con este modelo de rata.

This PhD thesis addresses the urgent need for effective treatments against neglected tropical diseases (NTDs), such as leishmaniasis and Flavivirus infections, by exploring innovative drug development methodologies. It critiques traditional drug discovery methods and advocates for a multidisciplinary approach incorporating AI, cheminformatics, and molecular modeling. The research highlights advances in machine learning for therapeutic strategy development and evaluates molecular docking scoring functions to improve predictive accuracy in drug discovery. It investigates isoquinoline and 2-acyl pyrrole derivatives, identifying potential targets like Heat Shock Protein 83 and Glucose Transferase, and optimizing compounds for enhanced antileishmanial activity. This work establishes a foundation for future NTD research and global health initiatives.

El trabajo aquí presentado proporciona nuevas herramientas para optimizar nuevos biocatalizadores heterogéneos, abriendo un nuevo camino para el control racional de la orientación de las enzimas. Además, introdujimos un ensayo múltiple diseñado para seguir la cinética de las transaminasas. A través de estos esfuerzos, presentamos dos dispositivos diseñados para la selección de diversas enzimas, químicas de inmovilización y soportes. Esta contribución mejora el panorama en constante evolución del diseño de procesos enzimáticos. Además, los microdispositivos y la detección fluorométrica ofrecen un marco dinámico para una investigación profunda de los biocatalizadores, elucidando la complicada interacción entre los soportes de inmovilización, las configuraciones de los reactores y los modos operativos.

Heparin (HP) and Heparan sulfates (HS) are vital sulfated polysaccharides found in the extracellular environment., impacting diverse biological functions including cell growth, adhesion, virus recognition, and cancer metastasis. Numerous HP/HS-protein interactions have been elucidated via affinity-based techniques and X-ray crystallography, alongside NMR analysis of their conformations in solution. However, interpreting their conformational dynarnics remains challenging, especially for long saccharides. This study proposes the use of paramagnetic NMR, particularly pseudo-contact shifts (PCS), to understand their conformations and interactions. A synthetic approach linking a glucosamine model to the pararnagnetic probe TAHA was developed, enabling investigation of glycoconjugate complex.ation with lanthanides via NMR. PCS measurements facilitated determination of main confonnations in solution and paramagnetic aoisotropy propenies. Translating knowledge from a GlcNAc model to an HS octasaccharide revealed insights ínto the differences between natural and benzylated 1-1S at a conforma11onal leve!. These findings broaden the application of paramagnetic NMR to chemically synthesized HS molecules, facilitating further analysis of their interactíons with proteins.

Glycans are found everywhere in nature, forming a dense layer on the surfaces of cells, proteins, and lipids, collectively known as the glycocalyx. They are implicated in various cellular functions and processes, such as cell-cell, cell-matrix interactions as well as recognition by antibodies or lectins. Consequently, glycan-mediated interactions are crucial in disease development and may serve as targets for future therapeutic development. Aberrant glycosylation has been described as a process highly implicated in cancer development. For example, an abnormally high expression of sialic acids on the cell surface, known as hypersialylation, is a hallmark of several cancers, including breast, ovarian, lung, pancreatic, and prostate cancers. Siglecs, lectins that are expressed on various immune cells, recognise sialic acids as self-antigens and regulate immune cell functions. However, sialylated pathogens have adapted by coating themselves with self-like ligands. Interactions between Siglecs and sialic acids are therefore linked to various pathologies, such as allergies and asthma (Siglec-8), Alzheimer¿s disease (CD33), and Siglecs-10 and -15 in cancers. Recent cancer treatments, particularly immune checkpoint inhibitors (ICIs) targeting interactions like PD-1 with its ligand PD-L1, have improved patient outcomes and long-term remission. Nonetheless, not all patients respond to these treatments. To address this, the Siglecsialic acid axis has been proposed as a novel immune checkpoint for cancer immunotherapy. With growing evidence of Siglecs' involvement in cancer, they are validated therapeutic targets, with therapies like antibodies, Siglec ligand-bearing nanoparticles, and antibody-drug conjugates are currently being studied. Siglec-10, a member of the Siglec family of receptors and it is known for its sialic acid-mediated interactions in various diseases including cancer. The Siglec-10 interactions at the tumour microenvironment are thought to be mediated through a GPI anchored CD24 glycoprotein, which is expressed on various tumours such as breast and ovarian. Despite its involvement in these diseases, only one therapeutic, a blocking antibody targeting Siglec-10, has been developed to date. The limited understanding of Siglec-10 and its role and interactions in cancer development and progression impedes the development of novel therapeutic agents targeting this receptor. Therefore, the main focus of this thesis is Siglec-10, aiming to understand and harness its interactions with glycans. The research presented in this thesis includes the elucidation of the 3D structure of Siglec-10 in complex with blocking monoclonal antibody and natural ligands, generation of glycoengineered cell lines expressing Siglec-10 sialic acid mimetics as potential blocking agents. Lastly, evaluation of Siglec-10's interactions in melanoma, lung, and breast cancers models, as well as the blocking capacity of monoclonal antibodies targeting Siglec-10 and CD24, have been evaluated. The 3D structure of Siglec-10 with an anti-Siglec-10 Fab portion of a monoclonal antibody, with affinity in low nM range, has been elucidated by using X-Ray crystallography. Additionally, the analysis of the 3D structure of the complex of Siglec-10 with a natural ligand, ¿2-6 sialyl lactose, has allowed the identification of the crucial residues involved in Siglec-10 recognition of sialic acid containing ligands. The conserved canonical arginine was identified as R119. Additionally, a second arginine residue in the binding pocket was found (R127), which establishes a stable hydrogen bond with the C1 carboxylate of the sialic acid moiety. Thus, the sialic acid moiety shares its C1 carboxylate between R119 and R127, an unusual characteristic for Siglec receptors. Further analysis has shown that mutation of either of the Arg residues or both of them mediates noncanonical interactions between Siglec-10 and sialic acid mimetics that contain aromatic moieties in their structure. Indeed, the modification of the charge of the protein by these point mutations provides the impetus for aromatic compounds to interact with Siglec-10 in a nonsialic acid mediated manner. Moreover, the investigation of the role of Siglec-10 in melanoma, lung, and breast cancer models has revealed that Siglec-10 recognises most of these cell lines in a sialic acid dependent manner, and that in this case, the canonical R119 residue is crucial for the interaction to take place. These interactions between Siglec-10 and sialic acid ligands expressed on the cell surface can be efficiently blocked with an anti-Siglec-10 Fab portion of an antibody. However, the blocking capacity was not observed in the case of an anti-CD24 antibody.