Synthesis of fluorinated compounds for biomedical applications

The aim of this work thesis was born by the importance of fluorinated compounds in biomedical field. The intrinsic properties of fluorine provide to the fluorinated molecules extraordinary characteristics incomparable with the hydrocarbons pairs. An overview of the most important industrial biomedical applications of fluorinated amphiphilic and their evolution in the current years are provided and more particularly on blood substitutes, diagnostic agents, liquid ventilation, ophthalmic disorders. In the last years, the growth of retinal disorders in diabetic patients leads to investigate on the new products with the aim to improve long-term intraocular biocompatibility to use as vitreous tamponades after vitrectomy. Therefore, the first part of this work has been focalized on the search of ideal vitreous substitute to suitable in retinal detachment diseases. Hence, a straight and economical methodology for the preparation of highly pure PFEs with general formula F(CF2)m(CH2)2O(CH2)nH (m = 4, 6, 8 and n = 2, 3, 5, 8, 14, 18, 21) obtained by reaction of 1H,1,H,2H,2H-perfluoro-1-alkanols with 1-bromoalkanes under basic conditions were studied. This procedure have provided high pure products with yields than more that 65 %. Then, physico-chemical properties such as specific gravity, refractive index, viscosity, solubility and amphiphile surface activity in a variety of solvents were evaluated. Therefore, their comparison with semifluorinated n-alkanes was estimated in order to investigate the role of both the ratio m / n and the ether linkage in determining the self-organizing behavior of these compounds. However, significant results in biomedical fields were obtained in particular for 4 of partially fluorinated ethers leading to industrial enterprise (Al.Chi.Mi.A S.r.l ) to register a patent. In fact, molecules with high purity degree, high biocompatibility, and suitable specific gravity values were obtained to use alone (short-term tamponade) or in mixtures of silicone oils ( long-term tamponades) in ophthalmology field. The growth of resistance displayed by many organisms to the bactericidal action of quaternary ammonium salts had also been leaded to develop new biocide agents having original chemical structures. The proposed mechanisms of bacterial action of these compounds are numerous and not completely clarified. However, the first step in all the presented mechanisms is related to the amphiphilic character of these molecules which allows them to strongly interact with the cellular membrane. Length of the aliphatic chain, number of carbon atoms in the aliphatic groups, introduction of fluorinated chain are also all significant factors to provide specific amphiphilic properties in order to study the antimicrobial activity of Quats. Therefore, in the second part of this work I have focalized my attention to the research of one structure that improves the physico-chemical properties in order to provide the adsorption on bacterial cell. Hence, a series of hybrid surfactants FnHms with general formula F(CF2)nCH2CH(OH)CH2N(CH2)mH(CH2)mHX- (with X= I, Br) obtained by reaction of semifluorinated tertiary ammine with iodoalkane in acetonitrile as solvent were synthesized. Therefore, the influence of fluorocarbon / hydrocarbon chain lengths and counter-ion on physic-chemical properties and antibacterial activity were investigated. An intensive physico-chemical characterization of amphiphilic molecules were carried out determining the critical micellar concentration, the superficial tension, the surface excess, the area per molecule, the hydrodynamic diameter, the micellar structures and shape of micelles by optical microscopy observations. Rheological study by oscillatory-shear measurements were carried out in order to investigate the viscoelastic properties of some surfactants hydrogel solutions obtained as function of temperature, concentration, frequency, etc. Interesting results, in particular a thermo-responsive behavior, for some solutions were found leading to the use of these molecules in important industrial applications as drag reduction fluids.

RIASSUNTO Lo scopo di questo lavoro di tesi è nato dall’importanza dei composti fluorurati in applicazioni biomediche. Le intrinseche proprietà del fluoro impartiscono alle molecole straordinarie caratteristiche, incomparabili con le omologhe idrocarburiche. Viene fornita, quindi, una panoramica delle più importanti applicazioni biomediche industriali di molecole fluorurate amfifiliche e la loro evoluzione nei correnti anni, in particolare riguardo i sostituti del sangue, agenti diagnostici, liquidi per la ventilazione assistita, malattie oftalmiche. Inoltre, negli ultimi anni, la crescita di malattie retinee in pazienti diabetici ha spinto a investigare su nuovi prodotti con lunga biocompatibilità intraoculare per una loro utilizzazione come tamponanti vitrei dopo vitrectomia. Quindi, nella prima parte il lavoro è focalizzato sulla ricerca di un sostituto vitreo ideale da sfruttare nelle malattie del distacco della retina. Pertanto, è stata fornita una rapida ed economica procedura per la preparazione di PFEs dotati di alta purezza di generica formula F(CF2)m(CH2)2O(CH2)nH (m = 4, 6, 8 e n = 2, 3, 5, 8, 14, 18, 21) ottenuti dalla reazione di 1H,1,H,2H,2H-perfluoro-1-alkanoli con 1-bromoalkani in condizioni basiche. Questa procedura ha permesso di ottenere prodotti con rese superiori al 65%. Inoltre, sono state valutate proprietà fisico-chimiche come la densità, l’indice di rifrazione, la viscosità, la solubilità, l’attività superficiale in una serie di solventi. È stata effettuata anche una comparazione con n-alkani semifluorurati per investigare sia il ruolo del rapporto m / n sia il legame etereo nel determinare il comportamento di auto-organizzazione di questi composti. Quindi, sono stati ottenuti significativi risultati in campo biomedico in particolare per 4 eteri parzialmente fluorurati che hanno indotto una azienda industriale (Al.Chi.Mi.A S.r.l) a depositare un brevetto. Infatti, il lavoro ha permesso di ottenere molecole con alto grado di purezza, alta biocompatibilità e idonei valori di densità da poter essere utilizzati da soli ( tamponanti a breve permanenza) o in miscele di olii di silicone (tamponanti a lunga permanenza) in campo oftalmico. La crescita della resistenza mostrata da molti microrganismi all’azione dei sali di ammonio quaternari conduce inoltre lo sviluppo di nuovi agenti biocidi con una struttura chimica originale. I meccanismi proposti per l’azione battericida di questi composti sono numerosi e non completamente chiariti. Comunque, il primo passo in tutti i meccanismi presentati è relativo al carattere anfifilico di queste molecole che permette loro di interagire fortemente con la membrana cellulare. Lunghezza della catena alifatica, numero di atomi di carbonio in gruppi alifatici, introduzione di una catena fluorurata sono tutti significativi fattori per fornire specifiche proprietà anfifiliche per lo studio dell’attività antimicrobica dei Quats. Pertanto, nella seconda parte il lavoro è improntato sulla ricerca di una struttura tale da fornire proprietà chimico-fisiche per favorire l’assorbimento sulla cellula batterica. Quindi, è stata sintetizzata una serie di tensioattivi ibridi FnHms di generica formula F(CF2)nCH2CH(OH)CH2N(CH2)mH(CH2)mHX- (con X= I, Br) ottenuti dalla reazione di un’ammina terziaria parzialmente fluorurata con iodoalkani in acetonitrile come solvente. In seguito, sono stati studiati l’influenza delle catene fluorurate / idrocarburiche e il contro ione sulle proprietà chimico-fisiche e l’attività antibatterica. È stata condotta inoltre un’intensa caratterizzazione delle molecole amfifiliche determinando la concentrazione micellare critica, la tensione superficiale, la superficie di eccesso, l’area per molecola, il diametro idrodinamico, la struttura e la forma delle micelle, osservazioni microscopiche. È stato compiuto uno studio reologico attraverso misure di taglio-oscillatorio per investigare le proprietà viscoelastiche di alcune soluzioni di tensioattivi in forma di idrogel, effettuate in funzione della temperatura, concentrazione, frequenza, etc. Interessanti risultati, in particolare un comportamento termo-reattivo, sono stati trovati per alcune soluzioni tali da poterli indicare in importanti applicazioni industriali quali i fluidi di riduzione alla resistenza di attrito in un flusso turbolento.