Chemik z nieograniczoną wyobraźnią
„Od dendrymerów do makrocykli: eksploracja kowalencyjnych templatów w syntezie dużych struktur aromatycznych” to tytuł projektu dr. Marcina Majewskiego z Wydziału Chemii, na który w maju uzyskał ponad milion zł. z NCN, w ramach konkursu Sonata 18.
Dr Marcin Majewski – adiunkt, pracujący naukowo i dydaktycznie na Wydziale Chemii UWr, w swojej pracy badawczej zajmuje się m.in. syntezą i charakterystyką nowych układów węglowodorowych.
Dlaczego tak ważne dla chemików jest pozyskiwanie nowych, unikalnych cząsteczek? Nie wystarczy to co już mamy I znamy?
Dr Marcin Majewski: – Istotą całej nauki, w tym kierunków eksperymentalnych, jest poznanie (i wyjaśnienie!) tego, co jeszcze nieznane. Postęp cywilizacyjny od zawsze zależał od tych, którzy zadają sobie pytania typu: „co to jest?” i „dlaczego takie jest?”. Obecnie znamy miliony unikalnych związków chemicznych, wiele z nich szczegółowo opisanych, jednakże ciągle rozpościera się przed nami niezbadany ocean możliwości. Z jednej strony Natura przez miliony lat stworzyła wiele niesamowitych substancji, z których mnóstwo czeka jeszcze na izolację z organizmów żywych. Z drugiej jednak strony, dzięki narzędziom współczesnej syntezy chemicznej jesteśmy w stanie tworzyć materiały, które naturalnie nie występują. Możliwe, że jako pierwsi we Wszechświecie łączymy te atomy i cząsteczki w dany układ oddziaływań! W kontekście badań podstawowych wszystko, co nowe, może być potencjalnie interesujące, posiadać właściwości, których nie znajdziemy nigdzie indziej. W teorii ogranicza nas tylko wyobraźnia, choć oczywiście planując konkretne projekty mamy zwykle na uwadze potencjalne zastosowania naszych związków w medycynie czy technologii, lub też wyjaśnienie podstawowych procesów tam zachodzących.
Pośród wielu substancji chemicznych powstających na świecie każdego roku ich znaczącą część stanowią związki organiczne zawierające węgiel jako główny składnik. Co takiego jest w węglu czego nie ma w innych pierwiastkach?
– Przede wszystkim wynika to z samej jego natury – węgiel jest w stanie tworzyć mnóstwo połączeń między sobą jak i wieloma innymi pierwiastkami, wiązania te potrafią być różnej siły, układać się w unikalne przestrzennie układy. Nawet struktury z czystego węgla mogą się diametralnie od siebie różnić (pomyślmy o graficie i diamencie – fundamentalnie złożonych z tych samych atomów). Każda taka zmiana strukturalna niesie za sobą pewne zmiany właściwości materiałowych, czy to chemicznych, czy fizycznych. Drugim wielkim obszarem zainteresowań są oczywiście nauki biologiczne, gdyż węgiel stanowi jeden z podstawowych bloków budulcowych organizmów żywych, znajduje się w każdej naszej komórce, stanowiąc szkielet wszystkiego, od białek, poprzez cukry i tłuszcze, po enzymy.
Do tego typu eksperymentów niewątpliwie potrzebny jest specjalistyczny sprzęt. Czego używa Pan w pracy badawczej?
– Sama synteza organiczna wymaga głównie specjalistycznego szkła laboratoryjnego, które umożliwia pracę bez dostępu tlenu i wody, jednak badanie właściwości naszych związków to już inna historia. W znacznej mierze korzystamy tu ze sprzętu dostępnego w ramach Laboratoriów Wydziałowych na WCh, gdyż aparaty te potrafią nierzadko kosztować miliony złotych. Przykładem niech tu będzie badanie właściwości magnetycznych cząsteczek, które wykonujemy za pomocą spektroskopii Magnetycznego Rezonansu Jądrowego. Jest to specjalistyczna wersja znanych z medycyny urządzeń MRI. W naszym wypadku „obrazujemy” budowę cząsteczki dzięki interakcji określonych atomów np. wodoru z polem magnetycznym. Inne instrumenty i wiedza jak ich używać potrafią być na tyle unikalne, że szeroko wykorzystujemy także współpracę międzynarodową.
Pana projekt zakłada stworzenie templatów w charakterze dendrymerów, czyli rozgałęziających się struktur powstałych na drodze prostych i powtarzalnych procedur, szybko prowadzących do związków o znacznym rozmiarze. Do czego można to porównać? Do lego?
– Rzeczywiście analogia do klocków lego jest jak najbardziej słuszna, jednakże naszymi „klockami budulcowymi” są określone cząsteczki chemiczne o wielkości maksymalnie kilku nanometrów, tj. milionowych części metra. Aby prawidłowo je ze sobą połączyć potrzebujemy atomowej precyzji, choć wykonujemy nasze działania na skalę makroskopową, zwykle w roztworze, łącząc jednocześnie miliony cząsteczek. Stąd najważniejszą rolę pełnią odpowiednio dobrane i umieszczone na związkach tzw. grupy funkcyjne, które, tak jak wgłębienia i wypustki w klockach, pozwalają na łączenie poszczególnych fragmentów tylko w określone konfiguracje. Innym ważnym parametrem jest geometria bloków budulcowych („kształt klocków”), która faworyzuje powstawanie pewnych form przestrzennych kosztem innych. Często jednak „zapanowanie” nad procesem łączenia (i rozrywania) połączeń chemicznych nie jest łatwe, w wyniku czego otrzymujemy materiały o różnorodnej budowie, a co za tym idzie – nieoptymalnych dla danego celu właściwościach. W moim projekcie założyłem stworzenie serii dendrymerów, które dzięki swojej rozgałęzionej strukturze i odpowiednim doborze grup na końcach pozwolą „usieciowić” założone bloki budulcowe w takich pozycjach, aby po ich spięciu tworzyły się preferencyjnie duże struktury cykliczne. Dendrymery możemy porównać do gałęzi na drzewie, gdzie mamy większe konary, od których rozgałęziają się mniejsze, aż wytworzą pełną koronę. Wszystkie one są strukturalnie podobne, tworzą jednak w całości bardzo złożoną budowlę. W dalszym etapie planuję stworzyć takie sieci w sposób odwracalny, aby możliwe było uwolnienie utworzonych makrocykli na ostatnim etapie. Możemy sobie to wyobrazić jak zastosowanie formy przy pieczeniu ciasta, której kształt pozostaje zachowany w samym wypieku nawet po jej usunięciu.
Zdaniem specjalistów duże, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i ich heterocykliczne analogi stanowią jeden z najszybciej rozwijających się obszarów chemii materiałów. Mogą być uważane za dyskretne modele struktur grafenopodobnych (nanografeny, wstęgi grafenowe, nanorurki węglowe), ze ściśle zdefiniowaną geometrią i możliwościami dalszej funkcjonalizacji. Może Pan wyjaśnić co można osiągnąć zmieniając ich strukturę?
– Pełna kontrola nad kształtem, rozmiarem i typem połączeń pomiędzy poszczególnymi fragmentami aromatycznymi pozwala ściśle „dostrajać” ich właściwości, takie jak twardość, elastyczność, przewodnictwo prądu, ale także sposób oddziaływania z promieniowaniem elektromagnetycznym (pochłanianie i emitowanie światła o określonej długości fali), czy możliwość „łapania” w swoją strukturę cząsteczek gości. Takie ściśle zdefiniowane, dyskretne interakcje są kluczowe np. przy projektowaniu materiałów w optoelektronice organicznej. Przykładowo, w otrzymywaniu nowych generacji elastycznych, a jednocześnie odpornych wyświetlaczy, w których za emisję danej barwy podstawowej odpowiada zwykle jeden określony związek. Oddziaływania typu gość-gospodarz są z kolei podstawą konstrukcji czujników chemicznych, np. do wykrywania szkodliwych gazów w powietrzu lub metali ciężkich w wodzie.
W ramach swoich badań zsyntezował pan i scharakteryzował szereg różnorodnych WWA. Do czego mogą/mogłyby być wykorzystane?
– Jeden z moich ulubionych związków, które stworzyłem to oktulen, o strukturze dużego pierścienia złożonego z fragmentów WWA. Stanowił on rodzaj efektywnego i selektywnego receptora dla jonów chlorkowych. Związek ten w prawdzie działał głównie dla rozpuszczalników niepolarnych (niewodnych), ale możemy sobie wyobrazić rozpuszczalne w wodzie analogi, które mogłyby służyć np. do monitorowania zasolenia w Odrze, co jak wiemy stało się ostatnio palącym problemem ekologicznym. Innym ciekawym związkiem była stabilna pochodna diindenofluorenu, która wykazywała charakter birodnikowy tj. zawierała w swojej strukturze dwa niesparowane (czyli zwykle bardzo reaktywne) elektrony. Manipulacja spinami elektronów jest stosunkowo młodą i ciągle rozwijaną dziedziną a dobra ich kontrola w materiałach przewodzących otworzyłaby drogę do konstrukcji unikalnych rodzajów bramek logicznych, stanowiąc podstawy nowego działu elektroniki: spintroniki.
——————————————————
Dr Marcin Majewski jest współautorem kilkunastu oryginalnych artykułów naukowych w prestiżowych czasopismach międzynarodowych. W trakcie studiów doktoranckich współpracował z naukowcami z Korei, Indii, USA.
Na część prowadzonych badań uzyskał grant wewnętrzny ze środków MNiSW oraz grant PRELUDIUM (NCN), w których pełnił rolę Kierownika Projektu. Zatrudniony był również jako Wykonawca Projektu w grantach SONATA BIS i FNP TEAM (Kierownik: prof. M. Stępień). Przez cztery lata z sukcesem prowadził zajęcia laboratoryjne z syntezy organicznej dla studentów chemii oraz był opiekunem pracy licencjackiej i magisterskiej, co zaowocowało wspólną publikacją naukową (JACS 2019). W tym roku został promotorem dwóch prac licencjackich oraz przygotował i prowadzi wykład z praktycznych aspektów syntezy organicznej dla studentów 4 roku.
Można go spotkać na Dolnośląskim Festiwalu Nauki, gdzie zarówno wyjaśnia zjawiska zachodzące wokół nas, jak i przybliża historię wrocławskiej chemii i chemików.
W trakcie studiów magisterskich odbył staż w laboratorium prof. R. Leino (Åbo Akademi, Turku, Finlandia), gdzie prowadził badania nowych reakcji arylowania katalizowanych żelazem. Odbył także dwuletni staż podoktorski w grupie prof. H.L. Andersona na Uniwersytecie Oxfordzkim, co zaowocowało opracowaniem nowej metody tworzenia dużych makrocykli porfirynowych dzięki pre-organizacji z zastosowaniem kowalencyjnych templatów (Angew. Chem. Int. Ed. 2023). Na staż ten zdobył Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowship – najbardziej prestiżowe stypendium wyjazdowe dla młodych badaczy w Europie.
Obecnie rozpoczął badania dotyczące eksploracji kowalencyjnych templatów w syntezie dużych makrocykli aromatycznych, na co uzyskał grant na badania wstępne IDUB UWr. I szczęśliwie znalazł się także w gronie tegorocznych beneficjentów konkursu NCN Sonata, co pozwoli na rozszerzenie tematyki badawczej na nowe bloki budulcowe, typy reaktywności i przyszłe zastosowania. I uwaga! Poszukuje zmotywowanych studentów i młodych doktorów do towarzyszenia mu w tej nowej drodze w nieznane 🙂
W wolnych chwilach uwielbia podróżować, eksplorować nowe miejsca, zanurzyć się w atmosferze miast i natury, poznawać ciekawe kultury i ich kuchnię. Ciągle rozwijana pasja do architektury, sztuki i historii lokalnej jest również świetną odskocznią od trudów pracy w laboratorium, a oprowadzanie wycieczek i znajomych po Wrocławiu (licencjonowany przewodnik) – czystą przyjemnością.
Zdobywca wielu nagród, wyróżnień i grantów, m.in.
2022 projakościowy dodatek jednorazowy dla naukowców UWr
2019 nagroda zespołowa Rektora za badania naukowe
2017 stypendium START dla wybitnych młodych naukowców, Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej
2016/17 stypendium KNOW dla najlepszych doktorantów Wydziału Chemii UWr
2015/16 stypendium im. P.L. Sosabowskiego dla najlepszych doktorantów Wydziału Chemii UWr
2013/18 stypendium projakościowe dla najlepszych doktorantów Wydziału Chemii UWr (pięciokrotnie)
2013/18 stypendium Rektora dla najlepszych doktorantów Wydziału Chemii UWr (pięciokrotnie)
Not. Katarzyna Górowicz-Maćkiewicz
