КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-73-10177
НазваниеИсследование влияния микродоменной природы имидазолиевых, четвертичных аммониевых и фосфониевых солей на их реакционную способность и биологическую активность
Руководитель Архипова Дарья Михайловна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук , г Москва
Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-102 - Синтез, строение и реакционная способность металло- и элементоорганических соединений
Ключевые слова синтез, элементорганические соединения, ионные соединения, катализ, пробоподготовка для электронной микроскопии, оптическая микроскопия, электронная микроскопия, цитотоксичность, искусственный интеллект, машинное обучение
Код ГРНТИ31.21.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Ионные соединения (в узком смысле – ионные жидкости) обладают рядом уникальных свойств, таких как низкое давление паров, термическая стабильность, негорючесть, большое структурное разнообразие, широкое электрохимическое окно и т.д. По этой причине данные вещества являются важными, многообещающими материалами для использования в разнообразных областях науки, среди которых следует упомянуть межфазный катализ, фармацевтику, доставку лекарств, хранение энергии, экстракцию металлов и пр. Однако для развития методик практического использования ионных соединений необходима разработка новых и оптимизация существующих синтетических подходов.
Микродоменная природа ионных соединений играет важную роль в процессах с их участием в промышленности и тонком органическом синтезе. Сложные системы, включающие ионные соединения, требуют изучения на всех уровнях организации (молекулярный, нано- и микроразмерный) в связи с присущей им склонностью образовывать супрамолекулярные агрегаты. Органические и неорганические ионные соединения являются удобными объектами для изучения микродоменной природы ввиду высокого структурного разнообразия и возможности тонкой настройки физико-химических и биологических свойств. В рамках проекта будет изучено влияние микродоменной природы ионных соединений на их микроструктуру, реакционную способность и биологические свойства. Для решения поставленной задачи планируется использовать широкий набор подходов, что в конечном итоге позволит разработать методы контроля микродоменной структуры ионных соединений.
Планируется синтез солей фосфония и других ионных органических и неорганических соединений. Для полученных соединений в твердом виде будет исследована уникальная микрокристаллическая структура, а для жидких ионных соединений – супрамолекулярная организация. Непосредственное наблюдение микродоменной структуры планируется осуществлять с помощью современных техник электронной микроскопии. Полученный набор данных будет использован для установления корреляций между химическим строением, микродоменной природой и свойствами соединений и материалов и построения теоретических моделей. Будет оценена возможность предсказания свойств ионных соединений на основе их молекулярного строения.
Кроме того, будет исследована микродоменная природа ионных жидкостей (ИЖ), используемых в качестве растворителей в каталитических процессах, с целью разработки методов контроля активности и селективности химических реакций. ИЖ, как правило, выступают межфазными переносчиками в каталитических реакциях. Однако их роль и влияние на каталитическую активность с точки зрения супрамолекулярной организации изучены слабо. Вместе с тем, ИЖ обладают низким давлением паров, поэтому остаются стабильными в условиях высокого вакуума камеры электронного микроскопа, что позволяет производить прямое наблюдение за микродоменной структурой и динамическими процессами непосредственно во время протекания реакции.
Планируется оценить возможность применения ИЖ в качестве фиксирующих сред для изучения взаимодействия эукариотических клеток с наночастицами металлов и/или пластиков методом СЭМ в рамках исследования цитотоксичности материалов. Разработанный метод позволит исследовать влияние микродоменной природы ИЖ на биологические свойства и внести вклад в разработку систем доставки лекарственных препаратов.
Определяющую роль в выполнении проекта играет применение искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения для анализа и обработки «больших» химических данных. Алгоритмы ИИ успешно применяются в науке для решения практически важных и фундаментальных проблем, помогают сократить время анализа химических исследований. Внедрение современных методов в экспериментальную и теоретическую химию является чрезвычайно важной задачей. Использование передовых методов с применением ИИ в ходе проекта обеспечит достижение результатов мирового уровня.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках отчетного периода был синтезирован ряд гомологичных солей фосфония. С помощью электронной и оптической микроскопии выявлено широкое морфологическое разнообразие кристаллической структуры солей фосфония. Обнаружено, что одна метиленовая группа в молекулярном строении соли фосфония может значительно повлиять на морфологию кристаллов. Был собран большой экспериментальный набор из 3506 изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, и 392 оптических изображения микроструктуры 19 гомологичных соединений и их двойных смесей. Собранная база данных микрофотографий охватывает широкий диапазон увеличений (от 30 до 15000) и демонстрирует иерархическую организацию кристаллических структур.
Набор микрофотографий может быть полезен для химиков широкой специализации для изучения природы взаимосвязи между молекулярной структурой и морфологией кристаллов, а также для специалистов в области анализа данных для обработки данных алгоритмами искусственного интеллекта и тестирования моделей машинного обучения. Такой подход к сбору большого набора данных изображений для морфологии отдельных классов соединений может быть применен для разработки методик предсказания молекулярного строения по изображениям морфологии с помощью методов машинного обучения.
Оптимизированы условия пробоподготовки эукариотических клеток (клеточная линия CaCo-2) для СЭМ с использованием ацетата холиния в качестве фиксирующей среды. Установлено, что концентрации ионной жидкости (ИЖ) ≤1% в PBS обеспечивают сохранение нативной морфологии клеток без значительных искажений, в отличие от стандартных методов, включающих этап дегидратации. Время инкубации в ИЖ незначительно влияет на детализацию изображений, но может изменять морфологию клеток. Однако фиксация ИЖ ограничивает изучение ультраструктуры мембран при высоких увеличениях, что требует дальнейшей оптимизации протоколов с учетом использования других клеточных линий, ИЖ и условий обработки.
Полученные результаты создают основу для разработки алгоритмов машинного обучения в материаловедении и биотехнологии, а также открывают перспективы для усовершенствования методов микроскопии.