ВСЕСИЛЬНЫЕ НИТРОКСИЛЬНЫЕ
В самом начале 70-х годов прошлого века в группе, возглавляемой д.х.н. Л. Б. Володарским, проводились исследования 1,2-гидроксиламинооксимов — очень доступных, но малоисследованных соединений и потому имеющих достаточно неочевидные перспективы научного и, тем более, практического применения.
В.А. Резников, д.х.н., профессор
Было обнаружено, что эти соединения — удобные предшественники гетероциклических соединений, которые очень легко могут быть превращены в стабильные нитроксильные радикалы (СНР). Надо отметить, что первые представители СНР были синтезированы в СССР в начале 60-х годов, и можно сказать, что наша страна имеет серьезные основания в претензии на приоритет в создании нового научного направления — химии и применений этого нового и удивительного класса соединений.
Дело в том, что факт существования радикалов в виде индивидуальных соединений, по большому счету, противоречил основным канонам химии, поскольку существование соединений такого типа лишь постулировалось в качестве очень активных и потому крайне короткоживущих интермедиатов, образующихся в некоторых так называемых цепных реакциях. Пример такой реакции — горение метана, о легкости протекания которой свидетельствует хотя бы факт взрывчатости метан-кислородных смесей. Радикалы — это молекулы «со свободной валентностью», то есть содержащие неспаренный электрон. Этот электрон «страстно желает» найти себе пару, что и проявляется в исключительно высокой реакционной способности этих частиц. В случае же СНР было обнаружено, что химикам удалось сконструировать такую молекулу, в которой неспаренный электрон, локализованный на так называемой нитроксильной группе, «самодостаточен». Было обнаружено, что СНР могут вступать в ряд химических превращений, не затрагивающих нитроксильную группу — по другим функциональным группам, находящимся в составе той же молекулы, включая реакции, протекающие по радикальному механизму!
Эта удивительная устойчивость СНР открыла возможности создания самых различных структур СНР, отличающихся геометрией, размером, характером и топологией входящих функциональных групп. Позже СНР перестали быть экзотическими соединениями, к их существованию привыкли, но история соединений не закончилась. Причина — парамагнетизм молекулы СНР, обусловленный наличием неподеленного электрона — свойство уникальное в органическом мире, позволяющее легко отличить молекулу радикала от любой другой органической молекулы с применением спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Это означает, что очень небольшое количество молекул радикала (одна на миллиард и даже меньше!) может быть обнаружено с использованием спектроскопии ЭПР. Спектр ЭПР СНР очень прост и вследствие этого весьма информативен. Он позволяет не только констатировать наличие радикала, но и судить о его ближайшем окружении, что делает СНР инструментом для изучения самых разных объектов с применением спектроскопии ЭПР. Вот какие объекты оказались в руках исследователей группы азотистых соединений НИОХ!
В течение десятилетий СНР — производные имидазолина — были объектом изучения сначала группы, а затем лаборатории азотистых соединений. Они обладали рядом уникальных структурных и, как следствие, функциональных особенностей по сравнению с СНР, синтезируемыми и изучаемыми в других научных коллективах во всем мире. Эти особенности, с одной стороны, позволили синтезировать самые различные структуры СНР для существующих на то время научных задач, а с другой стороны — развитие синтетической химии СНР привело к появлению новых областей их применения. В свою очередь, появление этих новых областей использования обусловило возникновение социального запроса на новые, более специализированные структуры СНР. Это взаимное влияние синтетической химии СНР и отраслей научных знаний, использующих СНР как инструмент в своих исследованиях, оказалось исключительно плодотворным. Следует отметить, что не последнюю, если не главную, роль здесь сыграла специфика Сибирского отделения АН, заключающаяся в тесной кооперации научных коллективов при решении различных задач на стыке наук.
Этот синергизм привел к тому, что в СО РАН сформировалось большое научное направление, связанное с синтезом и использованием СНР, созданных в НИОХ. В последующем успехи развиваемого направления были признаны не только в нашей стране, но и далеко за ее пределами, лаборатория азотистых соединений стала одним из признанных мировых лидеров в области химии СНР. Научная кооперация синтетической химии и применения СНР стала поистине международной. Остановимся на тех областях применения, которые получили развитие благодаря исследованиям СНР в НИОХ или даже возникли вследствие этих исследований.
Аналитическая химия. Были синтезированы СНР, содержащие в молекуле хелатообразующие группировки, взаимодействие которых как с парамагнитными, так и диамагнитными ионами металлов приводит к заметному и закономерному изменению спектра ЭПР исследуемого раствора. На основании таких СНР совместно с коллективом химиков-аналитиков (Институт геохимии и аналитической химии им. В.Н. Вернадского АН СССР) были разработаны аналитические методики количественного определения ряда металлов экстракционно-радиоспектроскопическим методом.
Координационная химия. СНР, содержащие в составе молекулы хелатообразующие группировки, легли в основу нового направления в неорганической химии — химии координационных соединений с парамагнитными лигандами. Эти исследования проводились и проводятся в сотрудничестве с Институтом неорганической химии СО РАН, а позже — совместно с Международным томографическим центром СО РАН. На первом этапе эти координационные соединения были просто новыми и необычными объектами, которые изучались с точки зрения особенностей их электронной структуры. В ходе работ обнаружили явление спинового упорядоточения — низкотемпературного фазового перехода, в результате которого соединения начинали проявлять необычные магнитные свойства. В частности, таким образом были получены первые органические ферромагнетики, не обладающие сколько-нибудь заметной электропроводностью. Можно надеяться, что в обозримом будущем эти новые материалы послужат элементной базой для создания приборов.
Контроль за движением пластовых жидкостей. Простота и уникальность спектра ЭПР СНР позволила предложить и разработать простой, удобный и экологичный способ контроля за движением пластовых жидкостей для интенсификации нефтедобычи. Метод основан на том, что в нагнетаемую в скважину жидкость (воду) добавляется относительно небольшое количество предшественника СНР. Факт прорыва этой жидкости в извлекаемую нефть легко определяется окислением небольшой пробы непосредственно в ампуле простого, предназначенного для работы в полевых условиях спектрометра ЭПР. Затем нагнетающая скважина отсекается, и для повышения давления в нефтеносном пласте бурится другая скважина.
Молекулярная биология, биофизика. Наверное, одно из первых практических приложений СНР получили для изучения биологических микрообъектов опять же благодаря своей парамагнитности и, как следствие, легкости обнаружения, не требующего разрушения изучаемого объекта. Эти особенности СНР позволили найти им применение в исследования как in vitro, так и in vivo. Данные подходы получили название методов спиновых меток и спиновых зондов.
Спиновая метка — это молекула СНР, способная к образованию химической связи с биологической молекулой-мишенью, после чего эволюции последней даже в живом организме могут быть прослежены спектрально. В качестве спинового зонда может быть, в принципе, использована любая молекула СНР, но практически важно создавать такие спиновые зонды, которые вследствие особенностей своей структуры локализовались бы в той области, которая интересует исследователя. А поскольку физико-химические свойства биологических структур весьма различны, то это требует создания набора спиновых зондов, обладающих специфическим сродством к той или иной структуре. Использование имидазолиновых СНР позволило выполнить и эту задачу. Более того, синтезированы СНР, спектры ЭПР которых закономерным образом изменяются при изменении кислотности (рН) среды. Эти СНР, синтезированные в лаборатории азотистых соединений НИОХ, явились основой для создания метода рН-чувствительных спиновых зондов и спиновых меток. Использование таких меток и зондов дает возможность получать информацию не только о структуре окружения молекулы СНР, но и о величине кислотности среды в очень малых объемах, включая клеточные структуры, биологические мембраны и др. Еще один интересный метод исследования биологических объектов возник благодаря разработанным в НИОХ спиновым меткам, позволяющим определять концентрацию высоко- и низкомолекулярных биогенных тиолов. В результате разработаны методы ранней диагностики некоторых заболеваний. В заключение упомянем СНР, позволяющие изучать концентрацию оксида азота (NO) — ключевого медиатора многих процессов, протекающих в человеческом организме в различных биологических тканях. Метод основан на химической трансформации СНР, приводящей к драматическому изменению спектра ЭПР. Разработанные в лаборатории азотистых соединений синтетические подходы способствуют созданию таких СНР, которые могут быть использованы для определения концентрации NO в совершенно определенных биологических структурах.
Одна из проблем, ограничивающих применение СНР для решения различных биологических исследований, — их биовосстановление в диамагнитные соединения, не имеющие сигнала в спектре ЭПР. Этот процесс происходит в живом организме с различной скоростью для разных СНР. Результатом недавних исследований, проводимых в НИОХ, явилось создание структур, обладающих повышенной сопротивляемостью биовосстановлению, что обеспечивает их применение в исследованиях in vivo, требующих продолжительного мониторинга.
Новое направление использования СНР и их диамагнитных предшественников, активно развиваемое в НИОХ в сотрудничестве с Международным томографическим центром, — применение в качестве медиаторов так называемой «псевдоживой» полимеризации. Использование очень небольших количеств СНР дает возможность осуществлять радикальную полимеризацию таким образом, что образующийся полимерный материал имеет очень малый разброс молекулярных масс молекул, что существенным образом улучшает его механические свойства.
Таким образом, за годы существования НИОХ создано и активно развивается большое научное направление, носящее междисциплинарный, интегрированный характер — химия и применение стабильных нитроксильных радикалов. Оно имеет приложения в самых различных областях научных знаний, поскольку породило мощный инструментарий и создает методологию решения сложных междисциплинарных научных и прикладных задач в самых разных областях. Признанием заслуг коллектива сотрудников НИОХ совместно с сотрудниками ИНХ и МТЦ явилось присуждение в 1994 году Государственной премии в области науки и техники. Продукция, производимая в НИОХ в этой области — стабильные нитроксильные радикалы, не измеряется в тоннах, очень редко в килограммах, чаще в миллиграммах, но тем не менее, учитывая специфику СНР, зачастую покрывает большую часть мировой потребности в этих соединениях. Кроме того, в мире нет другого коллектива, который синтезирует такое количество СНР, предназначенных для решения самых различных научных задач. Тесная научная кооперация приводит к тому, что в НИОХ синтезируются СНР под такие задачи, которые только могли бы быть решены с привлечением спектроскопии ЭПР. Это плодотворное сотрудничество продолжается, и есть убежденность в том, что, благодаря новым разработкам сотрудников НИОХ, будут созданы принципиально новые подходы для решения научных и прикладных задач в самых разных областях знаний.
стр. 8
|
