Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Chimica e Tecnologie Chimiche dell'Università della Calabria.

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    Computational study of new drugs for photodynamic therapy
    (2017-05-05) Pirillo, Jenny; Andò, Sebastiano; Russo, Nino; Mazzone, Gloria
    Photodynamic'therapy'(PDT)'is'a'non:invasive'therapeutic'technique' for' the' treatment' of' different' kind' of' tumours' through' the' production' of' reactive'oxygen'species'(ROS)'that'act'as'cytotoxic'agents.'''' PDT'works' through' the' associated' events' of' three' key' components:' photosensitizer' (PS),' visible' or' near:infrared' region' light,' and' molecular' oxygen'in'tissues.'In'general,'after'the'injection'of'a'PS'agent'and'subsequent' accumulation' in' the' target' tissues,' the'agent' is'activated'by' a' radiation'with' appropriate' wavelength' to' give' a' photosensitization' of' the' endogenous' oxygen'(photoreaction'of'type'II)'or'the'production'of'free'radicals'from'the' surrounding'molecules' (photoreaction' of' type' I).' In' both' cases,' a' cytotoxic' species'is'generated,'and'destruction'of'the'cancer'cells'occurs.' Success'in'PDT'relies'on'the'advantage'that'a'non:invasive'technique can'selectively'annihilate'altered'cells'without'undesirable'side'effects.'Recent' research' in'PDT'has' been' focused' on' the'development' of'more' specific' and' powerful'PSs.' In' this' thesis,' the' photophysical' properties' of' different' kinds' of' PSs,' found' to'be'good'candidates' for'PDT,'have'been' investigated.'The'PSs'under' study'differ'in'the'chemical'nature'and'in'the'photosensitization'mechanism:' i)' PSs' based' on' the' nucleobases' analogue' of' DNA' can' be' used' as' UVA' chemotherapeutic'agents,'due'to'their'absorption'in'the'range'300−400'nm;' ii)'PSs'based'on'the'Ru(II)'polypyridine'complex,'which'are'designed'to'give'a' long:lying'excited'state,'can'act'as'PSs'through'both'type'I'and'II'reactions;'iii)' PSs' based' on' aza:BODIPY' core' should' be' of' interest' for' type' II'mechanism.' Other' BODIPY' derivatives,' linked' to' an' antioxidant' molecule' (e.g.' α: tocopherol)' have' been' suggested' to' obtain' a' chemicontrolled' 1O2' photosensitization.' Density' functional' theory' (DFT)' and' time:dependent' DFT' (TD:DFT)' have' been'employed'in'all'the'computations.''
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    Theoretical investigation of bioinorganic compounds: biomimetic catalysts and metal-mediated mismatched DNA base-Pairs
    (2015-12-11) Fortino, Mariagrazia; Bartolino, Roberto; Russo, Nino
    Una delle principali sfide nel mondo scientifico è superare la linea di confine tra la natura e il mondo inanimato. La Chimica Biomimetica e la Biologia Sintetica collaborano al raggiungimento di questo obiettivo. Lo sviluppo della Chimica Biomimetica è stato ispirato dall’elevata efficacia catalitica degli enzimi naturali, che giocano un ruolo chiave nella maggior parte delle reazioni chimiche che avvengono nell’organismo. Essa può essere definita come una branca della chimica che cerca di imitare le reazioni naturali e i processi enzimatici allo scopo di accrescere il potere della chimica stessa. La Biologia Sintetica, invece, è una nuova area di ricerca che rappresenta la convergenza di nuovi sviluppi in chimica, in biologia e in scienza computazionale al fine di progettare e creare nuovi sistemi biologici, partendo da materiale biologico già esistente e modificato mediante l’applicazione di processi chimici, da utilizzare in ambito industriale, energetico, medico e ambientale. La presente tesi pone l’attenzione sul meccanismo di azione seguito da alcuni catalizzatori biomimetici, per i quali sono state investigate sia la regioselettività, sia l’attività riscontrata sperimentalmente, e sullo studio delle proprietà energetiche e strutturali relative a nuovi sistemi bio-ispirati. I catalizzatori biomimetici e i nuovi sistemi biologici il cui comportamento è stato studiato e razionalizzato come scopo di questo lavoro di tesi possono essere suddivisi in tre categorie: i- Alcuni composti del naftalene caratterizzati dalla presenza di atomi di selenio, zolfo o tellurio, come mimici degli enzimi iodotironine deiodinase (ID), coinvolti nell’attivazione e inattivazione degli ormoni tiroidei. ii- Una serie di complessi di monooxomolibdeno(IV) come biomimetici dell’enzima trimetilammina-N-ossidoreduttase (TMAOR). iii- Alcuni modelli di DNA duplex, contenenti coppie di nucleobasi non complementari mediate da metalli di transizione. Lo studio teorico dei sistemi sopra elencati è stato effettuato utilizzando l’approccio quantomeccanici (QM) basato sulla teoria del funzionale della densità (DFT).
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    A DFT and TDDFT study of molecules with interest on photodynamic theraphy
    (2012) Fortes Ramos, Flavio Sousa; Russo, Nino; Bartolino, Roberto
    This PhD work concerns the theoretical photochemistry study of molecules with an interest on Photodynamic Therapy (PDT). PDT is a medical technique for the treatment of different tumor diseases, such as age related macular degeneration, psoriasis or bladder cancer. This technique is increasingly being required, in particular in cases when conventional methods, chemotherapy and radio therapy fail to be successful. It consists of the administration of photosensitizer (a drug) followed by light irradiation and requires the presence of molecular oxygen on tissue to be destructed. On molecular terms the action of the drug is explained by the excitation of the drug to a singlet state after light irradiation, followed by its conversion of to a triplet state. This triplet state, in more common cases, directly transfers its energy to molecular oxygen producing singlet oxygen. In other cases the photophysical parameters of the triplet state are such that it is allowed to participate in electron transfer reactions, where it becomes reduced and after its anion reduces oxygen forming radical oxygen species, that like singlet oxygen, is toxic to the cell, resulting in cellular death by apoptosis or necrosis. As chemists, our main interest is on the proposal of drugs with ideal photophysical and solution properties. In regards to the first aspect, a drug should have an intense absorption on the red part of the visible spectra, known as therapeutic window, where the body tissue has a better penetration. Furthermore, the drug should have ideal photochemistry parameters to participate in the reaction. For the activation of oxygen it should have a triplet energy higher than the 0.98 eV of oxygen triplet and for others photochemical mechanism of action it should have the ideal parameters namely, ionization potentials and electron affinities. The drug should be soluble in water to react on the cells, that is usually provided by an hydrophilic chemical group incorporated on the drug. In order to have fewer side effects and a decreased drug dose, the drug should preferentially be localized on the tumor site. In reality, the question to find an ideal drug goes beyond chemistry crossing the fields of physics and clinical medicine. It involves physical problems like the interaction of light and body tissue with better dispositive or lasers for light irradiation to be developed. On the clinical part, it is evaluated on the in vitro or in vivo toxicity of the drug as well as the drug’s side effects. The organic and inorganic chemists are interested on the synthesis and characterization of the new drugs. The developments of new quantum mechanics methods with a good balance between accuracy and computational cost, namely Density Functional Theory (DFT) allowed the theoretical chemists to contribute to diverse fields like bio-medicine and other fields where the size of the systems can have dimensions large enough to be studied by older quantum mechanics methods. On the particular question of PDT, the simulation of electronic spectrum and calculation of photochemical parameters can be a support to the work of experimentalist on his synthesis strategy and on the interpretation of obtained data. The chemist experimental work on PDT, usually starts with a tetrapyrrolic macrocycle, natural like porphyrin or synthetic like phthalocyanine. Its structure is modified by the incorporation of substituent groups (e.g phenyl groups) that extends the electron conjugation that can shift the maximum absorption wavelength, λmax, to red part. The possibility of predicting the effect of a substituent group can address the synthesis to a molecule than another. Also, the calculation of the photochemical parameters of the drug allows the evaluation of the feasibility of a mechanism. For example, the electronic energy of the first triplet state furnishes a first estimation on the capability of a drug to generate singlet oxygen. The theoretical methodology in this work is Density Functional Theory (DFT) for the optimization of the structures and its time dependent formalism (TDDFT) for the calculation of electronic excitations. The behavior in solutions is simulated by the solvent implicit methods(C-PCM). On the first part of the study, we focus on two compounds designed to be used on PDT, belonging to the class pentaporphyrins that are porphyrin like molecules containing five pyrrole rings. These compounds were subject to clinical studies were they have shown a PDT action. We predict the electronic spectra and further investigate the mechanism of action of these compounds. On a second part of the study, we focus on corroles - molecules analogues to porphyrin - and its metal complexes, which synthesis were recently reported. We investigate the electronic spectra and evaluate the ability to produce singlet oxygen. The third part of the study consists on a non porphyrin based compounds – the squarines. These molecules are much known to their use in photo cells devices. Their sharp transitions make them as promising drugs to be used on PDT.
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    Bio-medicinal applications of coordination compounds: a photophysical point of view
    (2012-11-26) Ricciardi, Loredana; Russo, Nino; La Deda, Massimo; Bartolino, Roberto
    Il presente lavoro di ricerca, svolto presso il Laboratorio di Chimica Inorganica e di Coordinazione (LaCIC) dell'Università della Calabria, sotto la supervisione del Dott. Massimo La Deda, e in parte nel Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents (Université Claude Bernard, Lyon, France), si colloca all'interfaccia tra la Biomedicina, la Chimica di Coordinazione e la Fotochimica, alla ricerca di un comune denominatore. L'obiettivo del nostro lavoro è stato quello di sviluppare una metodologia ed un set-up sperimentale per collegare l'esperienza del LaCIC nella sintesi organometallica, con le applicazioni di composti di coordinazione in campo biomedico. Abbiamo scelto tre aree di ricerca in grado di mettere in evidenza la relazione tra "composti di coordinazione", "luce" e "biomedicina": l'applicazione di complessi metallici incapsulati in polimeri o in nanoparticelle di oro e silice per la generazione di ossigeno di singoletto nella Terapia Fotodinamica (Capitoli 3 e 4), l'utilizzo dei processi a trasferimento di energia che coinvolgono i composti di coordinazione per lo studio delle interazioni farmaco-proteina (applicazioni di “sensing”, capitolo 2), l'utilizzo della luminescenza di nanoparticelle contenenti complessi di metalli di transizione nell’imaging cellulare. Le proprietà uniche dei composti metallici, soprattutto la rilevante fotochimica e fotofisica dei composti di metalli di transizione, li rendono idonei per applicazioni in fotomedicina. Capitolo 2 - Applicazione di “sensing” dei composti di coordinazione: interazione farmaco-proteina. Un nuovo complesso di zinco, recentemente sintetizzato presso il LaCIC, ha evidenziato un’interessante attività antiproliferativa in vitro nei confronti di alcune linee cellulari tumorali. Tuttavia, i test in vitro rappresentano solo il primo step per l’applicazione di questo complesso come farmaco antineoplastico; una fase successiva richiede uno studio della sua biodistribuzione, dunque la sua interazione con biomolecole quali l’ Albumina sierica umana, la proteina più abbondante presente nel torrente circolatorio, la quale aumenta la solubilità di farmaci idrofobici nel plasma e ne modula il rilascio a livello cellulare. Grazie alla fluorescenza della proteina, è stato possibile studiarne il fenomeno di quenching della luminescenza, correlandolo all’interazione di legame con il complesso metallico. Inoltre, la "struttura speciale" del composto di coordinazione, la sua luminescenza intrinseca, ha reso possibile lo studio dell’interazione di legame da un’altra prospettiva, giungendo ad una interessante conclusione, che evidenzia l'aspetto multifattoriale del complesso: terapeutico e sensoristico. Capitolo 3 - Processi attivati dalla luce in composti di coordinazione: fotogenerazione di ossigeno di singoletto. La Terapia Fotodinamica (PDT) fa riferimento all’applicazione di luce al fine di ottenere un effetto terapeutico, in particolare fa riferimento alla capacità di fotogenerare 1O2, una specie altamente reattiva (il “vero” agente terapeutico) da una molecola cosiddetta “fotosensibilizzante”. Tra gli effetti terapeutici dell’ 1O2 si pongono in evidenza la terapia antimicrobica e, soprattutto, la terapia antitumorale: in entrambe è preferibilmente richiesto l’utilizzo di fotosensibilizzanti solubili in acqua. I Complessi di Metalli di Transizione (TMC), grazie alle loro “speciali” proprietà fotofisiche, sono fotosensibilizzanti eccellenti, ma per la maggior parte scarsamente idrofilici. Per rendere TMC solubili in acqua si può procedere per esempio inserendoli in un polimero biocompatibile, senza che gli stessi perdino la loro capacità di generare ossigeno di singoletto. Seguendo questo criterio, è stato sintetizzato e caratterizzato il primo esempio di un polimero solubile in acqua legante un complesso di Pt(II) in grado di generare ossigeno di singoletto. Capitolo 4 - Il paradigma “theranostic”: complessi di metalli di transizione e nanoparticelle. Un’altra alternativa per ottenere un fotosensibilizzante solubile in acqua con le “speciali” proprietà dei TMC è di incapsularlo all’interno di nanoparticelle (NPs), le quali stanno sempre più acquisendo una crescente importanza in ambito medico, grazie alla capacità di agire da sistema di rilascio e alla loro bassa tossicità. Su questa base, sono state sintetizzate e caratterizzate un certo numero di NPs aventi un “core” d’oro e una “shell” di silice con intrappolati nella matrice complessi di Ir (III) e Ru (II), aventi la capacità di generare ossigeno di singoletto. Come prova preliminare, un campione di NPs contenenti un complesso di Ru (II), è stato caratterizzato in vitro per valutarne la citotossicità in diverse linee di cellule tumorali, con risultati promettenti. Inoltre, le "speciali" proprietà fotofisiche dei TMC consentono una disattivazione non radiativa degli stati eccitati (fenomeno necessario per la generazione di 1O2 mediante un processo a trasferimento di energia) senza perdere la luminescenza. In virtù di questo, è stato possibile localizzare le NPs fotosensibilizzanti all'interno della cellula mediante microscopia a fluorescenza, rendendo le NPs sintetizzate un nuovo materiale per “theranostic purposes”.
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    Sintesi e caratterizzazione di complessi di Zn(II): un nuovo approccio per ottenere biomateriali
    (2011-09-27) Pirillo, Sante; Russo, Nino; Pucci, Daniela
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    Sintesi e caratterizzazione di complessi metallici contenenti leganti chelanti biologicamente attivi
    (2007-11-05) Bloise, Rossana; Pucci, Daniela; Russo, Nino
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    Studio Teorico dei Dettagli Meccanicistici di Reazioni Organiche Catalizzate da Oro
    (2014-03-31) Mazzone, Gloria; Russo, Nino; Sicilia, Emilia
    The catalytic chemistry of gold has had a relatively belated development with respect to other late transition metals, and this has been attributed to the preconception that gold is expensive and unreactive. The interest in gold has grown over the last thirty years, because both of these conceptions have been proven false, and successful applications of gold catalysis have emerged in chemical processing, pollution control, fuel cells design, and many others fields. These evidences have sparked a veritable “gold rush” in the field of catalysis, both homogeneous and heterogeneous. We investigated the role of gold in both homogeneous and heterogeneous catalytic processes. In fact, the theoretical study of mechanistic details for reactions, that involves and underline the characteristics of gold, have been the subjects of this thesis. Density functional theory (DFT) is the method of choice in this kind of studies. Regarding heterogeneous catalysis the synthesis of vinylacetate is the reaction on which we have focused our attention. In particular, a bimetallic catalyst containing low Pd coverage on Au surface (100 and 111) has been selected to outline the reaction mechanism of VAM formation. We have studied in detail both mechanisms proposed in literature, in order to selected the more active surface and the more likely mechanism. The homogeneous catalytic process that has been selected to point out the catalytic activity of gold is the hydration of 1,2-diphenylacetylene to yield benzyl phenyl ketone, catalyzed by a complex of Au(I) with triphenylposphine. This cationic complex coordinates to the alkyne in the first step of the catalytic cycle, thus rendering it more susceptible for a nucleophilic attack. That reaction is a relatively new synthetic strategy that have recently studied experimentally. Our aim is to elucidate the mechanism of the whole reaction.
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    Film organici e inorganici funzionalizzati con complessi metallici fotoattivi
    (2008) Martino, Tonino; Russo, Nino; La Deda, Massimo
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