Na všechna Oddělení

Výzkumná skupina pokročilých materiálů a organické syntézy

Výzkumná skupina pokročilých materiálů a organické syntézy se zabývá fotochemickou syntézou, transformací a studiem polycyklických aromatických uhlovodíků, především derivátů [n]helicenu a [n]fenacenu, a jejich následnou aplikací v různých odvětvích výzkumu.

V kooperaci s výzkumnými partnery (VŠCHT, UPOL, MU aj.) zkoumáme aplikaci tenkých vrstev těchto materiálů v oblasti sensingu biomolekul, enantiodiskriminační detekce malých chirálních molekul či v oblasti vývoje chirálních polymerních materiálů. Výsledky, které mají aplikační potenciál, se snažíme komercializovat ve spolupráci s firmami (Immunotech, Watrex, Lach-ner a další).

Výzkumná skupina se účastní řady grantových projektů, průmyslových a mezinárodních spoluprací a umožňuje Bc., Ing. a Ph.D. vzdělání studentům v uvedených oblastech.

https://www.gamoschem.com/

Design, syntéza a studium polycyklických aromatických sloučenin

[n]Heliceny a [n]fenaceny, polycyklické aromatické látky odvozené od struktury 2D-grafenu, vykazují polovodivé charakteristiky. Obě zmíněné skupiny látek jsou tvořeny ortho-kondenzovanými benzenovými jadry; avšak zatímco u [n]helicenů jde o šroubovicové uspořádání vedoucí ke vzniku neplanárních chirálních struktur (šroubovic, helixů), aromatická jádra [n]fenacenů jsou uspořádána do tzv. „cik-cak“ konfigurace a výsledné molekuly mají lineární tvar. Naše skupina se zabývá designem, syntézou a studiem aplikačního potenciálu v oblasti optoelektroniky a senzingu.

Příprava tenkých funkčních vrstev

V rámci studia užitných vlastností polycyklických aromátů jsou připravovány jejich tenké vrstvy, které jsou následně adaptovány do jednotlivých prvků. Vrstvy rozpustných derivátů [n]helicenů a [n]fenacenů mohou být fabrikovány jednoduchými procesy z roztoku, u méně rozpustných forem se pak uplatňují různé techniky depozice par těchto materiálů. Zcela unikátní přístup vyvinutý naším týmem využívá polovodivých substrátů, na kterých provádíme depozici vrstev pomocí elektropolymerace.

Další témata výzkumu:

  • Separace racemických směsí helicenů
  • Syntéza a studium steroidů
  • Syntéza a studium kanabinoidů
  • Chemická transformace g-C3N4
  • Studium fotooxidativní cyklizace pomocí ultra-fast spektroskopie

Chirální plasmonika

Zvláštní místo v našem výzkumu různých senzorů je vyhrazeno využití helicenů v chirální plasmonice. Na rozdíl od běžných detekčních metod představuje Surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS) extrémně citlivou metodu pro detekci substrátů v koncentracích až 10-13 M. Senzor je konstruován sorpcí, neboli chemickým připojením enantiomerně čisté molekuly helicenu na nanostrukturovaný kovový substrát, nejčastěji ze zlata nebo stříbra. Toto nastavení umožňuje interakci mezi molekulou chirálního analytu a helicenu, což způsobuje změnu v Ramanově reakci systému.

Tyto systémy mohou být široce vyladěny pro různé aplikace a analyty, změnou struktury a elektronických vlastností, změnou kontaktu mezi kovovým povrchem a helicenem a také inženýrstvím povrchu kovu. Naším cílem je umět rozlišit mezi enantiomery komplexních chirálních sloučenin, zejména těch, které mají biologický význam.

 

  • Chirální plazmatická hybridní struktura na bázi helicenu. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 1555–1562, 2019. DOI
  • Chiroplasmon-aktivní optická vláknová sonda. Sens. Actuators B Chem. 343, 130122, 2021. DOI
  • Chirální plazmatická odezva 2D Ti3C2Tx materiálu. Adv. Funct. Mater. 2023, 2212786, 2023. DOI
  • Chirální nanočástice s chirálním helicenem. Sens. Actuators B Chem. 394, 134332, 2023. DOI

Příprava nových derivátů fenacenů

Fenaceny jsou známé jako stabilní sloučeniny s odolností vůči kyslíku a světlu, díky čemuž jsou tyto planární π-konjugované sloučeniny vhodné pro použití jako funkční materiály v mnoha aplikacích. Zavedení atomů dusíku do fenacenového skeletu vede k vytvoření dipólového momentu, který se odráží v modifikovaných fyzikálně-chemických vlastnostech ve srovnání s jejich karbo-analogy. Nedávno byla úspěšně vyvinuta syntéza aza[n]fenacenů (n = 4 - 6) využívající fotocyklodehydrochlorační reakci výchozích 2-chlor-N-aryl-1-naftamidů. Také byly syntetizovány nové N,N-didodecyl-3,10-diazapiceniové soli s bromidovými a hexafluorfosfátovými protiionty jako exfoliant, stabilizátor a p-dopant pro exfoliovaný grafen.

 

  • 3,10-Diazapicene as p-Doping of Graphene. Chem. Sci. 8, 3494-3499, 2017. DOI
  • Azaphenacenes by Oxidative Photocyclization of Aromatic Schiff Bases. Int. J. Mol. Sci. 21, 5868, 2020. DOI
  • Aza[n]phenacenes (n = 4-6) via Photocyclodehydrochlorination. J. Org. Chem. 86(19), 13252–13264, 2021. DOI

Příprava nových derivátů helicenů

Syntetický přístup k helicenům je založen na patentovaném způsobu fotooxidativní cyklizace stilbenových prekurzorů. Převedením syntézy do průtočného módu jsme schopni připravovat heliceny v multigramových množstvích nejen pro jejich studium i aplikaci, ale i další chemickou transformaci. Heliceny podléhají reakcím typickým pro běžné aromatické molekuly, ale jejich reaktivita je netriviální povahy a reakce molekul tohoto typu mnohdy vyžadují poměrně důkladnou optimalizaci jinak jednoduchých transformací na aromatických jádrech. S výhodou lze však řadu těchto molekul transformovat na materiály s přidanou hodnotou pomocí zavádění nejrůznějších funkčních skupin, a to buď během syntézy základního stilbenového skeletu, nebo substitucí finálního cyklického produktu (post-cyklizační transformace). U některých derivátů lze s výhodou využít též fotochemický přístup.

 

Vliv funkcionalizace

Možnosti transformace

 

  • Reaktivita 9-bromo[7]helicenu. Tetrahedron 69(30), 6213–6218, 2013. DOI
  • Iontová sloučenina na bázi [6]helicenu. Chem. Eur. J. 21(6), 2343–2347, 2015. DOI
  • Kation-π interakce Ag+ + [6]helicen. Chem. Phys. Lett. 633, 105-108, 2015. DOI
  • Kation-π interakce Tl+ + [6]helicen. J. Mol. Struct. 1100, 150-153, 2015. DOI
  • Chirální resoluce helicenů. J. Chromatogr. A 1476, 130-134, 2016. DOI
  • Vnitřní dynamika helikálních molekul. Phys. Chem. Chem. Phys. 19(4), 2900-2907, 2017. DOI
  • Reaktivita 2-bromo[6]helicenu. J. Org. Chem. 83(7), 3607–3616, 2018. DOI
  • Vlastnosti fluorovaných [6]helicenů. J. Org. Chem. 84(4), 1980–1993, 2019. DOI
  • Cytotoxicita hexahelicenu. Toxicology in Vitro 57, 105-109, 2019. DOI
  • Fotochemická funkcionalizace helicenů. Chem. Eur. J. 26(2), 543–547, 2020. DOI
  • Syntéza helikálních fosfinů. ACS Omega 5(1), 882-892, 2020. DOI
  • Fotochemická oxidace helikálních aromatických aminů. Org. Lett. 22(10), 3905-3910, 2020. DOI
  • Pokroky ve funkcionalizaci helicenů. J. Org. Chem. 85(11), 13415-13428, 2020. DOI
  • Oxidativní fotocyklizace aromatických Schiffových bází. Inter. J. Mol. Sci. 21(16), 5868, 2020. DOI
  • Enantiomerní rutheniové komplexy azahelicenů. Inorg. Chem. 60(16), 11838-11851, 2021. DOI
  • Flavin-helicenové amfifilní hybridy. ChemPlusChem 86, 982, 2021. DOI
  • Fotochemický přístup k helicenům. v knize Helicenes: Synthesis, Properties, Applications 1-52, 2022. DOI
  • Syntéza aza[n]helicenů (n = 4-7). J. Org. Chem. 87(11), 7150–7166, 2022. DOI
  • Syntéza 2-fosfa[7]helicenu. Org. Lett. 24(26), 4756–4761, 2022. DOI
  • Push-pull heliceny obsahující fosfin oxid. Dyes Pig. 210, 111039, 2023. DOI
  • Vazba helicenu s DNA. Int. J. Biol. Macromol. 250, 125905, 2023. DOI

Elektropolymerace helicenů

Zcela unikátní přístup k fabrikaci tenkých vrstev na bázi helicenů představuje jejich elektropolymerace na vodivých substrátech (ITO skla/folie, skelný uhlík). Vhodným vedením podmínek elektropoylemerace lze připravit vodivý či nevodivý film o různé tloušťce (od 10 nm). Při použití chirálního helicenu si takto fabrikovaná vrstva zachovává svou optickou aktivitu.  Tento způsob přípravy vrstev se dá s výhodou využít pro fabrikaci optoelektronických prvků a aktivních částí senzorů.

  • Imobilizace helicenů na uhlíkatý substrát. RSC Adv. 4(86), 46102–46105, 2014. DOI
  • Elektrosyntéza polymerů na bázi [7]helicenu. ChemElectroChem 4(12), 3047–3052, 2017. DOI
  • Anodická depozice opticky čistých vrstev [6]helicenu. ChemElectroChem 5(15), 2080–2088, 2018. DOI
  • Chirální elektrochemie helikálních molekul. ChemPlusChem 85(9), 1954-1958, 2020. DOI
  • Vlastnosti karbohelicených vrstev připravených elektropolymerací. Electrochem. Commun. 113, 10689, 2020. DOI

Komercializace helicenů a kanabinoidů

Vývoj multigramové fotochemické syntézy helicenů a fenacenů vyústil v komerční spolupráci s firmou Lach:Ner, s.r.o. Od roku 2013 jsou tímto subjektem nabízeny některé deriváty helicenů na trhu speciálních chemikálií. https://www.lach-ner.cz/heliceny

Naše skupina se v letech 2014 až 2016 významně podílela na vývoji extrakčních metod a izolaci kanabinoidů z odrůd technického konopí. Vyvinuté know-how bylo licencováno spolupracujícím komerčním partnerům, kteří ho využívají k produkci kanabinoidů.

  • CBD se u potkanů nepřeměňuje na THC. Eur. Neuropsychopharmacol. 50, 135-136, 2021. DOI
  • Antioxidační funkce fytokanabinoidů. Free Radic. Biol. Med. 164, 258-270, 2021. DOI
  • Kanabidiol a parodontóza. Biomedical Papers-Olomouc 166, 155-160, 2022. DOI
  • Expozice kanabidiolu a kanabigerolu. Toxicology 488, 153460, 2023. DOI
  • Jaterní biotransformace nepsychotropních fytokanabinoidů. Toxicol. Appl. Pharmacol. 476, 116654, 2023. DOI
Tento web používá cookies. Více o cookies najdete zde.