«ТЕМА 44.1.9. МЕХАНИЗМЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, ИНТЕРМЕДИАТОВ, ПОЛИМЕРОВ И БИОПОЛИМЕРОВ»

Цель работы – проведение фундаментальных и ориентированных научных исследований с целью получения новых научных знаний, развития методов научных исследований, создания научного и научно-технического задела для развития наукоемких технологий. Проект направлен на исследование механизмов химических реакций, установление строения и свойств органических соединений, интермедиатов, полимеров и биополимеров. В отчетный период все участники проекта работали в строгом соответствии с его планом, выполненном в полном объеме с получением всех ожидаемых результатов. Важнейший результат 2020 г. С использованием серии модельных псевдогомологичных мультиспиновых систем, построенных на основе стабильных радикалов тритильного типа, и импульсной спектроскопии ЭПР (X-band, 9 GHz) впервые показана возможность регистрации агрегатов связанных спинов – от двух до четырех. Этот результат, полученный на модельных соединениях, демонстрирует высокий потенциал подхода и свидетельствует о целесообразности его переноса на исследование процессов комплексообразования с участием спин-меченых пептидных молекул в их нативном состоянии. Важнейший результат НИР 2017-2020 гг. Константа скорости гомолиза алкоксиаминов является основным фактором, определяющим процесс радикальной контролируемой полимеризации. Нами предложено три подхода, позволяющих изменять реакционную способность алкоксиаминов: (1) протонирование/депротонирование функциональных заместителей, (2) образование комплексных соединений функционально-замещенных алкоксиаминов и с катионами Cu2+, Zn2+, Tb3+ или (3) реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения олефинов к альдонитрон-замещенным алкоксиаминам. Предложенные подходы открывают новые перспективы создания управляемых устройств: в неактивированном состоянии алкоксиаминов довольно стабильны, а после активации становятся эффективными инициаторами. Возможной сферой применения таких устройств может стать тераностика.  Глава 1. Исследование взаимосвязи варьирования структуры cамоиммобилизующихся салицилальдарилиминных комплексов дихлорида титана (IV) со свойствами каталитических систем полимеризации этилена для направленного управления морфологией полимера. Синтез первых представителей фторсодержащих самоиммобилизующихся салицилальдарилиминных комплексов дихлорида титана(IV) и изучение каталитических систем полимеризации на их основе. Проведены исследования новых салицилальдарилиминных и бисарилиминопиридиновых комплексов титана, кобальта и железа в каталитических системах полимеризации этилена. Разработан способ синтеза новых салицилальдарилиминных комплексов дихлорида титана, содержащих диаллиламиногруппу по схеме, включающей конденсацию 3,5-замещенных салициловых альдегидов с мета- и пара-изомерами N,N-диаллиламино¬фенилендиамина с последующим взаимодействием образующихся иминов с диизо-пропоксититандихлоридом. Открыта способность нового семейства комплексов дихлорида титана катализировать образование СВМПЭ при полимеризации этилена при активировании катализатора метилалюмоксаном. С помощью метода дифференциальной сканирующей калориметрии показано, что образующийся СВМПЭ обладает упорядоченной морфологией, характеризующейся низким количеством зацеплений макромолекул и высокой степенью кристалличностью. Сотрудниками Лаборатории электрохимически активных соединений и материалов НИОХ СО РАН и специалистов Института химии Китайской АН разработан способ синтеза новых бисарилиминопиридиновых комплексов дихлорида железа по схеме, включающей конденсацию 2-ацетил-5,6,7,8-тетрагидро-9Н-цикло-гепта[b]пиридин-9-она с 2-R1-4-R2-6-циклоалкиланилинами, содержащими варьируемый размер цикла, с последующим взаимодействием образующихся 2-[1-(2-R1-4-R2-6-цикло-алкилфенилимино)этил]-9-(2-R1-4-R2-6-циклоалкилфенилимино)-5,6,7,8-тетрагидро-9Н-циклогепта[b]пиридинов с тетрагидратом дихлорида железа. Открыта способность нового семейства комплексов дихлорида железа катализировать образование высоколинейного полиэтилена при полимеризации этилена при активировании катализатора метилалюмоксаном. Используя аналогичный подход, были синтезированы новые комплексы дихлорида кобальта и железа, содержащие циклоалкильный и дифенилметильный заместители. Разработаны компоненты катализатора для полимеризации этилена в высоколинейный полиэтилен, катализаторы и способ приготовления каталитической системы на основе новых комплексов дихлорида кобальта и железа, обеспечивающие высокую активность каталитической системы. Поскольку компоненты катализатора, катализаторы и способ обладают новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, были оформлены заявки на изобретение и получен патент РФ. Глава 2. Изучение инициирования радикальной контролируемой полимеризации алкоксиаминами с переключаемой скоростью гомолиза за счет рН и копмлексообразования с металлами. 1,3-Диполярное циклоприсоединение как метод изменения значений констант скорости гомолиза алкоксиаминов. В течение трех лет выпонения проекта были синтезированы гомо- и блок-сополимеры и получены наноструктурированные пленки методом радикальной контролируемой полимеризации в присутствии нитроксильных радикалов; проведена радикальная полимеризации (РП) и радикальной полимеризации по механизму обратимого ингибирования нитроксилами (РКП) мономеров, содержащих свободно-радикальные заместители триарилметальные радикалы (ТАМ). Исследована РКП сополимеризация стирола и ТАМ 2, инициированная алкоксиамином Blockbuilder ((N-(2-метилпропил)- N-(1-диэтилфосфоно-2,2-диметилпропил)-N-окси)-2-метилпропионовая кислота, ББ). Удалось достигнуть значительной стабильности ТАМ, порядка 90%. Методом 1,2 радикального присоединения ББ к мономеру 1 был получен моно- и би-функциональзированный инициатор РКП, содержащий ТАМ метку. При инициировании полимеризации был получен полимер, содержащий метки в середине цепи и в качестве концевой группы. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование реакции 1,3-диполярного циклоприсоединения широкого круга мономеров к 2,2,5,5-тетраметил-3-имидазолин-3-оксид-1-оксилу 1а. Экспериментальное исследование проводили методом ЭПР спектроскопии, наблюдая изменение константы СТВ реагирующего радикала с конкретным мономером во времени. Для каждого мономера получали шесть кинетических зависимостей СТВ от времени при различных температурах, после чего рассчитывали энергию активации в аррениусовских координатах. Приведен первый экспериментально доказанный пример того, как непредельный карбокатион винильного или аллильного типа взаимодействует со слабым основанием. Показано, что на первой стадии катион действует как сильный протонирующий агент, превращаясь в молекулу карбена. На второй стадии чрезвычайно реакционноспособный карбен взаимодействует с доступными молекулами. Именно реакционная способность карбена приписывалась карбокатиону. Такой механизм реакции до сих пор не предсказывался. В 2020 году были синтезированы три диастереомерных алкоксиамина на базе имидазолинового радикала с различными алкильными заместителями и пиридиновым фрагментом, обеспечивающим способность к комплексообразованию. В результате детального исследования состава и строения продуктов разложения алкоксиаминов методами ЯМР было установлено, что необычная кинетика гомолиза в данном случае вызвана ранее не известной побочной перегруппировкой имидазолинового остова, необратимо выводящей алкоксиамин из реакции. Глава 3. Исследование структуры протеинов и их комплексов с нуклеиновыми кислотами методами магнитного резонанса. Изучено проникновение белка CPP RL2 раковыми клетками человека с применением метода ЭПР и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Рекомбинантный аналог RL2 протеолитического фрагмента белка человеческого каппа казеина способен проникать в клетки человека и индуцировать апоптоз раковых клеток не проявляя цитотоксического действия на нормальные клетки. Точный механизм проникновения RL2 оставался невыясненным. Нами механизм проникновения RL2 в клетки рака легкого человека A549 был изучен методом ЭПР и конфокальной микроскопии. Для внутриклеточных исследований ЭПР применялась спиновая метка 1, синтезированная на основе радикала 2, которая метилась по положениям остатков лизина димера RL2 (sRL2). Хотя была известна высокая устойчивость радикала 2 к восстановлению в аскорбиновой кислоте, спиновая метка 1 ранее не тестировалась в исследованиях ЭПР на спин-меченных белках в клетках. Была показана применимость этой метки для внутриклеточных ЭПР экспериментов, проводимых в течение более 15 часов при физиологических концентрациях спин-меченого белка в клетках. Из сопоставления данных ЭПР и конфокальной микроскопии сделаны выводы о наличии нескольких путей проникновения RL2: эндоцитоз, прямое проникновение, аутофагия. В настоящем отчетном периоде было обнаружено образование нековалентных димеров альбумина в водном растворе, что было показано методом DEER с использованием спин меченного белка с нитроксильным и тритильными радикалами. Эксперименты по разведению буфером и немеченным HSA показали, что димеры HSA находятся в равновесии с мономерным HSA. Добавление миристиновой кислоты приводит к его связыванию с молекулой альбумина и стабилизацией трехмерной структуры белка, что приводит к стабилизации мономера альбумина и уменьшению его димеризации. Распределение расстояний в методе DEER указывает на хорошо упорядоченные структуры димеров со средний расстоянием ~ 2 нм. Образование димеров может влиять на множество физиологических процессов, связанных с функцией HSA в организме человека. В результате проведенных исследований методом импульсной дипольной ЭПР спектроскопии получены новые данные о неизменности конформации мРНК на разных стадиях терминации трансляции и выяснен ряд аспектов взаимодействия неструктурированных РНК с 40S субчастицами рибосом человека, происходящем вне мРНК-связывающего центра вблизи входа мРНК в рибосому. Эти данные позволили выявить наиболее вероятный участок связывания таких РНК на субчастице и сделать предположение о функциональной роли этого участка в контроле качества мРНК, осуществляемым 40S субчастицей при непосредственном участии белка uS3. Глава 4. Исследование карбокатионов органических соединений, генерируемых под действием карборановых суперкислот, установление их строения и механизмов реакций. Проведено исследование органических катионов, образующихся в результате протонирования 4-диметиламинопиридина (DMAP) и его производных в (супер)кислотных средах. Изучена корреляция параметров спектров ЯМР с направлением (региоселективностью) и кратностью протонирования DMAP и некоторых его производных в кислотах различной силы (CF3COOH, CF3SO3H и FSO3H–SbF5). Установленные зависимости спектральных характеристик от значения внесенного положительного заряда будут полезны при изучении реакционной способности аналогичных гетероциклических систем в присутствии кислотных агентов. Ранее механизм и кинетика некаталитического бромирования были исследованы для традиционных ароматических соединений – бензола и его производных. Было установлено, что легкость протекания реакции обеспечивают кластеры (ассоциаты из нескольких молекул) брома, собирающиеся в ходе реакции и стабилизирующие переходное состояние. В этом году объектами исследования стали карбораны, обладающие особым типом ароматичности – 3D-ароматичностью. Исследованы карбокатионы органических соединений, генерируемые под действием карборановых суперкислот и установлено их строение и механизмы реакций. Исследованы механизм и кинетика бромирования ряда органических соединении. Исследовано влияние супрамолекулярных кластеров брома на скорость и порядок реакции и изучены особенности электрофильных реакций карборанов. Глава 5. Изучение процессов образования и путей превращения ион-радикалов органических, в том числе полифторароматических, соединений посредством квантово-химических расчетов. Дано описание изменений электронного и геометрического строения первичного катион-радикала (КР) в облучённом полиизобутилене в процессе его структурной релаксации, согласующееся с данными ВМЭ экспериментов. Предложена интерпретация литературных данных по фотолизу 1,2,3,4 тетрафторбензола (а), а также гидродефторированию 3-хлор-тетрафторпиридина (б) и перфтор-мета-ксилола (в). Эти процессы протекают с промежуточным образованием АР. Показано, что неселективное протекание процесса (а) обусловлено наличием на ППЭ АР 1,2,3,4-тетрафторбензола минимумов двух типов. Для корректного описания фрагментации АР 3-хлор-тетрафторпиридина построена теоретическая модель, предусматривающая динамический учёт растворителя. Показано, что изменение соотношения каналов распада этого АР при увеличении полярности растворителя обусловлено различиями в механизмах разрыва связей C-F и C-Cl. Эта же модель применена к исследованию фрагментации АР перфтор-мета-ксилола. Значительно меньшая высота энергетического барьера для отрыва F из положения 4 ароматического кольца этого АР по сравнению с таковой для отрыва F от одной из групп CF3 объясняет наблюдаемую селективность процесса (в). Глава 6. Разработка методов синтеза набора новых электрохимически активных репортерных групп с различными электрохимическими редокс потенциалами. Разработка методов модификации олигонуклеотидов и новыми репортерными группами. Разработка модельного электрохимического геносенсора для детекции гибридизации ДНК Предложены и реализованы оригинальные новые методы синтеза электрохимических редокс-активных модификаторов олигонуклеотидов на основе производных 9Н-тиоксантен-9-она и тиоксантен-1,4,9-триона, обладающих отчетливо различающимися потенциалами и представляющих интерес для электрохимических ДНК-технологий и современной генодиагностики. Изучено ЭХВ полученных соединений в апротонных растворителях и смесях «апротонный растворитель-Н2О». Показано, что наличие линкерных групп не оказывает влияния на характер ЭХВ новых модификаторов олигонуклеотидов, а также на устойчивость их восстановленных форм в водных средах. Разработаны методики модификации модельных олигонуклеотидов указанными редокс-метками. Осуществлена электрохимическая детекция гибридизации модельного олигонуклеотида, меченого редокс-метками на основе 9Н-тиоксантен-9-она с комплементарным олигонуклеотидным зондом, ковалентно иммобилизованным на золотом электроде электрохимического геносенсора. Показано, что электрохимические сигналы от редокс-меченых ДНК-дуплексов четко детектируются методом циклической вольтамперометрии. Сигнал сохраняется при многократном сканировании потенциала. В ходе выполнения проекта были разработаны трехэлектродный геносенсор для тестирования электрохимической активности редокс-меченых олигонуклеотидов и десятиэлектродная платформа для дальнейшей разработки на её основе прототипа коммерческого геносенсора.