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 23-13-00095

НазваниеНековалентные взаимодействия с высокой зарядовой кооперативностью

РуководительТолстой Петр Михайлович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-505 - Строение молекул и молекулярная спектроскопия

Ключевые словаводородная связь, переход протона, перенос заряда, эффекты кооперативности, органокатализ, ЯМР спектроскопия, ИК спектроскопия, межмолекулярные комплексы

Код ГРНТИ31.15.15

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В проекте предлагается создание и изучение комплексов с взаимодействующими короткими водородными связями, обладающими одновременно сильной зарядовой и слабой энергетической кооперативностью. Исследование явления переноса заряда в таких системах будет проводиться в трех направлениях: 1) моделирование взаимодействия нековалентных связей в активных центрах некоторых белков, 2) создание новых органических катализаторов для реакций гетероциклизации и 3) разработка новых протических ионных жидкостей с высокой протонной проводимостью. В рамках проекта предполагается развитие методов спектрального детектирования и характеризации систем с взаимодействующими водородными связями, чем и обусловлен фундаментальный интерес данной тематики. Научная новизна заключается в том, что во всех трех направлениях работы предлагается использовать одну и ту же ключевую особенность химического строения изучаемых систем. В этих системах имеется неколько нековалентных взаимодействий, по крайней мере одно из которых является «квазисимметричной» (короткой, низкобарьерной) водородной связью, при этом смещение протона в ней, вызываемое изменением прочности одного из соседних нековалентных взаимодействий, сильно изменяет заряды на протонодонорном и протоноакцепторном атомах, заметно модифицируя их нуклеофильность без больших энергетических затрат. Иными словами, небольшое изменение прочности одной химической связи вызывает значительный перенос заряда в соседней. В первом направлении объектом исследования выбраны модельные комплексы, имитирующие систему переноса заряда в активных центрах ферментов трипсина и химотрипсина, а также системы стабилизации отрицательного заряда в активных центрах фотоактивного желтого белка (комплекс белок-кофактор) и кетостероид-изомеразы (комплекс фермент-ингибитор). Во втором направлении будут разрабатываться кислотные органокатализаторы для получения конденсированных пиримидинов, принцип каталитического действия которых основан на одновременном увеличении электрофильности атома углерода и нуклеофильности атома азота за счет пары взаимодействующих коротких водородных связей без перехода протона. В третьем направлении будут рассмотрены протические ионные жидкости, в которых образуются цепочки гомосопряженных водородных связей и возможна передача подвижных протонов без трансляционной диффузии тяжелых атомов. Таким образом, работы по проекту соответствуют приоритетному направлению Н1 НТР РФ в части создания новых материалов и способов их конструирования. Имеющийся научный задел (суммарно у основных исполнителей проекта за последние 5 лет опубликовано более 80-ти статей, которые были процитированы более 540 раз) и налаженное сотрудничество между всеми участниками проекта дают все основания полагать, что результаты, как и предыдущие статьи коллектива, будут опубликованы в высокорейтинговых международных журналах, в т.ч. первого квартиля. У коллектива имеется необходимое оборудование и вычислительные ресурсы для успешного выполнения намеченной программы исследований, а структура плана работ позволяет выполнять параллельные исследования по всем трем выбранным направлениям, что делает риск невыполнения заявленных показателей минимальным.

Ожидаемые результаты
Работа по проекту является разработкой параллельно в трех направлениях одной идеи – использовать перенос заряда в системах с взаимодействующими нековалентными связями, обладающими слабой энергетической кооперативностью, для точечного создания высокой нуклеофильности (или электрофильности) без существенных энергетических затрат. Это можно назвать «зарядовой кооперативностью». Такой механизм предлагается для объяснения каталитического действия некоторых ферментов и поэтому одним из результатов проекта будет построение низкомолекулярных моделей, воспроизводящих цепочку переноса заряда, аналогичную цепочке Ser-His-Asp (Ser-His-His) в активном центре трипсина (химотрипсина) и моделей, воспроизводящих систему стабилизации отрицательного заряда на атоме кислорода слабых OH кислот в активных центрах фотоактивного желтого белка (Photoactive Yellow Protein, PYP) и фермент-субстратного комплекса кетостероид-изомеразы (Ketosteroid Isomerase, KSI). Вторым основным результатом проекта будет разработка новых региоселективных и стереоселективных органокатализаторов для получения полиядерных пиримидинов, в том числе хиральных. Поиск таких катализаторов планируется начать с замещенных мышьяковых кислот ((R1O)R2OAsOOH) и арсиновых кислот (R1R2AsOOH), для которых наблюдается более слабая кислотность, чем для известных катализаторов на основе фосфорных/фосфиновых кислот, но не происходит значительного ослабления протоноакцепторной способности группы As=O, за счет меньшего электронного сопряжения между группами AsOH и As=O, по сравнению с группами POH и P=O в фосфорсодержащих кислотах. Третьим результатом работы будет синтез и изучение свойств новых протических ионных жидкостей на основе холина (R3N+(CH2)2OH), противоанионом в которых выступают моноанионы фосфоновых или других двухосновных кислот с электронным сопряжением между кислотными остатками. В этом случае OH группы катионов и группы OH и O– анионов могут образовывать протяженные цепочки коротких водородных связей по типу гомосопряженных анионов кислот. В таких цепочках изменение геометрии одной из связей может вызывать каскадный процесс перехода протонов в соседних, приводя в итоге к высокой протонной проводимости ионной жидкости. Практическая значимость проекта будет зависеть от успешности двух последних направлений исследований: создания катализаторов регио- и стереоселективных реакций (значимых в химии азотистых гетероциклов, в особенности в химии хиральных пиримидинов, играющих важную роль в развитии современной фармакологии) и получения ионных жидкостей с высокой протонной проводимостью (значимых в области создания новых электрохимических устройств). По выбору объектов и методов исследования проект является существенно междисциплинарным. В каждом случае будет проводиться поиск спектральных маркеров (спектральных параметров с высокой диагностической ценностью), пригодных для описания величин энергетической, геометрической и зарядовой кооперативности нековалентных взаимодействий в изучаемых системах. Основными инструментальными методами анализа выбраны низкотемпературная спектроскопия ЯМР (в растворах в сжиженных газах-фреонах и в твердом теле), ИК спектроскопия (в растворах и в твердом теле – НПВО, ATR), спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), а также рентгеноструктурный анализ. Кроме того, для фундаментального понимания механизма зарядовой кооперативности будут широко применяться квантово-химические расчеты (DFT, ab initio, анализ QTAIM). В частности, методами квантовой химии будут исследоваться как низкомолекулярные комплексы (также изучаемые нами экспериментально), так и дополнительные модельные комплексы с независимым и систематическим изменением геометрии нековалентных химических связей. Уровень запланированных исследований соответствует уровню основных мировых конкурентов, являющихся признанными лидерами в области нековалентных взаимодействий. Высокое качество и новизна работы также подтверждаются научным заделом коллектива исполнителей проекта, опубликовавших за последние 5 лет более 80-ти статей, которые были процитированы более 540 раз.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---