ИСТИНА

Проект направлен на изучение электрохимического поведения и превращений кремнийорганических соединений, содержащих гиперкоординированные атомы кремния, перспективных для создания новых химических сенсоров, реагирующих на появление свободнорадикальных фрагментов/молекул in vivo и ex vivo в организме, а также разработку подходов для возможного получения лекарственных препаратов (активных форм), регулирующих подобные процессы. В ходе реализации проекта планируется решить ряд конкретных задач: 1) синтез солей с комплексными анионами, в которых атом кремния гиперкоординирован (координационное число 5 и 6) и содержит один- или два редокс-активных лиганда (производных пирокатехина), а также органический фрагмент с потенциальными сенсорными свойствами (наличие пика поглощения электромагнитного излучения в видимом или ближнем уф-диапазоне); 2) определение их молекулярной и кристаллической структуры; 3) изучение электрохимических превращений с участием вышеуказанных комплексных анионов (обратимое окисление/восстановление, необратимые процессы окисления/восстановления боковых групп и/или сенсорного фрагмента); 4) спектральный контроль электрохимических процессов in vivo и ex vivo; 5) дизайн пористых трехмерных водородно-связанных систем на основе синтезированных соединений (выбор оптимального противоиона, контроль растворимости). Для решения всех этих задач будет привлечен научный коллектив, включающий специалистов в таких областях науки как: электрохимия, элементоорганическая химия, физическая и квантовая химия, рентгенодифракционные исследования, а также биология и физиология, что определяет междисциплинарность предлагаемого проекта. Актуальность предложенного проекта определяется важностью изучения свободно-радикальных процессов, связанных с воздействием ионизирующего излучения на биологические системы, и созданием новых материалов для радиотерапии смертельно опасных заболеваний, исследованию механизма промышленно-важных электрохимических и каталитических реакций. Научная новизна предлагаемого проекта состоит в синтезе новых анионных комплексов, конструировании новых пористых материалов, получении знаний об электрохимических превращениях таких комплексов, определении их строения в твердом состоянии и растворе, установлении зависимости их оптических свойств от протекания электрохимических процессов in vivo и ex vivo. В первый год выполнения проекта основное внимание планируется уделить синтезу новых анионных комплексов, изучению их молекулярной и кристаллической структуры, а также определению зависимости растворимости и потенциалов окисления/восстановления от природы сенсорного заместителя при атоме кремния. В течение второго и третьего года выполнения проекта данные, полученные в первый год, послужат основой для оптимизации процедуры синтеза, изучения электрохимических процессов ex vivo на моделях биологических систем (клеточные культуры и изолированные ткани), каталитических и электрокаталитических систем (прежде всего, восстановления кислорода), проведения электрохимической модификации анионных комплексов, создания пористых нековалентно-связанных каркасных материалов с сенсорными свойствами. В ходе выполнения проекта планируется выпуск 6-8 статей в рецензируемых журналах.

The project is devoted to investigation of electrochemical behaviour and transformations of organosilicon compounds based on hypercoordinated silicon atoms that are prospective for synthesis of novel chemical sensors sensitive to free radical fragments and molecules in vivo and ex vivo. We also plan to develop approaches to novel pharmaceuticals (their active solid forms) affecting these processes. The following tasks plan to be solved: 1) synthesis of salts containing anions based on hypercoordinated silicon atoms (with coordination numbers 5 and 6) and up to two redox-active ligands (pyrocatechin derivatives), as well as organic fragment that ponetially acts as a sensor (the presence of absorbtion maxima in visible light or UV); 2) crystal and molecular structure determination; 3) the study of electrochemical transformations of above complex anions (reversible and non-reversible processes of sensor fragments and side groups oxidation/reduction); 4) spectral control of electrochemical proceses in vivo и ex vivo; 5) the design of porous 3D non-covalently bonded systems (the choice of optimal counter ion and solubility control). The solution of above tasks will be achieved with scientific team that includes researchers in various fields of chemistry and biology (electrochemistry, organoelement compounds, physical and quantum chemistry, X-ray diffraction, biology and physiology) in accord with interdisciplinary nature of the present project. The value of the project is defined by importance of studies of free radical processes related to radiation effect, developing of new materials for radiotherapy of deceases and investigation of commercially adopted reactions. The novelty of present project comprises the preparation of new complexes, the investigation of their structure and electrochemical properties, the construction of new porous materials, the definition of correlations between parameters of radical reactions and optical properties in vivo and ex vivo. At the first year the synthesis, definition of structures and electrochemical studies of complexes are planned. The second and third years will be dedicated to fine tuning of structural parameters of complexes, the studies of electrochemical process in systems that mimic biological systems, construction of new porous materials. During the period of project execution it is planned to publish 6-8 papers.

В течение первого года планируется достигнуть следующих результатов: 1. Синтез не менее 6-10 новых анионных комплексов гексакоординированного кремния, содержащими один или два замещенных катехолятных лиганда и органический заместитель, связанный с атомом кремния связью Si-C. При необходимости возможен синтез комплексов с тремя замещенными катехолятными лигандами. Синтез комплексов будет выполнен по методике, описанной в разделе 4.4 с использованием катехолятных лигандов различного строения, которые могут быть закуплены у поставщиков или синтезированы собственными силами (в зависимости от текущей цены и сроков поставки). Прежде всего будут синтезированы комплексы катехолятных лигандов наиболее простого строения. В качестве возможных лигандов могут быть использованы различные галогензамещенные пирокатехины, кофейная кислота (содержит карбоксильную группу, придающую гидрофильные свойства), 3,4-дигидрокисбензальдегид, 4-нитропирокатехин, 3,4-дигидроксибензонитрил. Часть этих лигандов содержат заместители (такие как нитрогруппа или альдегидная группа), которые способны вступать в реакции электрохимического окисления или восстановления. При этом, в случае комплексов гексакоординированного кремния основной каркас комплекса, как можно предположить, не будет затронут. В качестве органических заместителей планируется использовать заместители различного строения, в которых есть делокализация -электронов (фенильная, фурановая, имидазольная, пиперазин-2,5-дионовая группы и др. как непосредственно связанные с кремнием, так и отделенные от него различными спейсерами). 2. Определение кристаллической структуры этих комплексов, в том числе при их кристаллизации с различными противоионами. Получение данных о строении и возможных стереодинамических превращениях комплексов в растворе с помощью мультиядерной и динамической спектроскопии ЯМР, а также квантовохимических расчетов. Планируется, что рентгеноструктурные данные будут получены для всех синтезированных комплексов в виде солей с органическими противоионами или катионами металлов. На первом году в качестве органического катиона будет использоваться дизамещенный аммоний (например, бис(циклогексил)аммоний). 3. Определение потенциалов окисления/восстановления и стабильности комплексов при воздействии электрического тока. Выявление возможного электрохромизма. Применение замещенных катехолятных лигандов приведет к тому, что комплексы будут обладать разнообразными электрохимическими свойствами. Ожидается, что комплексы будут демонстрировать обратимые процессы электрохимического окисления/восстановления (за них ответственна катехолятная группа) и в то же время для части комплексов будет проведена их модификация с помощью электрохимического окисления/восстановления. Потенциалы окисления/восстановления планируется измерить для растворов различной природы (ДМФА, ДМСО и их смеси с водой, фосфатно-солевом буфере (как модели биологических жидкостей)). 4. Изучение зависимости оптических свойств синтезированных комплексов в растворе от природы растворителя, противоиона, органического заместителя при атоме кремния, концентрации и числа катехолятных лигандов методами УФ и ИК-спектроскопии. Измерение оптических свойств планируется провести как для твердого состояния, так и для растворов различных концентраций. Все полученные результаты будут обладать высокой научной значимостью вследствие получения детальной информации о влиянии природы катехолятного и родственных заместителей, а также органической группы при атоме кремния на оптические свойства комплексов в кристалле и растворах, что ранее не было изучено. Данные, полученные в первый год выполнения проекта, необходимы для оптимизации сенсорных свойств, расширения круга используемых лигандов и переходу к испытаниям на моделях биологических систем, а также к сборке каркасных структур, связанных нековалентными взаимодействиями.

Участники научного коллектива обладают большим опытом в синтезе (Крамарова Е.П., Архипов Д.Е.) и исследовании комплексов гиперкоординированного кремния (а также германия и олова) различными физико-химическими методами (Негребецкий В.В.). В частности, синтез катехолятных комплексов был ранее осуществлен членами коллектива и результаты опубликованы в статье [1] (список приведен в пункте 4.8). В этой работе были синтезированы дициклогексиламмониевые соли бис(1,2)катехолято-O,O´)-[N-метил-N-(ацетамидо)метил-C,O]силиката и бис(1,2-катехолято-O,O´)-[(2-оксо-1-гексагидроазепинил)метил-C,O]силиката, изучена их молекулярная структура и влияние на нее межмолекулярных взаимодействий в кристалле. За последние 15 лет участниками группы было опубликовано большое число работ, посвященных изучению катионных и нейтральных комплексов, обладающих потенциально высокими биологически активными свойствами. Для них исследована структура, электронное строение, политопные перегруппировки в растворах и токсичность. Руководитель коллектива является специалистом в рентгеновской дифракции, структурной химии комплексных и металлорганических соединений. Принимал участие в комплексных исследованиях металлорганических соединений, в частности методами электрохимии [8,9]. В состав коллектива включена также биофизик, кбн Т.А. Шмиголь, имеющая опыт в исследовании фотоиндуцированных процессов в биологических системах [6] и электрофизиолог, кбн В.М. Митрохин, имеющий обширный опыт по исследованию влияния различных соединений на процессы биоэлектрической активности как на клеточном, так и на тканевом уровне.