Síntesis y caracterización fotoquímica de nuevos filtros Smart UV®

Abstract

Aquesta tesi doctoral s’emmarca en el programa de Doctorats Industrials promogut per la Generalitat de Catalunya i s’ha desenvolupat en col·laboració entre el grup d’“Electroquímica, Fotoquímica i Reactivitat Orgànica” de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i l’empresa Roka Furadada SL (ROKA). ROKA és una start-up de tecnologia avançada (Deep-Tech) fundada a Barcelona l’any 2019 amb la missió de reduir la incidència del càncer de pell i altres malalties cutànies relacionades amb l’exposició a la radiació UV solar mitjançant la investigació, el desenvolupament, la producció i la comercialització d’ingredients actius per a la formulació de productes cosmètics. És ben conegut que l’exposició excessiva a la radiació ultraviolada procedent de la llum solar provoca diversos efectes perjudicials a la pell, com cremades solars, envelliment prematur i un increment en la probabilitat de patir càncer de pell. Per mitigar aquests efectes i protegir la pell, és essencial l’ús de protectors solars. Aquests es poden classificar en orgànics i inorgànics en funció de la seva estructura química i del seu mecanisme d’absorció de la radiació UV. Fa uns anys, es va desenvolupar una classe de filtre UV orgànic intel·ligent (Smart UV®) que es caracteritza per aportar a la formulació cosmètica una millora progressiva de la protecció UV durant l’exposició solar. Aquest comportament s’aconsegueix mitjançant la fototransformació progressiva del filtre Smart UV® inicial en un filtre solar més eficaç sota radiació UV. Com a resultat, aquest procés permet una protecció solar prolongada i ajustable en funció de l’exposició a la llum solar. En aquest context, aquest treball es centra en la síntesi i caracterització fotoquímica de nous compostos capaços de fototransformar-se després d’absorbir radiació UV solar, amb la finalitat d’avaluar-ne l’eficàcia com a filtres solars progressius en aplicacions cosmètiques. A la primera part d’aquest treball s’ha descrit el desenvolupament d’una nova generació de filtres progressius de tipus preavobenzona amb l’objectiu de millorar les prestacions del producte comercial ROKA Smart UV® PVB360. Mitjançant un estudi computacional, es van seleccionar quatre candidats per assolir aquest objectiu, que posteriorment van ser sintetitzats i avaluats fotoquímicament com a filtres Smart UV®. El candidat que va mostrar millors propietats va ser PVB-1, que, gràcies a la seva major absorció de radiació UVB solar i velocitat de fotoconversió, presenta millors atributs com a filtre solar progressiu que PVB360. A la segona part d’aquesta tesi doctoral s’ha dut a terme la preparació i estudi fotoquímic de nous filtres progressius preoxibenzònics. En relació amb els compostos desenvolupats prèviament, un d’ells (POB-6) va mostrar una major eficàcia en la protecció UVB durant tot el procés de fototransformació, juntament amb una bona velocitat de fotoreacció. A més, la seva baixa solubilitat en emol·lients aptes per a formulacions cosmètiques es va poder resoldre mitjançant la incorporació de cadenes alifàtiques ramificades en el derivat POB-8, que, en models de formulació cosmètica, va demostrar la seva efectivitat com a filtre Smart UV® centrat en la protecció UVB. A la darrera part, s’ha descrit l’estudi d’una nova família de potencials filtres Smart UV®. Per a això, en primer lloc, es va estudiar el comportament fotoquímic d’un compost comercial model (AsT-M) i, a continuació, es van dissenyar, preparar i caracteritzar anàlegs per tal d’avaluar els paràmetres estructurals que determinen les seves propietats fotoquímiques. Tanmateix, encara que els millors d’aquests compostos actuen com a potencials filtres progressius capaços de fototransformar-se en productes amb capacitat fotoprotectora àmplia sota irradiació solar, la seva lenta cinètica de fototransposició i la fotoinestabilitat dels productes generats en limiten la viabilitat com a filtres Smart UV®.

Esta tesis doctoral se enmarca en el programa de Doctorados Industriales promovido por la Generalitat de Catalunya y se ha desarrollado en colaboración entre el grupo de “Electroquímica, Fotoquímica y Reactividad Orgánica” de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y la empresa Roka Furadada SL (ROKA). ROKA es una start-up de tecnología avanzada (Deep-Tech) fundada en Barcelona en 2019 con la misión de reducir la incidencia de cáncer de piel y otras enfermedades cutáneas relacionadas con la exposición a la radiación UV solar mediante la investigación, el desarrollo, la producción y la comercialización de ingredientes activos para la formulación de productos cosméticos. Es bien conocido que la exposición excesiva a la radiación ultravioleta procedente de la luz solar provoca diversos efectos perjudiciales en la piel, como quemaduras solares, envejecimiento prematuro y un incremento en la probabilidad de padecer cáncer de piel. Para mitigar estos riesgos y proteger la piel, es esencial el uso de protectores solares. Estos pueden clasificarse en orgánicos e inorgánicos, en función de su estructura química y de su mecanismo de absorción la radiación UV. Hace unos años, se desarrolló una clase de filtro UV orgánico inteligente (o Smart UV®) que se caracteriza por aportar a la formulación cosmética una mejora progresiva de protección UV bajo irradiación solar. Este comportamiento se consigue mediante la fototransformación progresiva del filtro Smart UV® inicial en un filtro solar más eficaz bajo la radiación UV. Como resultado, este proceso permite una protección solar prolongada y ajustable en función de la exposición a la luz solar. En este contexto, el presente trabajo se centra en la síntesis y caracterización fotoquímica de nuevos de compuestos capaces de fototransformarse tras absorber radiación UV solar con la finalidad de evaluar su eficacia como filtros solares progresivos en la aplicación de formulaciones cosméticas. En la primera parte de este trabajo se ha descrito el desarrollo de una nueva generación de filtros progresivos de tipo preavobenzona con la finalidad de mejorar las prestaciones del producto comercial ROKA Smart UV® PVB360. Mediante un estudio computacional, se han seleccionado cuatro candidatos para alcanzar ese objetivo, que posteriormente han sido sintetizados y evaluados fotoquímicamente como filtros Smart UV®. El candidato que mostró mejores propiedades fue PVB-1, que gracias a su mayor absorción de radiación UVB solar y velocidad de fotoconversión presenta mejores atributos como filtro solar progresivo que PVB360. En la segunda parte de esta tesis doctoral se ha realizado la preparación y estudio fotoquímico de nuevos filtros progresivos preoxibenzónicos. En relación con compuestos desarrollados previamente a este trabajo, uno de ellos (POB-6) mostró una mayor eficacia en la protección UVB durante todo el proceso de fototransformación, junto a una buena velocidad de fotoreacción. Además, su baja solubilidad en emolientes aptos para formulación cosmética se pudo subsanar mediante la incorporación de cadenas alifáticas ramificadas en el derivado POB-8, que en modelos de formulaciones cosméticas demostró su efectividad como filtro Smart UV® centrado en la protección UVB. En la última parte, se ha descrito el estudio de una nueva familia de potenciales filtros Smart UV®. Para ello, en primer lugar, se ha estudiado el comportamiento fotoquímico de un compuesto comercial modelo (AsT-M), y a continuación se han diseñado, preparado y caracterizado análogos para evaluar los parámetros estructurales que determinan sus propiedades fotoquímicas. Sin embargo, aunque los mejores de esos compuestos actúan como potenciales filtros progresivos que pueden fototransformarse en productos con capacidad fotoprotectora amplia bajo irradiación solar, su lenta cinética de fototransposición y la fotoinestabilidad de los productos generados limitan su viabilidad como filtros Smart UV®.

This PhD is part of the Industrial Doctorates programme promoted by the Generalitat de Catalunya and has been carried out in collaboration between the “Electrochemistry, Photochemistry and Organic Reactivity” group at the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) and the company Roka Furadada SL (ROKA). ROKA is a Deep-Tech start-up founded in Barcelona in 2019 with the mission of reducing the incidence of skin cancer and other skin diseases related to exposure to solar UV radiation through the research, development, production, and commercialisation of active ingredients for cosmetic product formulations. Excessive exposure to ultraviolet (UV) radiation from sunlight is known to cause various damaging effects on the skin, including sunburns, premature aging, and an increased risk of certain types of skin cancer. To mitigate these effects and protect the skin, the application of sunscreen is essential. UV filters can be categorized into organic and inorganic types, depending on their chemical structure and their mechanism for absorbing UV radiation. A few years ago a class of intelligent organic UV filters (Smart UV®) was developed. It is characterized by a progressive enhancement of their sun filtering effect under solar irradiation. This behavior is achieved by progressive phototransformation of the initial Smart UV filter into a more efficient sunscreen upon UV radiation. As a result, this process enables prolonged and adjustable solar protection during sunlight exposure. In this context, the present work focuses on the synthesis and photochemical characterisation of new compounds capable of phototransforming after absorbing solar UV radiation, with the aim of evaluating their efficacy as progressive sunscreens in cosmetic formulations. In the first part of this work, a new generation of progressive pre-avobenzone-type filters has been described, with the aim of improving the performance of the commercial product ROKA Smart UV® PVB360. Through a computational study, four candidates were selected to achieve this objective, which were subsequently synthesised and photochemically evaluated as Smart UV® filters. The candidate that exhibited the best properties was PVB-1, which, due to its higher absorption of solar UVB radiation and faster photoconversion rate, demonstrated better attributes as a progressive sunscreen than PVB360. In the second part of this PhD, the preparation and photochemical study of new progressive pre-oxybenzone filters were carried out. Compared to the compounds developed prior to this work, one of them (POB-6) showed higher efficacy in UVB protection throughout the entire phototransformation process, along with a good photoreaction rate. Additionally, its low solubility in emollients suitable for cosmetic formulation was addressed by incorporating branched aliphatic chains into the derivative POB-8, which demonstrated its effectiveness in cosmetic formulation models as a Smart UV® filter focused on UVB protection. In the final part, the study of a new family of potential Smart UV® filters is described. First, the photochemical behaviour of a commercial model compound (AsT-M) was studied. Then some analogues were designed, synthesised, and characterised in order to evaluate the structural parameters that determine their photochemical properties. However, although the best of these compounds act as potential progressive filters capable of phototransforming into products with broad photoprotective capacity under sunlight irradiation, their slow phototransposition kinetics and the photoinstability of the generated products limit their viability as Smart UV® filters.