POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY Prof. dr hab. inż. Andrzej Sporzyński Noakowskiego 3, 00-664 Warszawa tel.: 22 234 5737 fax: 22 6282741 e-mail: spor@ch.pw.edu.pl Warszawa, 9.04.2016 RECENZJA rozprawy doktorskiej Pani mgr Mariny Laine pt. Badania teoretyczne i eksperymentalne właściwości spektroskopowych barwników fluorescencyjnych typu BODIPY Przedstawiona do recenzji rozprawa liczy 168 stron i zawiera część literaturową (45 stron), cel pracy, badania własne (63 strony), wnioski końcowe (nie wymienione w spisie treści) (4 strony), bibliografię obejmująca 203 pozycje oraz załącznik: Metodologia obliczeń kwantowo-mechanicznych. Część eksperymentalna (z wyjątkiem wymienionego załącznika) nie została wyodrębniona jako osobny rozdział, a opisy syntez i szczegóły badań spektroskopowych stanowią fragment omówienia badań własnych, co nie wydaje się być dobrym rozwiązaniem i utrudnia śledzenie wyników badań podczas lektury rozprawy. Część literaturowa (zatytułowana Wprowadzenie ) obejmuje krótki zarys historyczny, omówienie ogólnych metod syntezy, a następnie opis właściwości spektroskopowych i zastosowań związków typu BODIPY. Ze względu na bardzo obszerną literaturę dotyczącą badanej grupy związków, obejmującą kilka tysięcy pozycji, konieczny był wybór odnośników literaturowych do poszczególnych fragmentów części literaturowej. Autorka poradziła sobie z tym problemem, odnośniki obejmują istotne publikacje z ostatnich lat. Jednak w części poświęconej syntezie Autorka ograniczyła się jedynie do opisu metod kondensacji pirolu, pomijając istotną grupę przekształceń rdzenia BODIPY z zastosowaniem różnych typów reakcji. Strategii doboru metod funkcjonalizacji został poświęcony opublikowany ostatnio artykuł przeglądowy obejmujący 104 pozycje literaturowe (N. Boens, B. Verbelen, W. Dehaen, Postfunctionalization of the BODIPY Core: Synthesis and Spectroscopy, Eur. J. Org. Chem., 2015, 6577 6595), nie uwzględniony w bibliografii. Wykorzystanie opisanych metod funkcjonalizacji rdzenia BODIPY pozwala znacznie rozszerzyć gamę związków o zróżnicowanych strukturach. Następny fragment poświęcony 1
jest właściwościom spektroskopowym w powiązaniu z zastosowaniem związków BODIPY ze szczególnym uwzględnieniem zastosowań biologicznych z dobrze dobranymi przykładami. Kolejny fragment części literaturowej to omówienie wpływu podstawników na właściwości spektroskopowe omawianych związków. Zagadnienie potraktowane jest bardziej szczegółowo: podano przykłady wpływu różnego rodzaju podstawników i parametry empiryczne określające ich wpływ na gęstość elektronową w pierścieniu aromatycznym. Kontynuacją jest dyskusja wpływu polarności otoczenia na właściwości spektroskopowe: przykłady i omówienie dwóch parametrów empirycznych. Najbardziej rozwiniętym fragmentem części literaturowej jest omówienie metod obliczeniowych chemii kwantowej. Jest to uzasadnione tematyką badań własnych, gdzie wykorzystanie różnych metod obliczeniowych, ich porównanie i wybór optymalnych metod do badania właściwości związków BODIPY stanowi wiodące zagadnienie. Autorka przedstawia zasady teorii funkcjonałów DFT, a następnie zastosowanie hybrydowych funkcjonałów gęstości elektronowej oraz bazy funkcyjne. Kolejny podrozdział poświęcony jest szczegółowej analizie modeli używanych do opisu solwatacji i omówieniu wariantów metody PCM. Następnie Autorka dokonuje przeglądu literatury omawiającej obliczenia kwantowo-mechaniczne dla związków BODIPY, podkreślając trudności uzyskania dobrej zgodności wyników obliczeń z danymi doświadczalnymi. Analiza tych wyników stanowi podstawę doboru metod obliczeniowych stosowanych w badaniach własnych. Podsumowując stwierdzam, że część literaturowa stanowi zwięzły, jasno zaprezentowany przegląd aktualnej literatury związanej z tematem rozprawy i jest punktem wyjścia do określenia zakresu badań własnych. Na ich podstawie został sformułowany "Cel pracy" (rozdział II rozprawy), gdzie myślą przewodnią jest wybór najlepszych metod obliczeniowych opisujących wpływ podstawników i polarności otoczenia na charakterystykę spektroskopową barwników zawierających rdzeń BODIPY. Podjęcie tego tematu jest uzasadnione z dwóch powodów. Po pierwsze, zaproponowane do badań układy są ważną klasą związków o szerokich zastosowaniach. O zainteresowaniu nimi świadczy fakt, że artykuł przeglądowy w Chemical Reviews z 2007 r. był cytowany ponad 1700 razy. Po drugie, przy bardzo dużej liczbie publikacji dotyczących związków BODIPY (kilka tysięcy pozycji) tylko w nielicznych publikacjach porównywano obliczenia wykonywane różnymi metodami z wynikami badań eksperymentalnych dla znalezienia najbardziej wiarygodnych metod obliczeniowych. Wyniki badań własnych przedstawiono w rozdziale III, składającym się z trzech części. Pierwsza z nich obejmuje syntezę trzech nowych związków typu BODIPY, różniących 2
się podstawnikami w rdzeniu BODIPY. Otrzymane związki scharakteryzowano za pomocą multijądrowego NMR, określono również ich strukturę molekularną i krystaliczną. Dla otrzymanych związków wykonano widma absorpcyjne i emisyjne w rozpuszczalnikach o różnej polarności. Przeprowadzono obliczenia kwantowo-mechaniczne w stanie podstawowym i wzbudzonym i porównano wyniki obliczeń z danymi doświadczalnymi. Parametry strukturalne z pomiarów rentgenograficznych porównano z wartościami dla zoptymalizowanych struktur. Przedyskutowano wpływ podstawników biorąc pod uwagę ich elektroujemność i wywołany efekt indukcyjny. Stwierdzono, że wariant LR metody PCM lepiej przybliża dane doświadczalne niż wariant SS. Już pierwsza część pracy dostarcza obszernego materiału doświadczalnego i obliczeniowego i stanowi przykład zaawansowanej, multidyscyplinarnej pracy badawczej. Autorka uzupełniła wyniki własnych badań zsyntezowanych przez siebie związków o dodatkowe pomiary rentgenograficzne oraz wstępne wyniki badań biologicznych. Analiza wpływu podstawników i polarności rozpuszczalnika na położenie pasm absorpcyjnych i emisyjnych jest szczegółowa. Przy tej pozytywnej ocenie nasuwają się jednak pewne uwagi krytyczne. Aby ocenić wpływ podstawników należałoby porównać serię związków zawierających podstawniki różniące się charakterem w tym samym położeniu i/lub z takim samym podstawnikiem w różnych położeniach. Związki poddane badaniom w pracy wydają się dobrane w sposób przypadkowy i trudno jednoznacznie ocenić np. zamianę grupy metylowej na atom chloru, jeśli związki różnią się dodatkowo obecnością grupy aldehydowej (związki 1.1 i 1.2) czy zamianę grupy (karboksymetylo)fenylowej na metylową, gdzie różnice są jeszcze większe (dodatkowo brak dwóch grup metylowych w związku 1.3). W drugiej części pracy obiektem badań są otrzymane przez innych badaczy związki różniące się podstawnikami w pozycji 5. Tutaj budowa reszty cząsteczki jest jednakowa, wnioski na temat wpływu podstawnika mogą być bardziej jednoznaczne. Wyniki obliczeń różnymi metodami porównano z wynikami badań spektroskopowych opisanych w literaturze i oceniono zgodność danych teoretycznych i ekseprymentalnych. Przedyskutowano wpływ podstawników na parametry spektroskopowe. Oceniono wpływ polarności środowiska wykorzystując parametr polarności rozpuszczalników Lipperta-Matagi. Trzecia część pracy dotyczy związku zawierającego podstawnik o charakterze zasady Schiffa, wykazujących możliwość wystąpienia różnych form tautomerycznych oraz form bez utworzenia wewnątrzcząsteczkowego wiązania wodorowego. Tego typu układy są szczególnie wrażliwe na wpływ rozpuszczalnika, a możliwość wystąpienia różnych form w zależności od jego polarności i charakteru (np. zdolności utworzenia międzycząsteczkowego 3
wiązania wodorowego z rozpuszczalnikiem) powinna w istotny sposób wpływać na właściwości spektroskopowe związków BODIPY z takim podstawnikiem. Optymalizacja struktur geometrycznych analizowanego związku w fazie gazowej, metanolu i DMSO wykazała obecność 20 trwałych termodynamicznie izomerów w stanie podstawowym. Autorka porównała energie wszystkich izomerów w trzech fazach dla stanu podstawowego, a następnie dla stanu wzbudzonego. Wpływ polarności rozpuszczalnika analizowano jako zależność przesunięcia Stokesa od parametru Lipperta-Matagi oraz empirycznego parametru polarności rozpuszczalnika Reichardta. Nie ulega wątpliwości, że Autorka wykazała się bardzo dobrą znajomością metod obliczeniowych, wykorzystując je do badania właściwości ważnych z punktu widzenia teoretycznego i praktycznych zastosowań grupy związków. Sformułowane wnioski pozwalają na wybór wariantów metod obliczeniowych najlepiej opisujących parametry spektroskopowe oraz na zaprojektowanie układów o oczekiwanych właściwościach, chociaż zdaniem recenzenta potrzebne są dalsze, bardziej systematyczne badania wpływu podstawnika. Rozprawa jest jasno napisana, wnioski dobrze sformułowane, a schematy i wykresy czytelne. Opracowanie redakcyjne jest dobre, chociaż Autorka nie uniknęła błędów gramatycznych, interpunkcyjnych i literówek. Od tego generalnie dobrego obrazu głównego tekstu zdecydowanie odbiega przygotowanie zestawienia literatury. Wymieniam tylko niektóre błędy i niejednolitości: - przy wielu autorach przed nazwiskiem ostatniego and zamiennie z i, a nawet and et. al. (odn. [7]), - tytuły z wyrazami zaczynającymi się dużymi zamiennie z małymi literami, opuszczone tytuły (np. [9], [98]), - dwukrotnie nr woluminu ([3]), - różne skróty nazw czasopism (np. [11], [26] i [28]), błędy w skrótach ([41]), w kilku miejscach pełne nazwy czasopism (np. [11], [50]), - odn. [56]: Garrido to imię autora, - w wielu miejscach po tytule kropka i przecinek. Z obowiązku recenzenta wymieniam poniżej ważniejsze błędy i niejasności, które dostrzegłem w pracy: - str. 31: jonów glina (dwukrotnie), - str. 38: niezbyt jasny fragment o reakcjach halogenacji może dotyczy funkcjonalizacji rdzenia BODIPY, wspomnianej na początku recenzji, 4
- str. 69: posiadających (lepiej: zawierających) w swojej strukturze chlor, powinno być: atom chloru (w wielu miejscach w pracy), - str. 71: - a chloru atomu chloru? - str. 72: fluorobenzen nie może być odnośnikiem w widmach 11 B NMR, - str. 72 i dalsze: w opisie syntez brak wydajności; ilości reagentów podawane zamiennie w molach, mg, ml, równoważną ilość (str. 73) lub nie podano ilości (str. 78). To konsekwencja niewyodrębnienia części eksperymentalnej. - str. 73 i dalsze: ekstrakcja z dichlorometanem, - str. 84: długość wiązania... wydłuża się, - str. 90: brak komentarza i wniosków z badań biologicznych. Nie wymieniam nielicznych literówek i błędów interpunkcyjnych. Powyższe uwagi nie umniejszają wysokiej oceny poziomu merytorycznego i redakcyjnego recenzowanej pracy. W konkluzji stwierdzam, że recenzowana przeze mnie rozprawa doktorska jest wartościowym opracowaniem dobrze przygotowanych i przeprowadzonych badań dotyczących ważnych z punktu widzenia teoretycznego i potencjalnych zastosowań układów. Rozprawa spełnia wymagania wynikające z obowiązującej ustawy o stopniach i tytule naukowym. Wnoszę zatem o dopuszczenie Pani mgr Mariny Laine do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Prof. dr hab. inż. Andrzej Sporzyński 5