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Design and Mechanisms of Multifunctional Oxo Clusters and Coordination Polymers

Applicant Patzke Greta Ricarda
Number 200989
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.02.2022 - 31.01.2026
Approved amount 1'164'656.00
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Keywords (9)

transition metal oxo clusters; anticancer activity; in situ monitoring; bio-medical properties; hybrid materials; coordination polymers; composite nanoparticles; formation mechanisms; multifunctional catalysts

Lay Summary (German)

Lead
Die zentrale Problematik dieses Projektes sind fundamentale offene Fragen zu den Bildungsprozessen multifunktionaler Oxocluster der Übergangsmetalle, gefolgt von der Erkundung ihrer bioaktiven Eigenschaften in verschiedenen Matrices aus Polymeren und Kompositen. Wir zielen auf ein grundlegendes Verständnis der Mechanismen in Lösung, welche zur Bildung dieser Oxocluster führen. Mit Hilfe dieser Einsicht werden wir sie in ausgedehntere Hybrid-Netzwerke einbetten und den Einfluss ihrer organischen Liganden-Umgebung auf die antibakteriellen und antitumoralen Eigenschaften dieser neuen Materialien untersuchen.
Lay summary
Multifuktionale Oxocluster der Übergangsmetalle (engl.: TMOCs) sind ein dynamisches und stetig wachsendes Gebiet der anorganischen Chemie mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehören die Polyoxometallate (POMs), welche sich durch eine besondere Flexibilität hinsichtlich ihrer Strukturmotive und der Anzahl ihrer Metallzentren auszeichnen. Wir widmen uns herausfordernden offenen Fragestellungen zur Bildung dieser Cluster: Wie genau enstehen sie in Lösung - und wie können wir ihre Strukturen und Grössen mit gezielt konstruierten “grünen” Liganden kontrollieren? Mit neuen Einblicken in diese Konstruktionsprinzipien werden wir dann TMOCs und POMs in neue Hybrid-Netzwerkmaterialien überführen und dazu vernetzende biokompatible Moleküle einsetzen. Parallel dazu konstruieren wir flexible bio-aktive Koordinations-Polymere, und die enstehenden Materialtypen werden wir vergleichend auf ihre antibakterielle und antitumorale Wirksamkeit untersuchen. Die besonders vielfältige Bioaktivität der POMs werden wir durch ihre gezielte Überführung in Nanokomposite mit natürlichen Polymeren optimieren. Hier bearbeiten wir die fundamentale Fragestellung nach den aktiven Species, welche die herausragende antibakterielle, -tumorale und auch antivirale Aktivität von POMs verursachen, um zielführende Perspektiven für ihre weitere Anwendung aufzustellen.
Direct link to Lay Summary Last update: 08.11.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
160801 Photocatalytic Processes at Solvated Interfaces 01.02.2016 Sinergia

Abstract

Current challenges & targets: Metal oxo clusters (MOCs) are a highly interdisciplinary research area that links nanomaterials, medicinal-, bio- and geochemistry through their wide range of functionalities and structural design options. However, progress in catalytic, magnetic or bio-related applications of metal oxo clusters stands in sharp contrast to their widely unknown mechanisms of formation and action. This applies especially for synthetic transition metal oxo clusters (TMOCs) with organic ligands, which attract attention as water splitting catalysts, enzyme mimics or single molecule magnets - while their assembly mechanisms in solution and their bio-medical properties are still widely unexplored. Polyoxometalates (POMs), i.e. ligand-free oxo clusters of group 5/6 elements, are another attractive MOC class whose formation pathways are now being investigated. Understanding their high anticancer/-bacterial and antiviral potential, however, still poses tremendous mechanistic and speciation challenges. Multifunctional coordination polymers (CPs) and networks based on TMOCs and POMs, especially with organic and functional green linkers, are just emerging. Even classic C/N-based transition metal CPs of the Prussian blue (PB) type, for example, are both excellent water splitting catalysts, FDA approved drugs and platforms for new materials.Strategy & goals: Work package (WP) 1A will cover unknown territory by exploring the design and key control parameters of new TMOCs with high throughput screening. WP_1B will unravel the challenging assembly mechanisms of ligated TMOCs with state-of-the-art in situ monitoring beamline techniques. Based on our expertise in water splitting, we will screen all new TMOCs for catalytic activity. This leads over to WP_2A, where our experience in CP-based water splitting catalysts will be applied to further equip them with multifunctional properties, such as for photodynamic therapy. WP_2B will explore the functionalization of new TMOCs (from WP_1) and of POMs with bio-active linkers, proceeding to generate CPs and frameworks as new targets for the exploration of their bio-medical structure-activity relationships and pathways in WP_3. Starting from our expertise in anticancer POMs and their nanocomposites, WP_3 will proceed with uncovering their pathways and conduct innovative bio-activity screening of TMOCs.Progress: We will address long-standing open mechanistic and structure-activity questions to accelerate progress at the frontiers of multifunctional oxo cluster and CP design. WP_1 will deliver unprecedented insight into TMOC assembly and construction. WP_2 will explore new trends in the tuning of green multifunctional hybrid and MOC materials, e.g. via nano-architectures and disorder. WP_3 will complement catalytic progress with new the development of MOC composites as low-cost and easily accessible drug prototypes.
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