{"id":16831,"date":"2026-08-20T17:25:58","date_gmt":"2026-08-20T15:25:58","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/jorn-de-jong\/"},"modified":"2026-08-20T17:26:07","modified_gmt":"2026-08-20T15:26:07","slug":"jorn-de-jong","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/jorn-de-jong\/","title":{"rendered":"Jorn de Jong"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":8,"featured_media":16832,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-16831","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"main_text":"","naam_van_het_proefschift":"Light-Responsive Anion Binding","samenvatting":"Anionen zijn veelvoorkomend en spelen een belangrijke rol bij vele biologische processen, zoals signaalverwerking, stofwisseling, osmose en regulering van de zuurgraad. In de natuur is het hierbij van groot belang dat deze negatief geladen deeltjes worden gebonden door eiwitten. Dit heeft ertoe geleid dat er gedurende de afgelopen tientallen jaren veel onderzoek is gedaan naar het ontwikkelen van synthetische anionreceptoren, die de functie van zulke eiwitten zouden kunnen imiteren. Deze kunstmatige receptoren kunnen inmiddels worden toegepast om afvalstoffen op te nemen, te functioneren als sensoren en om membraantransport te faciliteren. Echter, hoewel natuurlijke eiwitten reageren op stimuli van buitenaf, is het een enorme uitdaging om synthetische receptoren te ontwikkelen die hiertoe in staat zijn.\n\nTot op heden is er een aantal verschillende methodes gebruikt om synthetische anionreceptoren stimuliresponsief te maken zodat ze te schakelen zijn tussen een actieve en inactieve vorm (op basis van bindingssterkte), in het bijzonder via allosterische regulatie, pH-responsiviteit, oxidatie\/reductie en het schakelen met behulp van licht. Allosterische effecten (zowel positief als negatief) worden veelal teweeggebracht door het binden van een metaalkation aan een co\u00f6rdinerende ligand of calixareen. Zowel allosterische regulatie, als sturing via oxidatie\/reductie hebben tot veelbelovende bindingsverschillen geleid. Helaas eindigen de allosterische effector, oxidator of reductor vaak als chemisch afval en bemoeilijkt dit het omkeren van de reactie, wat deze stimuli minder geschikt maakt voor biologische toepassingen. In het algemeen presteert pH-responsiviteit op deze vlakken beter. Deze methode werd al benut in de allereerste voorbeelden van schakelbare anionreceptoren en is gebaseerd op het toevoegen van een zuur of base, ofwel om de bindende groepen te (de)protoneren, of om een verandering van structuur te bewerkstelligen met als doel om invloed uit te oefenen op de bindingsaffiniteit. Hoewel dit de omkeerbaarheid van het schakelproces bevordert, resulteert het herhaaldelijk toevoegen van zuren en basen desalniettemin in de opbouw van afvalproducten.\n\nLicht lijkt de ideale stimulus te zijn, daar het als niet-invasief kan worden beschouwd en kan worden toegepast met precisie op ruimtelijk en temporeel niveau. Dit heeft ervoor gezorgd dat er gedurende de afgelopen tien jaar een grote toename is geweest in het aantal ontwikkelde receptoren dat reageert op licht. De meerderheid van deze lichtschakelbare anionreceptoren is gebaseerd op pincetvormige structuren, waar de moleculaire fotoschakelaar het middelpunt vormt. Daarnaast worden deze fotoschakelaars vaak ingebouwd in foldameren en macrocyclische verbindingen. Echter is het in al deze gevallen nog steeds een grote uitdaging om sterke en selectieve bindingseigenschappen te cre\u00ebren, vooral wanneer dit gecombineerd moet worden met een groot verschil in binding tussen de actieve en inactieve vormen waartussen geschakeld kan worden. Het behouden van deze kwaliteiten is zelfs extra ingewikkeld in oplosmiddelen die sterk competitief zijn met de waterstofbruggen die worden gevormd tussen de receptor en het te binden anion. Hoewel er, zoals beschreven, al een scala aan responsieve anionreceptoren is gerapporteerd, is er nog weinig onderzoek gedaan naar het toepassen van deze moleculen om nieuwe, complexe functionaliteit te introduceren in uitgebreidere supramoleculaire systemen. In dit proefschrift wordt de ontwikkeling van een aantal nieuwe lichtschakelbare anionreceptoren beschreven, die zijn gebaseerd op een stiff-stilbene schakelaar en veelal een mechanisch vergrendelde structuur hebben. Deze receptoren zijn daarnaast gebruikt om controle uit te oefenen op moleculair niveau in complexe systemen bestaande uit meerdere componenten, zoals bij supramoleculaire polymerisatie, moleculaire communicatie en het realiseren van een moleculaire pomp.\n\nIn Hoofdstuk 2 werden de synthese en karakterisering beschreven van een tetra-methylgesubstitueerde stiff-stilbene, die was gefunctionaliseerd met twee bindingsmotieven op basis van urea. Onder invloed van licht kon tussen twee vormen van deze receptor worden geschakeld, waarmee het gedrag aangaande het complexeren van oxalaat kon worden gestuurd. Het Z-isomeer van de receptor bond oxalaat zeer sterk in een 1-op-1 verhouding. Het E-isomeer en oxalaat, daarentegen, vormden supramoleculaire co\u00f6rdinatiepolymeren. Dit zorgde ervoor dat het schakelen met licht tussen beide isomeren in de aanwezigheid van oxalaat het mogelijk maakte om invloed uit te oefenen op de mate van supramoleculaire polymerisatie in oplossing. Dit schakelen ging gepaard met een aanzienlijke verandering in de diffusiesnelheid van alle componenten, als gevolg van het afwisselen tussen de grotere supramoleculaire polymeren en de kleinere 1-op-1 complexen.\n\nHoewel anionco\u00f6rdinatie een veelbelovende strategie is gebleken voor het samenstellen van zelfassemblerende supramoleculaire systemen, blijft het reguleren van de eigenschappen en functies van zulke systemen met stimuli van buitenaf een ingewikkelde opgave. Het werk in dit hoofdstuk omvat het eerste voorbeeld van een lichtschakelbaar anionco\u00f6rdinatiepolymeer en maakt het mogelijk om op een niet eerder vertoonde manier het bewegen van moleculen te be\u00efnvloeden. Dat wil zeggen, de bewegingssnelheid van de componenten kan worden verhoogd of verlaagd op basis van de golflengte van het licht waarmee wordt bestraald. Het gelokaliseerd bestralen van een dergelijk dynamisch systeem zou kunnen worden gebruikt om in oplossing gradi\u00ebnten op te bouwen en om molecuultransport te faciliteren. Verder biedt dit werk mogelijkheden voor het ontwikkelen van nieuwe materialen waarvan de polymerisatiegraad naar wens kan worden aangepast. Noemenswaardig is daarbij het feit dat dit proces omkeerbaar is vanwege de dynamische, niet-covalente interacties tussen de componenten.\n\nOndanks dat de pincetvormige receptor op basis van stiff-stilbene uit Hoofdstuk 2 uniek gedrag vertoonde bij bestraling met licht in de aanwezigheid van oxalaat, bonden in dit geval zowel het Z- als E-isomeer sterk aan het anion. Echter, om het actief opnemen en loslaten van het negatief-geladen gastmolecuul zo effectief mogelijk te maken, is een groter bindingsverschil tussen beide vormen noodzakelijk. Voor het optimaliseren van zulke bindingsverschillen loont het om op zoek te gaan naar alternatieve soorten receptoren. Mechanisch vergrendelde moleculen, bijvoorbeeld, zijn de afgelopen tientallen jaren uitvoerig bestudeerd en zeer geschikt bevonden voor het sterk en selectief binden van anionen. Desondanks is er tot op heden geen onderzoek gedaan naar het introduceren van lichtresponsiviteit om de anionbinding van zulke mechanisch vergrendelde receptoren te kunnen reguleren.\n\nEen eerste stap in deze richting werd gezet in Hoofdstuk 3, dat de synthese van twee lichtschakelbare macrocyclische verbindingen op basis van stiff-stilbene beschreef. De Z-isomeren van deze macrocycli vormden pseudorotaxaancomplexen wanneer een asvormige pyridinium halogenide werd toegevoegd. Hierbij werd de as omringd door de macrocyclus en werden beide componenten bijeen gehouden door middel van gezamenlijke binding aan het halogenide anion. De stabiliteit van de pseudorotaxanen werd voornamelijk bepaald door het type halogenide en nam af in de reeks Cl\u2013 > Br\u2013 > I\u2013. Het schakelen naar de E-isomeren onder invloed van licht leidde tot een forse afname van de bindingsaffiniteit voor de as en als gevolg daarvan werd de as uit de holte van de macrocycli verdreven. Bovendien kon aan dit lichtresponsieve systeem een tweede gastheermolecuul, namelijk een isophthalamide, worden toegevoegd, dat een nieuw complex vormde met de door de E-macrocyclus losgelaten pyridinium halogenide as. Het bestralen van al deze componenten samen resulteerde dan ook in uitwisseling van de as tussen de macrocyclus en de isophthalamide, voortvloeiend uit het lichtschakelen tussen de twee isomeren van de macrocyclus.\n\nBelangrijke biologische processen, zoals signaalverwerking en molecuultransport, worden gereguleerd door dynamische bindingsinteracties. De ontwikkeling van kunstmatige supramoleculaire systemen waarin de binding tussen verschillende componenten kan worden gestuurd, kan helpen om zulke biologische processen na te bootsen en beter te begrijpen. De lichtresponsieve uitwisseling van het pyridinium halogenide gastmolecuul tussen de macrocyclus en de isophthalamide in Hoofdstuk 3 is daar een belangrijk voorbeeld van. Dit werk brengt nieuwe mogelijkheden met zich mee voor het cre\u00ebren van chemische systemen waarin de moleculen onderling communiceren, wat uiteindelijk het verwerken van signalen en informatie zou kunnen faciliteren. Een andere toepassing van het binden (het rijgen van de macrocyclus over de as) en vervolgens het loslaten (het afschuiven van de macrocyclus) op basis van een structurele verandering onder invloed van licht kan zijn het introduceren van directionaliteit tijdens deze beweging met behulp van een asymmetrische as, wat kan worden gebruikt om een moleculaire pomp te realiseren (zie Hoofdstuk 6).\n\nDe hoge effectiviteit van de foto-isomerisatie van de macrocycli en de grote invloed daarvan op de mate waarin zij de as kunnen binden in de holte, laat zien dat de combinatie van deze componenten veelbelovend is voor het samenstellen van lichtschakelbare mechanisch vergrendelde anionreceptoren. Indien de lichtresponsieve stiff-stilbene macrocyclus zou worden vergrendeld met de pyridinium as, zou Z\u2192E isomerisatie moeten leiden tot het verdrijven van het anion alleen, in plaats van de as in zijn geheel zoals het geval was bij de pseudorotaxanen.\n\nOm een dergelijke mechanisch vergrendelde, lichtresponsieve anionreceptor met hoge bindingsaffiniteit en selectiviteit te verwezenlijken, werd in Hoofdstuk 4 een stiff-stilbene fotoschakelaar ingebouwd in het macrocyclische gedeelte van een chloride-bindende [2]rotaxaan. Deze rotaxaan werd gesynthetiseerd door de ringsluiting van het Z-isomeer van de macrocyclus uit te voeren terwijl deze zich reeds op de pyridinium-as bevond, op zijn plaats gehouden door middel van bindingsinteracties met het anion (anion-templated clipping). De as was aan weerszijden gefunctionaliseerd met grote moleculen (stoppermoleculen) om te voorkomen dat de macrocyclus na het ringsluiten van de as af kon schuiven. Het gevormde Z-isomeer van de mechanisch vergrendelde structuur, bestaande uit de macrocyclus en de as, bevatte een holte tussen beide componenten waarin een chloride ion kon worden gebonden via amide waterstofbruggen. Dit resulteerde in sterke binding, zelfs in zeer competitieve en polaire oplosmiddelen. Het E-isomeer van de receptor kon vervolgens worden gegenereerd door te bestralen met licht. Dit had een significante afname in bindingsaffiniteit voor chloride als gevolg, waarschijnlijk veroorzaakt door de vormverandering die plaatsvindt bij de isomerisatie. Deze foto-isomerisatie was omkeerbaar en kon eveneens worden verricht in de aanwezigheid van chloride, wat het mogelijk maakte om in situ het opnemen en loslaten van dit anion te reguleren.\n\nHoewel de bindingseigenschappen van de rotaxaan-receptor dus actief konden worden be\u00efnvloed, heeft dit type structuur ook potenti\u00eble nadelen. Ondanks dat de rotaxaan gemakkelijk kan worden gefunctionaliseerd, is de mechanisch vergrendeling zeer afhankelijk van de wisselwerking tussen de groottes van de macrocyclus en de stoppermoleculen. Dat wil zeggen, als de holte van de macrocyclus groter is dan de stoppermoleculen, kan de macrocyclus van de as afschuiven en zijn beide componenten niet langer mechanisch vergrendeld. Aangezien de vorm en grootte van de lichtschakelbare macrocyclus veranderen tijdens de foto-isomerisatie, kan het ingewikkeld zijn om vooraf te bepalen welke macrocyclus\/as-combinatie voldoet.\n\nVoor catenanen, echter, is dit niet aan de orde, wat maakt dat dit waardevolle alternatieve structuren zijn waarmee meer gevarieerd kan worden met betrekking tot de grootte, vorm en functionaliteit van de macrocycli. In Hoofdstuk 5 werd een lichtschakelbare [2]catenaan-receptor gevormd via het ringsluiten van de bovengenoemde stiff-stilbene macrocyclus op een andere macrocyclische verbinding met een pyridiniumgroep. Het Z-isomeer van deze receptor was in staat om chloride te binden met hoge affiniteit, terwijl het genereren van het E-isomeer via bestraling met licht opnieuw leidde tot een aanzienlijke afname in bindingssterkte. Ook hier was het foto-isomerisatieproces omkeerbaar en kon de concentratie van chloride in oplossing met deze receptor worden gemoduleerd.\n\nHoofdstuk 4 en Hoofdstuk 5 omvatten de eerste voorbeelden van lichtschakelbare mechanisch vergrendelde receptoren en maken het daardoor mogelijk om op een niet eerder vertoonde manier substraatbinding actief te be\u00efnvloeden. Verdere optimalisatie van deze structuren zou het verschil in bindingssterkte kunnen vergroten en het opnemen en loslaten van anionen, zelfs in waterige oplossingen, kunnen bevorderen. Het is namelijk bekend dat structurele aanpassingen van de bindingsplaatsen in de macrocycli en de as grote invloed kunnen hebben op de bindingssterkte van de receptor als geheel. Bovendien is de controle die kan worden uitgeoefend over de bindingscapaciteiten van deze anionreceptoren van belangrijke waarde in allerlei toepassingen, bijvoorbeeld voor het hergebruiken van de receptor bij extracties en voor het reguleren van membraantransport.\n\nStimuliresponsieve pseudorotaxanen en mechanisch vergrendelde moleculen hebben veel bewezen potentieel om te worden gebruikt voor de ontwikkeling van moleculaire machines, zoals supramoleculaire pompen. In Hoofdstuk 6 werd een lichtgedreven unidirectionele pompende beweging bewerkstelligd door gebruik te maken van een pseudorotaxaan op basis van een lichtschakelbare stiff-stilbene macrocyclus en een asymmetrische pyridinium chloride as. De as was in dit geval gefunctionaliseerd met twee verschillende pseudo-stoppermoleculen aan beide uiteinden. Hierdoor konden zowel de twee energiebarri\u00e8res voor het bewegen van de macrocyclus langs de pseudo-stoppermoleculen, als de stabiliteit van het pseudorotaxaancomplex tegelijkertijd worden be\u00efnvloed door met licht van \u00e9\u00e9n enkele golflengte te bestralen. Als gevolg werd het Z-isomeer van de macrocyclus bij voorkeur over de asymmetrische as geregen aan de ene kant, terwijl het E-isomeer na foto-isomerisatie in gebonden toestand preferentieel via de andere kant afschoof. Vervolgens kon de ongebonden E-macrocyclus in oplossing met licht van dezelfde golflengte terug worden omgezet naar het Z-isomeer, waardoor de pompcyclus zich continu herhaalde.\n\nBiologische pompen, bestaande uit eiwitten die energie gebruiken om ionen andere opgeloste stoffen te verplaatsen en daarmee gradi\u00ebnten cre\u00ebren, zijn essentieel voor het functioneren van cellen. Het nabootsen van zulke processen met synthetische componenten in kunstmatige moleculaire systemen is een enorme uitdaging. De supramoleculaire pomp beschreven in Hoofdstuk 6 maakt het mogelijk om substraten in \u00e9\u00e9n specifieke richting te verplaatsen en doet dit met hoge effici\u00ebntie vanwege het grote verschil in bindingssterkte tussen beide isomeren van de macrocyclus en de as. Daarnaast zorgen de gunstige kinetische parameters ervoor dat niet alleen het rijgen van de macrocyclus over de as, maar ook het afschuiven ervan met hoge snelheid gebeurt. In tegenstelling tot eerder gerapporteerde supramoleculaire pompen, is er in dit werk geen gebruik gemaakt van een responsieve as, maar van een schakelbare macrocyclus. Dit zorgt ervoor dat de structuur van het systeem gemakkelijker kan worden aangepast, wat belangrijk is om nieuwe functies in te bouwen, bijvoorbeeld voor het realiseren van een moleculaire catenaan-motor waarin twee ringen ten opzichte van elkaar bewegen. Verder zou het anion dat deel uitmaakt van de as kunnen worden gebruikt om de kinetische parameters, en daarmee de snelheid, van de pomp af te stellen. Bovendien biedt het ionenpaar in de as perspectief voor het pompen van ionen, bijvoorbeeld langs een lipide dubbellaag, om daarmee elektrochemische gradi\u00ebnten te cre\u00ebren op basis van lichtenergie.\n\nSamengevat, het werk dat wordt beschreven in dit proefschrift omvat de geslaagde ontwikkeling van een aantal conceptueel nieuwe lichtschakelbare anionreceptoren. Voor het eerst werd er bewezen dat mechanisch vergrendelde moleculen zeer geschikt zijn om het binden en loslaten van anionen te reguleren met behulp van licht. Bovendien werden de ontwikkelde lichtresponsieve receptoren gebruikt om niet eerder vertoonde functies te introduceren in systemen met meerdere samenwerkende componenten, zoals gecontroleerde supramoleculaire polymerisatie, moleculaire communicatie en het pompen van een moleculaire componenten. Dit werk maakt het niet alleen mogelijk om nieuwe stappen te zetten op fundamenteel niveau in de richting van moleculaire logicasystemen en machines, maar kan ook leiden tot ontwikkelingen op het gebied van slimme materialen en apparaten. Het onderzoek hiernaar wordt op dit moment voortgezet in onze groep.","summary":"Anionic species are omnipresent and play an important role in many biological processes, such as signal transduction, metabolism, osmosis, and pH-regulation. Due to the significance of anion binding in nature, the development of artificial anion receptors has gathered substantial interest during the past decades. Over time, these receptors have found applications as extracting agents, analyte sensors, and transmembrane transporters. However, while proteins are able to respond to stimuli in their surroundings, the incorporation of stimuli-responsive functions in synthetic receptors poses a major challenge.\n\nSo far, different strategies have been used to develop stimuli-responsive anion receptors, among which allosteric regulation, redox control, pH-responsiveness, and photoswitching are the most thoroughly investigated. Allosteric effects (either positive or negative) are often induced by metal cation binding to a coordinating ligand backbone or calixarene scaffold. Both allosterism and redox control have resulted in significant differences in binding affinity between states. However, in most cases the added effector or the reductant\/oxidant ends up as chemical waste and compromises reversibility, which complicates application in a biological setting. Better reversibility has been achieved with acid\/base addition, which was used in the earliest examples of stimulus-controlled anion binding. Here, the anion binding motifs are (de)protonated, or acid\/base addition causes a structural change in the receptor resulting in a change in affinity. While reversible, the repeated addition of acid and base nonetheless results in the build-up of waste products.\n\nThe use of light as a stimulus seems to be ideal, as it is non-invasive and can be applied with high spatiotemporal precision. Indeed, over the last decade, there has been a surge in the development of receptors that are responsive to light. The majority of light-responsive anion receptors developed up until now has been based on a tweezer-type approach with a molecular photoswitch as the central core. Most other examples that have been reported incorporate photoswitches into foldamers or macrocycles. In these designs, however, it remains challenging to accomplish strong and selective binding in combination with a significant binding difference between the active and inactive states, in particular in media that strongly compete with anion-hydrogen bonding interactions. Furthermore, although a large variety of stimulus-responsive anion receptors has been reported, their potential for introducing complex functions in supramolecular systems is still underexplored. In this thesis, several new types of photoswitchable stiff-stilbene-based (mechanically interlocked) anion receptors have been developed, and they have been used to control multicomponent processes in complex systems, including supramolecular polymerization, molecular communication and unidirectional pumping.\n\nChapter 2 described the synthesis and characterization of tetra-methyl-substituted stiff-stilbene functionalized with two urea binding sites, of which the oxalate complexation behavior could be controlled with light. The Z-isomer of the receptor strongly bound oxalate with 1:1 stoichiometry. On the other hand, the E-isomer and oxalate together formed supramolecular coordination polymers. Therefore, photoisomerization from the Z-isomer to the E-isomer in the presence of oxalate gave control over the extent of supramolecular polymerization in solution. Concomitantly, the diffusion rates of the components drastically changed as a result of switching between supramolecular coordination polymers and monomeric 1:1 complexes.\n\nAlthough anion coordination chemistry has proven to be a promising strategy for the development of self-assembled supramolecular systems, the regulation of these systems with external stimuli to control their properties and functions poses a major challenge. This work constitutes the first example of a photoswitchable anion-coordination polymer and presents a new approach toward controlled molecular motion in a dynamic supramolecular system using an external stimulus. As a result, the system allows for control over the rate of diffusion of the components. That is, the speed of motion of the receptor can be increased or decreased depending on the incoming wavelength of light. When the irradiation is applied locally, it might be used to create gradients and control molecular transport in solution. Furthermore, this work could lead to the development of new soft materials, of which the degree of polymerization can be influenced with light. Importantly, the labile non-covalent bonds could allow the system to return to its original state when the process is reversed.\n\nWhile the tweezer-type stilbene-based receptor of Chapter 2 presented interesting behavior when photoisomerized in the presence of the guest anion, both the E- and Z-isomer exhibited strong binding affinity despite their structural dissimilarity. To maximize the difference in anion binding between photoaddressable states, it is beneficial to investigate other types of scaffolds. Mechanically interlocked molecules, in particular, have already been known for several decades to demonstrate outstanding anion binding strength and selectivity. However, the incorporation of light-responsive function to regulate this binding had not yet been investigated.\n\nAs a first step towards photocontrolled anion binding with mechanically interlocked receptors, Chapter 3 described anion-templated pseudorotaxane formation with stiff-stilbene-containing macrocycles that could be switched between their Z- and E-isomers by light. The Z-isomers were effectively threaded by pyridinium halide axles to give pseudorotaxane complexes. The overall stability of these complexes could be tuned by varying the templating counteranion (from high to low in the order Cl\u2013 > Br\u2013 > I\u2013). However, photoisomerization to the E-isomer resulted in a remarkably reduced affinity for the axle and hence, dethreading. As an additional feature, the axle could then be taken up by a secondary isophthalamide host to form an anion-bound heterodimeric complex. Therefore, when all components were combined, light irradiation triggered reversible axle translocation between the macrocycle and this secondary host. Axle exchange and dual complex formation were thus successfully controlled by light in a multicomponent system.\n\nImportant biological processes, such as signaling and transport, are regulated by dynamic binding events. The development of artificial supramolecular systems in which binding between different components is controlled could help emulate such processes. The light-controlled guest exchange between host molecules presented in Chapter 3 opens opportunities for communicating chemical systems, to enable processing of signals and information. Further, this control of the (de)threading process by geometrical changes in the macrocycle could be used to move it directionally along a nonsymmetric axle to achieve molecular pumping (see Chapter 6).\n\nThe effective photoisomerization of the macrocycle and the concomitant drastic effect on the degree of its interpenetration by the axle demonstrated that the combination of these components is highly promising for the development of light-responsive mechanically interlocked receptors. When the stiff-stilbene macrocycle would be interlocked with the axle, Z\u2192E photoisomerization should lead to expulsion of the guest anion alone, in contrast to the dethreading that was observed for the pseudorotaxane complexes.\n\nToward such a mechanically interlocked, light-responsive anion receptor with high binding affinity and selectivity, in Chapter 4 a stiff-stilbene photoswitch was incorporated into the macrocycle of a chloride-binding [2]rotaxane structure. The rotaxane was prepared by anion templated clipping of a (Z)-stiff-stilbene macrocycle on a pyridinium-based axle appended with bulky stoppering groups. Together, the mechanically interlocked components of the Z-isomer formed a binding pocket in which chloride is bound through amide hydrogen bonds with high binding affinity, even in a highly competitive solvent mixture. The E-isomer could be generated by irradiation with light, and was found to exhibit weaker chloride binding as a result of the shape change induced in the macrocycle after photoisomerization. Additionally, the isomerization process was reversible and could be carried out in the presence of chloride, which facilitates its successful uptake and release in situ.\n\nControl over chloride binding could thus be effectively achieved using the rotaxane receptor. However, although easily functionalizable, the mechanically interlocked nature of the rotaxane is strongly dependent on the size compatibility between the macrocycle and the stoppers (i.e. dethreading occurs when the macrocycle is sufficiently large to pass over the stopper molecules). Especially when photoisomerization has a drastic effect on the macrocycle geometry, it can be difficult to predict whether a macrocycle\/stopper combination is suitable for rotaxane formation. For catenated structures this problem does not occur, which makes them valuable alternatives that allow for more variety in macrocycle sizes and functionality. In Chapter 5, a light-switchable [2]catenane receptor for chloride was synthesized via a clipping method using the previously described stiff-stilbene macrocycle in combination with another, pyridinium-containing macrocycle. The obtained Z-isomer strongly bound chloride, while light irradiation generated the E-isomer and resulted in a significant affinity decrease. Also here, the reversibility of the isomerization process was demonstrated, and the concentration of free chloride in solution could be actively regulated.\n\nChapter 4 and Chapter 5 report the first examples of photoswitchable mechanically interlocked receptors and, therefore, unlock a new strategy to modulate substrate binding affinity. Further fine-tuning could improve the binding affinity difference between both photoaddressable states and facilitate control over the uptake and release of anions from aqueous mixtures. For example, modification of the isophthalamide and pyridinium binding sites has been shown to significantly alter the binding strength of the resulting receptors. The achieved control over the binding properties of anion receptors by external stimuli can be advantageous in various applications, such as receptor recycling for anion extractions and regulation of transmembrane transport processes.\n\nStimulus-responsive interpenetrated and interlocked structures have been shown to hold tremendous potential for the development of artificial molecular machines, such as supramolecular pumps. In Chapter 6, light-induced continuous unidirectional translocation, i.e. pumping, was achieved by inverting the shape complementarity of a stiff-stilbene-based macrocycle with two different pseudostoppers on a non-symmetrical pyridinium chloride axle. Here, the two energy barriers for slippage of the ring over either terminus, as well as the pseudorotaxane stability, could be modified at the same time with a single wavelength of light. The Z-isomer of the macrocycle enters the axle from one side to form an interpenetrated pseudorotaxane structure, after which Z\u2192E isomerization of the complexed macrocycle results in instantaneous dethreading of the E-isomer via the other side of the axle. The unbound macrocycle undergoes E\u2192Z isomerization induced by the same wavelength of light, completing the pumping cycle. This cycle took place continuously under photostationary steady-state conditions. Interestingly, since the (E\/Z)-ratio at the photostationary state was higher for the threaded than for the unbound macrocycle, the unidirectional translocation is caused by an information ratcheting mechanism, in addition to the anticipated energy ratcheting mechanism.\n\nBiological protein pumps that move ions and solutes energetically uphill are crucial for the functioning of cells. To perform comparable unidirectional displacement of substrates or components in artificial molecular systems is an enormous challenge. The supramolecular pump presented in Chapter 6 not only enables unidirectional translocation, but does so with high pumping efficiency as a result of the large difference in thermodynamic stability between the pseudorotaxane complexes formed with the Z- and E-macrocycle. Simultaneously, the fast (de)threading kinetics allow for rapid and continuous operation. In contrast to previously reported systems where the stimulus-responsivity stems from the axle component, having a photoswitchable macrocycle allows for straightforward synthetic modification towards more sophisticated structures and functions. For example, functionalization of the axle with a receiving thread could enable the build-up of a higher local concentration of macrocycle without affecting the pumping function, and axle cyclization could pave the way toward a fully light-driven catenane-based motor. Additionally, altering the anionic component of the axle could function as an extra handle to tune the (de)threading kinetics and, with that, the operating speed of the molecular machine. Finally, since the translocating axle consists of a molecular ion pair, it brings opportunities toward (an)ion pumping, for example when embedded in a bilayer membrane. This strategy could enable development of artificial machine-like systems that can generate and maintain electrochemical gradients using light energy.\n\nIn summary, the work presented in this thesis comprises the successful establishment of new designs for photoswitchable anion receptors. For the first time, mechanically interlocked molecules were shown to be highly suitable for controlling the uptake and release of anions with light. Moreover, the developed light-responsive receptors were used to introduce unprecedented functions in multicomponent systems, enabling regulated supramolecular polymerization, molecular communication and unidirectional pumping. This not only unlocks potential for new advancements on a fundamental scientific level towards molecular logic systems and machines, but additionally could pave the way toward smart materials and devices. Further research aimed at achieving these goals is currently ongoing in our group.","auteur":"Jorn de Jong","auteur_slug":"jorn-de-jong","publicatiedatum":"23 september 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/jorndejong?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/d851b22b-7e21-49bf-8c48-768fe43ab5ea\/highres","url_epub":"","ordernummer":"19418","isbn":"","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Universiteit Leiden","afbeeldingen":16833,"video_url":"","podcast_url":"","naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Universiteit Leiden","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16831","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=16831"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16831\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":16834,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16831\/revisions\/16834"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/16832"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=16831"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=16831"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}