Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Полученные в 2017 г. научные результаты: 1. Изучена возможность улучшения существующих методик докинга для увеличения эффективности поиска ингибиторов биологических мишеней. Предложен усовершенствованный метод - "докинг по поверхности" - который позволяет на 10% увеличить долю правильного отнесения лигандов к активным и неактивным: с 73% до 83% 2. Проведен поиск фрагментных ингибиторов ИДО с использованием предложенного метода «докинга по поверхности». Полученные фрагментные ингибиторы были «сшиты» с получением фрагментно-сшитых ингибиторов. Для новых, а также для предложенных ранее ингибиторов ИДО (эпакадостат и 4-фенилимидазол), был проведён докинг и рассчитано сродство к ИДО с использованием программного комплекса Lead Finder. Согласно результатам докинга, найденные потенциально активные фрагментно-сшитые лиганды уступают в сродстве к ИДО эмпирически найденному компанией Incyte ингибитору «эпакадостат». В связи с этим, моделирование ингибирования ИДО было переведено на уровень квантовохимических расчетов – на уровне теории PBE1PBE-D3/SDD PCM(EtOH) проведено детальное изучение координации эпакадостата в активном центре ИДО. Установленный механизм связывания будет использован нами в дальнейшем для разработки новых, более эффективных ингибиторов ИДО и родственных ему ферментов. 3. Значительное место в области исследования механизмов гомогенного металлокомлексного катализа отведено молекулярным комплексам. Под комплексами понимаются соединения переходных металлов, стабилизированные органическими лигандами. Строение лигандов оказывает значительное влияние на реакционную способность металлического центра. Так, геометрические размеры определяют стерическую доступность активного атома катализатора, таким образом открываются возможности для оптимизации конкретного комплекса для проведения высокоселективных реакций для отдельного круга субстратов за счет формирования координационной сферы металла с учетом строения исходных реагентов и образующегося продукта реакции. В рамках данной концепции был разработан хиральный-на-металле иридий-органический катализатор перегруппировки Блэка. Для детального изучения механизма его действия, а также, для поиска дальнейших путей улучшения катализаторов этого типа, нами было проведено квантовохимическое моделирование механизма катализируемой им реакции. Рассчитанный на основании моделирования энантиомерный избыток продукта реакции составил 50% (R), что с хорошей точностью совпадает с данными кругового дихроизма и рентгеноструктурного анализа (70% (R)). Таким образом, с хорошей точностью был предсказан энантиомерный избыток в реакции, протекающей по четырём конкурирующим механизмам, были выявлены ключевые взаимодействия реагента с катализатором, которые в дальнейшем будут использованы для создания новых катализаторов с лучшей стереоселективностью. 4. Впервые, благодаря использованию экспериментальных методов электронной микроскопии и масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением и времяпролетным детектированием, изучен процесс эволюции катализаторов в растворе. Найдено, что процесс неклассического восстановительного элиминирования с образованием продукта NHC-R наиболее вероятен для винильного заместителя (R = Vin), то есть продукт окислительного присоединения (NHC)PdII(R)(X)L можно рассматривать как нестабильный. Таким образом, для винильных комплексов палладия велика вероятность получения комплексов без формирования связи NHC-Pd. Данный результат подтверждён экспериментально методом масс-спектрометрического мониторинга процесса окислительного присоединения винилбромида. Показана двойственная роль NHC лигандов в металлокомплексном катализе. С дной стороны NHC-лиганды стабилизируют атом палладия в моноядерной форме, будучи в составе комплекса с подходящими органическими группами R, и обеспечивая тем самым истинно гомогенный катализ молекулярной формой катализатора. С другой стороны, участвуя в процессе неклассического восстановительного элиминирования с соответствующими активными в этом процессе группами R, NHC-лиганды способствуют образованию комплексов палладия с уменьшенным координационным числом атома металла, то есть комплексов, в которых атом палладия находится в менее плотном лигандном окружении, что способствует увеличению его активности в молекулярной форме, а также кластеризации таких атомов палладия с образованием каталитически активных наночастиц. 5. Обнаружено, что для формирование single-atom структуры в катализаторах, приготовленных методом СППВ, требует более высокой температуры восстановления (Т восст ~ 550°С), чем при приготовлении катализаторов методом ГБМК (Т ~ 400°С). Кроме того на степень однородности Pd-Ag наночастиц, а также на их поверхностную структуру значительное влияние оказывает режим сушки (скорость подъема температуры и конечная температура высушивания). Также, было установлено, что формированию наночастиц с высокой степенью однородности благоприятствует низкая скорость высушивания полученных предшественников катализатора. Сопоставление параметров активности и селективности Pd-Ag систем в гидрировании дифенилацетилена показало, что введение серебра приводит к заметному снижению общей активности катализатора (в 3-4 раза). Однако существенным преимуществом биметаллических систем является более высокая селективность по промежуточным продуктам, а именно по цис-стильбену (Sцис = 95-97%). Другое немаловажное достоинство катализаторов со структурой “single-atom” заключается в том, что по завершении первой стадии (трансформация алкин → олефин) происходило значительное снижение скорости гидрирования образующегося олефинового интермедиата (в 60-70 раз), тогда как в случае катализатора Pd/Al2O3 наблюдалось лишь 4-х кратное снижение скорости гидрирования. Таким образом, именно низкая активность Pd-Ag наночастиц на второй стадии процесса позволила достичь столь высоких показателей селективности по цис-стильбену. 6. Синтезированы микро- и мезопористые металл-органические каркасы типа MIL с 2-аминобензолдикарбоксилатными линкерами (NH2-MIL-53(Al), NH2-MIL-101(Al), NH2-MIL-101(Fe), а также структуры UiO-66, HKUST-1 и СРО-27. Полученные структуры дополнительно модифицированы аминоальдегидами и пиридиноальдегидами и получено более 20 новых структур с различной степенью замещения. Показано, что СВЧ-метод синтеза структуры СРО-27 позволяет сократить время синтеза с 50-70 часов до 20-30 мин, снизить температуру синтеза с 250 до 130-140оС, давление в процессе с 20-30 атм до 1 атм и частично заменить вредные растворители.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Работа посвящена предварительному моделированию каталитических (включая биокаталитические) свойств для направленного синтеза. Моделирование проводится по двум направлениям: компьютерное моделирование с использованием молекулярной динамики и методов квантовой химии; а также изучение процессов физико-химическими методами с использованием современного оборудования. Полученные молекулярные модели синтезированы или намечены к синтезу, с последующим обязательным подтверждением методов моделирования изучением каталитических (включая биокаталитические) свойств полученных практически важных веществ. 1. Проведено моделирование механизма связывания эпакадостата (стандарта) с ИДО: 1.1. С использованием разработанного нами метода «докинг по поверхности» показано, что внутренняя поверхность активного центра IDO является неспецифической, и сила связывания лигандов с ИДО определяется их геометрическим соответствием и силой их взаимодействия с ионом железа в геме, которое не может быть корректно предсказано с использованием силовых полей. Таким образом, для адекватного моделирования связывания лигандов с ИДО необходимо использование квантовохимических методов. 1.2. Путём статистического анализа показано, что полученное нами ранее из анализа электронных плотностей атомных систем ранжирование методов теории функционала плотности достоверно отражает их надёжности. Одним из наиболее надёжных (а также широко протестированных) функционалов является функционал PBE0, который был использован для проведения квантовохимических моделирований в рамках данного проекта. 1.3. Моделирование механизма связывания эпакадостата с ИДО проведено в кластерной модели на уровне теории PBE0-D3/SBKJC/SMD(ethanol). Локализованы переходные состояния двухступенчатого переноса протона через амидный атом кислорода ИДО; общая энергия активации процесса составляет 13.3 ккал/моль. 2. На основании результатов моделирования предложены новые, более эффективные ингибиторы ИДО, использующие найденные в рамках выполнения данного проекта механизмы связывания. Их активности в отношении ИДО изучены с применением методов докинга и теории фукнционала плотности. 2.1. Как нами было показано в ходе работы (см. предыдущий пункт) для адекватного моделирования связывания лигандов с ИДО необходимо использование квантовохимических методов, поэтому методы докинга не были использованы. 2.2. Показано, что лиганды, отличающиеся от эпакадостата заместителями в бензольном кольце, используют тот же механизм связывания с ИДО что и эпакадостат, причём донорные заместители в пара-положении способствуют снижению барьеру переноса протона. Однако, они также увеличивают основность амина, который оказывается протонирован уже до связывания с ИДО, что негативно сказывается на экспериментальной активности модифицированных таким образом лигандов. Таким образом, показано, что увеличение основности амина, на который переносится атом водорода, не может быть использовано для создания более эффективных ингибиторов ИДО. Таким образом, в работе по моделированию ингибиторов индолдиоксигеназ разработан метод, существенно улучшающий прогнозирование биологической активности лигандов по сравнению с лучшими мировыми результатами. 3. Проведено квантовохимическое моделирование и экспериментальное исследование механизмов гомогенного катализа металл-органическими комплексами. 3.1. Изучена роль восстановительного элиминирования в комплексах палладия с N-гетероциклическими карбеновыми лигандами (NHC) в трансформации каталитической системы из молекулярной в кластерную. Проведено квантово-химическое исследование влияния природы NHC-лиганда на термодинамическую и кинетическую устойчивость комплексов палладия в каталитических реакциях. Расчеты проводились в приближении PBE1PBE/6-311+G*&SDD и включали в себя моделирование окислительного присоединения иодбензола к нульвалентный комплексам NHC–Pd–DMF (DMF = N,N-Диметилформамид) и последующего Ph-NHC сочетания, протекающего с образованием азолиевых солей [Ph–NHC]+[I]- (рисунок 1a,b). В качестве модельных соединений рассматривались соединения с семью различными карбеновыми лигандами, отличающимися заместителями при атомах азота, размером гетероцикла и наличием сопряжения в нем. 3.2. Проведен мониторинг реакции Ph-NHC сочетания в режиме реального времени методом масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением. Получены целевые продукты [Ph–NHC]+ с заданными свойствами. 3.3. Исследованы палладий-содержащие наночастицы, образующиеся в реакции 9 с иодбензолом, методом электронной микроскопии. В результате мониторинга реакции восстановительного элиминирования методом масс-спектрометрии было зарегистрировано образование катионов [Ph-NHC]+ и “безлигандных” палладий содержащих систем, способных к агрегированию и формированию Pd-наночастиц. Для наблюдения палладиевых наночастиц, образующихся в реакциях 9 с иодбензолом, использовался метод просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Установлено, что образование наночастиц из комплексов Pd/NHC in situ в реакционной смеси является вероятным процессом и должно приниматься во внимание при разработке каталитических систем на основе палладия и N-гетероциклических карбенов. Таким образом, полученные данные теоретического моделирования полностью подтверждены экспериментальным исследованием и формулируют новый принцип для дизайна динамических каталитических систем в реакциях кросс-сочетания и реакции Хека. Следует отметить, что активная разработка динамических каталитических систем в реакциях кросс-сочетания и реакции Хека является новым направлением, впервые сформулированным в наших работах. 4. Для выяснения взаимосвязи между структурой катализатора и его каталитичеcкими характеристиками в селективном гидрировании была приготовлена серия Pd-Ag катализаторов, нанесенных на gamma-Al2O3, alfa-Al2O3 и TiO2. Катализаторы были изучены методами ИК-спектрскопии адсорбированного СО и электронной микроскопии. Было установлено, что во всех катализаторах на поверхности наночастиц Pd-Ag формируется преимущественно «single atom» структура с изолированными Pd1 центрами, однако размер наночастиц возрастает от 5 до 30 нм в ряду: Pd-Ag2/gamma-Al2O3 < Pd-Ag2/TiO2 < Pd-Ag2/alfa-Al2O3 Исследование зависимости скорости гидрирования от температуры позволило определить величины энергии активации как на первой стадии процесса (дифенилацетилен → дифенилэтилен), так и на второй стадии (дифенилэтилен → дифенилэтан). 5. Проведенные эксперименты позволили установить, что измеренные значения энергии активации на двух стадиях практически равны и составляют Ea1 = 32 кДж/моль и Ea2 = 29 кДж/моль соответственно. Качественно эти результаты хорошо согласуются с результатами теоретических расчетов по предложенной ранее модели (отчет 2017 года), согласно которым значение энергии активации на первой и второй стадии практически идентичны. Изучено влияние следующих факторов на протекание процесса гидрирования на Pd-Ag катализаторе: 1) адсорбционных факторов; 2) давления водорода; 3) концентрации субстрата; 4) структуры молекулы субстрата. Таким образом, проведено компьютерное моделирование реакции гидрирования фенилацетилена и показано, что метод может быть использован в планировании направленного гидрирования непредельных соединений. 6. Исследованы каталитические свойства полученных в течение первого года выполнения проекта гибридных материалов на основе МОКП типа MIL-53 с нанесенными наночастицами Pd, Au, Ag, Pd-Ag, Pd-Au, Pd-Cu в реакциях гидрирования различных субстратов, включая ацетиленовые углеводороды и спирты, диены, бутин-1,4-диол, нитросоединения, нитрилы. В ходе выполнения проекта особое внимание было уделено сокращению времени синтеза МОКП, а также экспериментальной проверке структур. В процессе разработки методов синтеза важную роль играет снижение стоимости исходных материалов. Проведен синтез катализаторов и гибридных материалов на основе матриц МОКП и наночастиц металлов. Синтезированные соединения и материалы полностью охарактеризованы различными физико-химическими методами, включая методы ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрию, рентгеновскую дифрактометрию и электронную микроскопию. Охарактеризованы: Текстурные свойства матриц МОКП; дисперсность палладия в гибридных наноматериалах Pd/МОКП. Каталитические свойства гибридных наноматериалов М/МОКП изучали в жидкофазном гидрировании полиненасыщенных соединений. Соответствие свойств полученных соединений и материалов, предсказанных теоретически, проверено в лабораторных условиях, и, в случае гетерогенных катализаторов, в приближенных к промышленным условиях.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Разработанный метод докинга по поверхности позволяет существенно улучшить результаты виртуального скрининга для многих белков-мишеней (улучшение до 48%). В 2019 году мы проанализировали влияние различных характеристик белка на величину улучшения точности виртуального скрининга при использовании разработанного нами метода. Для этого мы рассмотрели всю выборку из 35 белков, на которой нами была показана эффективность докинга по поверхности. Рассмотренные характеристики белков-мишеней включали в себя: заряд активного центра, тип активного центра (открытый/закрытый), форму активного центра, схожесть между собой известных лигандов, а также полный заряд белка. Мы обнаружили, что величина улучшения больше всего связана с типом активного центра, а также с полным зарядом белка. На основе метода смоделирован и синтезирован ингибитор IDO-1, не содержащий гидроксилиминного фрагмента, проверена его активность в эксперименте in vitro. 2. Одними из первых мы применили комплекс предварительных квантово-химических расчетов к моделированию обратимого перехода молекулярного комплекса из наноструктурированного в молекулярную форму, и подтвердили теоретические расчеты экспериментально полученными результатами, оптимизировав при этом результаты экспериментального модельного процесса. Показано, что наноструктурированные каталитические системы на основе переходных металлов способны совершать обратный переход в гомогенное («молекулярное») состояние с образованием растворимых металлокомплексов. Наше исследование впервые демонстрирует двунаправленные динамические переходы между молекулярным и наноструктурированным состояниями в каталитических системах Pd/NHC. Результаты экспериментов полностью соответствуют низким активационным барьерам (< 18 ккал/моль) и благоприятным значениям термодинамической движущей силы процесса (–5 ... –7 ккал/моль), спрогнозированным для окислительного присоединения C-C связи к металлическим центрам Pd(0) на основании квантово-химических расчетов. Впервые в мире нами зафиксирован переход палладия в раствор за счет NHC-опосредованного личинга наночастиц с образованием металлокомплексов Pd/NHC, подтвержденного методом масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением (ESI-MS). Полученные результаты имеют важное теоретическое значение и могут быть распространены на другие классы лигандов; особый интерес вызывают открывающиеся возможности труднодостижимой каталитической активации C-C связей при названном типе взаимодействия. 3. На основе теоретически рассчитанных ранее модельных структур проведен синтез катализаторов с заданными активными центрами. Подробное исследование кинетических особенностей гидрирования позволило выявить основные факторы, оказывающие непосредственное влияние на ход процесса. На примере модельных субстратов (дифенилацетилен и 1-фенилпропин) было показано, что за счет образования изолированных активных центров с идентичными каталитическими характеристиками Pd-Ag образцы позволяют эффективно проводить жидкофазное гидрирование и получать целевые продукты с селективностью 97 и 94%. Данные показатели значительно превосходят таковые для традиционного монометаллического катализатора Pd/Al2O3. На основании полученных экспериментальных данных доказано, что сплавные биметаллические «single-atom» катализаторы Pd-Ag2/Al2O3 обладают чрезвычайно высокой селективностью по отношению к продуктам парциального гидрирования интернальных алкинов как симметричной, так и несимметричной структуры. 4. Проведены масштабные исследования свойств МОКП как материалов для доставки лекарств (от N2O до сложных органических соединений, включая до 22 различных лекарственных препаратов, в том числе 4-аминосалициловая к-та, бетагистин, вальпроевая к-та, мемантин, норадреналин, метилдопа, леветирацетам, циклосерин, метформин, гидроксикарбамид, темозоломид, римантадин, пирацетам, парацетамол, фторурацил, ацетилцистеин, дофамин, прегабалин, нитроглицерин, аспирин, баклофен, карбамазепин и некоторые другие). Определена адсорбционная емкость материалов по выбранным лекарствам - не менее 0,5 г/г. Емкость оказалась выше в 1,5–5 раз, чем емкость других средств доставки, в том числе материалов на основе липосом (по известным литературным данным). С использованием спектральных методов (ИК- и УФ-спектроскопия) изучена транспорт лекарств – динамика адсорбции и десорбции (выделения) лекарств в структурах МОКП типа CPO-27(Mg). Практически полное выделение лекарства из комплекса с материалом МОКП наблюдается при размере частиц МОКП 30 нм и составляет от 10 мин до 2-3 часов в зависимости от рН среды и природы (строения) лекарственного препарата. Определена и подтверждена достаточно высокая стабильность МОКП типа CPO-27(Mg) и их комплексов с лекарствами в физиологических средах, включая слабокислотные и слабоосновные среды (человеческий организм). Общее заключение по работе, выполеннной в 2019 году: 1. Проведено полномасштабное уникальное математическое и физико-химическое исследование каталитических свойств моделей в области биологически активных соединений, гомогенного и гетерогенного катализа. Как компьютерные, так и спектральные методы являются авторскими, методологически обоснованными для широкого круга применений, и могут быть использованы другими научными группами. 2. Выбор моделей для направленного синтеза практически важных веществ обоснован с точки зрения актуальности для соответствующих сфер их приложений, с точки зрения оптимизации ресурсозатратности, простоты исполнения и эффективности использования при возможном промышленном производстве. 3. Во всех случаях в 2019 г. эффективность математических и физико-химических методов моделирования каталитических процессов в био-, гомогенном и гетерогенном катализе, а также в транспорте лекарств была подтверждена экспериментом – синтезом и последующими испытаниями заданной активности соединений.