Устойчивые к восстановлению нитроксильные радикалы с высоким временем спиновой релаксации

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 23-23-00617

НазваниеУстойчивые к восстановлению нитроксильные радикалы с высоким временем спиновой релаксации

Руководитель Морозов Денис Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-101 - Синтез, строение и реакционная способность органических соединений

Ключевые слова Нитроксильные радикалы, спиновые метки, ПЭЛДОР, динамическая поляризация ядер, импульсный ЭПР

Код ГРНТИ31.21.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
«Установление химических механизмов появления жизни и процессов в живых системах» – одна из ключевых задач, обозначенных в плане фундаментальных и поисковых научных исследований на 2021 - 2030 годы, утверждённых Правительством РФ (Распоряжение № 3684-р от 31.12.20). Развитие и совершенствование методов исследования строения сложных биомолекул, белковых и протеин-нуклеиновых комплексов – ключевой этап на пути к достижению поставленной Правительством задачи. Спектральные методы, основанные на использовании парамагнитных агентов, приобретают всё большее значение для структурной биологии. Так, динамическая поляризация ядер с помощью нитроксил-содержащих бирадикалов позволяет многократно повысить чувствительность широко применяемых для структурных исследований методов ядерного магнитного резонанса, а изучение спин-спиновых взаимодействий неспаренных электронов в селективно модифицированных нитроксильными радикалами биомолекулах методами импульсного ЭПР, например ПЭЛДОР, позволяет определять расстояния между фрагментами в биомолекулах и отслеживать изменения их конформаций при взаимодействии с другими молекулами или клеточными структурами. Устойчивость используемых парамагнитных агентов (бирадикалов и спиновых меток) в условиях измерения (в модельных системах и живых клетках) имеет решающее значение, поскольку гибель даже одного из двух взаимодействующих радикальных фрагментов бирадикала приводит к потере функциональных свойств, равно как и гибель даже одной из двух взаимодействующих спиновых меток приводит к невозможности проведения измерений ПЭЛДОР. Другим фактором, определяющим эффективность парамагнитных агентов (как бирадикалов, так и спиновых меток для исследования методами импульсного ЭПР), является время спиновой релаксации. В экспериментах ПЭЛДОР оно определяет и диапазон измеряемых расстояний. При низких температурах, в которых проводятся гиперполяризация ядер с помощью бирадикалов и эксперименты по ПЭЛДОР, значительного повышения времени спиновой релаксации удаётся достичь с помощью введения в окружение нитроксильной группы спироциклических фрагментов. Однако наиболее эффективные на сегодняшний день спироциклические бирадикалы и спироциклические спиновые метки не отличаются высокой устойчивостью к восстановлению. Авторы этого проекта намерены создать новые спиновые метки и бирадикалы на основе нитроксильных радикалов с двумя функционализированными спироциклическими фрагментами, сочетающие высокую устойчивость к восстановлению с превосходными релаксационными характеристиками. Прототипом таких структур будут нитроксильные радикалы пирролидинового ряда с двумя спиро-(2-гидроксиметил)циклопентановыми фрагментами в окружении нитроксильного центра. Авторы надеются достичь существенного улучшения функциональных свойств спиновых меток и бирадикалов, сделав их более пригодными для применения в биологических образцах, содержащих биогенные восстановители.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Хорошунова Ю.В., Морозов Д.А., Кузнецов Д.А., Рыбалова Т.В., Глазачев Ю.И., Багрянская Е.Г., Кирилюк И.А. Synthesis and Properties of (1R(S),5R(S),7R(S),8R(S))-1,8-Bis(hydroxymethyl)-6-azadispiro[4.1.4.2]tridecane-6-oxyl: Reduction-Resistant Spin Labels with High Spin Relaxation Times MDPI, Int. J. Mol. Sci. 2023, 24(14), 11498 (год публикации - 2023)
10.3390/molecules28041926

2. Д.А. Морозов, Ю.В. Хорошунова, С.А. Добрынин, Ю.И. Глазачев, Д.А. Кузнецов, Т.В. Рыбалова, Е.Г. Багрянская, И.А. Кирилюк Нитроксильные радикалы пирролинового и пирролидинового ряда как основа спиновых меток с уникальными свойствами сборник тезисов докладов Международной конференции по химии «Байкальские чтения-2023», посвященной 65-летию Иркутского института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН и 85-летию академика Б.А. Трофимова., Международная конференция по химии «Байкальские чтения-2023: Сборник тезисов докладов / г. Иркутск, (4-8 сентября 2023 г.). – Иркутск: Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, 2023. С.38 (год публикации - 2023)

3. Ю.В. Хорошунова, Д.А. Морозов, Ю.И. Глазачев, Д.А. Кузнецов, Т.В. Рыбалова, Е.Г. Багрянская, И.А. Кирилюк Устойчивые к восстановлению спиновые метки с высоким временем релаксации Всероссийская научная конференция с международным участием «Современные проблемы органической химии»: Сборник тезисов. Новосибирск, Всероссийская научная конференция с международным участием «Современные проблемы органической химии»: Сборник тезисов. Новосибирск, 2023, с.72 (год публикации - 2023)

4. Ю.В. Хорошунова, Д.А. Морозов, Ю.И. Глазачев, Д.А. Кузнецов, Т.В. Рыбалова, Е.Г. Багрянская, И.А. Кирилюк синтез спиновых меток, сочетающих высокую устойчивость© к восстановлению с высокими временами спиновой релаксации сборник тезисов VII Международной конференции MOSM-2023 / отв. за вып. А. С. Макаров, М. Г. Учускин ; Пермский государственный националь- ный исследовательский университет. – Пермь, 2023. – 346 с., Современные синтетические методологии для создания лекарственных препаратов и функциональных материалов (MOSM 2023) : сборник тезисов VII Международной конференции, с.195 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В процессе выполнения проекта синтезирован новый хиральный нитроксильный радикал – (1R,5S,7S,8R,12S,13S)-12,13-дигидрокси-1,8-бис(гидроксиметил)-6-азадиспиро[4.1.4.2]тридекан-6-оксил. Было показано, что его устойчивость сопоставима с устойчивостью тетраэтилзамещённых нитроксидов пирролидинового ряда, держащих пальму первенства по этому параметру. Уникальной особенностью этого радикала является сочетание высокой устойчивости к восстановлению с улучшенными характеристиками спиновой релаксации, характерными для нитроксильных радикалов с двумя спироциклическими фрагментами, примыкающими к нитроксильной группе, а также высокая растворимость в воде, что ранее было нехарактерно для высокоустойчивых пространственно затрудненных нитроксильных радикалов. Были опробованы различные подходы к функционализации по гидроксильным группам в положениях 3 и 4 пирролидинового цикла, а также гидроксиметильных групп в боковых циклах. Описаны синтетические ограничения таких превращений.

Публикации

1. Хорошунова Ю.В., Морозов Д.А., Глазачев Ю.И., Кузнецов Д.А., Рыбалова Т.В., Багрянская Е.Г., Кирилюк И.А. Пирролидиновые нитроксильные радикалы со спироциклическими заместителями как основа спиновых меток с уникальными свойствами Всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии»: Сборник тезисов, Шерегеш, 2024., Всероссийская молодежная научная школа-конференция «Актуальные проблемы органической химии», 15-21 Марта, 2024, Шерегеш, Кемеровская обл., Сборник тезисов, с. 93 (год публикации - 2024)

2. Морозов Д.А., Хорошунова Ю.В., Глазачев Ю.И., Кузнецов Д.А., Рыбалова Т.В., Багрянская Е.Г., Кирилюк И.А. Спиновые метки с уникальными свойствами на основе нитроксильных радикалов пирролидинового ряда Седьмой Северо-Кавказский симпозиум по органической химии: сборник материалов (Ставрополь, 12–17 мая 2024 г.). – Ставрополь: СКФУ, 2024., Седьмой Северо-Кавказский симпозиум по органической химии: сборник материалов (Ставрополь, 12–17 мая 2024 г.). – Ставрополь: СКФУ, 2024. – C. 101 (год публикации - 2024)

3. Хорошунова Ю.В., Морозов Д.А., Трахинина С.Ю., Асанбаева Н.Б., Кирилюк И.А. Синтез и некоторые свойства (1r,5s,7s,8r,12s,13s)-12,13-дигидрокси-1,8-бис(гидроксиметил)-6-азадиспиро[4.1.4.2]тридекан-6-оксила Всероссийская конференция им. академика В.И. Овчаренко "Органические радикалы и органическая электрохимия: фундаментальные и прикладные аспекты", Новосибирск, 11-15 ноября, 2024 г. Институт "Международный томографический центр" СО РАН, Всероссийская конференция им. академика В.И. Овчаренко "Органические радикалы и органическая электрохимия: фундаментальные и прикладные аспекты", Новосибирск, 11-15 ноября, 2024 г. Институт "Международный томографический центр" СО РАН, C. 54 (год публикации - 2024)

4. Хорошунова Ю.В., Морозов Д.А., Рыбалова Т.В., Трахинина С.Ю., Асанбаева Н.Б., Сотникова Ю.С., Кирилюк И.А. 1R,5S,7S,8R,12S,13S)-12,13-ДИГИДРОКСИ-1,8-БИС(ГИДРОКСИМЕТИЛ)-6-АЗАДИСПИРО[4.1.4.2]ТРИДЕКАН-6-ОКСИЛ - ХИРАЛЬНЫЙ ГИДРОФИЛЬНЫЙ ДИСПИРОЦИКЛИЧЕСКИЙ РАДИКАЛ С ВЫСОКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ К ВОССТАНОВЛЕНИЮ Химия в интересах устойчивого развития, Химия интересах устойчивого развития. 2024. Т.32. №4. С.555-565 (год публикации - 2024)
http://dx.doi.org/10.15372/KhUR2024588

5. Морозов Д.А., Кирилюк И.А., Багрянская Е.Г. Нитроксильные радикалы с объемными заместителями: синтез, свойства и применение Vi Всероссийская конференция по органической химии, приуроченая к 300-летию основания Российской академии наук, 85-летию Отделения химии и наук о материалах и 90-летию Института органической химии, Сборник тезисов, Москва, 23-27.09.2024, VI Всероссийская конференция по органической химии, приуроченная к 300-летию основания Российской академии наук, 85-летию Отделения химии и наук о материалах и 90-летию Института органической химии, Сборник тезисов, Москва, 23-27.09.2024 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Информация по методам синтеза и функционализации пространственно затрудненных нитроксильных радикалов с высокими временами спиновой релаксации и высокой устойчивостью к восстановлению биогенными восстановителями открывает новые двери в получении инструмента для биофизических исследований в изучении детального функционирования живых клеток.