Ligandkontroll av lantaniders oxidationstillstånd och tillämpningar inom fotofysik och syntes

Tidsperiod:

1 januari 2022 – 31 december 2025

Projektledare:

Eszter Borbas

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 600 000 SEK

Lantanider är 15 metalliska grundämnen som används för många olika ändamål. T. ex. neodym är en viktig komponent i vindkraftverks magneter och i lasrar, de flesta kontrastmedel i MRI innehåller gadolinium, och både terbium och europium används i eurosedlarnas säkerhetsmarkeringar.Lantanider förekommer oftast som +3 laddade katjoner. Dessa joner har unika optiska egenskaper, som är anledningen till tillämpningen i lasrar och kryptering. De flesta lantanidjoner är luminescenta, dvs de emitterar ljus när de exciteras. Ljusets färg beror på jonen: terbiumjoner lyser grönt, europiumjoner rött och samariumjoner orange. Ytterbium- och neodymjoner emitterar infrarött ljus som är särskilt bra för biologisk detektion.  Vi har nyligen upptäckt att många lantanidjoner som är +2 laddade kan byggas från +3 joner i luminescenta lantanidkomplex i en s.k. ljusinducerad elektrontransferreaktion (PeT). För de flesta lantanider är denna process skadlig för luminescensen och komplexen tappar sin ljusstyrka, men ytterbiumluminescens skulle istället kunna gynnas. De senaste åren har vi studerat faktorer som påverkar PeT för europium. Arbetet har resulterat i flera gånger mer luminescenta komplex. I första delen av projektet kommer vi utföra liknande studier för andra lantanider, och svara på frågor som: hur viktig är PeT i dessa komplex? Kan vi mäta den? Kan vi styra eller stoppa den? Därefter kommer vi använda denna kunskap för att konstruera luminescenta lantanidkomplex som kan detektera enzymer och små reaktiva molekyler i celler. Dessa lantanidkomplex kan användas i cellbiologi för att förstå cellulära händelser, samt i läkemedelsutveckling.Lantanider är också viktiga som katalysatorer, som oxidanter och som reduktionsmedel i forskningslaboratorier. Katalysatorerna är effektiva och mycket selektiva, dvs de kan utföra reaktioner på komplicerade och känsliga molekyler utan att skada dem. Sådana reaktioner är nödvändiga för läkemedelsindustrin, men än så länge har inte lantanidkatalyserade reaktioner kunnat implementeras i större skala, vilket krävs för industriella processer. Anledningen är att reaktionerna kräver stora mängder lantanidreagens (de är s.k. stökiometriska reaktioner). Reagensen är dyra, toxiska, och produktionen är resurskrävande.I projektet kommer vi utveckla varianter av lantanidkatalyserade reaktioner som bara behöver små mängder av lantanidreagens som kontinuerligt regenereras under reaktionens gång. På så sätt kan reagensen utföra transformationen flera gånger utan att tappa sin aktivitet. Vi kommer då att använda de +2 joner som formas i luminescenta lantanidkomplex som reagens. Jonerna byggs genom PeT från en s.k. ’antenna’. Reaktionen mellan +2 lantanidjon och substrat återger den +3-laddade lantanidjonen, och elektronen som antennan avgav ersätts med en elektron från ett milt reduktionsmedel.I sista delen av projektet försöker vi producera +4 laddade joner med PeT. Vår hypotes är att vissa fotoexciterade lantanidjoner, t.ex. terbium, neodym, och praseodym skulle kunna utföra PeT i motsatt riktning än vid genererandet av +2 laddade joner. Utvecklingen och observationen av denna ’oxidativa PeT’ skulle kunna ge tillgång till +4 laddade lantanidjoner med intressanta magnetiska och optiska egenskaper. Med existerande metoder kräver syntesen av föreningar som innehåller +4 lantanidjoner starka oxidanter som innebär begränsningar i strukturen hos målmolekylen. Vår hypotes är att den mildare ’oxidativ PeT’ metoden skulle tillåta en större variation i både struktur och lantanidjon, som i sin tur skulle möjliggöra utvidgade studier på dessa intressanta joner. Praktiska användningsområden är bl.a. separation av radioaktivt avfall, nya oxidationsreagens som kan användas i substökiometriska mängder, samt nya magneter och molekylära dataminnen.