"Мы можем записывать до тысячи спектров в день"

Российским научным фондом (РНФ) в 2014 году было поддержано 16 пятилетних комплексных научных программ, предусматривающих развитие научных и образовательных организаций в целях укрепления кадрового потенциала науки, проведения научных исследований и разработок мирового уровня. Размер финансирования каждой программы — до 750 млн рублей (за 5 лет).

— Расскажите, пожалуйста, на что направлена работа в рамках комплексной научной программы вашего института, поддержанной РНФ?

— Сегодня мировым трендом развития химии становится дизайн и исследование молекулярных систем различной сложности, обладающих полезными практическими свойствами. Эти системы уже находят применение в ключевых областях экономики, таких как фармацевтика, нефтехимическая промышленность, медицина, энергетика, оборонная промышленность и многие другие области, составляющие основу национальной безопасности страны.

Поэтому основной нашей задачей в рамках комплексной научной программы, поддержанной РНФ, является

направленный дизайн новых органических и гибридных молекулярных систем для критических технологий в интересах национальной безопасности и устойчивого развития.

— По каким направлениям ведутся исследования?

— Исследования проводятся по четырем комплементарным направлениям: стерео- и энантиоселективный синтез новых азот-кислородных систем — доноров оксида азота и полупродуктов для получения нейромедиаторов и ингибиторов ферментов; биоорганические молекулярные системы для решения приоритетных задач медицины, а также биологического и экологического мониторинга; новые органо-неорганические гибридные молекулярные системы и высокоорганизованные материалы для применения в катализе, охране окружающей среды, энергетике и исследование сложных молекулярных систем и механизмов химических реакций с помощью комплекса современных физико-химических методов.

Исследуемые системы покрывают обширный диапазон молекулярной сложности: от сравнительно «несложных» азот-кислородных систем до сложных биоорганических и органо-неорганических гибридных систем.

Очевидно, что успешное выполнение запланированных исследований невозможно без наличия мощного современного оборудования, которое дает возможность не только надежно устанавливать строение (в том числе пространственное) вновь синтезируемых молекулярных и гибридных систем, но и детально изучать механизмы их образования, в том числе путем прямого спектроскопического обнаружения короткоживущих интермедиатов. В этой связи следует особенно подчеркнуть, что ИОХ РАН располагает уникальным комплексом оборудования, входящим в состав Центра коллективного пользования.

Оборудование включает в себя современные ЯМР-спектрометры и масс-спектрометры, полную линейку электронных микроскопов (сканирующий и просвечивающий) с набором детекторов для решения сложных структурных задач, а для этого нужны квалифицированные специалисты для работы на этих приборах.

Кроме того, методические разработки сотрудников института значительно расширили возможности этого уникального оборудования для детального исследования гибридных молекулярных систем и механизмов химических реакций, в результате чего были получены важные научные результаты, опубликованные в журналах с высокими импакт-факторами и получившие международное признание.

Отмечу, что все дорогостоящие приборы работают 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году, и они всегда полностью загружены образцами.

На некоторых из приборов получены рекордные показатели. Так, несколько лет назад в ИОХ был записан рекордный миллионный ЯМР-спектр. Такого результата наши английские коллеги смогли достигнуть лишь два года спустя. И вообще, мы можем записывать до 1000 ЯМР-спектров в день!

— Расскажите о наиболее ярких результатах, полученных за время выполнения программы?

— В каждом из направлений программы есть свой очень яркий результат. Так, несомненно, важным достижением явился синтез уникальной, остававшейся долгое время гипотетической, азот-кислородной системы — тетразино-тетразин-тетраоксида (ТТТО).

Каркас этой зеркально-симметричной молекулы состоит из двух атомов углерода и восьми атомов азота. Четыре атома кислорода расположены таким образом, что максимально стабилизируют молекулу. Возможность существования этого соединения была ранее теоретически предсказана в ИОХ, а в последние годы за рубежом опубликован ряд теоретических работ, в которых показано, что ТТТО находится в ряду самых мощных энергоемких веществ и обладает исключительно высокими энергетическими характеристиками.

Однако попытки зарубежных ученых синтезировать ТТТО не привели к успеху. Результаты работы ученых нашего института опубликованы в журнале Angewandte Chemie (IF 11.7). Статье был присвоен статус VIP article.

Хотелось бы отметить результат в области биомолекулярных систем, связанный с разработкой конъюгированных вакцин третьего поколения от бактерии пневмококка. Были синтезированы конъюгаты синтетических олигосахаридов с модельным белком. Введение мышам конъюгата тетрасахарида с модельным белком обеспечивало стопроцентную защиту мышей от последующего заражения летальной дозой живой культуры пневмококка. Полученный продукт показывает такую же активность, как и соответствующий компонент КП-CRM197 вакцины Prevnar 13 (Pfizer), и открывает, таким образом, путь к отечественному инновационному препарату.

Нашими исследователями были созданы гибридные наноматериалы для очистки природного газа и жидких углеводородных смесей от соединений серы. Разработанный катализатор-адсорбент позволяет снизить содержание соединений серы в этом сырье по крайней мере в 5 тыс. раз и превосходит по всем параметрам на порядки традиционные цеолиты.

Наконец, не могу не отметить разработку оригинальной методики для съемки видеороликов с химических реакций с участием наночастиц (четвертое направление проекта). Был успешно проведен видеомониторинг процесса конверсии биомассы непосредственно в электронном микроскопе и выявлено влияние наноструктурирования системы на выход и селективность реакции. Результаты исследования опубликованы в Angewandte Chemie.

Всего за этот год по результатам нашего проекта опубликованы четыре статьи в этом топовом международном журнале. Хотел бы особо сказать, что широкое применение электронной спектроскопии для изучения органических молекулярных систем в рамках данного проекта было отмечено наградой ведущей японской компании Hitachi High-Technologies «За новый подход и выдающийся вклад в разработку новых стандартов применения электронной микроскопии в химии», которая была вручена руководителю четвертого направления, члену-корреспонденту РАН Валентину Ананикову.

— Что планируется сделать в рамках реализации программы?

— У нас есть две основные цели, которые мы поставили изначально. Первая цель — найти новые точки роста и новые перспективные направления, которые следует развивать в нашем институте, что должно привести к изменению облика института. Другая задача — создать на базе ИОХ РАН междисциплинарный центр по изучению молекулярных органических и гибридных систем.

— Много ли молодых сотрудников в ИОХ РАН задействованы в выполнении программы?

— Реализация программы реально интенсифицировала приток в институт научной молодежи. Если в 2013 году (до начала реализации проекта) в институте работали 129 научных сотрудников в возрасте до 39 лет, было 57 аспирантов и 157 студентов, то в 2015 году эти цифры составили соответственно 155, 69 и 226 человек. В ИОХ РАН на протяжении более 25 лет успешно работает «система непрерывного химического образования ИОХ РАН», включающая цепочку «лицей — колледж — аспирантура — докторантура».

Ее основу составляют созданные по инициативе института Московский химический лицей и Высший химический колледж. Серьезное финансирование комплексной научной программы, поддержанной РНФ, позволило не только дополнительно привлечь к нему большее число студентов и аспирантов, но и создать в ИОХ РАН институт «постдоков» — недостающее звено в цепочке непрерывного химического образования и основу для быстрого омоложения института.