"Механизмы химических реакций, строение и свойства органических соединений, интермедиатов, полимеров и биополимеров"

Проект направлен на экспериментальное и теоретическое исследование механизмов химических реакций, установление строения и свойств органических соединений, интермедиатов, полимеров и биополимеров, развитие физико-химических методов исследования структуры молекул и химических реакций и создания научного и научно-технического задела для развития наукоемких технологий.Задачи проекта:1.Квантовохимическое исследование строения и потенциальных поверхностей структурно-нежестких органических (ион-)радикалов, установление связи строения потенциальных поверхностей с физико-химическими свойствами этих частиц. 2.Развитие концепции кластерного бромирования органических соединений. Влияние температуры на степень протонирования DMAP и его производных.3.Развитие методов синтеза практически полезных ароматических и гетероциклических, в том числе фторорганических соединений, в частности, биологически активных веществ и органических материалов, с использованием фоторедокс катализа, фотоактивируемых превращений, реакций электрофильного и окислительного фторирования. Систематическое изучение механизмов таких превращений для управления скоростью и селективностью реакций, также планируется делать акцент на создание ресурсосберегающих методов получения целевых соединений, проведение химических реакций в соответствии с принципами «зеленой химии». 4.Разработка теоретических подходов описания спиновой динамики высокоспиновых систем – прототипов мономолекулярных магнитов на основе двухзарядных катионов кобальта с целью оптимизации процесса переключения их состояний циркулярно и линейно поляризованными полями дальнего инфракрасного и СВЧ диапазонов. Учёт квадрупольных электронных переходов и электронно-ядерных сверхтонких и квадруполь-квадрупольных взаимодействий.5.Разработка теоретических основ нового метода двумерной спектроскопии импульсного двойного электрон-электронного резонанса с корреляцией электрон-электронного и электрон-ядерного взаимодействий для повышения пространственного разрешения метода и точности определения структурных характеристик биологических макромолекул.6.Оценка на основе численного моделирования возможности динамического переноса поляризации с электронных спинов на ядерные за счёт «эквивалентизации» спинов во вращающейся системе координат при частоте СВЧ поля равной примерно половине зеемановской.7.Исследование структуры и функций протеинов и нуклеиновых кислот и их комплексов методами стационарного и импульсного электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса (ЯМР и ЭПР). 8.Развитие подходов для исследования полностью или частично неструктурированных белков (Intrinsically Disordered Proteins) в клетках методами ЯМР и ЭПР. 9.Применение методов ЭПР спектроскопии к исследованию оксигенации и рН тканей животных in vivo и in vitro с применением новых спиновых зондов, синтезируемых в НИОХ СО РАН.10.Исследование ненасыщенных карбокатионов, содержащих С=С и С≡С связи: получение, определение состава и строения, исследование реакционной способности и механизмов реакции с нуклеофилами. 11.Исследование процессов радикальной контролируемой полимеризации и разработка новых подходов к управлению кинетики радикальной контролируемой полимеризации для оптимизации условий и применение этих подходов для синтеза широкого круга соединений, в том числе полифторированных, применяемых в электронике, био-медицинских исследованиях и материаловедении.Полученные результаты послужат углублению и развитию представлений об элементарных стадиях и механизмах химических процессов, идущих с промежуточным образованием анион-радикалов, в первую очередь – восстановительного дегалогенирования органических молекул – реакции важной в практическом отношении.2021 год: Будут разработаны подходы к синтезу функционализированных пиразоло[1,5-а]пиридинов, фторированных нафталинов и полициклических ароматических соединений. 2022-2025 гг.:Планируется разработать фотокатализируемые подходы к синтезу ароматических и гетероциклических соединений, в частности, пиразолопиридинов, индолизинов, нафталинов и их аннелированых аналогов, содержащих группы PO(OR)2, SF5, SCF3 и др. Изучены подходы к дизайну фотоудаляемых защитных групп на основе остовов BODIPY, работающих в красной области спектра.Будут изучены внутримолекулярные изотопные эффекты при электрофильном фторировании производных нафталина NF-реагентами, влияние среды на скорость и селективность электрофильного фторирования аренов, разработаны и оптимизированы методы фторирования ароматических и ненасыщенных соединений в отсутствие растворителя, разработаны методы усложнения структуры фторорганических соединения на основе реакций циклоприсоединения для синтеза перспективных полупроводниковым материалов. Это позволит сделать вывод о фундаментальных закономерностях данной реакции, разработать более эффективные способы получения практически полезных фторароматических продуктов, в том числе биологически активных соединений и аналогов лекарственных препаратов. Ранее мы продемонстрировали, что некаталитическое бромирование ароматических соединений может осуществляться с участием кластеров брома и предложили механизм этого процесса. Мы ожидаем, что реализация данного проекта приведет к дальнейшему развитию кластерной теории бромирования и открытию других органических (и, возможно, не только органических) соединений и классов соединений (таких как алканы, алкены и алкины, каркасные углеводороды и карбораны), также способных бромироваться с участием кластеров. Научная значимость этого – расширение области применимости кластерной теории. Другой аспект предполагаемых исследований лежит в области механизмов реакций. Имевший место в последние годы существенный пересмотр классического механизма электрофильного ароматического замещения заставляет задуматься и о классических механизмах присоединения брома к алкенам и алкинам. Кроме того, электрофильный (в отличие от радикального) механизм бромирования алканов, каркасных углеводородов и карборанов изучен мало. Представляется, что переходные состояния и возможные интермедиаты реакций замещения атома водорода на бром в случае бензола и в случае адамантана могут иметь принципиальные отличия. Таким образом, научная значимость проекта должна быть дополнена установлением новых и уточнением сферы применимости известных механизмов бромирования. С точки зрения прикладных аспектов, проведение реакций в среде жидкого брома имеет, по нашему мнению, определенную перспективу, заключающуюся, как это ни парадоксально выглядит, в экологичности. После завершения процесса жидкий бром вместе с со-растворителем, нужным для регулирования скорости бромирования, может быть отогнан и без какой-либо очистки использован повторно. Продукт не потребует водной обработки, необходимой в случае использования катализатора-кислоты Льюиса. Не требуется нагревание (было обнаружено, что «кластерное» бромирование мало зависит от температуры; ускорение реакции может быть достигнуто в широких пределах простым увеличением концентрации брома, так как порядок по брому очень высокий). Недостатком является неизбежный большой избыток брома, поэтому круг субстратов для синтетических целей ограничен соединениями, способными взаимодействовать с определенным количеством молекул брома.Различные аспекты реакционной способности N-гетероциклических соединений в электрофильных средах вызывают значительный исследовательский интерес. Метод ЯМР предоставляет уникальную возможность «прямого наблюдения» за поведением таких субстратов в протонных кислотах различной силы. В запланированной работе на примере 4-диметиламинопиридина (DMAP) и некоторых его производных, взятых в качестве модельных азотистых гетероциклов с несколькими основными центрами, будет изучена корреляция параметров спектров ЯМР с направлением (региоселективностью) и кратностью их протонирования в кислотных системах CF3COOH-CD2Cl2, TfOH-CD2Cl2 и FSO3H-SbF5. Установленные зависимости спектральных характеристик от величины внесенного положительного заряда будут полезны при изучении поведения аналогичных гетероциклических систем в присутствии кислотных агентов. Температурная зависимость степени протонирования химических соединений, связанная с повышением кислотности среды при понижении температуры, известна, но размах этой зависимости обычно невелик. Мы надеемся, что хотя бы в некоторых из запланированных нами примерах он будет достигать существенно больших значений.Будут разработаны теоретические подходы описания спиновой динамики высокоспиновых систем – прототипов мономолекулярных магнитов на основе двухзарядных катионов кобальта с целью оптимизации процесса переключения их состояний циркулярно и линейно поляризованными полями дальнего инфракрасного и СВЧ диапазонов. Это позволит понять и описать экспериментальные результаты в ряде молекулярных магнетиков. Будет теоретически разработан и экспериментально реализован новый метод двумерной спектроскопии импульсного двойного электрон-электронного резонанса с корреляцией электрон-электронного и электрон-ядерного взаимодействий для повышения пространственного разрешения метода и точности определения структурных характеристик биологических макромолекул.В рамках исследования «активации» алкоксиаминов реакцией 1,3-циклоприсоединения молекулы мономера будет изучена кинетика реакции 1,3-циклоприсоединения для ряда мономеров. Будут определены константы скорости 1,3-циклоприсоединения мономеров к алкоксиаминам. Эти данные позволят разработать методику «пре-активации» - «активация» алкоксиамина наиболее эффективным мономером непосредственно перед введением в полимеризационную смесь. В рамках исследования «фотоактивации» алкоксиаминов будет определено влияние фотохимической циклизации алкоксиаминов на основе имидазонил-3-оксид-1-оксил радикалов на скорость гомолиза. Будет исследовано применение данного метода для проведения полимеризации в присутствии нитроксильных радикалов.Методом импульсной дипольной ЭПР спектроскопии в сочетание с методом направленного введением спиновых меток и многомерной ЯМР спектроскопии будет исследовано строение комплексов биомолекул, моделирующих процессы репарации ДНК. Будут исследованы биологически значимые протеины и их комплексы с нуклеиновыми кислотами, разработаны подходы к исследованию неструктурированных белков. Будут получены магнитно-резонансные параметры для большого ряда новых стабильных нитроксильных и триарилметильных а также величины обменного и дипольного взаимодействия для бирадикалов на их основе.