velikost textu

Porphyrin-based porous frameworks

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Porphyrin-based porous frameworks
Název v češtině:
Porfyrinové porézní struktury
Typ:
Disertační práce
Autor:
Bc. Jan Hynek
Školitel:
Ing. Kamil Lang, CSc.
Oponenti:
Doc.PharmDr. Petr Zimčík, Ph.D.
doc. RNDr. Roman Dědic, Ph.D.
Konzultanti:
RNDr. Mgr. Jan Demel, Ph.D.
doc. RNDr. Jiří Mosinger, Ph.D.
Id práce:
149822
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra anorganické chemie (31-240)
Program studia:
Anorganická chemie (P1401)
Obor studia:
-
Přidělovaný titul:
Ph.D.
Datum obhajoby:
15. 3. 2019
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Abstrakt:
Abstrakt Porézní materiály tvoří rozsáhlou skupinu zahrnující metaloorganické sítě (MOFy), kovalentní organické sítě (COFy) nebo konjugované mikroporézní polymery (CMP). Porézní struktury jsou studovány zejména jako materiály pro uskladnění a separaci plynů, katalyzátory, senzory, materiály pro distribuci léčiv, čištění vody, mikroelektroniku atd. Výsledky prezentované v disertační práci dokládají, že porézní struktury se zabudovanými fotoaktivními molekulami porfyrinů ve struktuře jsou fotosenzitizátory singletového kyslíku, O2(1g), a mohou být využity pro fotodynamické aplikace, např. pro přípravu antimikrobiálních povrchů nebo organizovaných struktur pro fotodynamickou terapii. Disertační práce představuje komplexní studii fotofyzikálních vlastností porfyrinových CMP a COFů a poprvé ukazuje možnost využití porfyrinových COFů pro fotodynamickou inaktivaci mikroorganismů. Porfyrinové CMP byly připraveny pomocí Suzukiho-Miyaurovy spojovací reakce a porfyrinové COFy byly připraveny pomocí Schiffovy kondenzace. Materiály byly charakterizovány infračervenou spektroskopií a NMR spektroskopií v pevné fázi. Porozita materiálů byla studována měřením adsorpce N2. Porfyrinové CMP jsou mikroporézní s velikostmi pórů od 1.4 do 2.1 nm a specifickými povrchy dosahujícími až 624 m2 g-1. Naproti tomu porfyrinové COFy jsou pouze částečně mezoporézní se specifickými povrchy v řádu desítek m2 g-1. Póry o průměru 7 – 9 nm v nich mají širokou distribuci a jejich původ je ve strukturních defektech spíše než v přítomnosti organizovaných dutin ve struktuře. Oba typy porézních struktur vykazují vysokou chemickou stabilitu a produkují O2(1g). Materiály s 3D topologií obecně produkují O2(1g) s vyšší účinností než materiály s 2D topologií. Větší vzdálenost mezi porfyrinovými jednotkami vede k vyšší produkci O2(1g). Produkce O2(1g) je v případě CMP a COFů 3 – 5x vyšší, než bylo prokázáno v případě porfyrinových MOFů (MOF-525, PCN-222 nebo Al- TPPC MOF), což je ovlivněno především přítomností –OH skupin v MOFech, které účinně zháší vznikající O2(1g). Na druhé straně přítomnost polárních –NH2 skupin na povrchu COFů zlepšuje přilnavost bakterií a umožňuje přípravu antibakteriálních povrchů. Tyto povrchy při ozáření modrým (460 nm) či zeleným (525 nm) světlem účinně potlačují růst biofilmů bakterií Pseudomonas aeruginosa a Enterococcus faecalis (Obrázek 1). Porfyrinové COFy jsou tudíž vhodnými materiály pro přípravu antibakteriálních povrchů. Obrázek 1. Syntéza porfyrinových COFů a jejich použití pro fotodynamickou inaktivaci mikroorganismů. Fosfinové kyseliny jsou vhodnými stavebními jednotkami pro přípravu stabilních MOFů. Druhá část disertační práce je proto věnována syntéze nových derivátů tetrafenylporfyrinu s těmito funkčními skupinami s výhledem jejich využití pro přípravu MOFů. Zavedení funkčních skupin –PR(O)OH umožňuje ladění vlastností molekul pomocí změny substituentů na atomech fosforu. Byly syntetizovány tři porfyrinové fosfinové kyseliny substituované methylovou, fenylovou a isopropylovou skupinou. Analýzou dob života tripletových stavů, kvantových výtěžků O2(1g) a dob života O2(1g) bylo zjištěno, že provedená substituce na tyto charakteristiky nemá vliv. Na druhou stranu jiné vlastnosti jsou substitucí ovlivněny, např. tendence k agregaci, hydrofobicita nebo afinita k sérovému albuminu. Isopropylové substituenty jsou nejvhodnější k potlačení agregace, zatímco porfyrin s fenylovými substituenty je nejvíce hydrofobní a vykazuje nejvyšší afinitu k sérovému albuminu. Tyto charakteristiky silně ovlivňují chování porfyrinů v biologických systémech. Buněčný příjem měřený na nádorových HeLa buňkách je nejvyšší v případě porfyrinu s isopropylovými substituenty. Tento derivát je též buňkami zachytáván více než karboxylovaný nebo sulfonovaný porfyrin. Testy fototoxicity připravených porfyrinů na HeLa buňkách ukázaly zásadní rozdíly. Porfyrinová fosfinová kyselina s isopropylovými substituenty má nejvyšší fotodynamickou účinnost, zatímco její methylový analog je zcela neaktivní. Porfyrin s isopropylovými substituenty má navíc vyšší fototoxicitu než karboxylovaný nebo sulfonovaný derivát (Obrázek 2). Disertační práce ukazuje, že porfyrinová fosfinová kyselina s isopropylovými skupinami se nejvýrazněji akumuluje v buňkách, má největší retenci, a proto vykazuje nejvyšší fotodynamickou účinnost. Ačkoliv snahy o přípravu MOFů založených na porfyrinových fosfinových kyselinách nebyly úspěšné, byla prokázána možnost jejich navázání na nanočástice MOFů. Ve výsledných nanokompozitech je zachována fotodynamická aktivita porfyrinů. Bylo prokázáno, že porfyrinové fosfinové kyseliny a jejich nanokompozity jsou vhodné pro využití ve fotodynamické terapii, neboť jejich fotodynamická účinnost může být jednoduše laděna substitucí na atomech fosforu. Obrázek 2. Fotodynamická aktivita nejúčinnější porfyrinové fosfinové kyseliny s isopropylovými substituenty (vpravo) porovnaná s karboxylovaným (uprostřed) a sulfonovaným (vlevo) porfyrinem, stanoveno na nádorových HeLa buňkách.
Abstract v angličtině:
Abstract Porous frameworks are a class of materials including metal-organic frameworks (MOFs), covalent organic frameworks (COFs) or conjugated microporous polymers (CMPs). Porous frameworks are widely studied as materials for gas storage and separation, catalysis, sensing, drug delivery, water purification, microelectronics, etc. The results presented in the Thesis document that porous frameworks with photoactive porphyrin molecules incorporated in the structure are photosensitizers of singlet oxygen, O2(1g), and can be used for photodynamic applications including the construction of antibacterial coatings and of organized structures for photodynamic therapy. The Thesis presents a complex study of photophysical properties of porphyrin-based CMPs and COFs and, for the first time, demonstrates the application of porphyrin-based COFs for photodynamic inactivation of microorganisms. The CMPs and COFs were prepared by Suzuki-Miyaura cross-coupling and Schiff base formation, respectively. The materials were characterized by IR and solid-state NMR spectroscopy. The porosity of the materials was determined via N2 adsorption. The CMPs are microporous with pore sizes varying from 1.4 to 2.1 nm and with specific surface areas up to 624 m2 g-1. On the other hand, the porphyrin-based COFs are only slightly mesoporous with a specific surface area of tens m2 g-1. The pores with 7 – 9 nm in diameter have a broad distribution and are attributed to structural defects rather than to organized structural voids. Both types of porous frameworks show good chemical stability and efficient production of O2(1g). In general, the materials with the 3D topology have higher O2(1g) production efficacy than those with the 2D topology, and a longer porphyrin-porphyrin distance in the structure leads to higher O2(1g) yields. The yields of O2(1g) achieved with CMPs and COFs are 3 – 5 times higher than those of porphyrin-based MOFs (MOF-525, PCN-222 and Al-TPPC MOF), mainly due to the presence of –OH groups in MOFs, which effectively quench the produced O2(1g). The presence of polar –NH2 groups on the surface of the prepared COFs improves bacteria adhesion and enables the preparation of antibacterial coatings. The coatings effectively inhibit the growth of Pseudomonas aeruginosa and Enterococcus faecalis biofilms when irradiated with blue (460 nm) or green (525 nm) light (Figure 1). Hence, the porphyrinic COFs are suitable candidates for the design of antibacterial coatings. Figure 1. Synthesis of porphyrin-based COF and their usage for antimicrobial photodynamic inactivation. Phosphinic acids are promising building blocks for the construction of stable MOFs. The second part of the Thesis is devoted to the synthesis of novel tetraphenylporphyrin derivatives with phosphinic functional groups with perspective applications as linker molecules in MOFs. The introduction of phosphinic functional groups enables tuning of the properties of the molecule by varying the substituent on the phosphorus atoms. Three novel porphyrin phosphinic acids substituted with methyl, phenyl, or isopropyl groups were synthesized. The analyses of triplet state lifetimes, quantum yields of O2(1g) formation, and lifetimes of O2(1g) indicate that the peripheral substitution does not affect these characteristics. In contrast, the substitution does influence other properties, such as tendency towards aggregation, hydrophobicity, and affinity to serum albumin. Thus, the isopropyl substituents are the most suitable for aggregation suppression, whereas the porphyrin with phenyl substituents is the most hydrophobic and has the highest affinity to serum albumin. These characteristics have a strong effect on the behaviour of the porphyrins in biological systems. The cellular uptake, which was studied on cancerous HeLa cells, is the highest in the case of isopropyl- substituted porphyrin. This compound has also better retention in the cells than carboxylated or sulfonated porphyrins. The prepared porphyrins are phototoxic and the tests on HeLa cells showed significant differences. The isopropyl-substituted phosphinic porphyrin shows the highest photodynamic efficacy, whereas the methyl-substituted analogue is inactive at all. The efficacy of the isopropyl-substituted phosphinic porphyrin is also higher than that of carboxylated or sulfonated derivatives (Figure 2). The Thesis demonstrates that the porphyrin with isopropylphosphinic groups shows the highest cellular uptake, retention in cells, and the overall photodynamic efficacy. Although the attempts to prepare MOFs based on porphyrin phosphinic acids were not successful, it was possible to bind them onto MOF nanoparticles. The resulting nanocomposites retained the photodynamic activity. It was demonstrated that these porphyrins are attractive candidates for photodynamic applications since their photodynamic efficacy can be easily tuned by the substituent on the phosphorus atoms. Figure 2. Photodynamic efficacy of the most effective isopropyl-substituted phosphinic porphyrin (right) with carboxylic (middle) and sulfonic (left) porphyrins used for comparison, tested on cancerous HeLa cells.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Bc. Jan Hynek 2.98 MB
Stáhnout Příloha k práci Bc. Jan Hynek 6.16 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Bc. Jan Hynek 462 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Bc. Jan Hynek 453 kB
Stáhnout Autoreferát / teze disertační práce Bc. Jan Hynek 743 kB
Stáhnout Posudek oponenta Doc.PharmDr. Petr Zimčík, Ph.D. 626 kB
Stáhnout Posudek oponenta doc. RNDr. Roman Dědic, Ph.D. 156 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby 951 kB