Статья иркутских ученых опубликована в электронной версии высокорейтингового научного журнала ChemPlusChem. Редакция отметила высокую значимость работы, разместив анонс публикации на обложке первого выпуска 2020 года. Статья подготовлена коллективом авторов, в составе которого — ученые лаборатории квантовой химии ИГУ.

Надежда Витковская, заведующая лабораторией квантовой химии ИГУ, доктор химических наук, профессор:

— Особенность нашей публикации — совместное с коллегами-синтетиками из Иркутского института химии (имени А. Е. Фаворского СО РАН) теоретическое и экспериментальное исследование. Она идеально вписалась в тематику журнала «ChemPlusChem», название которого дословно можно перевести с английского как «химия плюс химия», т.е. это должно быть исследование на стыке не менее двух разделов химии. Так и у нас — квантовая и органическая химия.

Надежда Витковская рассказала, что началось все в Иркутском институте химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ученые которого разработали новую методику синтеза ряда соединений, имеющих в своем составе каркас из двух сочлененных циклов (пиррол и 1,4-оксазин). Она отметила, что молекулы с таким скелетом могут проявлять потенциально высокую биологическую активность как противовирусные, антибактериальные и анти-ВИЧ соединения.

— В качестве предшественника для целевого соединения была выбрана молекула, где есть сразу два потенциальных центра, по которым может пойти реакция. Первоначальная методика, разработанная синтетиками, привела к трудноразделимой смеси продуктов. Чтобы не тратить дорогостоящие реагенты, а сразу вести направленный синтез, необходимо было разобраться в механизме реакции, т.е. определить какие элементарные стадии могут происходить в реакционном сосуде и какие из них приводят к целевой молекуле. И вот здесь на выручку синтезу приходит расчётная квантовая химия.

На сегодняшний день квантовая химия является мощным инструментом в руках исследователя. С резким ростом вычислительных мощностей компьютерная химия вышла на качественно новый уровень, позволяющий достоверно объяснять то, что наблюдают синтетики, и даже с высокой вероятностью предсказывать пути превращений, которые они еще и не рассматривали.

В настоящее время лаборатория квантовой химии ИГУ обладает самым мощным парком компьютеров в университете: 10 машин для расчётов, из которых 6 укомплектованы процессорами с 24 ядрами и оперативной памятью от 192 до 384 Гб. Вычислительные мощности, а также многолетний опыт в исследовании механизмов реакций позволили ученым ИГУ составить «дорожную карту» возможных взаимодействий в исследуемой системе.

— Знание механизма позволяет управлять реакцией, «настраивать» её так, чтобы получить нужный продукт с высоким выходом. Мы тщательно изучили каждый из этих реакционных путей и нашли наиболее выгодные маршруты, которые приводят к трём возможным продуктам. Удивительно, но образование одного из этих продуктов экспериментаторы даже не предполагали, сначала он был предсказан теоретически.

Опираясь на квантовохимическое исследование механизма реакции, экспериментаторам действительно удалось оптимизировать условия синтеза и выделить все три предсказанных продукта с высокими выходами. Установлено, что реакция легко контролируется тремя факторами: соотношением исходных реагентов, количеством щелочи и степенью разбавления. Это и показали авторы на рисунке, помещенном на обложку журнала ChemPlusChem.

— Три разных продукта реакции могут быть получены из одних и тех же исходных реагентов. Это как игра на балалайке, где, используя всего три струны, можно получить красивые мелодии из одних и тех же нот. Три струны балалайки — это три параметра, а ноты — исходные реагенты. Листы с квантовохимическими расчетами, помещенные под музыкальную тетрадь, символизируют опору экспериментальной работы на теоретические исследования.

Справка

Коллектив авторов статьи: д-р хим. наук, проф. Надежда Витковская, аспирант Александр Бобков, канд. хим. наук Виктория Щербакова, аспирант Светлана Кузнецова, д-р хим. наук Андрей Иванов.