Development of Coordination Polymers Using Natural Products

Mahya Asgharian Marzabad, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Dynamický obor supramolekulární chemie – situovaný na křižovatce materiálové vědy, organické a anorganické chemie, zaznamenal v posledních desetiletích významný pokrok. Supramolekulární chemie ve svém jádru zkoumá komplexní síť nekovalentních interakcí, které řídí molekulární samouspořádání a poskytují uspořádané funkční struktury. V tomto rámci nabízí metalosupramolekulární chemie, která studuje interakce a samoskladné procesy kovových iontů a koordinačních ligandů, obzvláště slibnou cestu pro vývoj materiálů se zvýšenou funkčností, dynamickou adaptabilitou a vlastnostmi přizpůsobenými potřebám. Tato práce zkoumá synergické využití přírodních sloučenin a jejich derivátů při návrhu a vývoji inovativních metalosupramolekulárních materiálů. Výzkum je rozdělen do tří projektů, z nichž každý přispívá do oboru odlišnými poznatky o výrobě materiálů a jejich potenciálních aplikacích. První projekt s názvem „Supergelátory na bázi kyseliny listové: Mechanicky robustní samoopravitelné metalogely“ zkoumá kooperativní skládání kyseliny listové a různých kovových solí. Výsledné metalogely vykazují pozoruhodnou mechanickou pevnost a samoopravitelné vlastnosti. Tato studie poskytuje mechanistický vhled do gelace a zdůrazňuje potenciální materiálové aplikace. Druhý projekt s názvem „Mikročástice na bázi kyseliny listové“ zahrnuje skládání kyseliny listové, kyseliny tereftalové a kovových iontů za účelem výroby mikročástic se zlepšenými funkčními vlastnostmi. Tyto biokompatibilní struktury podtrhují všestrannost kyseliny listové jako udržitelného zdroje při vývoji materiálů vhodných pro podávání léčiv. Třetí projekt s názvem „Zapouzdření a biologické studie bioaktivních komplexů ruthenia(III) v metal-organických sítích na bázi cyklodextrinu (CD-MOF)“ zkoumá začlenění komplexů Ru(III) do CD-MOF-1. Tato studie hodnotí jejich stabilitu, účinnost zapouzdření a řízené uvolňování, stejně jako jejich cytotoxicitu a potenciální protirakovinné účinky. V celé této práci integrace přírodních, netoxických složek, jako je kyselina listová, γ-cyklodextrin a kyselina tereftalová, do metalosupramolekulárních systémů propůjčuje biokompatibilitu, udržitelnost a jedinečné funkční vlastnosti. Zaměření na koordinačně řízené samoskládání demonstruje sílu a flexibilitu metalosupramolekulární chemie při vytváření pokročilých materiálů pro širokou škálu aplikací, od podávání léčiv až po materiálové inženýrství. Tato práce přispívá k rozšiřující se oblasti supramolekulárního designu tím, že ukazuje, jak molekulární architektura a výběr komponent umožňují vývoj funkčních materiálů nové generace.

Abstract:

The dynamic field of supramolecular chemistry—positioned at the crossroads of materials science, organic, and inorganic chemistry—has witnessed significant progress in recent decades. At its core, supramolecular chemistry investigates the complex network of supramolecular (intermolecular) interactions that drive molecular self-assembly, yielding ordered, functional structures. Within this framework, metallosupramolecular chemistry, which studies interactions and self-assembly of metal ions and coordination ligands, offers an especially promising route for developing materials with enhanced functionality, dynamic adaptability, and tailored properties. This thesis explores the synergistic use of natural compounds and their derivatives in the design and development of innovative metallosupramolecular materials. The research is organized into three projects, each contributing to the field by distinct insights into material fabrication and their potential applications. The first project, "Folic-Acid-Based Supergelators: Mechanically Robust Self-Healing Metallogels," investigates the cooperative assembly of folic acid and various metal salts. The resulting metallogels exhibit notable mechanical strength and self-healing behavior. This study provides mechanistic insight into gelation and highlights potential material applications. The second project, "Folic-Acid-Based Microparticles," involves the assembly of folic acid, terephthalic acid, and metal ions to produce microparticles with enhanced functional properties. These biocompatible structures underscore the versatility of folic acid as a sustainable resource in the development of materials suitable for drug delivery. The third project, "Encapsulation and Biological Studies of Bioactive Ruthenium(III) Complexes in Cyclodextrin-Based Metal-Organic Frameworks (CD-MOFs)," examines the incorporation of Ru(III) complexes into CD-MOF-1. This study evaluates their stability, encapsulation efficiency, and controlled release, as well as their cytotoxicity and potential anticancer effects. Throughout this thesis, the integration of natural, non-toxic components such as folic acid, γ-cyclodextrin, and terephthalic acid into metallosupramolecular systems imparts biocompatibility, sustainability, and unique functional characteristics. The overarching focus on coordination-driven self-assembly demonstrates the power and flexibility of metallosupramolecular chemistry in creating advanced materials for a wide range of applications, from drug delivery to materials engineering. This work contributes to the expanding field of supramolecular design by showcasing how molecular architecture and component selection enable the development of next-generation functional materials.

Keywords

Klíčová slova, Supramolekulární chemie, metalosupramolekulární materiál, metal-organická síť (MOF), samoskladný proces, kyselina listová, ruthenium, doručování léčiv, mikročástice, cyklodextrin Keywords, Supramolecular chemistry, Metallosupramolecular Material, Metal-Organic Framework (MOF), Self-Assembly, Folic Acid, Drug Delivery, Microparticle, Cyclodextrin

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 20. 5. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 18. 6. 2025
• Vedoucí: prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.
• Oponent: Assoc. Prof. Ngong Kodiah Beyeh, PhD, Dr. Zoran Džolić

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Materiálová chemie