
Materiały funkcjonalne
WIODĄCA DYSCYPLINA:
NAUKI CHEMICZNE
Zakres tematyczny:
szeroki zakres nowoczesnej chemii i fizyki
Kierunki studiów związane z POB:
Chemia
Rada Naukowa Priorytetowego Obszaru Badawczego Materiały funkcjonalne:
- prof. dr hab. Elżbieta Gumienna-Kontecka
- prof. dr hab. Marcin Stępień
- prof. dr hab. Anna Trzeciak
Badania mają charakter podstawowy, jednak ich wyniki stwarzają podstawy projektowania nowych materiałów. Przedmiotem badań są m.in. materiały luminescencyjne, magnetyki molekularne i materiały spin-crossover; materiały ferroiczne; materiały typu MOF, polimery koordynacyjne i hybrydy organiczno-nieorganiczne. Rozwijane są metody syntetyczne z wykorzystaniem katalizy, projektuje się i otrzymuje chromofory i fluorofory organiczne, związki elektroaktywne i półprzewodniki organiczne, ciekłe kryształy i polimery, a także związki biologicznie aktywne.
Najwybitniejsi Uczeni
Specjalista w zakresie chemii organicznej, szczególnie w obszarze chemii karbaporfirynoidów i metalokarbaporfirynoidów. Do najważniejszych osiągnięć zalicza okrycie konwersji benzenu do cyklopentadienu w kompleksach rodu(III) z m-benziporfiryna i p-benziporfiryna, syntezę 21-karba-23-tiaporfiryny oraz jej dimeru zawierającego równolegle przesunięte jednostki 21- karba-23 tiaporphyriny z wbudowanym fragmentem, dihydrofulwalenowym, metody racjonalnej syntezy fenantriporfirynoidów — karbaporfirynoidów z wbudowanym fragmentem fenantrenowym lub helicenowym, określenie struktury molekularnej oraz elektronowej paramagnetycznych kompleksów rutenu z karbaporfirynoidami, określenie wpływu konformacji metalocenu na delokalizację aromatyczną metalocenoporfirynoidów, syntezę mezo-tetraarylo-21-karbaporfiryny. Na podkreślenie zasługują rezultaty realizacji projektu Maestro, które doprowadziły do zasadniczej jakościowo zmiany w makrocyklicznej chemii metaloorganicznej. W szczególności zidentyfikowano grupę bezprecedensowych motywów makrocyklicznych (helicenoporfiryna, mezo-tetrarylo- 21-karbaporfiryna, 21-karba-23-tiaporfiryna) i koordynacyjnych (motyw rodacyklopropanu, 21- pallada-23-telluraporfiryna czy rutenocenoporfiryny a przede wszystkich kompleksy rodu(III) i złota(III) z 21-karbaporfiryna). Wykreowano modyfikowalne platformy molekularne, kreujące specyficzne metaloorganiczne otoczenia. Unikatowa, metaloorganiczna „matryca” dała szansę pułapkowania hipotetycznych stanów, postulowanych w mechanizmach procesów syntetycznych, także katalitycznych. Członek rzeczywisty PAN (od 2016), członek korespondent PAN (od 2004), w swoim dorobku posiada ponad 250 prac.
Specjalista w zakresie chemii fizycznej, szczególnie w obszarze projektowania i badania materiałów ferroelektrycznych. Najważniejszym osiągnięciem w ostatnich dziesięciu latach było zsyntezowanię i wykonanie charakterystyk fizykochemicznych 6-ciu nowych związków ferroelektrycznych należących do dwóch klas tj. halogenobizmutanów(III) i halogenoantymonianów (III) na bazie małych amin organicznych: (i) (C2N2H5)2SbCl5, (C5H5NH2)3Sb2Cl9, (NH2 =CH ? NH2)3Bi2I9 i (CH3CH2NH3)2BiCl5, (ii) bromowodorek diizopropyloaminy (DIPB) i diizobutyloaminy (DIBB). DIPB jest jednych z pierwszych przykładów prostego ferroelektryka molekularno-jonowego wykazującego bardzo dużą wartość polaryzacji spontanicznej (Ps), porównywalnej do tych w klasycznych ferroelektrykach tlenkowych. W związku z tym, że nie zawiera on metali ciężkich, jest materiałem alternatywnym dla silnie toksycznych ferroelektryków na bazie Pb. Z kolei DIBB jest pierwszym przykładem w literaturze ferroelektryka wykazującego tzw. ferroelektryczność „skośną” oraz właściwości elastyczne charakterystyczne dla kryształów z przejściami fazowymi martenzytycznymi, co jest unikatowe w kryształach niemetalicznych. Istotnym osiągnięciem była kompleksowa charakterystyka nowej grupy ferroelektryków organicznych, podstawionych pochodnych imidazolu, wykazujących unikatowe właściwości elastyczne (flexible organic ferroelectric) w ramach współpracy międzynarodowej (nieformalnej) z grupa Profesora Stoddart J. Frasera (noblista w dziedzinie chemii, 2016).
Specjalista w zakresie syntezy organicznej i w projektowaniu materiałów organicznych. Do najważniejszych osiągnięć należy zaliczyć rozwinięcie chemii syntetycznej związków aromatycznych i hetero aromatycznych: Metoda fold-in umożliwiająca syntezę zakrzywionych układów aromatycznych, Zsynchronizowane homosprzęganie, prowadzące do struktur aromatycznych o ekstremalnych nieprężeniach wewnętrznych, Modularna synteza donorowo-akceptorowych struktur pirolowych i oligopirolowych, Otwartopowłokowe makrocykle koronoidalne, Cylindrycznie skoniugowane struktury aromatyczne o nietrywialnych topologiach.
Specjalista w zakresie chemii koordynacyjnej i katalizy z udziałem związków metali przejściowych oraz nanocząstek metali. Najistotniejszym osiągnięciem było odkrycie efektu polegającego na zwiększeniu selektywności hydroformylacji w obecności wody, użytej jako rozpuszczalnik lub tylko dodatkowy składnik obok rozpuszczalnika organicznego. Ten wynik może być potencjalnie wykorzystany w procesie przemysłowym produkcji aldehydów. Do pozostałych najważniejszych osiągnięć należy wykazanie przydatności pirolilofosfin jako ligandów modyfikujących w hydroformylacji propenu i butenu-1 oraz innych węglowodorów nienasyconych, rozwinięcie strategii syntezy związków karbonylowych z grupami akrylowymi poprzez tandemowe sprzęganie Hecka z udziałem alkoholi allilowych jako substratów, Opracowanie efektywnego układu katalitycznego do jednoetapowej syntezy amidów i opisanie mechanizmu jego działania, zidentyfikowanie aktywnych form katalizatorów palladowych w reakcji Suzuki z udziałem kompleksów typu PEPPSI, zawierających w swoim składzie ligand NHC oraz pirydynę lub aminę. Poznanie mechanizmu reakcji jest kluczowe dla projektowania jeszcze bardziej wydajnych układów katalitycznych z tymi kompleksami, opracowanie nowych palladowych układów katalitycznych heterogenizowanych w materiałach typu MOF oraz charakterystyki ich budowy i sposobu działania, wykazania, że chiralne ciecze jonowe są dobrymi czynnikami indukcji asymetrycznej w reakcji sprzęgania Hecka i w niektórych przypadkach mogą zastąpić ligandy fosfinowe. Uzyskane wyniki dostarczają nowej wiedzy na temat modyfikującego wpływu cieczy jonowych i wskazują parametry, które decydują o zwiększonej aktywności takich układów.
Specjalista w zakresie projektowania i charakterystyki materiałów luminescencyjnych. Odkrycie, opisanie właściwości oraz wyjaśnienie mechanizmu funkcjonowania dwóch rodzin materiałów termoluminescencyjnych na bazie (i) Lu2O3 oraz (ii) LuPO4 i YPO4 aktywowanych odpowiednimi jonami lantanowców lub pierwiastków d-elektronowych. Pokazano m. in. możliwość celowej modyfikacji i zarządzania ich funkcjonalnością poprzez modyfikacje procesu technologicznego oraz modyfikacje składu matryc tak, by zmieniać energetyczny zakres pasma energii wzbronionej.
Najwybitniejsi Młodzi Uczeni
Najważniejsze osiągniecia to synteza fenantriporfiryny i ustalenie, ze makrocykl ten może być rozbudowywany na szereg sposobów, generując klasę rozszerzonych fenantriporfiryn — makrocykli o nietypowych właściwościach stereodynamicznych i reaktywności. Na prace w tym obszarze uzyskano finansowanie z NCN. Projekt jest realizowany w ramach grantu Sonata 13 (2017/26/D/ST5/00184). Istotne jest także odkrycie reakcji kontrakcji pierścienia fenylenowego wbudowanego w szkielet kompleksów palladu(II) oraz złota(III) para-benziporfiryny. Badania w tym obszarze były częściowo finansowane w ramach grantu Preludium I (2011/01/N/ST5/ 02557) z Narodowego Centrum Nauki.
Opracowanie metody pokrywania hydrofobowych nanoczastek warstwa SiO2. Osiągniecie to zostało docenione przez Fundacje na rzecz Nauki Polskiej i uhonorowane stypendium START.
Wyjaśnienie mechanizmu wiązania i koordynacji jonów metali przez transportery błonowe z rodziny ZIP — Nagroda Pulidori za dorobek naukowy, uhonorowanie wykładem oraz publikacją w czasopiśmie Włoskiego Towarzystwa Chemicznego — „International Symposium on Metal Complexes”, Pavia, Włochy, 8 – 12.06.2014. Wyniki opisane również w Journal of Inorganic Biochemistry, 2013.
Po stażu naukowym na uniwersytecie w Houston (University of Houston, USA) w grupie prof. Olafsa Daugulisa rozpoczął na Wydziale Chemii UWr nową tematykę związaną z aktywacją wiązania C–H na węglu o charakterze alifatycznym i aromatycznym. Kontynuacja współpracy z zespołem prof. Daugulisa po powrocie ze stażu zaowocowała publikacją, która ukazała się w roku 2018. Zasadnicza cześć dotychczas opublikowanych wyników syntetycznych w tematyce aktywacji C–H była zrealizowana w Houston. Grant badawczy NCN (2017/26/D/ST5/00112) uzyskany w 2018 r. pozwolił na kontynuację prac syntetycznych w szerokim zakresie we Wrocławiu.