FKKT

Opis projekta

Anionske klastrne spojine bora, ABCC (borani, karborani in metalokarborani), so izstopajoči primeri tako imenovanih NANO-IONOV, saj nosijo negativen naboj in so hkrati (skoraj) nanometrske velikosti. Kljub temu, da nimajo zgradbe klasičnih površinsko aktivnih snovi, kažejo precej njihovih lastnosti. Tako se ABCC v vodnih raztopinah v veliki meri samourejajo, večinoma v micele ali vsaj ionske pare istoznačnih ionov, izrazit pa je tudi odboj med  nano-ioni in njihovimi proti ioni. Vnos heteroatomov, npr. ogljika, v karborane in prisotnost iona prehodnih kovin (Co, Fe in Ni v COSAN, FESAN, NISAN) privede do  novih lastnosti, ki zelo razširijo njihovo potencialno uporabnost.

Anionske klastrne spojine bora ponujajo številne aplikacije na različnih področjih. Nedavne ugotovitve [1] kažejo na izjemno raznolike lastnosti vodnih raztopin enostavnih  closo-boranov, kot je npr. dodekaborat. Njihovo asociacijo s ciklodekstrini so pojasnili s tako imenovanim  superkaotropnim efektom [2]. Dodekaboratni anion lahko deluje tudi kot "nano-ionsko" lepilo, kar pripisujejo  tvorbi jedro/lupina nanodelcev PEO-polikation diblok kopolimera, značilnega za površinsko aktivne snovi in hidrofobne ione [3]. Metalakarborane lahko obravnavamo kot neklasične površinsko aktivne snovi, nano-rotorje in stimul-odzivne  nano-ione. Kobaltov bis(dikarbolidni) ion, COSAN, ima zaradi izjemnih lastnosti ključno vlogo med vsemi metalaborani [4]. COSAN-ove soli v vodi micelizirajo in proces presenetljivo dobro lahko opišemo z modelom, ki je bil razvit za opis micelizacije klasičnih površinsko aktivnih snovi [5]. Karborani lahko tvorijo supramolekularne polimerne sklope, jih lahko uporabimo za pripravo različnih struktur [6]. Sinergija sodelovanja češko-slovenske ekipe se je že dokazala v raziskavi samourejanja  soli COSAN-a v različnih topilih, ki ga je preučeval češka skupina. Uporaba kompleksnega termodinamičnega modela za opis micelizacije s strani slovenske ekipe je uspešno rešila težave z analizo eksperimentalnih  kalorimetričnih podatkov [7].

Cilji

V predlaganem projektu bomo obravnavali procese samourejanja večkomponentnih surfaktantov in polielektrolitov  s kovalentno vezanimi nano-ioni (borani in metalokarborani) v nanostrukture in polimerne materiale. Borovi klastri kot nano-ioni naj bi doprinesli k novim fizikalnim lastnostim, kot so amfifilnost, kaotropičnost, amfidinamični značaj in ionska prevodnost ter h kemijski funkcionalnosti, kot so  redo/ox  lastnosti (COSAN, FESAN) in  odzivnost eksoskeletnih substituentov (Bronstedova in Lewisova kislost). V ta namen  bomo sintetizirali površinsko aktivne snovi in ​​polielektrolite na osnovi različnih vrst eksoskeletnih substituent v anionskih klastrnih spojinah bora. Tako dobljeni sistemi bodo združili (i) amfifilnost boranovih in metalokarboranov klastrov, (ii) ionsko selektivnost PEG-veznikov, (iii) klasično hidrofobnost alifatskih verig, (iv) raznoliko gibljivost majhnih alkalijskih protiionov in (v) senzitivnost na majhne molekule eksoskeletnih substituentov. Priprava večkomponentnih nanomaterialov - osnovana na edinstvenih fizikalno-kemijskih lastnostih anionskih klastrnih spojin bora - bo privedla do novih površinsko aktivnih snovi in polielektrolitov, ki bodo predmet preučevanja zmožnosti samourejanja,  ionske prevodnosti in zaznavanja majhnih molekul.

Izvedba/Faze projekta

Projekt se izvaja na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo v Ljubljani (fizikalno-kemijska karakterizacija nanostruktur s pomočjo računalniškega modeliranja, kalorimetrije in metod sipanja) in na  Naravoslovni fakulteti Karlove univerze v Pragi, Češka (sinteza, karakterizacija in design borovih klastrov).

1.  Model agregacije metalkarboranov v vodi, inducirane s protiioni, smo preučevali s kalorimetrijo, kvantnokemijskimi izračuni in simulacijami molekularne dinamike na natrijevem 3,3’-kobalt(III) bis(1,2-dikarbolidu) (NaCOSAN).

Predlagali smo nov pristop pri obravnavi samourejanja anionskih borovih klastrov, ki je podobno obnašanju polioksometalatnih nanoionov. Ključni predpogoj za vezavo protiionov na agregate je izjemno neenakomerna porazdelitev naboja kobaltovih bis(dikarbolidnih) klastrov, hkrati pa se mora velikost protiionov prilegati v praznine med metalkarboranskimi klastri znotraj agregata (slika 1).

Tako se oblikujejo kompaktni pentameri z dvema vezanima (Coulombovo interakcija) natrijevima kationoma. Tega obnašanja namreč ni možno razložiti samo s hidrofobnim efektom, kot je bilo v literaturi dosedaj privzeto. Pentameri se lahko združijo v večje nanostrukture prek drugega mehanizma združevanja, ki osvetljuje kompleksno obnašanje metalkarboranov v vodi.

Rezultate te raziskave smo objavili v članku Counterion-Induced Aggregation of Metallacarboranes.

Slika 1. Predlagana najugodnejša konfiguracija pentamernega agregata NaCOSAN: a) pentamer, kjer je klaster COSAN modeliran z elipsoidom z negativnim nabojem na površini v osrednjem delu COSAN in natrijev kation kot rdeče kroglice, b) ista konfiguracija, kjer so elipsoidi nadomeščeni z anionskimi klastri COSAN, pridobljenimi s kvantmehanskimi izračuni  z barvnim kodiranjem: B (roza), C (črna), H (siva), Co (modra) in Na (rdeča).

 

2.  Sintetizirali smo nove površinsko aktivne snovi – amfifilni ion z obsežno dianionsko closo-dodekaboratno glavo, kratkim di(oksietilenskim) veznikom in hidrofobnim alkoksi »repom« z različno dolžino (12 ali 14 C atomov, Na₂[B₁₂H₁₁-(OCH₂CH₂)₂-O-Cx], x = 12, 14) . Samourejanje v vodnih raztopinah smo raziskovali z meritvami površinske napetosti, dinamičnega sipanja svetlobe (DLS), ozkokotnim sipanjem rentgenskih žarkov (SAXS), kriogeno transmisijsko elektronsko mikroskopijo (cryo-TEM), NMR spektroskopijo, MD simulacijami, ITC in termodinamskim modeliranjem procesa micelizacije.

Ugotovili smo, da se monomere v vodi najprej združijo v (relativno majhne) micele, z naraščajočo koncentracijo površinsko aktivne snovi pa agregacijsko število pada, kar je za proces micelizacije precej nenavadno.

Rezultati termodinamske analize kažejo na kompleksno soodvisnost med stopnjo vezanih natrijevih ionov na površini micel in agregacijskim številom. Različne micele, ki se razlikujejo po velikosti in vezavi protiionov, lahko (so)obstajajo v raztopini v širokem koncentracijskem in temperaturnem območju. Izkazalo se je, da model dvostopenjske micelizacije, ki smo ga uspešno uporabljali pri »klasičnih« surfaktantih, za opis teh micel ni primeren, zato je bil za opis obravnavanega procesa za oceno termodinamskih parametrov razvit in prvič uporabljen tristopenjski termodinamski model.

Rezultate smo objavili v članku z naslovom »Closo-Dodecaborate-Based Dianionic Surfactants with Distorted Classical Morphology: Synthesis and Atypical Micellization in Water« v reviji Journal of Colloid and Interface Science (IF = 9.965).

 a)                                                                                

 

b)

Slika 2. a) Koncentracijska odvisnost radija Na₁₂[B₁₂H₁₁-(OCH₂CH₂)₂-O-C₁₂] micel, določena z uporabo različnih metod; b) posnetek MD simulacije teh micel pri koncentraciji  100 mM;  atomi so označeni z B – oranžno, O – rdeče, C – zeleno, Na – modro barvo; atomi H so zaradi jasnosti izpuščeni.

3. 

Določili smo molske prevodnosti razredčenih raztopin kalijevega kobalt(III) bis(1,2-dikarbolida) (K[COSAN]) v metanolu (MeOH), acetonitrilu (MeCN) in dimetil sulfoksidu (DMSO) v  pri različnih temperaturah (278.15 K – 308.15 K v MeOH, 278.15 K – 318.15 K v   AN  in 293.15 K – 318.15 K v DMSO). Eksperimentalne  podatke smo analizirali z uporabo

Barthelovega kemijskega modela za obravnavo molske prevodnosti razredčenih raztopin (»low concentration Chemical Model, lcCM«), in tako pridobili  vrednosti molskih prevodnost pri neskončnem razredčenju ter konstante asociacije ioniov za K[COSAN]  v vseh topilih.

Iz temperaturne odvisnosti konstant asociacije smo ocenili termodinamske parametre (standardna prosta entalpijo, entalpijo in entropijo) za proces tvorbe ionskih parov v raztopinah. Ugotovili smo, da je asociacija ionov  najbolj izrazita v MeOH in MeCN, medtem, ko je v DMSO zelo šibka. Proces je vseh topilih  endotermen in ga spremlja povečanje entropije. Te rezultate smo potrdili tudi s simulacijami molekularne dinamike (MD) ter z  meritvami razredčilnih entalpij raztopin K[COSAN] v teh z uporabo izotermne titracijske kalorimetrije (ITC)

Rezultate smo objavili v članku z naslovom »Thermodynamics of the ion association of potassium cobalt(III) bis (1,2-dicarbollide) in acetonitrile, methanol and dimethyl sulfoxide« v reviji Journal of Molecular Liquids (IF = 6,0).

4.

S pomočjo NMR spektroskopije, izotermne titracijske kalorimetrije, tenziometrije in simulacij molekulske dinamike smo primerjali sposobnost agregacije dveh anionskih metalokaboranskih klastrov: kobalt(III) bis(1,2-dikarbolid) (COSAN) in železo(III) bis(1,2-dikarbolid) (FESAN) v vodnih raztopinah. Zaradi močnega paramagnetnega učinka FESAN-a smo ga uporabili kot sondo v mešanih agregatih COSAN/FESAN, da bi bolje razumeli njihovo strukturo in dinamiko.

Izračuni so potrdili, da tako COSAN kot  FESAN klastri težijo k tvorbi majhnih agregatov z vezanimi natrijevimi protiioni. Prav tako je bilo potrjeno, da sta tako COSAN kot FESAN zmerno površinsko aktivna, pri čemer površinska aktivnost monotono upada tudi nad kritično koncentracijo agregacije. Vse uporabljene tehnike so potrdile, da sta agregacijski proces in struktura agregatov COSAN, FESAN ter njunih mešanic praktično enaki in je torej FESAN učinkovita paramagnetni spojina.

Podrobna paramagnetna NMR študija je pokazala, da je dinamika agregatov glede na izmenjavo klastrov zelo hitra. Sicer paramagnetni indukcijski premiki niso omogočili dokončnega vpogleda v strukturo agregatov zaradi hitrega povprečenja, a je raziskava paramagnetnih relaksacijskih ojačitev jasno pokazala, da so CH1,2 in CH1′,2′ skupine metalakaboranskih grozdov v cisoidni konformaciji prednostno usmerjene proti notranjosti agregatov, pri čemer sta  rotacija in dinamika omejeni.

Rezultate smo objavili v članku z naslovom Aggregation of metallacarborane mixtures in aqueous solutions: Iron bis(1,2-dicarbollide) as paramagnetic probe in aggregates of diamagnetic cobalt bis(1,2-dicarbollide) v reviji Journal of Molecular Liquids (IF = 5,3).

5. 

Član projektne skupine, Mariusz Uchman s Karlove univerze v Pragi, je sodeloval pri raziskavi, ki obravnava vgradnjo metalokarboranov v polimerne materiale.

Modelno zdravilno učinkovino, sestavljeno iz metalokarboranskega klastra, konjugiranega s fenilboronsko kislino, so s pomočjo reverzibilne interakcije med dioli in fenilboronsko kislino povezali z diblok kopolimerom ter preučevali vpliv zdravilne učinkovine na lastnosti nastalih nanodelcev.

Obsežna izvedena študija poudarja ključni pomen natančne sinteze in strukturne napovedi pri razvoju biološko razgradljivih diblok kopolimerov. Pridobljeni vpogledi v njihovo sintezo, kinetiko in mehanizme samourejanja so dragoceni za razvoj naprednih sistemov za dostavo zdravil.

Rezultati so objavljeni v članku z naslovom  Tailoring polyester-based diblock copolymers for boron-enhanced drug delivery: synthesis, kinetics, and nanoparticle characterization v reviji Polymer Chemistry (IF = 4,1).

 

6.

Člani projektne skupine na češki strani Zdeněk Tošner, Mariusz Uchman in Pavel Matějíček so skupaj s sodelavci sodelovali pri raziskavi,  , ki obravnava pripravo elektrostatskih hidrogelov z vgradnjo metalokarboranov v triblok kopolimere. 

Kationski triblok kopolimeri PGEA–PEO–PGEA se so-samourejanjem z dianionskimi klastrovi closo-dodekaborata organizirajo v nanostrukture, v katerih imajo domene PGEA/closo-dodekaborata premer približno 10–15 nm. Micele so bile opažene le v zelo razredčenih sistemih, dinamični značaj domen pa se je izražal v nastanku večjih delcev, sestavljenih iz več domen, povezanih s PEO-mostovi. 

Velikost nanogelskih delcev se je postopoma povečevala z naraščajočo koncentracijo vzorca, kar je vodilo do makroskopske gelacije raztopin. Analiza SAXS je razkrila, da se z naraščajočo koncentracijo vzorca spreminja tudi oblika domen, pri čemer se izolirani kratki cilindri združujejo v zvezno fazo v gelastih vzorcih. Reološke meritve so pokazale, da ima dolžina blokov PGEA, ki tvorijo domene, pomemben vpliv na mehanske lastnosti gelov, pri čemer daljša dolžina blokov vodi do močnejših in bolj gelastih sistemov. 

 

Članek z naslovom  Boron-Rich Soft Hydrogels Based on the Coassembly of Cationic A-B-A Triblock Copolymers with Closo-Dodecaborate je objalvjen v reviji Macromolecules (IF = 5,2)

 

7. 

Za raziskave vpliva alkalijskih protiionov na samoorganizacijo netipičnih dianionskih surfaktantov, smo sintetizirali serijo novih amfifilnih spojin z voluminozno dianionsko glavo na osnovi closo-dodekaborata in hidrofobnim alkoksi repom, povezanim prek kratkih povezovalnih enot z različno sposobnostjo kompleksacije alkalijskih kationov. 

Samourejanje  dodekaboratnih surfaktantov na meji zrak–voda in v vodnih raztopinah smo preučevali s tenziometrijo, različnimi tehnikami NMR spektroskopije, dinamičnim sipanjem svetlobe ter simulacijami molekularne dinamike (MD) na atomskem nivoju. 

Izkazalo se je, da kljub dianionskim glavam surfaktanti v primerih učinkovite vezave protiionov na dianionske surfaktante tvorijo kompaktne monoplaste. MD simulacije nakazujejo nastanek relativno majhnih micel nad kritično micelno koncentracijo, kar je bilo potrjeno z meritvami sipanja svetlobe. Gibljivost protiionov smo neposredno spremljali z NMR spektroskopijo izotopov ⁷Li, ²³Na, ³⁹K in ¹³³Cs. 

Ugotovili smo, da sta narava protiionov in njihova  kompleksacija s povezovalnimi enotami ključna dejavnika ne le za površinsko aktivnost, temveč tudi za micelizacijo novih surfaktantov v vodi.

 

 

Rezultate smo objavili v članku z naslovom Tuning the Surface Activity and Micellization of closo- Dodecaborate-Based Dianionic Surfactants via Linker and Counterion Selection v reviji Langmuir (IF = 3,9).

 

 Članek je bil predstavljen tudi  na naslovnici: 

https://pubs.acs.org/toc/langd5/41/48 

 

 

 

Reference

1. K. I. Assaf, M. S. Ural, F. F. Pan, T. Georgiev, S. Simova, K. Rissanen, D. Gabel, W. M. Nau, Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 6852.
2. KI Assaf, WM Nau, Angew Chem Int Ed 2018, 57, 13968.
3. J. Li, O. Janouskova, R. Fernandez-Alvarez, S. Mesikova, Z. Tosner, S. Kereiche, M. Uchman, P. Matejicek, submitted manuscript.
4. MF Hawthorne, JI Zink, JM Skelton, MJ Bayer, C Liu, E Livshits, R Baer, D. Neuhauser, Science, 2004, 303, 1849.
5. P Matejicek, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2020, 45, 97.
6. JG Planas, C Vinas, F Teixidor, A Comas-Vives, G Ujaque, A Lledos, ME Light, MB Hursthouse, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 15976.
7. R. Fernandez-Alvarez, Z. Medos, Z. Tosner, A. Zhigunov, M. Uchman, S. Hervo-Hansen, M. Lund, M. Bešter-Rogač, P. Matejicek, Langmuir 2018, 34, 14448.