Hybrid Polyoxometalates for Applications in Supramolecular Chemistry and Molecular Machines

Promovendus/a: Givi Kalandia

Promotor(en): Prof. dr. Tatjana Vogt, Prof. dr. Wim Dehaen

Chemie is de studie van moleculen. Bij het ontwerpen van nieuwe moleculen zijn chemici niet alleen geïnteresseerd in hoe ze deze kunnen creëren, maar ook in hoe deze moleculen interageren met hun omgeving, andere moleculen of fysieke stimuli. Denk aan het ontwikkelen van een nieuw medicijn, waarbij het cruciaal is om te begrijpen hoe een nieuw ontworpen molecuul interageert met de biologische systemen om de patiënt te helpen. Het vakgebied van de chemie dat dergelijke intermoleculaire interacties (interacties tussen moleculen) bestudeert, staat bekend als supramoleculaire chemie. Vooruitgang in dit vakgebied heeft ons betere medicijnen en materialen gebracht. Verdere verkenning van deze ideeën heeft echter geleid tot de ontwikkeling van moleculen die dynamisch hun fysieke/ruimtelijke configuratie kunnen veranderen. Dit onderzoek heeft geresulteerd in het vakgebied van kunstmatige moleculaire machines, waar moleculen specifiek zijn ontworpen om gecontroleerde beweging op moleculaire schaal te bereiken. Dergelijke beweging kan worden benut om chemische reactiviteit, materiaaleigenschappen en zelfs biologische processen te beheersen. Hoewel het vakgebied van supramoleculaire chemie en moleculaire machines zich sterk heeft ontwikkeld, zijn deze systemen grotendeels gebaseerd op organische materie. Dit betekent dat ze bestaan uit koolstof, stikstof en waterstof. Deze atomen zijn zeer belangrijke skeletbouwstenen voor de vorming van moleculen. Om functionele eigenschappen te verkrijgen, zoals het faciliteren van veranderingen in andere moleculen, vereisen ze echter een zeer specifieke rangschikking, die moeilijk te bereiken is en inefficiënt kan zijn.

Om deze beperkingen te overwinnen, gebruik ik moleculen die uit metalen bestaan, met name polyoxometalaten (POM's). POM's bestaan uit vele metalen die via zuurstofverbindingen met elkaar verbonden zijn (poly - veel, oxo - zuurstof, metalaat - metaal verbonden met iets, in dit geval zuurstof). In dit werk heb ik nieuwe methoden ontwikkeld om POM's te gebruiken als componenten in supramoleculaire systemen en kunstmatige moleculaire machines. Dit werd bereikt door ze te decoreren met organische moleculen die als "moleculaire handen" zouden fungeren en verschillende taken zouden uitvoeren, afhankelijk van hun ontwerp. In hoofdstuk 2 werden POM's gedecoreerd met het molecuul, dat andere moleculen kan inkapselen. Deze eigenschap werd vervolgens gebruikt om vele POM's aan elkaar te koppelen tot één materiaal en schadelijke chemicaliën te ontgiften. In hoofdstuk 3 werden POM's gecombineerd met moleculen die precieze interacties met een specifiek eiwitdeel mogelijk maakten, wat een zeer belangrijke prestatie is voor toekomstige biotechnologische toepassingen. In hoofdstuk 4 werden meerdere POM's gecombineerd in één molecuul en werd voor het eerst een molecuul dat in staat was tot pendelen opgenomen in een POM-framework. In hoofdstuk 5 en 6 werd beweging op moleculaire schaal bereikt met POM-gebaseerde moleculen. Roterende beweging werd namelijk bevorderd met behulp van een kunstmatige moleculaire rotor en translationele beweging werd bereikt door lichtgeïnduceerde vormveranderingen van het molecuul dat aan de POM was bevestigd.