Sloučeniny funkcionalizované pomocí kyseliny boronové a s nimi souvisejících materiálů jsou vysoce aktuální téma. Interakce kyseliny boronové s diolem je kovalentní a zahrnuje rychlou a reverzibilní tvorbu cyklického esteru boronátu. Proto jsou kyseliny boronové použity v různých funkčních materiálech i jako rozpoznávací skupina při detekčních schématech, v nichž kyselina boronová váže dioly, biomolekuly obsahující diol nebo anionty. Shrnuto dohromady, používají se jako chemické senzory a nástroje např. pro zdravotní diagnostiku.

Podobně i výskyt ferocenu v polovině 20. století způsobil převrat v organometalické chemii. Od té doby jsou feroceny předmětem intenzivního výzkumu díky svým vlastnostem, perspektivním funkcím a bohatosti a snadnosti jejich úprav do nových funkcí. To vede k uplatnění v různých oblastech, jako jsou optická a redoxní zařízení, baterie, analytické detekční postupy, asymetrická a enantioselektivní katalýza a medicína. I když někdy jsou tato uplatnění zpočátku nečekaná.

Organický chemik musí být zapálen pro vytváření nových chemických látek podle jeho vlastní inspirace.

Spojíme-li témata předchozích odstavců dohromady, jedním z hlavních cílů mé práce bylo zpočátku prozkoumat a rozvinout oblast senzorů a hlavně prób obsahujících kyselinu boronovou, zejména s elektrochemickou částí, která má redoxní vlastnosti. V souvislosti s vývojem a přípravou nových prób je zřejmé, že všichni organičtí chemici musí být zapáleni pro vytváření nových chemických látek podle jejich vlastní inspirace, což sedí i na mě. Má vášeň pro organometalickou syntézu vznikla během bakalářských elektrochemických studií, když jsem začal pracovat s aminoferocenem. Od té doby jsem většinu mé práce věnoval mechanistickým aspektům interakcí boronových kyselin v obecnosti.

Při sledování přístupů, které jsme použili k zodpovězení mechanisticky zajímavých otázek fyzikálně-chemických popisů, však vyvstává otázka: Kolik lidí se skutečně zajímá o tak malý „kousek vědy“? To je důvod, proč bychom měli přejít od používání syntetických receptorů jako mechanistických prób k používání těchto receptorů pro skutečný analyticky-detekční účel (v angličtině to je jednoduše sensing). Parafrázováno, nutnost přejít ke skutečnému využití je žádoucí i v případě, že slova receptor, próba a senzor jsou nahrazeny jinými druhy molekul a přístupů – příkladem mohou být chytré materiály plnící různé úkoly a zároveň reagující na různé podněty a jejich využití v (nano)medicínských terapiích jako (pro)léčiva. Proto dalším cílem mé práce zůstává sledovat a držet se nejmodernějšího state-of-the-art výzkumu kolem kyseliny boronové a ferocenu a navrhnout možné oblasti výzkumu pro další studie v blízké budoucnosti. Některé relevantní informace lze nalézt v záložce Moje vědecké zájmy.

Mezioborový přístup vedoucí k řešení má obrovský význam.

Zde má mezioborový přístup obrovský význam. Domnívám se, že bychom měli přesně znát fyzikálně-chemické pozadí procesů a reakcí, abychom porozuměli biochemickým, biologickým a jiným důsledkům v aplikacích a abychom byli schopni navrhnout a řídit robustnější a vylepšené funkční molekuly a systémy.

Posoudím-li již vykonanou práci, během doktorandského studia jsem pracoval v podstatě na jedné velké a dvou menších oblastech - syntéze a elektrochemii ferocenyl-iminoboronátů (1), syntéze, elektrochemii a analytickém využití diferocenylborinové kyseliny (2) a elektrochemii samotného aminoferocenu (3).

Nasyntetizovali jsme a fyzikálně ocharakterizovali tři nové elektroaktivní iminoboronáty. Reaktivita ortho regioisomeru byla odlišná od odpovídajích derivátů meta a para. Reakční cesta od primárního aminu přes meziprodukt hemiaminal k formě iminu byla odhalena pomocí elektrochemických měření. Ortho-iminoboronát v roztocích prochází různými rovnováhami. Byl tak popsán intramolekulární elektronový přenos a elektrochemicky usnadněná interakce O-nukleofilů s iminovou skupinou. Molekula protického rozpouštědla (voda, methanol atd.) se může navázat na imin v závislosti na redoxním stavu připojeného ferocenylu v ortho-iminoboronátu. Interakce B-N a proton-spřažený intramolekulární elektronový přesun tedy pomáhají stabilizovat hemiaminalovou formu meziproduktu, a to v podstatě "na požádání" (on-demand). V poslední fázi dochází ke kontrolovanému rozkladu struktury zpět na reaktanty v přítomnosti NaCl, který interaguje jako iontový pár s ortho-iminoboronátem. Některé ferrocenyliminoboronátové deriváty byly nakonec otestovány na cytotoxicitu na nádorových buňkách.

Také jsme připravili a fyzikálně popsali kyselinu diferocenylborinovou. Její borinová vazba mezi dvěma propojenými redoxními centry (ferocenyly) je zajímavá z hlediska analytického využití této sloučeniny jako próby pro nukleofily. Využili jsme novou modifikační techniku elektrod, imobilizaci kyseliny borinové na povrchu elektrody modifikované 2D-titanovými nanodestičkami.

V případě aminoferocenu elektrochemicky cyklovaném v pufrovaném a zejména v nepufrovaném vodném roztoku byly nakonec odhaleny nečekané skutečnosti. V nepufrovaných roztocích lze odhalit dvě diskrétní formy aminoferocenu. V kyselém prostředí lze navíc pozorovat souvislý posun jeho redoxních párů od vyšších k nižším potenciálům podle pH. Proto bylo jako metoda zavedeno přesné stanovení nebo alespoň dosud nejlepší odhad disociační konstanty pro nestabilní a in situ generované formy látek (redukované nebo oxidované formy protonovatelného analytu). Současně tedy byly tyto konstanty z elektrochemických měření pro aminoferocen vypočteny.

Pojďme se ještě zamyslet nad spojením mechanismů molekulárních přepínačů a části kyseliny boronové jako funkční skupiny do nových redoxních materiálů schopných vykonávat funkce a odpovídat na stimuly. Většina studií na molekulárních přepínačích je obvykle prováděna ex situ s izolovanými formami látek. Je však třeba reálně uskutečnit in situ přepínání. Formy přepínačů jsou navíc spojeny s různými reaktivitami a jejich populace je určována působícím stimulem. Je třeba zvýšit celkovou účinnost, spolehlivost a robustnost chemického procesu řízeného těmito podněty. Důležité je také navrhnout přepínací systém, kde budou všechny nechtěné vedlejší reakce účinně potlačeny nebo v ideálním případě úplně vypnuty. Takové systémy by se mohly stát miniaturními molekulárními stroji se schopností sestavovat se do chemických struktur s funkcemi.

Použití boronové kyseliny jako spojky nebo spínače v léčivu představuje efektivní strategii kontroly uvolňování léčiva jako reakci na daný stimul.

Je patrné, že mnoho materiálů na bázi boru má velký potenciál pro využití v biomedicíně. Jejich kinetika dopravování a uvolňování v určitém místě může být sofistikovaně kontrolována přesně tak, jak je navrženo. Použití kyseliny boronové jako chemické spojky mezi místy jedné molekuly nebo spouštěče navazujících procesů představuje účinnou strategii kontroly uvolňování léčiva jako reakci na určité množství např. reaktivních kyslíkových forem zvýšených v určitých buňkách a tkáních. Intenzivní syntetické úsilí by mělo vést k tomu, že nové struktury budou těžit ze svých neobvyklých fyzikálně-chemických vlastností a budou si uchovávat zanedbatelné vedlejší účinky jako (pro)léčiva. Mnohé z popsaných vědeckých témat jsou vysoce aktuální, avšak jsou stále v plenkách. Jsem si jist, že pokračující výzkum v příštích letech ukáže jejich sílu.