В Москве прошла вторая церемония вручения национальной премии в области будущих технологий «Вызов». Один из лауреатов, Леонид Ферштат, победитель в номинации «Перспектива», рассказал о значении своих исследований в сфере создания новых химических гетероциклических азотсодержащих соединений.
Гетероциклические соединения — это органические молекулы, содержащие циклические структуры, в которых, помимо углерода, присутствуют и другие химические элементы, такие как азот. Они могут иметь различные размеры и состав, начиная от пяти- и шестичленных гетероциклов, что делает их крайне разнообразными. В природе чаще всего встречаются именно такие структуры, но современные химики способны синтезировать большое множество различных вариантов в лабораторных условиях.
Гетероциклы, особенно те, что содержат азот, играют важную роль в жизни человека, например, в разработке новых лекарств. Их изучение способствует пониманию принципов зеленой химии, что очень актуально в наше время.
Разработка гибридных материалов также требует внимания к таким соединениям, так как их уникальные свойства открывают новые перспективы для науки и промышленности.
Гетероциклы играют ключевую роль в структуре ДНК, а также служат основой для создания множества лекарственных средств и различных материалов.
Их значимость и распространенность в различных сферах деятельности подчеркивает важность продолжающихся исследований в этой области.
Мы занимаемся синтезом соединений, которые могут стать основой для новых функциональных материалов.
Смешивание этих веществ с различными технологическими компонентами, такими как пластификаторы и связующие, открывает перспективы для разработки новых типов топлива.
Кроме того, наличие обширной библиотеки высокоазотных и азотно-кислородных гетероциклов вдохновляет нас на создание гибридных материалов, сочетающих свойства органических и неорганических компонентов.
Мы работаем над нанесением органических соединений на неорганические подложки, такие как оксид графита, предполагая, что это позволит достичь синергизма между ингредиентами.
Эти новые материалы обещают иметь высокую плотность энергии и нужные физико-химические характеристики, что делает их потенциально полезными для горнодобывающей и аэрокосмической отраслей.
Работа ученых в этой области часто напоминает сборку конструктора: на атомарном уровне мы стремимся модифицировать молекулы с целью ввести фрагменты, которые придадут материалам необходимые свойства.
Свойства веществ и материалов напрямую зависят от их молекулярного строения, что делает актуальным разработку и совершенствование методик синтеза гетероциклических соединений.
Эти соединения важны для создания новых материалов в горнодобывающей и аэрокосмической отраслях. Однако модификация органических соединений является сложной задачей, особенно когда в состав веществ входят атомы азота и кислорода, позволяющие накопление значительного количества энергии.
Классические методы органической химии часто оказываются неэффективными для таких соединений, что требует значительных усилий на подбор условий реакции и оптимизацию синтетических методов.
Таким образом, наша работа направлена на установление фундаментальных основ молекулярной сборки азотно-кислородных материалов с заданными физико-химическими свойствами.
Кроме того, исследуем создание новых лекарственных препаратов на основе гетероциклических структур, содержащих азот и кислород. Это направление выбрано не случайно, так как лаборатория, где проводятся исследования, была основана в 1962 году и с тех пор занимается изучением уникальных свойств азотно-кислородных соединений.
В 1980-1990-х годах стало известно, что некоторые из этих гетероциклов могут действовать как доноры оксида азота (II), что открывает перспективы для медицинских приложений.
Молекула, состоящая всего из двух атомов, выполняет роль сигнального вещества в организмах млекопитающих, играя ключевую роль в различных физиологических процессах, таких как сокращение мышц и передача нервных импульсов.
Нарушение производства оксида азота (NO) может привести к заболеваниям, что подчеркивает важность разработки новых препаратов с сосудорасширяющими и тромболитическими свойствами.
Одним из наиболее известных средств в этой области является «нитроглицерин», однако он имеет серьезные побочные эффекты и может вызывать привыкание.
В отличие от него, новые азотно-кислородные соединения, создаваемые учеными, имеют меньше недостатков и могут привести к созданию более эффективных лекарств.
Кроме того, высокоазотные молекулярные соединения находят широкое применение. Например, на их основе можно разработать стабильные гетероциклические радикалы, которые благодаря неспаренным электронам могут проявлять ферромагнитные или антиферромагнитные свойства, что делает их перспективными для использования в молекулярных магнетиках и в устройствах хранения информации.
Эти достижения открывают путь к новым технологиям и медицинским приложениям, которые улучшат качество жизни и повысят эффективность лечения различных заболеваний.
Высокоазотные гетероциклы имеют значительное значение для агрохимии, поскольку они могут быть использованы для создания новых безопасных фунгицидов и ускорителей роста семян.
Эти соединения не только выступают важными компонентами функциональных материалов, но и играют роль в интенсификации сельского хозяйства.
Отдельно следует упомянуть о зеленой химии, которая представляет собой важную область современной химии.
Многие исследователи по всему миру активно занимаются этой темой, основываясь на 12 принципах зеленой химии, направленных на устойчивое развитие.
Несмотря на существование агрессивных реагентов в некоторых реакциях, в последние годы наша лаборатория начала экспериментировать с использованием органической электрохимии для синтеза азотно-кислородных гетероциклов.
Это новое направление сосредоточено на применении электрического тока как экологически безопасного окислителя в химических реакциях.
Так как электричество является доступным и недорогим ресурсом, его использование позволяет существенно снизить затраты на синтез и устранить негативное воздействие токсичных химических окислителей на окружающую среду.
Таким образом, переход к электрическому окислению не только делает процессы более экономичными, но и способствует защите экологии.
