Фундаментальные исследования, проводимые сотрудниками Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН, нацелены на поиск закономерностей синтеза органических сокристаллов с заданными характеристиками. Это позволит задействовать все доступные преимущества таких образований.

Органические кристаллы сегодня являются важными объектами научных исследований. Синтез этих веществ прост, безотходен и не требует чрезмерных энергетических затрат. Однако для того чтобы эффективно использовать их в различных областях, необходимо понимать, какие законы определяют структуру соединений и как ею можно управлять. По словам главного научного сотрудника лаборатории гетероциклических соединений НИОХ СО РАН доктора химических наук Евгения Васильевича Малыхина, гомо- и сокристаллы формируются посредством межмолекулярных взаимодействий различных типов. Например, существует дипольная связь, возникающая в результате сосредоточения положительных и отрицательных зарядов в разных частях молекулы. Расположенные на определенном расстоянии друг от друга они образуют электрический диполь, а если рядом оказывается аналогичная молекула, то, подобно магнитам, две частицы начинают взаимодействовать. К самым сильным видам связей относится водородная. Выделяются и более слабые — Ван-дер-ваальсовы силы. 

Исследователи решили определить, как межмолекулярные связи могут быть описаны в рамках современных представлений о науке и выяснить, по каким принципам объединяются элементы, составляющие органический кристалл. Оказалось, что существует определенная иерархия взаимодействий. Внутри кристалла одни силы превалируют и становятся структурообразующими, а другие играют вспомогательную роль. Первые диктуют супрамолекулярную структуру решетки, а вторые способствуют более эффективному контактированию частиц друг с другом. «Когда мы имеем дело с таким типом взаимодействий, между двумя атомами разных молекул можно умозрительно провести прямую, обозначающую связь, но последняя вступает в противоречие с принципами формирования ковалентной связи, соединяющей этот атом в молекуле», — отмечает Евгений Васильевич. Конфликт заключается в том, что каждому валентному состоянию частицы соответствуют определенные направления связей к соседним атомам, тогда как в межмолекулярных взаимодействиях эти направления произвольны. Тем не менее последние тоже могут быть идентифицированы и сгруппированы по различным признакам. Для их описания даже придуманы «поэтические» названия, например «пи-пи стекинг» или «сигма-дырка». Межмолекулярные связи пространственно ориентированы. Благодаря этому свойству кристаллические структуры куда богаче по своему разнообразию, чем ковалентные.

Сокристалл представляет собой химическое соединение молекул разных видов. В своих исследованиях сотрудники НИОХ СО РАН рассматривают тандемы, включающие ароматическую молекулу и краун-эфир. Первая помимо хвостика-линкера (амино- или гидроксигруппы), позволяющего зацепиться за краун-эфир, содержит дополнительные фрагменты, несущие функциональную нагрузку или возможность мягко и системно влиять на силу межмолекулярных структурообразующих взаимодействий. В свою очередь, краун-эфир позволяет задействовать в кристаллообразовании сильную водородную связь между собственными атомами кислорода и каким-либо линкером. Этой связью обеспечивается взаимное расположение элементов и их ориентация в пространстве сокристалла. Разбавление гомокристалла вторым компонентом перераспределяет межмолекулярные связи в соответствии с их силой. Это позволяет создавать новые вещества с модулированными или радикально измененными физическими характеристиками.

Так же, как и соединения, образованные посредством металлической или ионной связей, к примеру NaCl, сокристаллы отличает способность к восстановлению структуры в результате прохождения цикла плавление — кристаллизация. При фазовом переходе осуществляется изменение длины волны максимума флуоресценции (характера излучения возбужденного вещества). Используя эту особенность, можно создавать хемосенсоры и индикаторы, опираясь на изменения фиксируемого сигнала.

Одна из работ сибирских исследователей, «Сокристаллы полигалогенированных диаминобензонитрилов с 18-краун-6: влияние фтора на стехиометрию и супрамолекулярную структуру», посвящена изучению воздействия фтора на состав веществ, соотношение между их массами и структуру сокристаллов. По словам Евгения Васильевича, обычно ароматическое кольцо таких соединений состоит из атомов углерода, водорода и функциональных групп. Проблема в том, что когда молекула содержит избыточное количество водорода, функциональные группы имеют максимальную силу и начинают определять структуру сокристалла, сводя на нет возможность ее варьирования. Фторированное кольцо позволяет создать множество новых модификаций кристаллических структур. Кроме того, изменяя число атомов фтора, можно задавать характер взаимодействия соединения с его окружением. Даже незначительное изменение состава компонентов кардинально влияет на стехиометрию, супрамолекулярную архитектуру и физические особенности соединений.

Сокристаллизация дает возможность производить вещества с самыми разнообразными характеристиками, что должно сделать ее востребованной во многих областях, например при производстве искусственной кожи. Современный материал, представляющий из себя жидкую субстанцию (раствор), может стать достойной альтернативой органическим полимерам, которые накладываются на открытые раны. Попав на поверхность, растворитель испаряется, а на выбранном месте образуется пленка. Такая кожа не только устойчива к внешним воздействиям, но и способна пропускать воздух.

Другое направление связано с применением в фармакологии. При создании препаратов наиболее ценной особенностью сокристаллов становится их способность медленно растворяться в крови, лимфе или в водной соляной кислоте, благодаря чему удается влиять на стабильность лекарственных форм, а также регулировать скорость их поступления в организм. Это свойство играет значительную роль и при производстве агрохимикатов, позволяя варьировать длительность экспозиции, не допуская быстрого смывания веществ в почву.

В военной и гражданской областях сегодня особенно востребованы соединения, которые могут накапливать и быстро выделять большое количество химической энергии. Такие вещества наряду с высокой плотностью и теплотворной способностью должны быть достаточно стабильными для безопасного производства, хранения и использования. Совместная кристаллизация — это многообещающая технология для синтеза высокоэффективных энергетических материалов, которые характеризуются оптимальным балансом между высокой скоростью детонации и низкой чувствительностью к ней.

Сокристаллизация также может быть использована в оптике и оптоэлектронике, сельском хозяйстве и ряде других сфер. На данный момент изучены далеко не все особенности образования межмолекулярных связей и супрамолекулярных структур органических кристаллов, что делает исследования сибирских ученых особенно актуальными. Работы в этом направлении будут продолжены, что поможет разрешить существующие вопросы, обнаружить новые виды сокристаллов и, вероятно, расширить спектр возможностей для их практического применения.

Дмитрий Медведев, студент отделения журналистики ГИ НГУ 

Фото и изображение предоставлены исследователем
 

ИСТОЧНИКИ

Сибирские ученые разрабатывают способы управления синтезом и свойствами сокристаллов
- Наука в Сибири (sbras.info/), 24.12.2021

Декабрь — традиционное время подведения итогов и составления самых разных рейтингов. В этом году «Наука в Сибири» публикует список десяти громких инфоповодов — разработок, экспедиций, комментариев сибирских ученых, — которые привлекли наибольшее внимание СМИ.

Сменные фильтры из нановолокон для масок-респираторов, защищающих от вирусов, придумали молодые ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН». Самоочищающиеся фильтры для масок делают в виде витражной структуры, которая способна задерживать инфекционные частицы размером менее 100 нанометров и обеспечивать защиту органов дыхания на 99 %. Фильтр из нановолокон, соединенных с металлической микросеткой, помещается в маску-респиратор. Это позволяет проводить по ней электрический импульс, что очищает поверхность мембраны. Для подачи электричества в фильтре размещен нагревательный элемент, работающий при напряжении в 5 вольт. Сам же фильтр отличается нанопористостью и микронной толщиной пористого слоя, что дает ему возможность задерживать мельчайшие частицы и не создавать при этом большого сопротивления дыханию. Большинство аэрозольных фильтров способны задерживать частицы размером 2,5 микрометра. Однако такие фильтры не препятствуют прохождению частиц с меньшими диаметрами, например вирусов или сажи. Именно поэтому возникла идея создания маски, которая не только станет отличным средством защиты для врачей и пациентов в период гриппа и острых вирусных инфекций, но и пригодится шахтерам, постоянно нуждающимся в респираторной защите. Сибирские ученые уже создали первую партию инновационных фильтров и получили патент на промышленный образец изобретения.

Бурные обсуждения в научном сообществе и в СМИ вызвал вопрос, который подняла в ходе заседания Совета при президенте РФ по науке и образованию лауреат премии президента России в области науки и инноваций для молодых ученых за 2020 год старший научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» Анастасия Сергеевна Проскурина: она пожаловалась президенту РФ Владимиру Владимировичу Путину на уровень зарплат. По ее словам, как старший научный сотрудник она получает 25 тысяч рублей в месяц плюс с этого года положена надбавка в 6 тысяч рублей. В РАН прокомментировали ситуацию с зарплатами ученым следующим образом.

«Мы благодарны Анастасии за то, что она вынесла на самый верх то, о чем в Академии наук говорят уже несколько лет. Диспаритет финансирования науки в России по отношению к тому уровню, который должен быть, — это три-четыре раза, — заявил глава Сибирского отделения РАН академик Валентин Николаевич Пармон. — И в регионах зарплаты почти в два раза меньше, чем в Москве и Санкт-Петербурге, потому что в указе написано, что они должны составлять 200 % от среднего уровня по субъекту Федерации». По его словам, в зарплате ученого есть часть, которая идет из федерального бюджета, гранты (деньги, которые можно выиграть для проведения конкретных работ) и деньги по контрактам с промышленностью или другими заказчиками. «Источников много, но базовый уровень, безусловно, обязан быть поддержан федеральным бюджетом… Честно говоря, Академия наук в нынешнем состоянии отлучена от этих вопросов уже в течение семи лет, с 2014 года», — подытожил В. Н. Пармон.

Ковидная повестка в 2021 году не теряет актуальности. Так, ученые новосибирского НИИ терапии и профилактической медицины — филиала ФИЦ ИЦиГ СО РАН предсказали резкий рост заболеваний сердца из-за пандемии. Специалисты прогнозируют через несколько лет всплеск сердечно-сосудистых заболеваний из-за синдрома выгорания, сопровождающего пандемию коронавируса. Термин «синдром выгорания» (жизненное истощение) вошел во врачебный оборот в конце XX века. Он обозначает совокупность негативных симптомов, включая физическое истощение и чувство безнадежности.

Воздействию этого фактора подвергались и подвергаются многие люди во время длительной вынужденной изоляции. Спустя некоторое время это неизбежно скажется на состоянии их здоровья. Сибирские ученые отмечают, что ведущиеся долгие годы в Новосибирске исследования позволяют спрогнозировать сроки и масштабы этой отложенной реакции. Специалисты начали изучение влияния психосоциальных факторов на риск развития сердечно-сосудистых заболеваний в 1980-е годы в рамках программы MONICA Всемирной организации здравоохранения. Исследования показали, что их роль огромна. По расчетам медиков, жизненное истощение повышает риск развития ишемической болезни сердца, инсульта, артериальной гипертензии (спустя трипять лет) в два с половиной — три раза. Учитывая всемирные масштабы влияния пандемии и карантина, рост сердечно-сосудистых заболеваний тоже может измеряться многими миллионами новых пациентов. Исследования сибирских ученых вызвали большой интерес у европейских кардиологов. Медики считают, что эта информация будет полезной для органов власти при выработке мер профилактики сердечно-сосудистых заболеваний.

Упростить технологию поиска ядовитых веществ в продуктах питания смогли биофизики Сибирского федерального университета совместно с учеными Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН». Предложенная ими технология упаковки позволяет многократно продлить срок годности ферментов-индикаторов и снизить затраты на их хранение. Ферменты играют роль катализаторов во всех живых организмах. Даже небольшой объем любых токсинов резко снижает активность ферментов. Благодаря этому свойству их широко применяют в качестве индикаторов для контроля загрязнения продуктов питания, воды, почвы, воздуха.

Например, наблюдая за реакцией фермента бутирилхолинэстеразы с яблочным соком, можно достоверно выяснить, сколько в образце содержится пестицидов, попадающих в плоды из почвы. Ферменты чувствительны к условиям хранения — они легко разрушаются из-за перепадов температуры или изменения влажности. Из-за этого качественный лабораторный анализ может быть весьма дорогостоящим. Специалистам СФУ и ИБФ ФИЦ КНЦ СО РАН удалось решить эту проблему, поместив фермент в оболочку из крахмального или желатинового геля.

Раствор природных полимеров уберегает фермент от потери нужных свойств. В такой упаковке хранить фермент можно не менее полутора лет, особенно не заботясь об условиях. Сейчас лабораторные ферменты живут в среднем от нескольких дней до нескольких месяцев. Метод, разработанный сибирскими учеными, не имеет аналогов по простоте и эффективности. Готовый продукт — высушенные капельки геля с дозой фермента, похожие на крошечные круги из рисовой бумаги. Один анализ на лабораторном оборудовании с таким препаратом обойдется в сумму, не превышающую 100 рублей. Если продукт реакции фермента и анализируемого вещества приобретает в спектрофотометре ярко-желтый цвет, значит, доля фосфорорганических пестицидов в пробе на допустимом уровне. Если же желтого цвета нет — проба серьезно загрязнена. Аналогичным образом, варьируя ферменты, можно обнаруживать почти любые опасные примеси.

Исследователи из Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН совместно с коллегами из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН создали нетоксичные контрастные реагенты для магнитно-резонансной томографии. Дело в том, что значительное количество подобных веществ, используемых для МРТ-диагностики, включает в себя ионы тяжелых металлов, например гадолиния, которые могут вызвать негативные реакции у обследуемых людей. Соединения, полученные сибирскими учеными, действуют так же, как и обычные, исходя из магнитных свойств частиц, однако состоят из нитроксильных радикалов, устойчивых в организме, а также человеческого сывороточного альбумина. При этом в новых нетоксичных контрастных реагентах можно использовать альбумин непосредственно самих пациентов — это позволяет минимизировать негативные эффекты и отторжение препарата.

Одной из самых ярких тем стал второй сезон Большой Норильской экспедиции. В 2021 году ученые из разных научных организаций Сибири вновь отправились на Таймыр, чтобы провести там ландшафтные, почвенные и ботанические исследования. Работы экспедиции были разбиты на три этапа. На обширной территории, сопряженной с Норило-Пясинской системой водоемов, прошел сбор данных о состоянии водных объектов, многолетней мерзлоты, атмосферы, почв, животных и птиц. Кроме того, в отличие от первой экспедиции, в полевую программу 2021 года были включены и гидрологические измерения. Ряд измерений ученые провели в окрестностях ТЭЦ-3 города Норильска, два полевых отряда обследовали течения и поймы Далдыкана и Амбарной, пострадавших год назад от разлива нефтепродуктов. Также участники Большой Норильской экспедиции провели полевые испытания опытных образцов препарата для биоремедиации, разработанного в якутском Институте проблем нефти и газа СО РАН. Препарат на основе углеводородокисляющих микроорганизмов протестировали на нескольких участках Большая Норильская экспедиция обследует верховья Пясины Многокомпонентный реагент на основе бутирилхолинэстеразы, иммобилизированной в крахмальный гель в прибрежной зоне устья реки Амбарной. Разработчики препарата рассчитывают, что их новинка поможет ускорить очистку почв и будет способствовать восстановлению наземных экосистем в целом. Одним из важных направлений работы БНЭ этого года стали ихтиологические исследования. Они проводились при активном участии представителей коренных малочисленных народов Севера, которые содействовали ученым СО РАН в решении задач пробоотбора по северным районам.

В августе 2021 года в новосибирском Академгородке побывал министр обороны РФ Сергей Кужугетович Шойгу. На встрече с научной общественностью Академгородка он акцентировал необходимость создания в Сибири крупных городов, имеющих четко определенную научно-промышленную направленность. По словам Сергея Шойгу, развитие Сибирского региона сегодня является одной из приоритетных задач, стоящих перед российским правительством. Впоследствии эта тема активно развивалась в публичном пространстве. В частности, министр обороны уточнил, что такие научно-промышленные и экономические центры должны будут стать новыми полюсами притяжения, как для населения всей России, так и для жителей стран СНГ и дальнего зарубежья. При этом новые агломерации должны будут стать профильными, в зависимости от наличествующих в тех или иных регионах Сибири ресурсов, энергетики, транспортных коридоров. Надо отметить, что в Клубе межнаучных контактов Дома ученых СО РАН прошла дискуссия, посвященная новым городам, где ученые, а также представители органов власти и бизнеса поделились своим видением этого пути развития. В частности, председатель СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон напомнил об уже воплощаемой в жизнь программе «Академгородок 2.0» и подчеркнул, что она должна быть дополнена стратегией, гибкой и компромиссной.

Также внимание аудитории привлекли традиционные комментарии сибирских ученых, посвященные Нобелевским премиям 2021 года, которые получили: по медицине и физиологии — исследователи из США Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян за открытие рецепторов температуры и осязания; по физике (одну часть) — Клаус Хассельман и Сюкуро Манабе за новаторский вклад в понимание сложных физических систем; по химии — Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан за новые методы синтеза молекул, в частности за развитие симметрического органокатализа; по экономике — Дэвид Кард за эмпирический вклад в экономику труда, Джошуа Ангрист и Гвидо Имбенс за их методологический вклад в анализ причинно-следственных связей. Каждый год специалисты из сибирских научных организаций не только простым и доступным языком поясняют, в чем суть работ нобелевских лауреатов, но и рассказывают о похожих исследованиях, которые ведутся в Сибири. Так, в одной из лабораторий НИИ нейронаук и медицины, по словам ее руководителя доктора биологических наук Тамары Владимировны Козыревой, ученые занимаются в том числе и реакциями человека на холод, рассматривая, с помощью каких реакций наш организм защищается от низких температур, как эти механизмы запускаются и какие ионные каналы в этом участвуют. Работы в области моделирования климатических систем также активно ведутся в соответствующих сибирских институтах. В частности, в лаборатории Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН развивается одна из моделей, с помощью которой изучаются климатические последствия, в частности редукции морского льда в Арктике.

Заместитель губернатора Новосибирской области Ирина Викторовна Мануйлова рассказала о том, что власти региона планируют перевести транспорт в городах-спутниках региона на экологически чистое водородное топливо. В качестве одной из пилотных площадок проекта может быть выбран наукоград Кольцово, а неоценимую помощь в этом направлении способен оказать ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН». Надо отметить, что недавно ИК СО РАН выиграл грант государственной поддержки центров компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ). Уже в этом году начнет работать Центр компетенций «Водород как основа низкоуглеродной экономики». Он займется разработкой и модернизацией технологий получения, хранения и транспортировки водорода, использования его в производственных процессах. Кроме того, ученые будут создавать и совершенствовать водородные технологии для транспорта, энергетики и безопасности.

Институт автоматики и электрометрии СО РАН совместно с новосибирской компанией «Сайнтификкоин» разработали HEALTHMONITOR — компактный аппарат, диагностирующий наличие коронавируса у человека. Для определения заболевания не нужно проводить никаких сложных манипуляций, достаточно лишь подышать в специальную трубочку. Инновационный газоанализатор действует на основе метода оптико-эмиссионной спектрометрии, для этого была создана специальная нейронная сеть. Для того чтобы протестировать работу аппарата, специалисты устанавливали его в аэропортах и торговых центрах. Кроме того, несколько приборов поставят в ряд московских клиник, чтобы впоследствии получить медицинский сертификат. Кстати, созданный сибирскими учеными газоанализатор может определять не только COVID-19, но и другие заболевания — дыхательной системы, желудочно-кишечного тракта, диабет, а также использоваться в спортивной медицине для оценки наличия допинга

ИСТОЧНИКИ

Топ-10 информационных поводов сибирской науки в 2021 году
- Наука в Сибири (www.sbras.info), № 50 (23 декабря 2021 г.), стр. 4

14  декабря профессор, д.б.н., зав. лабораторией фармакологических исследований НИОХ СО РАН Татьяна Генриховна Толстикова выступила в интервью на "Радио 54".

Татьяна Генриховна рассказала о средстве, направленного на защиту внутренних органов от токсического воздействия химиотерапевтических средств, применяемых при лечении хронических заболеваний.

Интервью доступно по ссылке  https://drive.google.com/file/d/17Un0OddGtjQx7sgvGvgR07lkbKF8wFba/view?usp=sharing

Фотоархив СО РАН.

Первый день научной сессии Общего собрания Сибирского отделения Российской академии был посвящен одному из самых больших вызовов, стоящих сегодня перед человечеством, — борьбе с коронавирусной инфекцией. Медики и биологи, химики и специалисты по математическому моделированию рассказали о вкладе научных и образовательных организаций Сибири в преодоление пандемии.

Сложно переоценить вклад биологических институтов и компаний Новосибирского научного центра в решение первоочередных проблем в период пандемии. Перед новосибирскими биотехнологами встали задачи разработки противовирусных препаратов прямого действия и создания вакцин. «“Биосан — Биолабмикс” полностью обеспечили предприятия РФ ключевыми компонентами для ПЦР-тест-систем, — рассказал председатель Объединенного ученого совета СО РАН по биологическим наукам академик Валентин Викторович Власов. — Лидерами в производстве массовых тест-систем стали компании АО “Вектор-Бест” и ООО “Медико-биологический Союз”, которые произвели более 50 миллионов материалов для тестов за время пандемии. Это 22 % от всех выпущенных в России. Кроме того, сотрудниками Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН была создана тест-система, позволяющая проводить анализ за 35 минут. Многое было сделано в крайне перспективных направлениях синтетической биологии, началась разработка РНК-вакцины, а также противовирусных препаратов прямого действия. Так, например, заведующий лабораторией иммуногенетики Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН доктор биологических наук Александр Владимирович Таранин с коллегами разработали высокотехнологичный и эффективный метод получения моноклональных антител»

Несмотря на активную работу по борьбе с вирусом и его последствиями, по мнению академика, РФ отстает от ведущих стран в наиболее важных областях молекулярной биологии и биотехнологии. «В наших университетах необходимо создать адекватные условия для подготовки специалистов этих крайне перспективных исследовательских сфер. Кроме того, нужно совершенствовать эффективные средства диагностики и терапии инфекционных заболеваний, а также формировать приборную базу — это приоритетное направление на долгие годы. Вместе с тем нам следует разработать принципы развертывания сети лабораторий и медицинских учреждений на случай эпидемических угроз», — отметил Валентин Власов.

На иммунологическую составляющую решений проблемы COVID-19 обратил внимание директор НИИ фундаментальной и клинической иммунологии академик Владимир Александрович Козлов. «Любая инфекция завязана на взаимодействие возбудителя с иммунной системой, от которой и будет зависеть исход. Поэтому уже на первых стадиях клинических проявлений заболевания следует оценивать наличие тех или иных показателей активности иммунитета, позволяющих предсказывать развитие тяжелых осложнений. И конечно же, остро должен стоять вопрос об оценке индивидуальной чувствительности к вакцине у разных людей с учетом дозы вводимого антигена и кратности введения. Не менее важна и неспецифическая профилактика, то есть всевозможные воздействия на иммунную систему для повышения ее функциональной активности: лекарственные препараты, БАДы, умеренные физические нагрузки, диета, закаливание», — сказал академик Козлов.

Ученый напомнил, что вирус COVID-19 обладает механизмом убегания от действия клеток иммунной системы, который позволяет ему размножаться в организме на фоне ослабленного иммунитета. В связи с этой особенностью основой терапии заболевания коронавирусом, по мнению Владимира Козлова, должна стать молекулярно-клеточная иммунотерапия.

Поиском и изучением механизмов действия новых соединений с активностью против COVID-19 продолжают заниматься в Новосибирском институте органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН и Институте медицины и психологии В. Зельмана Новосибирского государственного университета.

«С 2013 года в исследованиях лаборатории молекулярной патологии используется система псевдотипирования. Когда клетка заражается одновременно двумя типами вируса, то возможно появление гибридных вариантов, где сердцевина и оболочечные белки — от разных вирусов. Мы создали технологию, которая позволяет переоблачать поверхностный белок вируса. Такие гибридные частицы могут быть использованы для изучения взаимодействия поверхностных белков любых вирусов с рецепторами. Мы уже применяли эту систему для поиска птичьего гриппа и таких филовирусов, как Эбола и Марбург», — объяснил член-корреспондент РАН Андрей Георгиевич Покровский.

На основе разработанного метода с появлением COVID-19 сотрудники НИОХ СО РАН получили псевдовирус, который содержит поверхностный S-белок SARS-CoV-2. Это дало возможность найти соединения, блокирующие вход вируса в клетки мишени. Исследователи установили, что проникновение коронавируса в клетку может предотвратить производное бетулиновой кислоты. В настоящее время бетулин и урсоловая кислота исследуются на их противовирусную активность в отношении SARS-CoV-2. 

Заведующий лабораторией физиологии, молекулярной и клинической фармакологии Научно-исследовательского института фармакологии и регенеративной медицины им. Е. Д. Гольдберга Томского научного исследовательского медицинского центра РАН член-корреспондент РАН Владимир Васильевич Удут рассказал о новых разработанных сибирскими учеными технологиях, помогающих купировать и скорректировать поражения легких, вызванных COVID-19.

«В конечном итоге все ткани организма погибают от гипоксии: вентиляционной, когда кислород не поступает в кровь, либо циркуляторной, когда кровь не может его разнести, — объяснил ученый. — При тяжелых, острых состояниях возникает явление вентиляционной, или дыхательной, недостаточности, что в немалой степени связано с развитием депрессии, тревожностью, расстройством сна, слабостью, одышкой и прочими неприятными постковидными симптомами».

Томские ученые разработали эффективную технологию, помогающую реабилитироваться людям, перенесшим COVID-19. Она заключается в следующем: постковидным пациентам делаются ксенон-кислородные ингаляции, которые дают чрезвычайно скорую позитивную реакцию. Выявленный феномен быстрого (курс лечения составил пять дней) восстановления воздушности тканей легких поставил перед учеными ряд вопросов: если расход ксенона в ингаляционной смеси увеличивается, то где он расходуется, какой субстрат легочной ткани выступает его акцептором и каков механизм пневматизации легких при Хе — О2 ингаляциях? В результате эксперимента на модели вирусного пневмонита специалисты выяснили, что мишенью ксенона является легочный сурфактант (смесь поверхностно-активных веществ, находящаяся на границе воздух — жидкость и препятствующая спадению (слипанию) стенок альвеол при дыхании. — Прим. ред.).

Также сибирские ученые разрабатывают препараты прямого действия на коронавирус — ингибиторы основной протеазы SARS-CoV-2. Заведующий лабораторией генетических технологий Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН доктор химических наук Никита Александрович Кузнецов прокомментировал: «Существует много кандидатных веществ, способных влиять на каждый из этих пяти процессов. Наиболее проработанными в настоящее время являются два направления: ингибиторы вирусных протеаз и ингибиторы РНК-полимеразы вируса».

ИХБФМ СО РАН совместно с другими исследовательскими организациями также участвует в проекте по разработке ингибиторов основной протеазы вируса. Ученые уже создали тест-систему скрининга низкомолекулярных соединений на основе метода быстрой кинетики, включающую характеристику механизма взаимодействия протеазы дикого типа и ее мутантной формы с субстратами и ингибиторами. Еще один этап — докинг (расчеты и моделирование) низкомолекулярных соединений в активном центре протеазы — в настоящее время проходит экспериментальную проверку (in vitro скрининг). Также сейчас проводится химический синтез новых соединений на основании структуры активного центра протеазы. Затем специалистам предстоит анализ цитотоксичности и противовирусной активности соединений на клеточной и животной моделях.

Заведующий лабораторией физиологически активных веществ отдела медицинской химии Новосибирского институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН член-корреспондент РАН Нариман Фаридович Салахутдинов рассказал о перспективах и проблемах, связанных с разработкой низкомолекулярных ингибиторов вируса SARS-CоV-2. По мнению Н. Салахутдинова, два препарата: «Молнупиравир», зарегистрированный в ноябре этого года в Великобритании, а также «Паксловид», наиболее перспективны и находятся на финише.

«У меня нет сомнений, что через полгода-год эти препараты появятся на рынке, вопрос в том, случится ли это в России, и если да, будут ли они доступны для широкого круга потребителей и для бюджета страны? Поэтому очень остро стоит вопрос о разработке отечественного низкомолекулярного противовирусного препарата», — подчеркнул Нариман Салахутдинов.

С февраля-марта 2020 года НИОХ СО РАН совместно с Государственным научным центром вирусологии и биотехнологии «Вектор» ведет работы по этой тематике. Ученые создали псевдовирусную систему, имеющую на поверхности белок S, обнаружили соединения-лидеры, разработали непатогенную тест-систему в отношении основной протеазы SARS-CoV-2, позволяющую работать в обычных, неспециальных условиях. «Самое главное, что мы сделали — с использованием инфекционного вируса SARS-CoV-2 провели скрининг более 700 оригинальных соединений разных классов, среди которых обнаружили 15—17 перспективных агентов с микромолярной активностью, — подчеркнул Нариман Салахутдинов. — Сейчас ведется их изучение на разных штаммах и животных моделях».

О применении биопрепарата «Бетукладин» в профилактике и реабилитации больных, перенесших COVID-19, говорил главный научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, Республика Саха (Якутия), доктор биологических наук Борис Моисеевич Кершенгольц.

Препарат представляет собой механохимически активированный супрамолекулярный комплекс биоактивных веществ, выделяемых из коры березы и слоевищ лишайников рода Cladonia. 

Когда были выяснены основные механизмы патогенеза COVID-19, специалисты ИБПК СО РАН предположили, что «Бетукладин» может оказывать хороший комплексный эффект при профилактике и реабилитации перенесших ковид пациентов, по всем основным аспектам патогенеза этого заболевания и без негативных побочных эффектов. В 2020—2021-м ученые провели клинические исследования действенности препарата в профилактике COVID-19 и купировании постковидного синдрома. По данным исследователей, применение препарата помогло сократить длительность периода реабилитации и тяжесть ее протекания.

Директор Евразийского института зоонозных инфекций ФИЦ фундаметальной и трансляционной медицины доктор биологических наук Александр Михайлович Шестопалов напомнил, что огромную роль в распространении инфекций играют дикие животные и их миграции. «Из более 1 400 патогенов, опасных для людей, примерно 64 % — это зоонозы», — прокомментировал ученый. 

Основной проблемой, которая требует срочного решения, Александр Шестопалов назвал очень слабую изученность миграционных путей животных, в частности птиц. «Мы с 2002 года проводим регулярный мониторинг птичьего гриппа в Сибири и на Дальнем Востоке, и в среднем около 10 % диких птиц носит в себе тот или иной вариант, то есть это природный резервуар мутаций опасного вируса. Однако последние серьезные работы по миграции проводились в конце 1970-х годов в Институте систематики и экологии животных Сибирского отделения», — подчеркнул ученый. Кроме того, за прошедшее время воздушные пути перелетов сильно изменились, но до сих пор не изучается, почему это произошло. «Важно и необходимо возобновить исследования миграционных потоков, следует начать разработку точной и недорогой отечественной аппаратуры для этого, а также обратить особое внимание на подготовку специалистов-орнитологов», — предложил Александр Шестопалов. 

Профессор НГУ, доктор медицинских наук Сергей Данилович Никонов рассказал о возможностях фотодинамической терапии. «Только влияя на особенности патогенеза и сам вирус, мы сможем противостоять этому злу. Есть мишени, на которые можно воздействовать с помощью энергии света и фотосенсибилизирующих веществ», — рассказал ученый. Он отметил, что этот проект активно развивается и уже получены довольно обнадеживающие результаты. Одна из пилотных установок для этого создана в сотрудничестве с Институтом лазерной физики СО РАН. 

В завершение первого дня Общего собрания СО РАН ученые обсудили математические модели распространения COVID-19, которые были созданы в научных институтах с использованием разных подходов. Директор Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук Михаил Александрович Марченко рассказал о новом методе, рожденном в школе методов Монте-Карло. «Нам удалось построить вычислительно экономичную численную модель, и она не противоречит, но дополняет ту, которая построена на основе дифференциальных уравнений нашими коллегами, — отметил Михаил Марченко. — Кроме того, немаловажно, что нами получен способ, как существенно ускорить расчеты, объединяя все шесть пуассоновских потоков модели в один. Также хочу подчеркнуть, что наша модель является имитацией реального процесса, когда можно учитывать рычаги и меры воздействия». 

Главный научный сотрудник ИВМиМГ СО РАН член-корреспондент РАН Сергей Игоревич Кабанихин сообщил, что модель, созданная их группой исследователей, находится на уровне мировых стандартов за счет использования теории игр среднего поля. «Население разбивается на группы, задаются взаимосвязи и переходы между ними. Однако есть проблема: если бы мы знали начальные данные и точные коэффициенты, то совершенно точно понимали бы, что происходит. Однако таких коэффициентов нет, ведь COVID-19 — болезнь достаточно неизученная», — рассказал Сергей Кабанихин.

Тем не менее ученые нашли выход: по информации, которая поступает каждый день, можно попытаться решить обратную задачу и восстановить недостающие сведения, а потом уже рассчитывать по ним возможный сценарий. «Мы соединили два подхода в комплексную модель, одна дополняет другую, данные взаимно пересчитываются. Также мы активно используем набор инструментов искусственного интеллекта», — прокомментировал Сергей Кабанихин. 

Развивая модель, исследователи стали включать дополнительные параметры, например плотность распределения людей в группах, где переменная изменяется с 0 до 1 и означает соблюдение карантинных мер. Кроме того, можно определить влияние тех или иных мер, посмотреть, как могут быть реализованы разные сценарии. 

Второй день научной сессии Общего собрания СО РАН посвящен вопросам экологии и карбоновой повестке.

«Наука в Сибири»

Фото из открытых источников
 

ИСТОЧНИКИ

Сибирские ученые — против COVID-19
- Наука в Сибири (www.sbras.info), 03.12.2021

 

В новосибирском метрополитене открылась выставка научных достижений сибирских ученых.

В рамках Фестиваля NAUKA 0+, по уже сложившейся традиции, на линии новосибирского метрополитена вышли вагоны с тематическим оформлением, посвященным Году науки и технологий. На платформе станции метро «Площадь им. Н.Г. Гарина-Михайловского» состоялась презентация тематического состава, посвященного российской науке и научным достижениям сибирских ученых.

На выставке можно узнать об интересных фактах из жизни и деятельности академиков СО РАН. В вагонах - информация о значимых разработках сибирских ученых, каждая из которых уникальна по-своему. Так, например, Новосибирский институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН  представил новые продукты, созданные сотрудниками  лаборатории фармакологических исследований НИОХ СО РАН, один из них по запросу спортивного сообщества.

Спортсменам нужен был продукт,  который бы увеличивал выносливость, рост мышечной массы, обеспечивал «сжигание» ненужного жира, а кроме того был бы нетоксичен и действовал бы в минимальных дозировках. Ученые НИОХ СО РАН создали такой продукт, который обладает всеми вышеперечисленными свойствами, кроме того  обладает широким спектром  активности: противовоспалительной, антиоксидантной, гепатопротективной и др.

Также пассажиры метро увидят детские рисунки. Конкурс рисунков был организован в рамках 20-летия подписания Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях. Организатор Новосибирский институт органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН. Цель мероприятия – популяризировать бережное отношение к Природе, её сохранение для потомков, научную деятельность в области экологии и природопользования, экологическое воспитание детей.

На суд жюри было представлено немало конкурсных работ, участие приняли свыше 100 детей в возрасте от 6 до 17 лет из детских садов и школ г. Новосибирск. Участники конкурса боролись за победу в номинациях: «Оберегая природу», «Чистый город», «Экология в лицах», «Открывая науку», «Неизвестное известно», «В заботах о Земле», «Приз зрительских симпатий», «Гран-при конкурса». Возможность показать свои работы публике получили молодые таланты из МАОУ гимназии №3, МБОУ гимназии №5, МКДОУ № 442 «Кораблик», ДОУ № 300.

Поезд с передвижной выставкой вышел на линию 1 ноября и будет курсировать до конца года. Фестиваль NAUKA 0+ в Новосибирской области пройдёт с 11 по 21 ноября 2021 года.

Узнать программу фестиваля можно на сайте nsk.festivalnauki.ru.

Организаторы мероприятия: Правительство Новосибирской области при поддержке Минобрнауки России и СО РАН, ГАУ НСО «Новосибирский областной инновационный фонд».

Пресс-служба НИОХ СО РАН

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

ИСТОЧНИКИ

В НОВОСИБИРСКОМ МЕТРО НАЧАЛ КУРСИРОВАТЬ НАУЧНЫЙ ПОЕЗД
- Навигатор, 11.11.2021

Конференция с международным участием «Обращение со стойкими органическими загрязнителями в России и за рубежом» была посвящена 20-летию подписания Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях. 

В мероприятии приняли участие более 50 человек, среди которых ведущие специалисты научных организаций СО РАН, органов государственной власти и надзорных органов в области химической и экологической безопасности. Кроме того, на конференции работали представители из Монголии, Кыргызстана, Казахстана, Таджикистана, Узбекистана. Конференция была организована Региональным координационным центром РФ по Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях. 

Научный форум открыла руководитель Национального координационного центра по Стокгольмской конвенции, директор Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН профессор, доктор физико-математических наук Елена Григорьевна Багрянская. Она рассказала о Национальном координационном центре РФ и Региональном центре по Стокгольмской конвенции, функционирующих на базе НИОХ, об основных целях их работы и проблемах. «В нашем институте есть мощный аналитический центр, в котором имеются необходимые современные приборы для анализа примесей в воде, почве и воздухе, а также штат высококвалифицированных специалистов. Сотрудники НИОХ проводят исследования в том числе на Байкале, в Бурятии, Монголии и Новосибирской области», — добавила Елена Григорьевна.

С приветственным словом выступил председатель Президиума СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон. «На огромной территории России есть один сертифицированный центр, который имеет право давать официальные заключения по идентификации органических и неорганических соединений в смеси загрязнителей — это НИОХ СО РАН. Институт еще со времен Валентина Афанасьевича Коптюга имел прекрасные лаборатории, которые позволяли идентифицировать и количественно определять очень многие соединения», — прокомментировал Валентин Николаевич.

В ходе мероприятия участники обсудили актуальные проблемы, познакомились с зарубежными и межгосударственными решениями в области обращения со стойкими органическими загрязнителями. Многими отмечалась необходимость развития системы мониторинга СОЗ в атмосферном воздухе в Российской Федерации на станциях Росгидромета для широкого круг веществ с использованием современных методов анализа, в том числе с применением пассивных пробоотборников. Для решения проблемы нужно развитие сети региональных аккредитованных лабораторий для анализа СОЗ и других загрязнителей, запрос и поиск финансирования для инвентаризации объектов с возможным содержанием СОЗ. Этому могло бы способствовать усиление сотрудничества и кооперации между различными ведомствами внутри страны и координации с международными организациями. 

Пресс-служба НИОХ СО РАН

Сайт конференции 

ИСТОЧНИКИ

В НИОХ СО РАН прошла конференция по вопросам обращения со стойкими органическими загрязнителями 
- Наука в Сибири (sbras.info), 09.11.2021

Ученые Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН и Института химии Китайской АН разработали новую каталитическую систему полимеризации этилена на основе бисиминопиридиновых комплексов дихлорида кобальта, модифицированных введением циклических заместителей. Новое семейство катализаторов демонстрирует высокую активность и позволяет получать высоколинейный полиэтилен как с узким, так и широким молекулярно-массовым распределением. Молекулярно-массовое распределение обусловливается типом использованного алюминийорганического активатора.

Каталитические системы на основе бисиминопиридиновых комплексов переходных металлов интересны тем, что даже небольшие изменения структуры, возникающие при варьировании ансамбля заместителей в лиганде комплекса, способны существенно влиять на механизм полимеризации и свойства получающегося полимера. Исследователи стремятся выявить особенности и понять закономерности влияния ансамбля заместителей. Это позволит целенаправленно получать полимеры с заранее заданными свойствами.

По инициативе академика Г.А. Толстикова в НИОХ СО РАН в 1999 году было организовано систематическое исследование влияния структурной модификации арилиминных комплексов переходных металлов на результат полимеризации этилена в их присутствии. В настоящее время исследования продолжают специалисты Лаборатории электрохимически активных соединений и материалов.

«Логика развития исследования и ранее полученные результаты привели нас к мысли использовать ансамбль бензгидрильных и циклоалкильных заместителей для получения новых высокоэффективных катализаторов - рассказывает ведущий научный сотрудник, доктор химических наук Иван Иванович Олейник. – Такие катализаторы были успешно синтезированы и испытаны в процессе полимеризации. Было изучено влияние структуры предкатализатора, типа алюминийорганического активатора, температуры процесса и давления этилена. Новое семейство катализаторов в зависимости от внешних условий позволяет получать высоколинейный полиэтилен с молекулярной массой в диапазоне 39-65 кДа с узким, и 10-72 кДа с широким молекулярно-массовым распределением и высокой температурой плавления. Характеристики полученных полимеров получены с использованием гель-проникающей хроматографии, дифференциальной сканирующей калориметрии и высокотемпературной ЯМР-спектроскопии. Выявленные закономерности придают новый импульс к дальнейшему совершенствованию катализаторов полимеризации, результатом которого должно стать оснащение имеющихся в РФ производств полиолефинов отечественными патентночистыми катализаторами».

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Национальными фондами Академии наук Китая. Результаты опубликованы в журнале Applied Organometallic Chemistry

α,α'-Bis (imino)-2,3:5,6-bis (pentamethylene)pyridines appended with benzhydryl and cycloalkyl substituents: Probing their effectiveness as tunable N,N,N-supports for cobalt ethylene polymerization catalysts
Mingyang Han, Ivan I. Oleynik, Yanping Ma, Irina V. Oleynik, Gregory A. Solan,Tongling Liang, Wen-Hua Sun
(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aoc.6429).

Источники

Российские и китайские ученые разработали новый тип катализаторов для получения высоколинейного полиэтилена
- МИНОБРНАУКИ РФ (www.minobrnauki.gov.ru), 13.10.2021

Российские и китайские ученые разработали новый тип катализаторов для получения высоколинейного полиэтилена
- СО РАН (www.sbras.ru), 16.10.2021

Ученые Новосибирского института органической химии совместно с коллегами Института химической кинетики и горения СО РАН разработали новую методику  доставки аэрозоля цефазолина  в легкие – важного средства для лечения инфекционных заболеваний.

Сибирские ученые разработали уникальный подход, который позволяет доставлять весь спектр цефалоспориновых антибиотиков в легкие.




Уникальной особенностью этого подхода является получение сухих частиц аэрозоля антибиотика из водного раствора методом ультразвуковой генерации, с последующим осушением. В результате образуются частицы размером от 0,5 до 3 мкм. Измерение ингаляционной дозы в реальном времени во время ингаляционного эксперимента происходит с использованием оригинального программного обеспечения, интегрированного в управляющий компьютер. Изучена антибактериальная активность аэрозольной формы цефазолина, в сравнение с внутрибрюшинным введением, в экспериментах на беспородных мышах-самцах, инфицированных архивным штаммом Klebsiella pneumoniae 82.

На животных моделях было продемонстрировано, что терапия цефазолином имеет высокую эффективность и демонстрирует полную выживаемость животных на модели острого перитонита, по сравнению с внутрибрюшинным способом введения. Таким образом, технология позволяет существенно повысить антибактериальный эффект существующих лекарственных препаратов бактерицидного действия. Также было показано, что фармакокинетические параметры цефазолина при аэрозольном способе доставки сопоставимы с таковыми при парэнтеральном способе введения, а гистологические исследования легких после аэрозольных ингаляций не выявили каких-либо патологических изменений или повреждений.

 «Необходима разработка новых методов доставки антибиотиков в виде аэрозоля, поскольку антибиотикорезистентность, и недостаточная концентрация действующих веществ - представляют особую сложность в антибиотикотерапии. Группа цефалоспориновых антибиотиков, как и в частности цефалоспориновый антибиотик первого поколения – цефазолин, остаются критически важными средством первой линии для лечения распространенных инфекционных заболеваний, как для хирургической антимикробной профилактики, так и для лечения инфекционных заболеваний органов дыхания, — рассказывает один из авторов работы научный сотрудник лаборатории фармакологических исследований НИОХ СО РАН, кандидат биологических наук Сергей Аньков. Не менее важно, цефазолин безопасен для использования во время беременности и может быть использован для лечения перинатальной стрептококковой инфекции. Эти особенности объясняют, почему цефазолин по-прежнему является крайне важным лекарством».

В фармакокинетических экспериментах использовали беспородных лабораторных мышей-самцов CD-1 массой 21–25 г. Все эти мыши были взяты из вивария SPF ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН. Все эксперименты проводились в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых в экспериментальных и других научных целях.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале International Journal of Pharmaceutics.

Aerosol Inhalation Delivery of Cefazolin in Mice: Pharmacokinetic Measurements and Antibacterial Effect. S.V. Valiulin, A.A. Onischuk, A.M. Baklanov, S.N. Dubtsov, S.V. An'kov, N.N. Shkil, E.V. Nefedova, M.E. Plokhotnichenko, T.G. Tolstikova, A.M. Dolgov, G.G. Dultseva
IInternational Journal of Pharmaceutics, V. 607, 25 September 2021, 121013  IF 5,875 (2020) doi:10.1016/j.ijpharm.2021.121013

Пресс-служба НИОХ СО РАН

Источники

Сибирские ученые разработали уникальный подход, который позволяет доставлять антибиотики в легкие
МИНОБРНАУКИ РФ(www.minobrnauki.gov.ru), 15/09/2021

Сибирские ученые разработали новую методику доставки аэрозоля цефазолина в легкие – важного средства для лечения инфекционных заболеваний
Российский научный фонд (rscf.ru), 14/09/2021, 15/09/2021

Российские ученые получили новые органические материалы, которые могут одновременно излучать свет и проводить заряды. Это необычное свойство позволит в перспективе использовать их для создания более совершенных и дешевых дисплеев. Все это благодаря наличию атомов фтора в определенных частях молекулы. Исследование поддержано грантами Российского научного фонда.

Изготовить материалы, сочетающие оба необходимых свойства, проблематично, поскольку они отчасти взаимоисключающие: чтобы вещество хорошо проводило заряды, молекулы в нем должны располагаться очень близко друг к другу. При этом плотная «упаковка» зачастую препятствует люминесценции: соседние молекулы «тушат» друг друга. Поэтому исследователи из Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова (Новосибирск), Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва) занялись поиском оптимального материала.В качестве основы для новой молекулы ученые взяли фуран-фениленовые соолигомеры — органические соединения, содержащие цепочки ароматических колец из атомов углерода, кислорода и водорода. Три кольца в этих молекулах — шестичленные, как соты, а два — пятичленные. Более ранние исследования показали, что фуран-фенилены излучают яркий свет, поэтому могут использоваться в оптоэлектронике, также они имеют хорошую растворимость и молекулярную жесткость. Кроме того, некоторые «строительные блоки» для их синтеза потенциально можно получать из природного сырья. Однако эти соединения не способны проводить отрицательные заряды (электроны), поэтому их нельзя использовать в светотранзисторах. Чтобы решить эту проблему, химики синтезировали серию производных фуран-фениленов, выборочно заменив атомы водорода на атомы фтора. Он был выбран в качестве заместителя потому, что сильнее других химических элементов «оттягивает» электроны у соседних атомов, тем самым создавая лучшие условия для перераспределения зарядов в молекуле.​

Синтезированные соединения отличались количеством атомов фтора (от четырех до четырнадцати) и их положением (заместители располагались на разных фениленовых кольцах). Оказалось, что фторсодержащие молекулы были значительно стабильнее к окислению, чем обычные фуран-фенилены, поскольку имели более энергетически выгодную электронную структуру. Среди остальных преимуществ фуран-фениленовых соолигомеров то, что яркая люминесценция, молекулярная жесткость и растворимость сохраняются при правильном расположении заместителей.

Ученые получили кристаллы и тонкие пленки из синтезированных молекул и исследовали их свойства. Некоторые образцы, где расположение атомов фтора и кристаллическая структура были наиболее благоприятные, хорошо проводили как положительные, так и отрицательные заряды благодаря тому, что молекулы создавали своего рода «туннели» для их движения. Такой транспорт зарядов обоих знаков позволил исследователям изготовить уникальные образцы светотранзисторов на основе тонких пленок: эффективность генерации света достигала 0,6%, что соответствует уровню лучших мировых разработок.

«Наше исследование позволило получить уникальные молекулы, сочетающие способности к эффективной фото- и электролюминесценции и транспорту заряда. Материалы на их основе позволят создать светотранзисторы для современных дисплеев и других светоизлучающих устройств, что удешевит их производство, повысит надежность и, возможно, позволит найти новые применения для устройств органической электроники»,— рассказывает Максим Казанцев, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат химических наук, заведующий лабораторией органической электроники НИОХ СО РАН.

 

Использованы материалы статьи Selectively Fluorinated Furan-Phenylene Co-Oligomers Pave the Way to Bright Ambipolar Light-Emitting Electronic Devices; Igor P. Koskin, Christina S. Becker, Alina A. Sonina, Vasiliy A. Trukhanov, Nikita A. Shumilov, Anatoly D. Kuimov, Yuliya S. Zhuravleva, Yuliya O. Kiseleva, Inna K. Shundrina, Peter S. Sherin, Dmitry Yu. Paraschuk, Maxim S. Kazantsev; журнал Advanced Functional Materials, август 2021 г.

Изображение: структура полученных фторсодержащих фуран-фениленов и светотранзистор на основе молекулы частично фторированного производного

Коммерсантъ

Источники

Фтор для дисплеев
Коммерсантъ (kommersant.ru/nauka), 13/09/2021

Новые органические молекулы научили излучать свет и проводить заряды с помощью фтора
Российский научный фонд (rscf.ru), 14/09/2021

Фтор для дисплеев
Новости сибирской наукт (www.sib-science.info), 14/09/2021

Журнал Sistema science, "Дизайн органических полупроводников", стр. 72-75.

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ трудно себе представить без сложных микросхем, мощных процессоров и контрастных дисплеев. Работа ни одной микросхемы, в свою очередь, невозможна без полупроводников, качество которых зависит от множества факторов. Их анализ требует больших затрат — как денежных, так и временных. В таком случае на помощь приходят специалисты по молекулярному смарт-дизайну.

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ НАСТОЯЩЕЕ

Необычные и удивительные свойства  встречаются там, где сталкиваются две  противоположности. Расположенные  на тонкой грани между проводящими и непроводящими материалами (диэлектриками), полупроводники не перестают поражать ученых разнообразием своих свойств  и полезных применений. Например, именно  благодаря возможности «переключать»  полупроводник из диэлектрического состояния в проводящее стали возможными  такие важнейшие элементы электронных  устройств, как транзисторы, меняющие  силу тока в зависимости от режима работы, и диоды, проводящие ток только в одном направлении. На сегодняшний день  транзисторы и диоды можно встретить  практически в любой электрической цепи: от простейших генераторов сигнала  и электронных ключей до интегральных  микросхем, содержащих миллиарды структурных компонентов. Долгие десятилетия наиболее распространенными полупроводниками  оставались неорганические соединения,  разнообразные сплавы и композитные  материалы на основе кремния, германия,  галлия, индия и других элементов. Высокая стабильность и подвижность зарядов,  тонко настраиваемые свойства — все это  позволило им захватить мир электронных  устройств. А вот совершить новый прорыв в науке и технологии парадоксальным  образом помогли их недостатки: высокая  стоимость производства и требования к чистоте, механическая хрупкость и низкая  распространенность некоторых элементов в природе заставили ученых искать  альтернативу. И она была обнаружена  в органической химии.

НОВЫЙ ПУТЬ

Органическая электроника, которая  до недавнего времени оставалась уделом  красивых концептов и несбыточных мечтаний, сегодня нашла свой путь к практически  каждому аспекту нашей жизни. Причина  тому — целый спектр уникальных свойств,  чаще всего недостижимых для неорганических полупроводников: механическая  гибкость, биоразлагаемость и биосовместимость, возможность переработки и нанесения на пластиковую подложку прямо  из раствора, например методом печати,  минуя дорогостоящие стадии очистки и обработки. Смартфон в кармане джинсов,  «умные» часы на запястье, сенсоры здоровья — все эти устройства стали возможными  благодаря удивительному разнообразию  полупроводниковых органических  молекул.

Но вместе с разнообразием свойств и форм всегда приходят и сложности. Подобно тому как  иголку трудно найти  в стоге сена, новые  и перспективные  органические полупроводники сложно  получить на практике, оперируя множеством структурных  формул. Порой самое незначительное  изменение в структуре  молекулы может привести  к радикально иным свойствам  материала, что делает прямой  перебор крайне трудоемкой и рискованной задачей.

Вот тут на помощь ученым и приходит  молекулярный смарт-дизайн — набор комплексных знаний и принципов, которые  позволяют отсеять заведомо тупиковые  пути поиска перспективных органических полупроводников и сосредоточиться  на наиболее многообещающих.

ИГРА В КОНСТРУКТОР

Химический синтез перспективных материалов для органической электроники  во многом напоминает сложный конструктор. Модификация ранее известных структурных блоков, создание принципиально  новых, а затем последовательная сборка  материала из разрозненных деталей —  все это примеры разнообразных инструментов в арсенале химика. Как и любой  конструктор, составные детали органических полупроводников должны сочетаться  между собой по особым правилам, иначе  желаемого результата не достичь. К таковым можно отнести: подбор наиболее  сочетающихся ароматических структурных  блоков, подходящих заместителей для  приемлемой растворимости или придания  определенных электронных и химических  свойств. Именно это и лежит в основе молекулярного смарт-дизайна.

К примеру, мы знаем, что серосодержащие молекулы, состоящие из нескольких последовательно соединенных  ароматических циклов,  являются отличными органическими  полу проводниками  с хорошим и сбалансированным транспортом зарядов, однако они печально  известны своей низкой растворимостью,  что усложняет работу  с ними. Но стоит только  модифицировать один из  структурных блоков и заменить атом серы на атом  кислорода, как свойства таких  соединений разительно меняются: их  растворимость повышается в разы, эффективность излучения света растет, что  открывает новые возможные применения  таких материалов, а полупроводниковые  свойства при этом остаются на прежнем,  высоком уровне.

Изменение свойств материала при введении новых структурных блоков зависит  от их химических свойств и даже формы.  Так, некоторые из них либо слишком малы,  либо недостаточно сильны, чтобы повлиять  на свойства отдельно взятой молекулы.  Но именно это ученым и нужно, ведь кристаллическая структура материала в целом  реагирует на подобные изменения гораздо  более чувствительно. Варьируя положение и форму новых блоков, исследователи  получают возможность тонко настраивать  взаимное расположение молекул в кристалле, достигая наилучших свойств.


ОДНИМ ИЗ ПРОРЫВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ДАННОЙ ОБЛАСТИ СТАЛО ВНЕСЕНИЕ ЭЛЕКТРОНАКЦЕПТОРНЫХ ДОПАНТОВ В ПОЛИАЦЕТИЛЕН, ЧТО ПОЗВОЛИЛО НАДЕЛИТЬ ЭТОТ ПОЛИМЕР ПРОВОДЯЩИМИ СВОЙСТВАМИ — ВПЕРВЫЕ В ИСТОРИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.

Для настройки свойств отдельно взятой молекулы исследователи могут добавлять в ее структуру различные электронакцепторные (оттягивающие электронную плотность) или электрон-донорные (отдающие электронную плотность) группы. Такие модификации позволяют тонко настраивать энергетическую структуру молекулы. Например, введение атомов фтора позволяет снизить энергию электронов, участвующих в процессах химического и электрохимического разложения и переноса заряда внутри кристалла. Тем самым достигаются большая стабильность материала и его лучшие полупроводниковые свойства.

Целенаправленные химические модификации органических молекул и получение новых материалов на их основе — это мощные инструменты в арсенале молекулярного смарт-дизайна. Но при всех их преимуществах они не лишены недостатков. Химический синтез — долгий и трудоемкий процесс, требующий тонкого и осторожного подхода. Один неправильный шаг, непредвиденный эффект — и конечный результат может оказаться совсем не тем, который хотелось бы получить. Но, к счастью, молекулярный смарт-дизайн не ограничивается одними лишь химическими модификациями.

ВОПРОС КОНЦЕНТРАЦИИ

Примеси в органических соединениях могут быть как проклятием, так и благословением. Слишком большая концентрация — и материал лишается всех своих положительных свойств, нередко превращаясь в аморфную смесь. Однако крайне малое содержание примеси в материале может привести к прямо противоположному результату: его кристаллическая структура остается неизменной, а сам он приобретает лучшие свойства. Процесс целенаправленного внесения малого количества примеси (допанта) в материал называется допированием. Являясь одним из способов молекулярного смарт-дизайна, такой подход позволяет ученым модифицировать уже существующие материалы, минуя длительный и дорогостоящий этап органического синтеза.

Идея допирования неорганических полупроводников не нова и на протяжении долгого времени является универсальным инструментом, без которого ни один полупроводник, как правило, не используется. Допирование же органических материалов зародилось в 70-х годах. Так, одним из прорывных исследований в данной области стало внесение электрон-акцепторных допантов в полиацетилен, что позволило наделить этот полимер проводящими свойствами — впервые в истории органических соединений. За это открытие американцы Алан Хигер и Алан Макдиармид, а также японец Хидеки Ширакава были удостоены Нобелевской премии по химии в 2000 году. Другой, но не менее важной вехой в развитии допирования стало открытие PEDOT:PSS — смеси двух полимеров, также обладающей проводящими свойствами. В наши дни PEDOT:PSS — настоящая «рабочая лошадка» органической электроники и один из наиболее популярных проводящих полимеров, уже применяющийся в термоэлектронных элементах, антистатических покрытиях и прозрачных проводящих пленках для органических дисплеев (торговые марки Clevious и Orgacon).

Впрочем, современное развитие допирования не останавливается на органических полимерах. Так, в лаборатории органической электроники НИОХ СО РАН под руководством Максима Сергеевича Казанцева и в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, проводятся исследования в области допирования монокристаллических органических материалов.

Для нужд органической электроники особенно важно, чтобы полупроводниковые и светоизлучающие свойства достигались одновременно. Материалы, что удовлетворяют этому критерию, могут быть использованы в устройствах нового поколения, где светоизлучающая матрица и управляющие микроконтроллеры соединены в рамках одного структурного элемента. Однако достижение этой цели сопряжено с фундаментальной проблемой. Для лучших полупроводниковых свойств необходима более плотная кристаллическая упаковка, но она же, в свою очередь, приводит к снижению эффективности излучения.

Тем не менее применение допирования открывает эффективный способ получить полупроводниковые и светоизлучающие свойства в одном материале. Так называемые молекулы «хозяина», содержащиеся в большой концентрации и задающие кристаллическую структуру материала, гарантируют эффективный транспорт зарядов. Молекулы допанта, или же «гостя», содержатся в материале в крайне низкой концентрации, а потому шанс на то, что два «гостя» окажутся рядом, ничтожно мал. По причине этого молекулы «гостя» оказываются лишены наиболее эффективных способов тушения люминесценции. Ученым остается лишь удостовериться, что «гость» излучает свет эффективнее «хозяина» — в таком случае люминесцентные свойства будет задавать именно первый. Таким образом, при помощи допирования исследователи могут достичь полупроводниковых свойств, сочетающихся с практически 100 % эффективностью излучения — и все это в рамках одного материала.

ГРАНЬ БУДУЩЕГО
Проникновение в мир органических полупроводников дает человечеству целый ряд совершенно новых возможностей, способных преобразить нашу повседневную жизнь во многих ее аспектах. Так, гибкие и дешевые органические солнечные элементы, которые возможно нанести практически на любую поверхность (от оконного стекла и крыши до одежды), будут использоваться для создания децентрализованной сети электроснабжения, где каждый отдельный дом или даже прибор сам может снабжать себя электричеством. В свою очередь, аккумуляторы на основе органических молекул позволят решить проблему накопления, хранения и транспортировки полученной энергии, а их легкость и высокая температурная стойкость допускают их использование практически в любых условиях. Находящиеся в разработке биосенсоры и биоинтерфейсы на основе органических полупроводников позволят ученым приблизиться к созданию искусственных органов чувств человека или проводить мониторинг состояния пациента в режиме реального времени, избегая длительных и дорогостоящих анализов. Наконец, разнообразные сенсоры (давления, света, жидких и газообразных загрязнителей) на основе органических молекул позволят заменить комплексные механические детектирующие устройства компактными электронными микросхемами и «умными» анализаторами.

Весь этот задел будущего формируется уже сегодня благодаря усилиям тысяч исследователей, десятков научных центров и лабораторий, работающих в области органической электроники. Но без подходов молекулярного смарт-дизайна достижения органической электроники были бы сегодня скромнее, так как именно он позволяет отсеять миллионы тупиковых путей и дать возможность двигать прогресс по наиболее перспективному направлению.

ИСТОЧНИК

Журнал Sistema science, "Дизайн органических полупроводников", стр. 72-75.

Мероприятие было приурочено 90-летию со дня рождения выдающегося советского и российского химика, основателя Лаборатории азотистых соединений НИОХ СО РАН, д.х.н., профессора Леонида Борисовича Володарского. 

Это важное научное событие было организовано Новосибирским институтом органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН. В работе семинара приняли участие более 50 человек.

Семинар прошел в дистанционном формате – в конференции Zoom, что позволило выступить с докладами участникам, находящимся в разных концах мира (европейская часть РФ, США, Израиль). Также во время семинара прозвучали воспоминания о Леониде Борисовиче, как о признанном специалисте в области химии гетероциклических соединений и стабильных нитроксильных радикалов, основателя одной из ведущих мировых лабораторий по синтезу нитроксильных радикалов - лаборатории азотистых соединений НИОХ СО РАН.

Леонид Володарский заложил основы научного направления в химии азотистых оснований ряда гидроксиламинов, синтезируя различные гидроксиламиноксимы и показав, что эти соединения являются очень перспективными предшественниками широкого спектра гетероциклических соединений. Под руководством Володарского разработаны оригинальные методы синтеза моно- и ди-N-оксидов имидазола, пиразина и производных пиримидина. Леонид Володарский был удостоен Государственной премии Российской Федерации в 1994 г., а в 2002 г. - за развитие исследований в области нитроксильных радикалов ему была вручена почетная Премия им. В. В. Воеводского. В 2018 году книга Volodarsky L.B., Reznikov V.A., Ovcharenko V.I. Synthetic chemistry of stable nitroxides. CRC Press, Boca Raton, Florida., 1994 была отмечена изданием Elsevier как самая цитируемая публикация за последние три года в Европе, Азии, Латинской Америке и России. Расчет проводился с использованием базы данных научных публикаций Scopus. Под руководством Леонида Володарского было защищено более десяти кандидатских и четыре докторские диссертации. Профессор Володарский был автором более 300 научных статей, опубликованных в ведущих российских и зарубежных журналах, 70 авторских свидетельств СССР и России и 6 зарубежных патентов.

Семинар начался с рассказа директора НИОХ СО РАН, д.ф.-м.н., профессора Елены Григорьевны Багрянской о жизненном пути Леонида Борисовича и о его основном научном интересе.

«С помощью радикалов Володарского было синтезировано и охарактеризовано огромное количество комплексных соединений с различными металлами. Для некоторых из этих комплексов обнаружено явление низкотемпературного фазового перехода в магнитное состояние. Неудивительно, что из этих, по сути, пионерских работ возникло новое научное направление - синтез и изучение молекулярных магнитов, которое активно развивается в настоящее время, - рассказала профессор  Елена Багрянская. Помня об этом, мы чествуем Леонида Володарского в связи с его 90-летием со дня рождения и за его выдающиеся достижения в области органического синтеза, а также за его решающую роль в создании pH-чувствительных нитроксильных радикалов».

В ходе семинара были заслушаны доклады ведущих российских ученых: В.В. Храмцов (West Virginia University, USA), М.А. Войнов (North Carolina State University, USA), М.В. Федин (МТЦ СО РАН, Новосибирск, Россия), И.А. Кирилюк (НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), Е.Г. Багрянская (​​НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), И.И. Билькис (Hebrew University, Rehovot, Israel), Л.М. Вайнер (Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel), К.Э. Вострикова (ИНХ, Новосибирск, Россия), Е.Н. Голубева (МГУ, Москва, Россия), И.А. Григорьев (НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), С.А. Добрынин (НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), И.Ф. Журко (НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), М.Ю. Иванов (МТЦ СО РАН, Новосибирск, Россия), А.И. Кокорин (ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН, Москва, Россия), Е.Р. Лопатьева (ИОХ РАН, Москва, Россия), Д.Г. Мажукин (НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), Д.А. Пархоменко (НИОХ СО РАН, Новосибирск, Россия), А.С. Порываев (МТЦ СО РАН, Новосибирск, Россия), В.А. Резников (НГУ, Новосибирск, Россия), А.Ю. Сухоруков (ИОХ РАН, Москва, Россия).

Проведение семинара стало памятью об удивительном человеке, замечательном химике-органике,  - который прошел весь свой долгий трудовой научный путь, учил студентов и делал настоящую высококлассную науку, над развитием которой продолжают работать его ученики.

Записи докладов семинара, посвященного 90-летию со дня рождения профессора Л.Б. Володарского опубликованы на Youtube-канале.

 https://www.youtube.com/playlist?list=PLRL32yH7i2PVmoYoc5dK-yE-VQLaOlkdl

Пресс-служба НИОХ СО РАН

​nauchnyy-seminar.docx

Источники

В НИОХ СО РАН состоялся международный научный семинар, посвященный д.х.н. проф. Л. Б. Володарскому
- Новости сибирской науки (www.sib-science.info), 21.09.2021

Источники

Российские химики нашли высокоэффективные соединения, поражающие вирус Хантаан
- ТАСС. Наука (nauka.tass.ru)б 15.07.2021

- Российские химики нашли высокоэффективные соединения, поражающие вирус ХантаанNewszilla.ru, 15/07/2021

Новосибирские химики синтезировали новые соедининения, способные побороть вирус Хантаан
- Москва.ру (mockva.ru), 15/07/2021

Российские химики нашли высокоэффективные соединения, поражающие вирус Хантаан
- Новости сибирской науки (www.sib-science.info), 15/07/2021

Российские химики нашли высокоэффективные соединения, поражающие вирус Хантаан
- Яндекс.Новости (yandex.ru/news), 15/07/2021

Химики из Новосибирска и Москвы нашли соединение, поражающее вирус Хантаан
- Навигатор (navigato.ru), 15/07/2021

Ученые синтезировали новое соединение, поражающие вирус Хантаан
- ИА Красная весна (rossaprimavera.ru), 15/07/2021