Design and synthesis of diruthenium compounds for applications in biomedicine and the study of the chirality-induced spin selectivity effect

• Autores: Isabel Coloma Manjón-Cabeza
• Directores de la Tesis: Santiago Herrero Dominguez (dir. tes.), Miguel Cortijo Montes (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 364
• Títulos paralelos:
  • Diseño y síntesis de compuestos de dirrutenio para aplicaciones en biomedicina y el estudio de la selectividad de espín inducida por la quiralidad
• Tribunal Calificador de la Tesis: Elisabet Castillo Martínez (presid.), Carmen Martín Gandul (secret.), Javier Troyano Prieto (voc.), François Riobe (voc.), Jesús Julián Pérez Torrente (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Avanzada por la Universidad Complutense de Madrid
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Química
    • Química inorgánica
      • Otras especialidades de química inorgánica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Los compuestos de dirrutenio con estructura paddlewheel han sido ampliamente estudiados dada su versatilidad y sus propiedades electrónicas y magnéticas. Estas propiedades pueden modularse modificando los ligandos y permitir que los complejos puedan utilizarse para diferentes aplicaciones. Esta tesis constituye un reto sintético en la química de estos compuestos, ya que aborda la preparación de varias series de complejos para ser utilizados en biomedicina, donde este tipo de compuestos han sido relativamente estudiados, y también se ha buscado introducir quiralidad, lo cual apenas ha sido investigado hasta ahora.

    Se han diseñado complejos para ser utilizados como sistemas de liberación de fármacos sensibles al pH para abordar la escasa selectividad de los tratamientos convencionales de quimioterapia contra el cáncer. Para ello, se han coordinado diferentes especies bioactivas para estudiar su liberación de los complejos en diferentes condiciones de pH. El sistema es cinéticamente estable en condiciones fisiológicas normales de pH, pero lábil en condiciones de pH de los tumores sólidos. Además, se han realizado ensayos cuantitativos y un análisis estadístico para comprobar si la capacidad dadora de los ligandos auxiliares afecta a la cinética de liberación. Estos experimentos demostraron que sí existen diferencias significativas. Una mayor capacidad dadora se traduce en un aumento de la velocidad de liberación de las biomoléculas.

    Además, la unidad de dirrutenio se ha utilizado con el objetivo de prevenir el desarrollo de resistencia a determinados fármacos, buscando combinar el efecto de un fármaco de uso corriente con la actividad anticancerígena ya conocida de los complejos de dirrutenio. Para ello, se ha incluido como ligando un fármaco que induce esta resistencia, el 5-fluorouracilo. La especie resultante se ha encapsulado en nanopartículas poliméricas biocompatibles con el fin de probar la citotoxicidad del nuevo metalofármaco in vitro, logrando una letalidad completa y manteniendo valores de IC50 comparables con el 5-fluorouracilo por sí mismo.

    En lo referente a la quiralidad de los compuestos de dirrutenio, en esta tesis se presenta la preparación de tres familias de complejos. Cada familia presenta un tipo particular de quiralidad: puntual, helicoidal o axial.

    Para los compuestos con quiralidad puntual, se han empleado como ligandos moléculas orgánicas enantiopuras. En cuanto a los compuestos helicoidales, se ha preparado un complejo racémico, donde la helicidad viene dada por los ligandos ecuatoriales que inducen la torsión de la estructura alrededor del enlace metal-metal. En cuanto a los complejos con quiralidad axial, se ha diseñado una familia de compuestos heterolépticos con el fin de tener una disposición quiral de los átomos dadores de los ligandos puente alrededor del eje de enlace Ru-Ru. Para ello, se han utilizado dos ligandos no simétricos para preparar cuatro compuestos racémicos axialmente quirales.

    Por último, los estudios sobre compuestos quirales de dirrutenio publicados hasta la fecha se centran en su uso como catalizadores asimétricos. No obstante, la preparación de complejos quirales de dirrutenio resulta muy atractiva debido a su paramagnetismo. Existen varios fenómenos que surgen de la interacción entre quiralidad y magnetismo. En esta tesis se explora la utilidad de estos compuestos para el estudio del efecto de Selectividad de Espín Inducida por la Quiralidad, que tiene implicaciones en el campo de la espintrónica. Para ello, se han preparado monocapas autoensambladas (SAMs) de compuestos de dirrutenio quirales sobre sustratos de oro. Las SAMs obtenidas son robustas y presentan características eléctricas excepcionales. Se han realizado medidas de mc-AFM en SAMs de compuestos enantiopuros, observándose comportamientos I/V opuestos en función de quiralidad y una alta polarización de espín.

  • English

    Binuclear metal-metal bonded ruthenium compounds presenting a paddlewheel structure have been extensively studied since their discovery in 1966 given their versatility and singular electronic and magnetic properties. These properties can be finely modulated by varying the ligands and the complexes can be exploited for different applications. In particular, this doctoral thesis constitutes a synthetic challenge in paddlewheel diruthenium chemistry since it addresses the design and preparation of compounds to be utilized in the field of biomedicine, in which these compounds have been relatively studied, and the introduction of chirality in the bimetallic unit, which has been practically unexplored...