Molecular switches - Teaming up for function!  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
123760
Type FK
Principal investigator London, Gábor
Title in Hungarian Molekuláris kapcsolók - Egységben az erő!
Title in English Molecular switches - Teaming up for function!
Keywords in Hungarian molekuláris kapcsoló, azobenzol, szerves szintézis, fotokémia, határfelület
Keywords in English molecular switch, azobenzene, organic synthesis, photochemistry, interface
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)80 %
Ortelius classification: Intelligent materials
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Photochemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants Bertóti, Imre
Gazdag, Tamás
Jablonkai, István
Kunfi, Attila
Mohai, Miklós
Starting date 2017-09-01
Closing date 2022-05-31
Funding (in million HUF) 37.836
FTE (full time equivalent) 8.46
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A 2016-os kémiai Nobel-díj fontos mérföldköve a molekuláris tudományok fejlődésének. A klasszikus, egy-egy célmolekula hatékony előállítására koncentráló szintetikus szerves kémia elmozdulását jelzi a molekulasokaságokból összeálló komplexebb rendszerek építése felé. A térben és időben kontrollálható mechanikai mozgásra képes molekulák fontos eszköztárát jelentik az ilyen rendszerek létrehozásának, amelyek közé tartoznak – várhatóan – például a „motorizált” nanokapszulák vagy a molekuláris számítógépek. Annak ellenére, hogy az irodalomban jól érzékelhető tendencia a kapcsolható molekulák sokaságának határfelületeken való integrálása, mint a molekuláris szintű hasznos munkavégzés egyik fő megközelítése, a valódi alkalmazások még váratnak magukra.
A javasolt kutatás célja kapcsolható molekulák tervezése, szintézise és komplexebb szerves valamint szervetlen környezetekbe való integrálása. Ezáltal lehetővé válik a molekulák együttes mozgásának kihasználása különféle alkalmazásokban, mint például szervetlen részecskék katalitikus aktivitásának modulálása, kapcsolható határfelületi sejt-adhézió vagy alapvető logikai műveletek elvégzése nanométeres mérettartományokban.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A szintetikus molekuláris motorok és kapcsolók területén széles körben elfogadott nézet, hogy hasznosításukhoz vezető egyik út nagyszámú molekula határfelületeken történő integrálása. Az integrálás módja azonban számos alapvető kérdést vet fel, melyek megválaszolásához kíván hozzájárulni a javasolt kutatás. Milyen típusú anyagok alkalmasak molekuláris kapcsolók hordozóinak? Valóban korlátozódik-e a hordozó anyagok köre az irodalomban széleskörűen vizsgált arany illetve szilícium alapú felületekre? Lehetséges-e alakjukban, méretükben és felületi összetételükben heterogénebb polimer-részecskék alkalmazása? Milyen erősségű molekula-hordozó másodlagos kölcsönhatások nem akadályozzák még meg a molekulák kapcsolhatóságát?
Milyen mértékben befolyásolják polimer alapú hordozók a kapcsolók fotokémiai érzékenységét? Milyen mértékben befolyásolják egymás fotokémiai érzékenységét egyszerre jelenlévő különböző szerkezetű kapcsolók? Hogyan hat az egyes molekulák biológiai hatására határfelületi rögzítésük és lehet-e ezt izomerizációjukkal tovább hangolni?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás kapcsolható molekulák sokaságával történő munkavégzés alapvető szabályait vizsgálja. Ezen szabályok mélyebb megértése, illetve kiterjesztése új típusú szervező elvekhez vezethet, melyek hasznosak lehetnek olyan várható nanotechnológiai alkalmazásokban, mint célzott hatóanyag célba juttatás vagy molekuláris számítógépek fejlesztése.
Nemzetközi szinten a szintetikus molekuláris motorok és kapcsolók területe a szerves kémiai kutatások homlokterében áll. Viszonylag kevés csoport dolgozik azonban ezen molekulák határfelületi kémiáján, ugyanis a hordozós rendszerek előállítása és jellemzése kihívást jelentő feladat ami komolyabb műszerezettséget és más tudományterületek szakértőinek együttműködését kívánja. A javasolt kutatási program (kapcsolható kooperatív kölcsönhatások, polimer-alapú hordozók vizsgálata, ortogonálisan kapcsolható több-kapcsolós rendszerek) az irodalmi példák szűkössége illetve hiánya alapján új irányvonalnak tekinthető.
A hazai kémiában a szintetikus molekuláris motorok és kapcsolók területe nincs jelen. Úgy vélem, hogy a befogadó intézeten (MTA TTK) belül mind a szellemi tőke mind pedig a felszereltség rendelkezésre áll egy ilyen kihívást jelentő, multidiszciplináris terület elindítására.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A munkavégzés makroszkopikus szinten (az emberek szintjén) és a nanovilágban (a molekulák szintjén) bizonyos szempontból hasonló. Vannak önállóan elvégezhető feladatok, és vannak olyanok, amikhez már komoly szervezés szükséges, több résztvevő közös erőfeszítésével oldhatók csak meg. A munka szervezése azonban, a molekulák szintjén alapvetően más eszközöket igényel, mint a makro-világban. Hogyan lehet rábírni molekulák csoportjait, hogy meghatározott helyen és időben tegyenek meg valamit a kedvünkért? Esetleg egyszerre több dolgot meghatározott sorrendben? Lehetne, hogy ezek a feladatok hasznosak is legyenek? A tervezett kutatás célja olyan molekuláris szintű szervező elvek kifejlesztése, amelyek segítségével választ kaphatunk az előbbi a kérdésekre.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The 2016 Nobel Prize in chemistry is an important milestone in the development of molecular sciences. It marks the transition of traditional organic synthesis focusing on the preparation of specific, individual molecular entities towards the creation of molecular systems. The ingenious design and synthesis of molecules whose motion can be controlled both spatially and temporally, established a toolbox of potential control elements in nanoscale devices ranging from catalytic machines to molecular computers. Although the field of molecular machines has already departed from the study of individual molecular properties, systems level applications are yet to come. One of the main approaches towards such applications is interfacing molecular machines with bigger objects such as nano/microparticles or macroscopic surfaces to harness the concerted action of a larger number of molecules.
The goal of my research is to design and synthesize switchable molecular components and integrate them into more complex (in)organic environments where the effect of switching could be amplified and harnessed.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the field of light-driven molecular motors and switches it is a widely accepted trend that the integration of dynamic molecules is a way towards their useful applications, such as smart materials and coatings, drug delivery systems or nanocomputing devices. However, the possible modes of integration raise several fundamental questions that have to be addressed and this is where our research will contribute to the field. What materials are suitable to support a large number of molecules? Is the field limited to nobel metal (especially gold) particles and silica-based materials or could advance towards materials that are more heterogeneous in terms of shape, size and functional groups? How strong molecule-support interactions can be without preventing molecular switching? To what extent the nature of unexplored substrates will influences the photochemical behavior of the bound molecules? If two or more types of switches are confined to each other, to what extent their photochemical behavior, and thus the expected functions, can be distinguished. Would the biological effect of the molecules be altered by attachment to nanoparticle carriers and could it be tuned photochemically?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The proposed research, by addressing fundamental questions related to integration principles of light-switchable molecules, is expected to provide new design elements of molecule/carrier interfaces that will be beneficial for a wide range of nanotechnological applications from nanomedicine to nanocomputing.
At an international level, the area of molecular motors and switches is a burgeoning field of research. However, the number of groups working on interfacial systems is much less, as these materials are not always straightforward to assemble and their characterization needs advanced instrumentation and collaboration with non-chemist experts. Exploring light-switchable heterogeneous catalysis, post-synthetic modification of polymeric particles as support material for molecular switches and the construction of orthogonally addressable multi-switch systems ‒ based on the scarce literature precedents ‒ can be considered as novel directions.
In Hungary the research field of synthetic molecular motors and switches is completely lacking.
I believe that in my Host Institute, at the Research Center for Natural Sciences of the Hungarian Academy of Sciences, the critical resources (both instrumentational and intellectual) are present to initiate research in this challenging field.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Performing work at the macroscopic level (the level of humans) and in the nano-world (the level of molecules) shows some similarities. There are tasks that can be accomplished by individual entities while others need serious organization and the joint effort of the participants. The organization of work at the molecular level, however, needs different tools compared to the macro-world. How can we command groups of molecules to perform a task that we are asking for? Could it be more than one task and in a predetermined order? Could these tasks be useful? The goal of the proposed research is to establish molecular-scale organizing principles that help answering the above questions.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatás fő célja volt molekuláris fotokapcsolók fejlesztése és integrálása komplexebb szerves/szervetlen molekuláris rendszerekbe. A munka során kifejlesztettünk egy könnyen előállítható, stabil polidopamin (PDA)/arany nanorészecske kompozit határfelületet, amely alkalmasnak bizonyult fotokapcsoló-alapú dinamikus határfelületek kialakítására. Ezen a felületen vizsgáltuk azobenzol és donor-akceptor Stenhouse addukt típusú kapcsolók előállítását, fotokémiai és termális tulajdonságait, továbbá a felületek nedvesedési tulajdonságait. A PDA/Au nanorészecske kompozit egyik fontos előnye, hogy a részecskék görbülete miatt elegendő szabad térfogat áll rendelkezésre a molekulák rendeződéséhez, izomerizációjához, illetve ligandumcsere reakcióihoz. A határfelületi rendszerek vizsgálata mellet azobenzol típusú fotokapcsolókat integráltunk katalitikusan aktív palládium komplexekbe. Az így létrejött katalizátor oldhatóságát az azobenzol fotoizomerizációján keresztül tudtuk befolyásolni, ezáltal katalitikus aktivitását hangolni Suzuki kapcsolási reakciókban. Végül, új típusú fotokapcsolókat hoztunk létre ditieniletének (poli)ciklusos konjugált rendszerekbe való integrálásával, melyek alkalmasak a molekulák aromássági viszonyainak befolyásolására.
Results in English
The goal of the proposed research, in a broader perspective, was the development of a research program centering on photochromic molecular switches with special attention to their integration into more complex (in)organic environments. We developed a robust, polydopamine/gold particle composite-based platform for the construction of dynamic interfaces. The photochemical, thermal, and wetting properties of azobenzenes and donor-acceptor Stenhouse adducts were studied on such substrates. A key advantage of the nanoparticulate surface is that it provides sufficient free volume for the construction, isomerization, and ligand-exchange processes of molecular switches due to the curved nature of the particles. Photoswitchable azobenzenes were also integrated into palladium complexes that could be used as catalysts in Suzuki coupling reactions. The photoswitchable unit rendered the solubility of the resulting complex controllable, which was used to control its catalytic activity in the reaction. Novel photochromic structures were also developed based on the integration of dithienylethenes into (poly)cyclic conjugated ring systems.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=123760
Decision
Yes





 

List of publications

  
Tamás Gazdag, Attila Kunfi, Gábor London: Cyanation of aryl bromides with K4[Fe(CN)6] using polydopamine supported Pd nanoparticle catalysis: formation of magnetite during the reaction., React. Kinet. Mech. Catal. 2018, 125, 567-581., 2018
Attila Kunfi, Gábor London: Polydopamine – An emerging material in the catalysis of organic transformations, Synthesis, 2019, 51, 2829-2839, 2019
Attila Kunfi, Rita Bernadett Vlocskó, Gábor London: Construction of heterogeneous catalysts and dynamic interfaces on a polydopamine platform, 21st European Symposium on Organic Chemistry, Vienna, Austria. (July 14-18, 2019.), 2019
Attila Kunfi, Rita Bernadett Vlocskó, Gábor London: Application of Polydopamine in the Construction of Efficient Heterogeneous Catalysts and Dynamic Interfaces, 1st International Conference on Adhesion in Aqueous Media: From Biology to Synthetic Materials, Dresden, Germany. (September 9-2, 2019.), 2019
Attila Kunfi, Gábor London: Polydopamine – An emerging material in the catalysis of organic transformations, Synthesis, 2019, 51, 2829-2839, 2019
Attila Kunfi, Rita Bernadett Vlocskó, Zsófia Keresztes, Miklós Mohai, Imre Bertóti, Ágnes Ábrahám, Éva Kiss, Gábor London: Photoswitchable Macroscopic Solid Surfaces Based On Azobenzene-Functionalized Polydopamine/Gold Nanoparticle Composite Materials: Formation, Isomerization and Ligand Exch, ChemPlusChem, 2020, 85, 797-805., 2020
Baswanth Oruganti, Péter Pál Kalapos, Varada Bhargav, Gábor London, Bo Durbeej: Photoinduced Changes in Aromaticity Facilitate Electrocyclization of Dithienylbenzene Switches, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 13941−13953, 2020
Dalma Edit Nánási, Attila Kunfi, Ágnes Ábrahám, Péter J. Mayer, Judith Mihály, Gergely F. Samu, Éva Kiss, Miklós Mohai, Gábor London: Construction and Properties of Donor–Acceptor Stenhouse Adducts on Gold Surfaces, Langmuir 2021, 37, 3057-3066., 2021
Attila Kunfi, István Jablonkai, Tamás Gazdag, Péter J. Mayer, Péter Pál Kalapos, Krisztina Németh, Tamás Holczbauer, Gábor London: A photoresponsive palladium complex of an azopyridyl-triazole ligand: light-controlled solubility drives catalytic activity in the Suzuki coupling reaction, RSC Advances 2021, 11, 23419-23429., 2021
István Jablonkai, Attila Kunfi, Da-Hui Qu, Gábor London: A new color in green chemistry: Photochromic molecular switches as components of multifunctional catalytic systems, Török, B; Schäfer, C (Eds.) Non-Traditional Activation Methods in Green and Sustainable Applications, Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Inc. 2021, 241-282., 2021
Attila Kunfi, Rita Bernadett Vlocskó, Zsófia Keresztes, Miklós Mohai, Imre Bertóti, Ágnes Ábrahám, Éva Kiss, Gábor London: Photoswitchable Macroscopic Solid Surfaces Based On Azobenzene-Functionalized Polydopamine/Gold Nanoparticle Composite Materials: Formation, Isomerization and Ligand Exch, ChemPlusChem, 2020, 85, 797-805., 2020
Baswanth Oruganti, Péter Pál Kalapos, Varada Bhargav, Gábor London, Bo Durbeej: Photoinduced Changes in Aromaticity Facilitate Electrocyclization of Dithienylbenzene Switches, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 13941−13953, 2020
Dalma Edit Nánási, Attila Kunfi, Ágnes Ábrahám, Péter J. Mayer, Judith Mihály, Gergely F. Samu, Éva Kiss, Miklós Mohai, Gábor London: Construction and Properties of Donor–Acceptor Stenhouse Adducts on Gold Surfaces, Langmuir 2021, 37, 3057-3066., 2021
Attila Kunfi, István Jablonkai, Tamás Gazdag, Péter J. Mayer, Péter Pál Kalapos, Krisztina Németh, Tamás Holczbauer, Gábor London: A photoresponsive palladium complex of an azopyridyl-triazole ligand: light-controlled solubility drives catalytic activity in the Suzuki coupling reaction, RSC Advances 2021, 11, 23419-23429., 2021
Attila Kunfi, Ágnes Ábrahám, Gergő Gyulai, Éva Kiss, Gábor London: Light‐Induced and Thermal Isomerization of Azobenzenes on Immobilized Gold Nanoparticle Aggregates, ChemPlusChem 2022, 87, e202200153, 2022
Péter Pál Kalapos, Péter J. Mayer, Tamás Gazdag, Attila Demeter, Baswanth Oruganti, Bo Durbeej, Gábor London: Photoswitching of Local (Anti)Aromaticity in Biphenylene-Based Diarylethene Molecular Switches, J. Org. Chem., 2022
István Jablonkai, Attila Kunfi, Tamás Gazdag, Péter József Mayer, Péter Pál Kalapos, Gábor London: Photoresponsive palladium complexes with azopyridyl-triazole ligands. Light-controlled solubility affects catalytic activity in Suzuki-coupling reaction., 19th International Symposium on Novel Aromatics, Warsaw, 2022. July 3–8., 2022
Attila Kunfi, Dalma Edit Nánási, Ágnes Ábrahám, Éva Kiss, Miklós Mohai, Gábor London: Photoswitches on gold nanoparticle-doped macroscopic solid surfaces, 19th International Symposium on Novel Aromatics, Warsaw, 2022. July 3–8., 2022
Péter Pál Kalapos, Péter J. Mayer, Tamás Gazdag, Baswanth Oruganti, Bo Durbeej Gábor London: Photoswitching of local ground-state aromaticity in polyciclic polycyclic conjugated systems, 19th International Symposium on Novel Aromatics, Warsaw, 2022. July 3–8., 2022
Kunfi Attila: Polidopamin alkalmazása a szerves kémiában: katalizátor hordozótól a fotoizomerizálható felületekig, PhD Disszertáció, 2020




 

Events of the project

  
2020-12-02 15:16:57
Résztvevők változása
2018-09-03 13:09:26
Résztvevők változása



Back »