Project

organic synthesis; naphthalenediimides; supramolecular functional systems; surface-initiated polymerization; anion-pi interactions; halogen bonds; cellular uptake; artificial photosynthesis; oligothiophenes; fluorescent membrane probes

Lead
L’objectif est de développer des approches innovatrices à la création des systèmes moléculaires avec des activités intéressantes. Les sujets spécifiques concernent des défis actuels dans les sciences des matériaux, du vivant et chimiques, notamment des photosystèmes avec des « autoroutes » pour les électrons (énergie), des transporteurs qui entrent dans une cellule d’une manière jamais vue (santé publique), ou des catalyseurs qui travaillent avec des interactions sans précédence (environnement).
Lay summary
La chimie, et la chimie organique en particulier, permet de créer de la matière nouvelle. L’importance sociétale de cette expertise unique, permettant de préparer presque n’importe quelle petite molécule, est avérée (>25% des exportations en Suisse, etc.). Or, la création de grandes structures fonctionnelles reste très difficile. Il est essentiel de maîtriser cette compétence car la biologie nous montre que les activités vraiment importantes sont accomplies uniquement par des architectures moléculaires très sophistiquées. Les quatre sous-projets de ce projet abordent ce défi par différents angles. Avec les interactions « exotiques », soit anion-π ou liaisons halogènes, nous chercherons de nouveaux outils pour la construction d’édifices moléculaires fonctionnels, surtout des catalyseurs. Cet objectif est comparable à l’introduction d’une nouvelle couleur sur la palette d’un peintre. Avec les photosystèmes artificiels, le but est de créer des « autoroutes » moléculaires pour des électrons avec le but de minimiser la perte d’énergie solaire. Avec des stratégies similaires, nous chercherons de nouvelles manières d’entrer dans une cellule et des sondes membranaires fluorescentes qui changent de couleur comme le homard dans la casserole. La réussite de ces projets aidera à relever des défis centraux dans les sciences des matériaux (dispositifs optoélectroniques, dont les cellules solaires organiques), du vivant (entrée cellulaire, sondes membranaires) ou chimiques (organo-catalyseurs). Bien que fondamentaux par nature, ces projets ont donc une pertinence sociétale sur le long terme par rapport à l’énergie, la santé publique (transport ciblé des médicaments dans les cellules) et l’environnement (meilleurs catalyseurs).

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Last update: 27.09.2013

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The general objective of this proposal is to develop conceptually innovative approaches to functional biosupramolecular systems for use in materials sciences, chemical sciences and life sciences. The specific aims are(a) to develop new synthetic methods to create supramolecular functional architectures, as sophisticated as possible, directly on solid surfaces (e.g., double- and triple-channel architectures with antiparallel, counterion-assisted gradients composed of up to four components, as in nature),(b) to discover new interactions for the creation of function (e.g., anion-p interactions and halogen bonds for transport and catalysis), and(c) to establish substrate-initiated synthesis of cell-penetrating poly(disulfide)s for the cellular uptake of unmodified probes and drugs in covalent form, and planarizable push-pull oligothiophenes as fluorescent membrane probes.In specific aim a, synthetic organic chemistry is applied to a central challenge in the materials sciences. In nature, function is accomplished by supramolecular architectures of highest sophistication. No one knows what we would obtain if we could create complexity with similar precision because the synthetic methods to do so do not exist. To help changing this situation, efforts to learn how to grow multicomponent photosystems directly on solid surfaces will be continued. As an example, photosystems with 2-3 channels comprising antiparallel, counterion-assisted 2-4-component gradients will be built with oligothiophenes and fullerenes, the two key components of today’s organic solar cells. The concepts and synthetic methods developed during this grant period are expected to help building the organic materials of the future.In specific aim b, lessons from ion transport are used to expand the interactions available to create function, a truly fundamental effort, far beyond biomimicry, comparable to increasing the number of letters available to write, or notes to make music. Emphasis during this grant period is on the use anion-p interactions for catalysis, for the very first time. The plan is to move from classical test reactions (Kemp elimination) to more adventurous substitution on carbonyls and enolate chemistry (would be relevant to polyketide biosynthesis as carbocation stabilization by the complementary cation-p interactions is in terpenoid cyclizations). New interactions for catalysis would have a huge impact in the chemical sciences.In specific aim c, synthetic organic chemistry is applied to tackle two current challenges in the life sciences. Lessons from 1) surface-initiated disulfide exchange polymerization (specific aim a) and 2) transport with halogen bonds (specific aim b) will be applied to achieve the covalent uptake of unmodified probes and drugs into cells. Substrate-initiated cell-penetrating poly(disulfide)s have all it takes to become the delivery system of the future. Impact in biology and medicine could be significant, but step-by-step development of the transporters will need time and fruitful collaborations (in the context of the NCCR Chemical Biology). Planarizable push-pull probes apply a demanding concept from nature (chemistry of vision, lobster pigmentation) to the development of innovative fluorescent membrane probes. With prove-of-principle in hand, the deplanarization of push-pull oligothiophenes will be studied systematically. Although of more fundamental importance at this point, the approach promises contributions to tackle significant current challenges such as the imaging of membrane tension or, perhaps, neural activity.All projects use target-oriented multistep organic synthesis with intertopical crossfertilization. This demanding approach provides the perfect educational environment to form ambitious, broad-minded scientists. As far as significance and probability of success are concerned, it can be said that recent research from this group has appeared regularly in top journals (3 Science, 32 JACS, etc) and in the media (Le Temps, Tribune de Genève, Blick, Science, CEN, Chemistry World, Nature Chemistry, Chimia, etc). Continuation on this level is expected.