КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-13-00169

НазваниеВольтамперометрические сенсоры на основе новых хиральных материалов для распознавания и определения энантиомеров биологически активных и лекарственных соединений.

РуководительПерфилова Юлия Анатольевна, Кандидат химических наук

Прежний руководитель Майстренко Валерий Николаевич, дата замены: 31.07.2023

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий», Республика Башкортостан

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые словаЭнантиоселективные сенсоры, вольтамперометрия, хиральные материалы,алюмосиликаты и алюмофосфаты, цеолиты, оптически чистые лиганды на основе индена, биологически активные и лекарственные соединения.

Код ГРНТИ31.19.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение актуальной научной проблемы – создание энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров (ЭВС) на основе новых хиральных материалов для экспрессного распознавания и обнаружения энантиомеров биологически активных и лекарственных соединений, востребованных в химии, биологии, фармацевтике, медицине, пищевой промышленности и смежных областях науки и практики. В рамках указанной проблемы планируется разработать, исследовать и апробировать на конкретных объектах (лекарственные средства, биологические жидкости) ЭВС с селекторами на основе мезо- и макропористых синтетических алюмосиликатных и алюмофосфатных материалов, в структуре которых содержатся не только микропоры (как в классических цеолитах), но мезо- и макропоры со спиральной хиральностью (иерархические пористые структуры), Будут также разработаны и исследованы новые хиральные материалы на основе ахиральных алюмосиликатных цеолитов, модифицированных конформационно жесткими и конформационно лабильными оптически активными лигандами, синтез которых базируется на модификации циклопентадиенов или циклопентадиенильных фрагментов индена путем введения заместителей, содержащих стереогенные центры, источником которых являются энантиомерно чистые кетоны (ментол, камфора) и спирты (бетулин, холестерол и др.). Указанные лиганды достаточно прочно адсорбируются на поверхности цеолитов и углеродных адсорбентов с образованием стабильных хиральных структур, что позволяет использовать их в качестве селекторов в ЭВС. Способы приготовления алюмосиликатных и алюмофосфатных пористых материалов с иерархической хиральностью основаны на их кристаллизации из предварительно сформированных нанокристаллов. Благодаря неполному срастанию нанокристаллов в грануле между ними формируются иерархические мезо- и макропоры со спиральной хиральностью. В рамках проекта планируется получить различные алюмосиликатные и алюмофосфатные пористые материалы с иерархической хиральностью. В настоящее время в литературе отсутствуют сведения о синтезе и применении в ЭВС кристаллических материалов, для которых решена проблема направленного формирования иерархических пористых структур, за исключением каркасных металлоорганических структур (MOF-материалов). Однако такие материалы подвержены гидролизу в водных и водно-органических средах и ЭВС на их основе имеют непродолжительный срок действия. В качестве материалов для создания ЭВС планируется также изучение мезопористых металлосиликатов c регулируемой пористостью и различным координационным окружением атома металла в силикатной решетке. Для задач распознавания энантиомеров в ЭВС такие материалы будут применены впервые. Вследствие большого разнообразия способов их получения можно целенаправленно проектировать высокоселективные, устойчивые и стабильные во времени ЭВС. Их энантиоселективность зависит от химического состава, строения кристаллической решетки и характеристик пористости материала. К числу основных задач, решить которые можно с помощью ЭВС на основе новых хиральных материалов, относятся: разработка экспрессных методов распознавания и контроля чистоты оптически активных биологических добавок, лекарственных средств и веществ, содержащих оптически активные соединения; скрининг фальсифицированной и контрафактной продукции; создание простых и относительно дешевых средств контроля хиральных компонентов в процессе их производства и медико-биологического применения. В отличие от широко применяемых методов (хроматография, капиллярный электрофорез и др.), обычно предполагающих предварительное разделение и концентрирование определяемых компонентов, ЭВС могут применяться вне лабораторий после незначительной (или даже отсутствия) пробоподготовки. Измерения с помощью таких устройств можно проводить как на стационарном лабораторном оборудовании, так in situ, предполагающем регистрацию и обработку получаемой информации непосредственно на контролируемом объекте (DART-анализ) с использованием методов "искусственного интеллекта". Планируется изучить специфичность и структурную селективность селекторов на основе предложенных хиральных материалов, установить оптимальные условия реализации хиральности в ЭВС по отношению к лекарственным препаратам (атенолол, пропранолол, баклофен и др.). Будут изучены также электрохимические и аналитические характеристики сенсоров, стабильность их показаний при хранении и использовании, оценены гидролитическая устойчивость и влияние морфологических характеристик поверхности сенсорных материалов, установлена природа взаимодействий между энантиомерами биологически активных и лекарственных соединений и хиральными фрагментами материалов. В совокупности это позволит определить круг материалов с наиболее оптимальными свойствами, необходимыми для получения воспроизводимых и стабильных результатов. С использованием квантово-химического моделирования и инструментальных методов (ЯМР и ИК-спектроскопия и др.) на примере оптически активных лигандов, синтез которых базируется на модификации циклопентадиенов или циклопентадиенильных фрагментов индена путем введения заместителей, содержащих стереогенные центры, будут выполнены исследования по изучению их взаимодействий с хиральными и ахиральными молекулами и лекарственными соединениями, установлены диапазоны структурной селективности, зависимости их характеристик от природы лиганда. Будет дано также обоснование эффекта селективного связывания энантиомеров с модификаторами и установлен спектр реализуемых взаимодействий. Для оценки селективности взаимодействий в системе энантиомер-хиральный селектор и прогнозирования влияния на редокс-потенциалы энантиомеров природы лигандов планируется выполнить квантово-химическое моделирование указанных процессов, оценить энантиоселективные свойства селекторов и возможности их прогнозирования, что позволит целенаправленно подбирать модификаторы для распознавания и определения хиральных аналитов. Для оптимизации конструкции сенсоров методами СЭМ и АСМ планируется изучить морфологию сенсорных покрытий, физико-химические и электрохимические характеристики материалов, нанесенных на поверхность электрода, а также введенных в состав пастового электрода из графитированной сажи. По результатам вольтамперометрических и импедансометрических измерений будут установлены параметры электродных процессов и проницаемость сенсорных покрытий в зависимости от строения и состава композитов, а также природы аналитов, специфически связывающихся с хиральными селекторами. Будут изучены также электрохимические свойства модификаторов и молекул энантиомеров в зависимости от природы сенсорных материалов и способа модифицирования электрода, условий регистрации сигнала. Предполагается, что за счет специфического взаимодействия предложенных хиральных материалов с энантиомерами биологически активных и лекарственных соединений разработанные сенсоры будут иметь более высокую чувствительность и селективность сигнала-отклика по сравнению с ЭВС на основе полимеров с молекулярными отпечатками и комплексов включения. Будет проведено сравнение аналитических характеристик разработанных ЭВС с традиционными сенсорами на основе циклодекстринов в анализе реальных объектов с вольтамперометрической и импедансометрической регистрацией сигнала. Применение новых хиральных материалов позволит разработать ЭВС для распознавания и обнаружения широкого круга аналитов. Это особенно важно в тех случаях, когда лекарственные средства содержат оптические изомеры или их смеси. Благодаря новым технологиям получения, разделения и очистки энантиомеров их стоимость значительно снизилась, и в будущем можно ожидать появление лекарственных препаратов, состоящих из чистых энантиомеров. Более высокая их стоимость по сравнению с рацемическими аналогами компенсируется высокой эффективностью применения. Следует заметить, что в России не опубликовано ни одной работы, в которой решались бы задачи применения предложенных хиральных материалов в качестве селекторов в ЭВС. За рубежом имеются лишь единичные публикации в этой области, имеющие косвенное отношение к проблеме.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается достижение результатов, имеющих важное значение для создания новых материалов на основе пористых структур с иерархической хиральностью и их применения в аналитической химии, в частности, для создания нового поколения энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров (ЭВС), ориентированных на экспрессное распознавание и определение оптически активных соединений в биологических добавках и лекарственных средствах с использованием достаточно простых сенсоров. Это ускорит решение задач, стоящих перед медициной, фармацевтической и пищевой промышленностью, повысит качество жизни людей, позволит оценить риски, связанные с применением некачественных лекарственных средств и биологически активных добавок. В конце выполнения проекта ожидается достижение следующих конкретных результатов: 1. Оригинальные методики синтеза и данные о структуре и свойствах хиральных материалов на основе композитов алюмосиликатных и алюмофосфатных цеолитных материалов с иерархической пористостью, а также лигандов на основе циклопентадиенов и циклопентадиенильных фрагментов индена для модифицирования ахиральных цеолитов, способы изготовления ЭВС с указанными хиральными селекторами и их иммобилизации на поверхности различных электродных матриц (стеклоуглерод, оксид графена, угольно-пастовые электроды и др.,) либо способы включения в состав полимерных композитов (полиариленфталиды, производные хитозана, микроцеллюлоза и др.) и угольно-пастовых электродов. 2. Закономерности влияния состава, природы и структуры предложенных материалов на энантиоселективность сенсоров по отношению к энантиомерам биологически активных и лекарственных соединений, квантово-химическое моделирование процессов взаимодействия селекторов с изученными энантиомерами и обоснование их селективности для молекул различной геометрии, установление гидрофильного и гидрофобного вкладов молекул аналита в энергию взаимодействия с хиральным селектором в объеме и на поверхности электрода, обоснование размерного эффекта при распознавании молекул различной геометрии. 3. Количественные параметры оценки энантиоселективных, электрохимических и аналитических характеристик сенсоров, сопоставление их с данными других аналитических методов. 4. Полученные с использованием современных инструментальных методов (СЭМ, АСМ, ЯМР, ИК-спектроскопия и др.) данные по изучению взаимодействий хиральных и ахиральных молекул биологически активных (триптофан, тирозин и др.) и лекарственных соединений с изученными хиральными селекторами позволят оценить диапазоны структурной селективности материалов, зависимости их характеристик от пористости и состава материала, строения и природы лигандов, а также обосновать эффект селективного связывания энантиомеров с хиральными модификаторами в ЭВС, установить природу наиболее часто реализуемых в таких системах межмолекулярных взаимодействий. 5. Сенсоры и методики вольтамперометрического и импедансометрического распознавания и обнаружения энантиомеров биологически активных и лекарственных соединений, содержащихся в оптически чистых лекарственных средствах и реальных объектах, их аналитические характеристики. Предложенные ЭВС и методики распознавания и определения аналитов в реальных объектах будут соответствовать мировому уровню исследований в данной области, а аналитические характеристики сенсоров превосходить (или не уступать) описанным в литературе устройствам по селективности и обеспечивать идентификацию веществ, содержащих оптически активные соединения. Полученные в ходе выполнения проекта результаты будут обнародованы в реферируемых российских и международных журналах: Аналитическая химия, Кинетика и катализ, J. Electroanal. Chem, Electroanalysis, Analytical Methods, Electrochimica Acta, J. Organomet. Chem, Micropor. Mesopor. Mat., J. Por. Mat. и др. Мировыми научными конкурентами авторов проекта являются группы исследователей, которые занимаются разработкой энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров в Китае, Италии, Франции, Турции, Индии и других странах. Однако, несмотря на рост интереса к пористым хиральным материалам, в качестве селекторов в ЭВС они используются в единичных случаях, причем, как правило, лишь металлоорганические каркасные структуры. В основном используются материалы на основе композитов известных хиральных селекторов с полимерами и наноматериалами или самоорганизующиеся структуры. При этом систематические исследования свойств и возможностей применения мезо- и макропористых синтетических алюмосиликатных и алюмофосфатных материалов с иерархической хиральностью в ЭВС не проводились и носят фрагментарный характер. Следует заметить, что в России не опубликовано ни одной работы, в которой решались бы задачи применения таких материалов в качестве хиральных селекторов в ЭВС. В 2021-2022 гг. по проблемам, связанным с изучением свойств и применением новых хиральных материалов планируется защита докторской диссертации доцентом Зильберг Р.А. и кандидатской диссертации аспиранткой Загитовой Л.Р.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения проекта разработаны методы синтеза, изучены структура и свойства композитных материалов на основе аминокислотных комплексов металлов, алюмофосфатных цеолитов с иерархической пористостью, а также оптически активных фульвенов, содержащих стереогенные центры, для создания энантиоселективных вольтамперометрических сенсоров. Разработаны способы модифицирования стеклоуглеродных (СУЭ) и угольно-пастовых (УПЭ) электродов этими материалами с целью обеспечения максимально широкого спектра селективности и чувствительности к оптически активным лекарственным и биологически активным соединениям (триптофан, атенолол, напроксен). Установлены оптимальные условия регистрации аналитических сигналов, оценены параметры чувствительности и селективности, стабильность показаний сенсоров, проведено сравнение их электрохимических и аналитических характеристик, установлены рабочие диапазоны измерений, параметры перекрестной чувствительности сенсоров, выбраны оптимальные условия функционирования сенсоров и сенсорной системы на их основе. Для оценки энантиоселективности и возможности целенаправленного выбора хиральных модификаторов (оптически активных фульвенов и др.) выполнено квантово-химическое моделирование процессов их взаимодействия с энантиомерами биологически активных и лекарственных соединений (триптофан, напроксен и др.), рассчитаны термодинамически наиболее выгодные межмолекулярные взаимодействия и структура образующихся ассоциатов. Электрохимические свойства сенсоров изучены с помощью методов вольтамперометрии и импедансной спектроскопии в зависимости от состава аналита и содержания энантиомеров в растворе, кислотности среды, присутствия других компонентов. По результатам исследований оценены аналитические характеристики сенсоров, оптимизированы условия регистрации аналитических сигналов для достоверного распознавания и обнаружения энантиомеров. Показано, что при использовании для синтеза алюмофосфатных цеолитов в качестве источника алюминия его изопропоксида, образуются молекулярные сита с иерархической пористостью, высокой фазовой чистотой и степенью кристалличности. Полученные алюмофосфатные цеолитные материалы представляют собой псевдосферические кластеры размером от 5 до 7 мкм, состоящие из нанокристаллов размером ~ 100 нм. Изотермы адсорбции для них имеют петлю гистерезиса, характерную для микро-мезопористых материалов (иерархических) с размером пор от 2 до 25 нм. Формирование мезопор происходит в межкристаллическом пространстве образующих цеолиты нанокристаллов размером ~ 100 нм. Причиной формирования нанокристаллов является высокая реакционная способность изопропоксида алюминия. Уже на стадии приготовления исходных реакционных гелей он практически полностью реагирует с ортофосфорной кислотой с формированием вторичных структур, которые обеспечивают высокие пересыщения по зародышам кристаллов, ограничивая их рост на наноразмерном уровне. Алюмофосфатные цеолитные материалы с иерархической пористостью послужили одним из компонентов для получения хиральных композитов, используемых в вольтамперометрических сенсорах. Осуществлен синтез оптически активных фульвенов реакцией (-)-ментона и (+)-камфоры с циклическими непредельными соединениями, структура которых подтверждена методами ЯМР- и масс-спектрометрии. Для выяснения механизма их хирального взаимодействия с энантиомерами триптофана и напроксена на примере оптически активного фульвена (1R,4S)-2-циклопента-2,4-диен-1-илиден-1-изопропил-4-метилциклогексана выполнено квантово-химическое моделирование с использованием метода PBE/3ζ на DFT уровне, рассмотрены возможности образования ассоциатов с энантиомерами триптофана и напроксена, которые могут реализоваться в результате нековалентных взаимодействий за счет π-π связывания. Для исследуемых систем рассчитаны структурные типы ассоциатов, которые можно отнести к T-образным и параллельно смещенным конфигурациям. В ассоциатах T-образной конфигурации, отличающихся поворотом и расположением молекул энантиомеров относительно плоскости пятичленного кольца, наблюдается взаимодействие π-системы циклопентадиенильного фрагмента с содержащими гетероатом N-H и O-H группами энантиомеров триптофана. Такие структуры более стабильны по сравнению с параллельно смещенными конфигурациями. Энергетические различия между ними составляют ~3-4 ккал/моль. По устойчивости ассоциаты энантиомеров незначительно отличаются между собой, что обусловлено малой конформационной подвижностью молекулы фульвена из-за наличия в ней двойной связи между пентадиенильным циклом и метилциклогексаном. Вследствие усложнения структуры у напроксена количество возможных вариантов взаимодействий по сравнению с триптофаном существенно больше. Напроксен образует, в основном, T-образные ассоциаты как для R- так и для S-энантиомеров. Из них наиболее термодинамически стабильными являются структуры, в которых реализуется взаимодействие циклопентадиенильного фрагмента фульвена с атомом кислорода напроксена. Сравнение значений ΔH образования ассоциатов для каждого из энантиомеров показывает, что ΔΔH(R-S) ~ 0.5 ккал/моль, что свидетельствует о более высокой селективности фульвенов по отношению к энантиомерам напроксена. Разработаны способы модифицирования СУЭ композитами аминокислотных комплексов Cu (II), Zn (II) и Co (III), содержащими оптически активные лиганды. В качестве полимерных матриц для иммобилизации хиральных селекторов на поверхности СУЭ использовали полиариленфталид и полиэлектролитный комплекс хитозана с N-сукцинилхитозаном. Предложенные сенсоры с высокой вероятностью позволяют распознать и определить энантиомеры триптофана и атенолола в смеси, в лекарственных средствах и биологических жидкостях. Морфология поверхности, электрохимические и аналитические характеристики сенсоров изучены методами вольтамперометрии, электрохимической импедансной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Энантиоселективность сенсоров обусловлена взаимодействием энантиомеров с аминокислотными комплексами металлов вследствие обмена лигандами с образованием смешаннологандных комплексов различного состава и устойчивости, что является причиной различий между максимальными токами и потенциалами пиков окисления энантиомеров на вольтамперных кривых. Об обмене лигандами между аминокислотными комплексами Cu (II) и Zn (II) и энантиомерами атенолола свидетельствуют зависимости потенциалов пиков на вольтамперограммах от концентрации энантиомеров в растворе. С использованием программы HyperChem рассчитана разница между свободными энергиями Гиббса (ΔΔGr) и энтальпиями образования (ΔΔHf) смешаннолигандных комплексов Cu (II) и Zn (II) с энантиомерами R- и S-атенолола. Линейные зависимости токов пиков окисления энантиомеров от концентрации в растворе сохраняются в диапазоне концентраций от 10-5 до 10-6 М. Значения RSD не превышают 7.0 % для обоих энантиомеров атенолола. Разработанные сенсоры позволяют правильно определять энантиомеры атенолола в биологических жидкостях с адекватной точностью, RSD не превышало 9.8 % и 12 %. Они имеют также перекрестную чувствительность к энантиомерам атенолола, что позволило объединить их в сенсорную систему типа «электронный язык». Для селективного распознавания и определения энантиомеров напроксена - 2-(6-метоксинафтил)-пропановой кислоты - разработан сенсор на основе алюмофосфатного цеолита с иерархической пористостью, модифицированного бетулиновой кислотой (БК). Для иммобилизации модифицированного БК цеолита на СУЭ использовали полиэлектролитный комплекс (ПЭК) натриевой соли N-сукцинилхитозана (полианион) и гидрохлорида хитозана (поликатион). Экспериментально установлены оптимальные соотношения компонентов композита и условия регистрации аналитического сигнала. Дифференциальные импульсные вольтамперограммы окисления энантиомеров напроксена и электрохимические характеристики сенсоров свидетельствуют, что для полученных композитных электродов наблюдаются различия между вольтамперограммами энантиомеров. Были выполнены вольтамперометрические и импедансометрические исследования с использованием в качестве редокс-зонда 5 мМ эквимолярной смеси калиевой соли [Fe(CN)6]3-/4-, которые показали, что каждый компонент модификатора по-разному влияет на токи редокс-пары [Fe(CN)6]3-/4-. При введении в композит цеолита максимальные токи пиков возрастают, что обусловлено, по-видимому, увеличением эффективной поверхности электрода. Параметры электронного переноса оценивали методом спектроскопии электрохимического импеданса, используя эквивалентную ячейку Рэндлса. Линейный характер зависимости тока пика окисления напроксена от его содержания в растворе сохраняется в концентрационном диапазоне от 2,5·10-5 до 7·10-4 М, с пределами обнаружения 1,58·10-5 М и 2,17·10-5 М для R- и S-энантиомеров, соответственно. Сенсор с высокой точностью позволил определить концентрации энантиомеров напроксена во всем линейном диапазоне, относительное стандартное отклонение не превышало 0,3 %, что свидетельствует о хорошей воспроизводимости измерений, значения относительной погрешности, не превышающие 0,3%, свидетельствуют о правильности определений. Предложенный сенсор апробирован для определения энантиомеров напроксена в моче и плазме крови человека. Относительное стандартное отклонение не превышало 2,7 %, а относительная погрешность измерений – 3,0 %. Для определения энантиомеров напроксена разработан также угольно-пастовый электрод (УПЭ), модифицированный оптически активным метиловым эфиром бетулиновой кислоты (МЭБК). В отличие от немодифицированного УПЭ на модифицированных МЭБК электродах вольтамперограммы энантиомеров напроксена отличаются друг от друга, в основном, максимальными токами пиков (IpS/IpR = 1.20). Наблюдаемые различия свидетельствуют, что свободные энергии взаимодействия R- и S-энантиомеров с МЭБК отличаются друг от друга незначительно, что отражается, в основном, на максимальных токах пиков их окисления. Линейный характер зависимостей токов пиков окисления энантиомеров напроксена от содержания в растворе сохраняется в концентрационном диапазоне от 5·10-6 до 6·10-4 М, с пределами обнаружения 1.5·10-6 М и 1.2·10-6 М для R- и S-энантиомеров, соответственно. Сенсор позволяет с высокой точностью определять концентрации энантиомеров напроксена во всем линейном диапазоне, относительное стандартное отклонение во всех случаях не превышало 3%, а значения относительной погрешности измерений не превышали 5%. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет по результатам исследований: http://mobi-chem.org//images/papers2021.pdf (VII Междисциплинарная конференция «Молекулярные и биологические аспекты химии, фармацевтики и фармакологии»); https://www.analytconf.ru/files/2021/analytconf2021-materialy-simpoziuma.pdf (VI Всероссийский симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии»); https://drive.google.com/file/d/1BDN3RroVzQ7vkke-fGZcAXjGzg1Nw7kv/view (IV Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ»).

 

Публикации

1. Аглиуллин М.Р., Шаманаева И.А., Забиров А.Р., Лазарев В.В., Майстренко В.Н., Кутепов Б.И. Влияние природы источника Al на свойства исходных реакционных гелей для кристаллизации молекулярного сита AlPO4-11 Petroleum Chemistry, V. 62, № 3, 2022. (год публикации - 2022)

2. Зильберг Р.А., Загитова Л.Р., Вакулин И.В., Яркаева Ю.А., Терес Ю.Б., Берестова Т.В. Enantioselective voltammetric sensors based on amino acid complexes of Cu(II), Co(III), and Zn(II) Journal of Analytical Chemistry, Volume 76, No. 12, pp. 1436–1446 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1134/S1061934821120145

3. Ю.А. Яркаева, В.Н. Майстренко, Л.Р. Загитова, М.И. Назыров, Т.В. Берестова Voltammetric sensor system based on Cu(II) and Zn(II) amino acid complexes for recognition and determination of atenolol enantiomers Journal of Electroanalytical Chemistry, Volume 903, N 115839 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2021.115839


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта разработаны методы синтеза, изучены структура и свойства новых алюмосиликатных цеолитов с иерархической пористостью типа MFI и BEA, а также оптически активных соединений на основе пропаргилзамещенных лупановых, урсановых и олеановых тритерпеноидов, при гетероциклизации которых с использованием системы PPh3AuCl/AgOTf (Tf – трифлат) образуются оптически активные [3,2-b]пиррол-конденсированные пентациклические тритерпеноиды (https://doi.org/10.1002/slct.202202241). Разработаны способы модифицирования стеклоуглеродных (СУЭ) и угольно-пастовых (УПЭ) электродов этими и другими хиральными материалами с целью обеспечения максимально широкого спектра селективности и чувствительности к оптически активным лекарственным и биологически активным соединениям (триптофан, напроксен, пропранолол). Найдены оптимальные условия регистрации аналитических сигналов, оценены параметры чувствительности и селективности, стабильность показаний сенсоров, проведено сравнение их электрохимических и аналитических характеристик с другими сенсорами, установлены рабочие диапазоны измерений, оценены селективность по отношению к оптически чистым лекарственным соединениям, параметры чувствительности, выбраны оптимальные условия функционирования сенсоров. Для оценки энантиоселективности хирального модификатора на основе функционализированного N-тозилпролином хитозана выполнено квантово-химическое моделирование процессов взаимодействия энантиомеров напроксена с указанным модификатором, установлены термодинамически наиболее выгодные межмолекулярные взаимодействия и структура образующихся ассоциатов. Электрохимические свойства сенсоров изучены с помощью методов вольтамперометрии и электрохимической импедансной спектроскопии в зависимости от состава аналитов и содержания энантиомеров в растворе, кислотности среды, присутствия других компонентов, природы реальных объектов. По результатам исследований оценены аналитические характеристики сенсоров, оптимизированы условия регистрации аналитических сигналов для достоверного распознавания и обнаружения энантиомеров лекарственных соединений в смеси, моче и плазме крови человека. Показано, что что управлять морфологией и характеристиками вторичной пористой структуры молекулярных сит можно на стадии приготовления исходных реакционных гелей. При этом образуются молекулярные сита с иерархической пористостью, высокой фазовой чистотой и степенью кристалличности. Образование иерархической пористой структуры снижает степень кристалличности молекулярных сит без изменения фазового состава. Для микропористых образцов MFI характерно образование кристаллов в виде вытянутых призм размером от 1 до 2 мкм. Образцы MFI с иерархической пористой структурой содержал нанокристаллы размером от 100 до 300 нм. Образец BEA с микропористой структурой образует кристаллы кубической формы размером от 1 до 2 мкм. Образцы BEA с иерархической пористой структурой образуют псевдосферические агрегаты размером от 3 до 5 мкм из нанокристаллов размером ~ 100 нм. Применение темплатов на стадии приготовления исходных гелей способствует формированию большого числа вторичных строительных единиц, создающих высокое пересыщение зародышей кристаллов, ограничивая их рост на наноразмерном уровне. Цеолитные материалы с иерархической пористостью послужили одним из компонентов для получения хиральных композитов, используемых в энантиоселективных сенсорах (https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2022.111962). Осуществлен синтез функционализированных оптически активными соединениями хиральных материалов на основе мезопористого углерода и оксида графена, а также хитозана. Разработаны способы модифицирования электродов хиральными композитами. С использованием цеолита с иерархической пористостью MFI разработан сенсор на основе модифицированного пастового электрода из графитированной мезопористой сажи для распознавания и определения энантиомеров триптофана, определены электрохимические и аналитические характеристики, условия регистрации вольтамперограмм и возможности распознавания и определения энантиомеров триптофана в реальных объектах. Для определения энатиомеров триптофана разработан также сенсор на основе модифицированной (1R,4S)-2-циклопента-2,4-диен-1-илиден-1-изопропил-4-метилциклогексаном графитированной мезопористой сажи. Для селективного распознавания и определения энантиомеров напроксена разработан сенсор на основе восстановленного оксида графена и функционализированного N-тозилпролином хитозана. Функционализированный N-тозилпролином хитозан действует как хиральный селектор с коэффициентом энантиоселективности 1,6. Энантиоселективность сенсора обусловлена как стерическими эффектами при взаимодействии функционализированного N-тозилпролином хитозана с энантиомерами напроксена, так и различиями в энергиях взаимодействия. Для расчета энергий взаимодействия выполнены квантово-химические расчеты. Показано, что энергия связывания хирального селектора с R-напроксеном выше, чем с S-энантиомером, на 9.4 ккал/моль. Сенсор имеет линейный концентрационный диапазон в области 20 – 500 мкМ с пределами обнаружения 0,4 мкM и 0,9 мкM для R- и S-энантиомеров соответственно. Оптимизированы условия определения энантиомеров напроксена в моче и плазме крови человека. Относительные стандартные отклонения в моче и плазме крови человека составили 1,3–3,6 % для R-энантиомера и 1,4–4,7 % для S-энантиомера (https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116744). Выполнены также исследования, которые свидетельствуют, что сенсоры на основе электродов, модифицированных полимерными композитами полиариленфталидов с оксидом графена или углеродными нанотрубками имеют лучшие электрохимические и аналитические характеристики по сравнению с электродами, модифицированными только полимерными пленками полиариленфталидов, содержащими оптически активные соединения. На основе композитных пленок разработаны полевые транзисторы, измерены их выходные и передаточные характеристики, проведена оценка подвижности носителей заряда (https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.07.029). Поскольку спектр хиральных модификаторов, используемых для разработки энантиоселективных сенсоров, весьма разнообразен, необходимо учитывать их характеристики: надежность распознавания, чувствительность, воспроизводимость, доступность, стабильность и простоту изготовления. Разнообразие структур модификаторов и отсутствие алгоритма теоретического предсказания их энантиоселективности усложняет создание эффективных энантиоселективных сенсоров. Для учета этого фактора предложен способ оценки энантиоселективности хиральных модификаторов, основанный на анализе разностей термодинамических и структурных характеристик образующихся диастереомерных ассоциатов. По данным расчетов энергий взаимодействия R- и S- энантиомеров ряда аналитов с участием α-, β, γ-циклодекстринов, одностенных углеродных нанотрубок и их кластеров, показано, что величины разности энергий зависят как от расположения аналита на поверхности хирального модификатора, так и от соотношения размеров полости селектора и аналита. При этом корреляция между экспериментальной энантиоселективностью сенсора и разностью энергий взаимодействия энантиомеров с хиральным селектором описывается линейными уравнениями. Адекватность используемого подхода подтверждена аналогичными корреляционными зависимостями, полученными методом хроматографии (https://doi.org/10.1002/chir.23502).

 

Публикации

1. Аглиуллин М., Колягин Ю., Серебренников Д., Григорьева Н., Дмитренок А., Майстренко В., Диб Э., Минтова С., Кутепов Б. Acid properties and morphology of SAPO-11 molecular sieve controled by silica source Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 338, N 111962 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2022.111962

2. Губайдуллин Р., Спивак А., Майстренко В., Парфенова Л. Au(I)-catalyzed synthesis of [3,2-b]pyrrole-fused pentacyclic triterpenoids ChemistrySelect, Vol. 7, N 202202241 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/slct.202202241

3. Загитова Л., Яркаева Ю., Загитов В., Назыров М., Гайнанова С., Майстренко В. Voltammetric chiral recognition of naproxen enantiomers by N-tosylproline functionalized chitosan and reduced graphene oxide based sensor Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 922. N 116744. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2022.116744

4. Зильберг Р., Вакулин И.В., Терес Ю., Галимов И., Майстренко В. Rational design of highly enantioselective composite voltammetric sensors using a computationally predicted chiral modifier Chirality, Vol. 34, P. 1472–1488. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/chir.23502

5. Салихов Р., Зильберг Р., Муллагалиев Л., Салихов Т., Терес Ю. Nanocomposite thin film structures based on polyarylenephthalide with SWCNT and graphene oxide fillers Mendeleev Communications, Vol. 32, N 4, P. 520–522 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.07.029

6. Майстренко В.Н., Евтюгин Г.А. Энантиоселективные сенсоры Энантиоселективные сенсоры. М: Лаборатория знаний, 2023. 259 с., М: Лаборатория знаний, 2023. 259 с. (год публикации - 2022)

7. - Ученые определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )

8. - Ученые определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств Indicator.ru, - (год публикации - )

9. - Как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств, определили учёные Газета "Поиск", - (год публикации - )

10. - УЧЕНЫЕ БАШГУ ОПРЕДЕЛИЛИ, КАК ПОВЫСИТЬ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТЬ СЕНСОРОВ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ЗЕРКАЛЬНЫХ ФОРМ ЛЕКАРСТВ Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) Научная Россия, - (год публикации - )

11. - Ученые определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств Рамблер, - (год публикации - )

12. - Ученые БашГУ определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств NANO NEWS NET, - (год публикации - )

13. - Ученые БашГУ определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств Всероссийский фестиваль NAUKA 0+, - (год публикации - )

14. - Ученые определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств MENDELEEV INFO, - (год публикации - )

15. - Ученые БашГУ определили, как повысить избирательность сенсоров для распознавания зеркальных форм лекарств Seldon News, - (год публикации - )

16. - Ученые БашГУ первыми в мировой практике предложили методику теоретического прогнозирования оценки эффективности распознавания «работающих» и «неработающих» молекул лекарственных препаратов Правительство Республики Башкортостан, - (год публикации - )

17. - Ученые БашГУ первыми в мировой практике предложили методику теоретического прогнозирования оценки эффективности распознавания «работающих» и «неработающих» молекул лекарственных препаратов Пресс-служба Евразийского НОЦ, - (год публикации - )

18. - Ученые из Башкирии смогли ускорить процесс контроля качества лекарств Башкирское спутниковое телевидение, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. В соответствии с планом работы в 2023 году выполнены исследования по синтезу и изучению свойств новых материалов на основе мезопористых алюмосиликатов по золь-гель технологии с соотношением Si/Al от 40, 80 и 100 (ASM-40, ASM-80 и ASM-100). Показано, что синтезированные алюмосиликаты являются аморфными материалами, структура которых сформирована из первичных частиц сферической формы размером от 2 до 5 нм. Установлено, повышение соотношения Si/Al от 40 до 100 приводит к уменьшению размера первичных частиц от 5 до 2 нм. Показано, что синтезированные алюмосиликаты представляют собой мезопористые материалы с удельной поверхностью более 600 м2/г и объемом мезопор более 0.7 см3/г. Установлен рост удельной поверхности и объема мезопор с повышением соотношения от 40 до 100, что обусловлено ростом размера первичных частиц формирующих пористую структуру алюмосиликатов. Полученные иерархические мезопористые материалы на момент подготовки отчета использовались для получения композитов и их применения в качестве хиральных селекторов в энантиоселективных вольтамперометрических сенсорах (ЭВС). 2. Для использования в качестве эффективных и селективных хиральных селекторов в сенсорах проведен синтез конъюгатов монотерпенов с азидами β-D-глюкопиранозидов. Предложен метод синтеза ранее неизвестных пропинильных производных камфоры и карвона и их конъюгатов с моно- и дисахаридами посредством Cu-катализируемой реакции циклоприсоединения ацетиленов и азидов (CuAAC). Были синтезированы С(3)- и С(6)-пропинильные производные как предшественники 1,2,3-триазолилгликоконъюгатов. Изучено влияние растворителя и количества катализатора на выходы целевых продуктов. Установлено, что в присутствии порошка Cu и CuSO4 в ButOH при соотношении [3:6:Сu:CuSO4] = [1:1.25:0.1:0.1] и температуре 45-50°С приводит к образования гликоконъюгата с общим выходом 72%. Реакция протекает хуже в ароматических (толуол, бензол) и в эфирных (ТГФ) растворителях. Установлено, что использование порошка Cu и CuSO4 в соотношении 1:1 сокращает время реакции до 24 часов и увеличивает выход продукта до 98%. В разработанных условиях синтезированы новые 1,2,3-триазолильные гликоконъюгаты камфоры и карвона с выходами 70-98%. Структуры всех новых конъюгатов были установлены методами ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии высокого разрешения (HRMS). 3. Полученные конъюгаты монотерпенов с азидами β-D-глюкопиранозидов были апробированы в качестве хиральных селекторов при создании ЭВС для определения энантиомеров напроксена (Нпр), пропранолола (Прп) и триптофана (Трп). Были созданы два сенсора на основе стеклоуглеродного электрода (СУЭ), модифицированного мезопористой графитированной сажей Carbopack X (CpX) с применением в качестве хиральных селекторов 1,7,7-триметил-3-метилен-[1N(2,3,4,6-тетра-O-ацетил-β-D-галактопиранозо-1-ил)-1H-1,2,3-триазо-4-ил]-бицикло-[2.2.1]-гептан-2-ола (GRM40) и 2-метил-5-(проп-1-ен-2-ил)-6-метилен-[1N(2,3,4,6-тетра-O-ацетил-β-D-галактопиранозо-1-ил)-1H-1,2,3-триазол-4-ил]-циклогекс-2-ен-1-она (GRM32). Показано, что благодаря своей большой площади поверхности и адсорбционным свойствам CpX прочно удерживает молекулы селектора на поверхности электрода и позволяет получить механически стабильный сенсор. При определении Нап, Прп и Трп на СУЭ/CpX/GRM32 и СУЭ/CpX/GRM40 наблюдаются различия как в токах пиков, так и в потенциалах окисления. RSD не превышал 7.3% во всех случаях, а величины IR/IS и ΔE были не ниже 1.18 и 30 мВ, соответственно. Наибольшая разница в потенциалах и коэффициент энантиоселективности IR/IS наблюдался для Трп на сенсоре СУЭ/CpX/GRM32 (1.58 и 50 мВ, соответственно). Для определения энантиомеров Прп также был разработан сенсор на основе стеклоуглеродного электрода (GCE), модифицированного гибридным материалом тритерпеноид-оксид графена, синтез которого был представлен в отчете за 2022 год. Гибридный материал состоит из оксида графена (GO) и оптически активной бетулоновой кислоты (BetA), ковалентно связанных между собой линкером из углеводородной цепи с шестью метиленовыми звеньями. Полученный чувствительный слой сенсора был изучен методами ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), циклической и дифференциально-импульсной вольтамперометрии (ЦВ, ДИВ), подобраны рабочие условия регистрации аналитического сигнала, изучены аналитические характеристики сенсора, выполнено определение энантиомеров Прп в биологических жидкостях. Модифицированный rGO/GO-BetA GCE, демонстрирует пики окисления S- и R-Прп с разностью потенциалов 30 мВ и коэффициентом энанитоселективности 1.30. Путем проведения квантово-химического моделирования взаимодействия селектор-аналит в программе HyperChem рассчитана энергия связи (Ebind), которая для S-Прп составила 20.167 ккал/моль, а для R-Прп– 15.366 ккал/моль. Показано, что использование функционализированного GO позволяет получить стабильный чувствительный слоя. Для разработанного сенсора GCE/rGO/GO-BetA предел обнаружения составил 3.9⋅10-7 M и 5.0⋅10-7 M для S-Прп и R-Прп, соответственно. Определение энантиомеров Прп в моче и плазме крови человека проведено с использованием метода «введено-найдено». Относительное стандартное отклонение в исходных растворах не превышало 3.4%, а в биологических жидкостях – 4.3% для обоих энантиомеров, что указывает на правильность и достоверность их определения в реальной матрице. 4. В рамках проекта также изготовлены образцы новых полимерных композитных материалов на основе полиэлетролитного комплекса хитозана и сукцинамид хитозана (ПЭК), а также на основе биосовместимого полимера сукцинамида хитозана допированных различными углеродными наноматериалами (одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ), оксид графена) и углеродными адсорбентами (Carboblack C, Carbopack), взятыми в различных весовых соотношениях по отношению к основной полимерной матрице. С использованием методов циклической вольтамперометрии и электрохимической импедансной спектроскопии установлено, что нанокомпозитные пленки обладают большей эффективной площадью поверхности и скоростью переноса электронов, по сравнению с пленками ПЭК, что позволяет в дальнейшем использовать их в электроанализе веществ различной природы как перспективные материалы для создания вольтамперометрических сенсоров, а также полевых транзисторов. 5. В соответствии с планом работы на 2023 представлен лабораторный прототип достаточно простого, недорогого и удобного в использовании сенсорного устройства для контроля качества оптически чистых лекарственных препаратов. Разработанные методики создания хиральных модифицирующих покрытий оптимизированы для нанесения их на печатные электроды. Полученные при использовании печатных электродов закономерности и результаты согласовывались с результатами, полученными при использовании классической трехэлектродной ячейки, что показало возможность миниатюризации разработанных сенсоров. По результатам исследований в 2023 году опубликованы 4 статей в рецензируемых российских и зарубежных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection), «Скопус» (SCOPUS) и Российского индекса научного цитирования (Russian Science Citation Index), и 1 статья находится на этапе второго рецензирования, представлены устные и стендовые доклады на Международных и Всероссийских научных конференциях.

 

Публикации

1. Губайдуллин Р.Р, Перфилова Ю.А., Парфенова Л.В. Synthesis of Novel Propynyl Monoterpene Analogues and their Conjugates with β-D-Glucopyranosides Current Organic Chemistry, - (год публикации - 2023)

2. Зильберг Р.А., Майстренко В.Н., Терес Ю.Б., Вакулин И.В., Булышева Е.О., Селуянова А.А. A voltammetric sensor based on aluminophosphate zeolite and a composite of betulinic acid with a chitosan polyelectrolyte complex for the identification and determination of naproxen enantiomers Journal of Analytical Chemistry, Vol. 78, No. 7, pp. 648–661. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1061934823070158

3. Салихов Р., Зильберг Р., Муллагалиев И., Салихов Т., Терес Ю., Булышева Е., Остальцова А. Composite and nanocomposite thin-film structures based on chitosan succinamide Current Nanomedicine, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.2174/0124681873279865231126034248

4. Салихов Р.Б., Зильберг Р.А., Булышева Е.О., Остальцова А.Д., Салихов Т.Р., Терес Ю.Б. Nanocomposite thin-film structures based on a polyelectrolyte complex of chitosan and chitosan succinamide with SWCNT Letters on Materials, V.13. N 2, pp. 132-137 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-2-132-137

5. Яркаева Ю.А., Назыров М.И., Абдуллин Я.Р., Майстренко В.Н. Enantioselective voltammetric sensor based on mesoporous graphitized carbon black Carbopack X and fulvene derivative Chirality, V. 35. N 9. P. 625-635. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/chir.23563


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при формировании научных и технологических заделов, обеспечивающих экономический рост и социальное развитие Российской Федерации, в медицинской диагностике и фармацевтическом анализе при разработке новых методов и аппаратуры для контроля качества энантиочистых лекарственных средств и биологически активных пищевых добавок, определения метаболитов лекарственных соединений в живых организмах и биологических жидкостях. С этой целью в ходе выполнения проекта изготовлен лабораторный прототип.