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Homoasociación de porfirinas solubles en agua

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Universitat de Barcelona. Departament de Química Orgànica

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[spa] Esta tesis doctoral tiene como objetivo general el estudio de los procesos de agregación de porfirinas sulfonadas amfifílicas.   En el primer capítulo se presentan los trabajos dirigidos a la obtención de porfirinas sulfonadas, necesarias para los objetivos generales de este trabajo. Se ha descrito una nueva vía de sulfonación de 5,15-difenilporfirina que únicamente tiene lugar en presencia de SO3 libre y que proporciona la sulfonación en las posiciones meso. En el segundo capítulo se describen los resultados obtenidos en el estudio de la homoasociación de porfirinas sulfonadas solubles en agua, objetivo principal de este trabajo. La mayor parte de este capítulo corresponde al estudio de la 5,10,15,20-tetraquis(4-sulfonatofenil)porfirina (H4TPPS4) y la 5-fenil-10,15,20-tris(4-sulfonatofenil)porfirina (H3TPPS3). Estas porfirinas han sido obtenidas por primera vez en forma de ácido sulfónico para estudiar la importancia de la naturaleza de los contracationes en el proceso de homoasociación. El valor de pKa(1/2) estimado para estas porfirinas no difiere significativamente respecto al valor descrito previamente para sus respectivas sales sódicas. En cambio, la evolución en agua pura de la homoasociación de H4TPPS4 y H3TPPS3 es mucho más lenta que la de sus respectivas sales sódicas (Na4TPPS4 y Na3TPPS3). Además, los ácidos sulfónicos H4TPPS4 y H3TPPS3, al contrario que sus respectivas sales sódicas, interaccionan con las paredes de los recipientes de vidrio neutro, vidrio Pyrex y cuarzo. En estado sólido, se observa que cuando hay presente una cantidad de H2O menor que la requerida para estabilizar los J-agregados, H4TPPS4 y H3TPPS3 se estabilizan intermolecularmente lado-a-lado, pero formando agregados de menor extensión.  Se han estudiado los agregados de estas porfirinas mediante AFM. Las mesofases de H4TPPS4 son cintas que con el tiempo sólo aumentan su longitud pero mantienen una anchura uniforme dentro de un rango relativamente estrecho (35 nm - 60 nm) y un espesor constante de 3,2 nm. En cambio para la H3TPPS3 en un primer estadio se observan cintas rectas, de anchura similar (35 nm - 80 nm) y de espesor igual que las de H4TPPS4, que evolucionan con el tiempo plegándose espontáneamente. Hemos propuesto un modelo de bicapa para los agregados de ambas especies que difieren en la naturaleza de su interficie, iónica para los homasociados de H4TPPS4 e hidrofóbica para los de H3TPPS3.  También se ha estudiado la influencia de las fuerzas hidrodinámicas generadas al agitar soluciones agregadas de HnTPPSn (n= 3, 4). En el caso de H4TPPS4 la agitación provoca la ruptura mecánica de los agregados y en el caso de H3TPPS3, acelera el proceso de plegamiento y fomenta la formación de estructuras plegadas. Uno de los resultados más importantes de este trabajo es que la agitación de soluciones concentradas recién preparadas de H3TPPS3 permite la selección estadística del signo de quiralidad de las bandas de DC según el sentido de agitación utilizado.  En la parte final de este segundo capítulo se presentan resultados del trabajo realizado en la Universidad de Catania, que muestran cómo la jerarquía de las distintas etapas de agregación de estas porfirinas permite controlar la formación de determinadas estructuras supramoleculares. El autoensamblaje de Na4TPPS4 muestra una influencia jerárquica del orden de adición NaCl/porfirina en su comportamiento de agregación. Para [Na4TPPS4]final < 3 microM, la adición del NaCl antes que la porfirina muestra la aparición de J-agregados mientras que al adicionar primero la porfirina estos no se detectan.  Por último, en el capítulo tercero, se estudia por AFM la formación de monocapas de monoestearato de glicerilo sobre grafito. Se pudo demostrar que en el proceso de autoensamblaje bidimensional de la especie racémica sobre el sustrato de grafito tiene lugar una ruptura espontánea de la simetría especular.

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[eng] Self-assembly processes of amphiphilic porphyrins are receiving increasing interest because of the possibility to obtain Supramolecular structures with defined geometries.  One of the primary goals of this thesis has been to obtain for the first time the 5,10,15,20-tetrakis(4-sulfophenyl)porphyrin (H4TPPS4) and the 5-phenyl-10,15,20-tris(4-sulfophenyl)-porphyrin (H3TPPS3) as pure sulfonic acids. The study of these porphyrins allows a better understanding of the importance of the nature of the counterions in aggregation processes. These porphyrins, as pure sulfonic acids, aggregate slower than their sodium salts and, unlike those, interact with glass and quartz surfaces. Freshly prepared H4TPPS4 and H3TPPS3 homoassociates show similar shapes: straight tapes with a 3,2 nm constant height, widths of 35-80 nm, and lengths of 200-800 nm. The aggregates evolve with time increasing their lengths but maintaining similar widths and the same height, H4TPPS4 aggregates remain straight, but those of H3TPPS3, on the contrary, begin to fold spontaneously. We have proposed a bilayer model for H4TPPS4 and H3TPPS3 aggregates. For the former ones this implies the existence of an ionic interaction between the two layers and for the latter ones a hydrophobic one. The influence of hydrodynamic forces generated by stirring aggregated solutions of HnTPPSn (n = 3, 4) has also been studied. In the case of H4TPPS4, stirring causes the mechanical rupture of the aggregates and, in the case of H3TPPS3, accelerates the process of folding and promotes the formation of folded structures. One of the most important conclusions of this work is that the stirring of H3TPPS3 freshly prepared concentrated solutions allows statistical selection of the chiral sign of the DC bands according to the stirring sense. The work performed at the University of Catania shows how the hierarchy of the various stages of aggregation of these porphyrins allows the control of the formation of certain supramolecular structures. The self-assembly process of Na4TPPS4 shows a hierarchical dependence on the addition order of NaCl / porphyrin.  Finally, we have studied the formation of 1-monostearoylglycerol monolayers on graphite by AFM. We show that in the two-dimensional self-assembly process of this racemic substance on graphite there is a spontaneous breaking of mirror symmetry.

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Tesis Doctorals - Departament - Química Orgànica

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Homoasociación de porfirinas solubles en agua