Význam nekovalentních interakcí pro funkční molekuly a materiály

• Název práce v češtině: Význam nekovalentních interakcí pro funkční molekuly a materiály
• Název v anglickém jazyce: The importance of non-covalent interactions for functional molecules and materials
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra organické chemie (31-270)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Martin Dračínský, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Nekovalentní interakce jsou nesmírně důležité a fascinující přitažlivé nebo odpudivé síly mezi atomy a molekulami, které jsou klíčové například pro 3D strukturu velkých (bio)makromolekul, strukturu molekulárních pevných látek a pro organickou syntézu. Nejdůležitější nekovalentní interakcí je vodíková vazba (H-vazba). H-vazby jsou typicky řádově slabší než kovalentní vazby, a přesto určují například sekundární strukturu velkých biopolymerů, jako je DNA nebo proteiny.
Molekulární přepínač je molekula, která má dva nebo více termodynamicky (meta)stabilních stavů. Přechod mezi těmito stavy může být vyvolán vnějšími podněty, jako je světlo, elektrické pole, pH nebo změna teploty. Aromatické azosloučeniny lze považovat za archetypální molekulární spínače. Mohou izomerovat na neplanární Z izomery po ozáření světlem. Relaxace zpět na nízkoenergetický E izomer může být způsobena tepelně nebo jiným zářením. E/Z izomerizace azosloučenin doprovázená významnou změnou molekulárního tvaru, dipólového momentu a elektronické distribuce našla četné aplikace v rychle se rozvíjející oblasti molekulárních zařízení a umělých molekulárních strojů. Rychlost izomerizace je klíčovým parametrem pro aplikace těchto fotospínačů. Například úplný izomerizační cyklus musí být velmi rychlý v molekulárních motorech a procesorech optických informací v reálném čase; na druhé straně molekulární spínače používané pro paměťová a energetická zařízení musí mít dlouhotrvající vysokoenergetické stavy. Dalším důležitým parametrem molekulárních spínačů spouštěných světelným zářením (fotospínače) je poloha absorpčních maxim. Například pro lékařské aplikace musí požadované absorpční maximum ležet v oblasti, kde ozařující světlo není škodlivé, ale zároveň proniká tkáněmi v řádu milimetrů („terapeutické okno“).
Student(ka) bude zkoumat nové typy fotospínačů a roli nekovalentních interakcí pomocí kombinace NMR spektroskopie a DFT výpočtů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Non-covalent interactions are enormously important and fascinating attractive or repulsive forces between atoms and molecules that are crucial, for example, for the 3D structure of large (bio)macromolecules, the structure of molecular solids, and for organic synthesis. The most important non-covalent interaction ishydrogen bonding(H-bonding). H-bonds are typically an order of magnitude weaker than covalent bonds and yet they determine, for example, the secondary structure of large biopolymers like DNA or proteins.
A molecular switch is a molecule that possess two or more thermodynamically (meta)stable states. The transition between these states can be triggered by external stimuli, such as light, electric field, pH or temperature change. Aromatic azo compoundscan be considered as archetypal molecular switches. They can isomerize into nonplanar Z isomers upon irradiation with UV-vis light. The relaxation back to the low-energy E isomer can be initiated thermally or by another UV-vis irradiation. The E/Z isomerization of azo compounds accompanied by a significant change of the molecular shape, dipole moment and electronic distribution has found numerous applications in the rapidly developing field ofmolecular devices and artificial molecular machines. The rate of the isomerization is a crucial parameter for the applications of these photo-switches. For example, the complete isomerization cycle has to be very fast in molecular motors and real-time optical information processors; on the other hand, molecular switches used for memory- and energy-storage devices must have long-living high-energy states. Another important parameter of molecular switches triggered by light irradiation (photoswitches) is the position of absorption maxima. For example, for medicinal applications, the desired absorption maximum must lie in the region where the irradiating light is not harmful but, at the same time, penetrates tissues on the order of millimeters (“therapeutic window
The student will investigate new types of photoswitches and the role of non-covalent interactions by a combination of NMR spectroscopy and DFT calculations.