Studentská vědecká konference 2022

Kyaninová barviva našla své uplatnění v nejrůznějších oblastech lidského života. Důvodem je jejich fluorescenční a senzibilizující vlastnosti. Tohle je také důvod, proč by kyaniny mohly být důležité pro rozvoj fotochemie a kvantové chemie. Ve své práci pomocí kvantově chemických metod studuji vlastnosti a chování modelových kyaninů v základním a excitovaných stavech. První část práce je věnována fotochemii kyaninů, dále práce bude pokračovat studiem molekulové dynamiky a vyhodnocení výsledků. 

Polymerní pevná amorfní disperze je účinným způsobem, jak zvýšit biodostupnost protinádorových léčiv v organismu. K úspěšnému návrhu takové lékové formulace je klíčová znalost kompatibility léčiva s polymerem, která se přímo odráží ve fázovém chování jejich směsi. Studie kombinuje a srovnává dva možné přístupy v určování fázového chování: experimentální metody založené na diferenciální skenovací kalorimetrii a teoretický výpočet kvantově‑chemickou metodou COSMO-RS. Studovanými systémy jsou léčiva kolchicin, simvastatin, paracetamol, paklitaxel, biodegradovatelný kopolymer poly(D,L‑laktid‑co‑glykolid) a poly(oxyetylen). Zjištěné fázové chování je ověřeno analýzou stability lékových formulací v čase. K přípravě formulací jsou využity metoda lisování za tepla a enkapsulace léčiva do nanočástic. Součástí práce je také studium uvolňování léčiva z takto připravených formulací.  

Předmětem práce je experimentální ověření možnosti přípravy tenkých filmů (separačních membrán) z polymerních sítí připravených řízenou a neřízenou fotoiniciovanou radikálovou polymerizací telechelických oligomerů, a studium jejich vlastností. Polymerizací oligomeru polyethylenglykol diakrylát (PEGDA) byly připraveny filmy s použitím fotoiniciátoru 1-hydroxycyclohexyl fenyl keton, UV záření o vlnové délce 254 nm a činidla pro řízenou radikálovou polymerizaci s přenosem řetězce (RAFT). Vlastnosti připravených filmů byly studovány měřením sorpčních izoterem pro sorpci vodní páry při teplotách 25 °C a 40 °C a sorpce kapalné vody, pro kterou jsou k dispozici literární data. To umožnilo posoudit vliv RAFT činidla na síťovou hustotu a hydrofilitu polymeru. Připravené membrány byly mechanicky odolné, což umožňuje, abych v budoucnu studoval pervaporativní separaci izomerů xylenu polárními membránami z polymerů obsahujících etylenoxidové jednotky a dále optimalizoval jejich přípravu.  

There are many substances among pharmaceuticals, agrochemicals, semi-conductors, and others that have an ability to form multiple crystal structures. These so-called polymorphs can differ significantly in their chemical-physical properties. Hence, it is important to have a knowledge of polymorphs of a substance, their thermodynamical and kinetical stabilities, and other relevant properties. Twenty years ago, development of computational predictions of polymorphism as an alternative to experiments began. Although a lot of progress must be made for the computations to match the reliability of the experiments, computational methods can be useful in cases of dangerous or expensive experiments. Major problem of polymorphism predictions is the high computational demand. Therefore, in this work, I compared two computational methods, broadly used density functional theory (DFT) and semi-empiric density functional tight-binding method. Also, I investigated whether their combination is meaningful for prediction of thermodynamic properties of selected polymorphs of active pharmaceutical substances, flufenamic acid and sulfathiazole. It is shown that the results from DFT are in good agreement with experiments, while accuracy of the other approaches differ considerably for the two substances.

Dative bonding is a specific interaction in which both electrons involved in the bond come from the same atom. This type of bond is more commonly known as a coordination covalent bond in compounds containing metal ions. In this work, we have focused on systems that do not contain metal ions, but systems with a dative bond made between two p-elements, in which the ability of the carbon to participate in the dative bond as an electron acceptor is exercised. This phenomenon has been investigated by ab initio computational chemistry methods on complexes of fullerene and a nitrogen-containing molecule to form an N-C dative bond. More recently, we have investigated the effect of solvent on the strength of the dative bond. The solvation bonds were described by the implicit COSMO solvation model. Solvents with different dielectric constants were used in the study. We expected the same behavior as exhibited by non-covalent and covalent bonds, i.e., that the bond weakens with increasing value of the dielectric constant. However, our results showed the opposite behavior, i.e., a strengthening of the dative complexes. Our results were confirmed by experimental measurements. These results may be of use e.g. in the pharmaceutical industry (in the development of new drugs or their delivery).  

Řada nově navrhovaných léčiv je špatně rozpustná ve vodě. Jedním ze způsobů, jak tuto aplikační překážku obejít, je formulace amorfní pevné disperze, kde jsou molekuly léčiva zabudovány do struktury polymerního nosiče. Vhodný nosič je v současné době nutné navrhnout pro každou látku zvlášť na základě drahých a časově náročných experimentů. Proces návrhu by velmi usnadnil předběžný screening kompatibility polymerů s léčivem pomocí vhodného výpočetního nástroje, jakým by mohla být právě PC-SAFT. Kvantitativně dobrých výsledků lze dosáhnout pomocí PC-SAFT s tzv. binárními interakčními koeficienty fitovanými na experimentální data. V případě zcela nových systémů ale tento postup není vždy proveditelný. Kvalita „čistých“ PC-SAFT predikcí pro systémy léčiv a polymerů zatím nebyla prozkoumána v dostatečně velkém rozsahu. Proto bylo cílem práce posoudit, zda je PC-SAFT bez interakčních koeficientů pro screeningové výpočty vhodná. Pro více než 30 systémů léčivo–polymer byly spočítány křivky rozpustnosti a mísitelnosti a predikované hodnoty byly srovnány s existujícími experimentálními daty. Pro některé systémy byl odhad řazení úspěšný, celkové výsledky ale naznačují, že čisté predikce nejsou obecně natolik spolehlivé, aby bylo možné zvolit vhodné polymerní kandidáty jen na jejich základě.  

Řada nově vyvíjených i stávajících léčiv vykazuje v krystalickém stavu velmi malou rozpustnost ve vodě, čímž je snížena jejich biodostupnost. Vývoj lékových formulací vedoucích ke zvýšení biodostupnosti ve vodě málo rozpustných léčiv je proto v současné době předmětem intenzivního výzkumu. Jednou z možných formulačních strategií je převedení krystalického léčiva do jeho amorfní formy. Amorfní lékové formulace mají požadovanou vyšší biodostupnost, ale jedná se často pouze o kineticky stabilizované systémy. Tato práce se zabývá studiem molekulární mobility amorfních systémů pomocí vybraných kalorimetrických protokolů, pomocí nichž jsou získávány informace o relaxační entalpii a čase. Pomocí těchto veličin lze ve spojení s vhodnými modely pro popis relaxačního času v závislosti na teplotě predikovat dobu expirace či vhodné podmínky pro skladování kineticky stabilizovaných formulací. V této práci jsou porovnány dva kalorimetrické protokoly a molekulární mobilita pro dvě modelová léčiva (indometacin a paracetamol), která vykazují rozdílnou schopnost tvořit amorfní fázi (tzv. „glass-forming ability“).  

Porous materials such as zeolites are widely used in chemistry as catalysts, adsorbents, and molecular sieves due to the properties of their channel systems and large accessible areas. A novel experimental method ADOR (Assembly, Disassembly, Organize, Reassembly) leads to new structures with tunable architecture, e.g., the IPC materials of the UTL family. Some of those systems show interesting properties in separation and catalysis. In those novel materials, the adsorption and mass transport processes are studied on the MD level. As the results show, the quantitative prediction of adsorption heats and diffusion rates may be beyond the capability of computational approaches based on empirical force fields. Hence, two possible ways to remedy this situation have been explored – adjusting the method by parametrization of force fields on DFT data and correcting MD results by a recently developed QM/MM correction scheme.