Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. В рамках продолжения работы по совершенствованию разработанного нами метода докинга по поверхности была изучена зависимость точности получаемых результатов от количества запусков докинга в активный и поверхностные центры с помощью статистического метода бутстрэпинга. За данный отчётный период нами были проанализированы ошибки метода на использованной нами ранее тестовой выборке с помощью метода бутстрэпинга при различных параметрах: количестве запусков докинга в активный центр (АЦ), количестве запусков докинга в каждый поверхностный центр (ПЦ) и количестве ПЦ. Всего, таким образом, нами были рассмотрены 630 комбинаций параметров метода «докинг-по-поверхности». Согласно полученным результатам, стандартный метод докинга остаётся оптимальным только до 4 запусков, после чего лучшую точность обеспечивают методы «докинга-по-поверхности». Их точность быстро увеличивается с ростом количества ПЦ и запусков докинга в АЦ, пока не достигает 91% при 41 запуске докинга, после чего выходит на плато: точность при 260 запусках докинга (оригинальный метод «докинг-по-поверхности») составляет 92.4% - всего на 1.5% больше. Таким образом, разработанный нами метод «докинг-по-поверхности» позволяет достичь существенного прироста точности (с 77% до 91%) по сравнению со стандартным докингом в активный центр и требует всего 30 запусков докинга для каждого лиганда. Метод применен в практике моделирования ингибиторов Mpro – базового белка SARS-COV-2. Полученный результат моделирования [DOI: 10.1016/j.mencom.2020.07.004] – вещество дисульфирам, последние 70 лет применяющееся для лечения алкоголизма, показало в последующих биологических испытаниях сильнейшую противо-вирусную активность по отношению к SARS-COV-2. 2. Тестирование квантовохимических расчётов в кластерном приближении на киназе VGFR2 показало очень большой разброс получаемых значений, связанный с различными позами лигандов в его активном центре. Однако, существует важный класс лигандов, различающихся заменой одной группы на другую, очень похожую на неё по образуемым стерическим взаимодействиям, например: H→F, Me→Cl и другие. За счёт разности электронных эффектов заместителей изостерные лиганды могут иметь очень разные энергии связывания с белком при одинаковом положении связывания. Нами была изучена надёжность квантовохимических расчётов в кластерных моделях в предсказании разностей в константах связывания лигандов, отличающихся заменой H→F. Для этого нами были выбраны 20 пар белков для которых известны экспериментальные отношения констант ингибирования для лигандов со фтором и водородом. Расчеты проводили полуэмпирическими методами GFN1-xTB и GFN2-xTB. Показано, что разработанный нами метод квантовохимических расчётов в кластерных моделях позволяет с хорошей точностью предсказывать отношения констант ингибирования белков биоизостерами. Кроме того, было обнаружено, что отсутствие значительных подвижек в структуре лигандов может служить критерием надежности расчетов. 3. Квантовохимическими расчетами на уровне теории PBE0-D3BJ/6-31+G*/PCM(benzene) мы установили механизм полярного (2 + 2)-циклоприсоединения ТЦЭ к гидразонам и показали, что продукт формального [4 + 2]-циклоприсоединения образуется по двустадийному механизму (через цвиттер-ионный интермедиат), но оказывается неустойчив и перегруппировывается в наблюдаемый экспериментально продукт (2 + 2)-циклоприсоединения. 4. Ключевым этапом в разработке новых лекарств является точное прогнозирование прочности комплекса белок-лиганд с помощью вычислительных методов. За последнее десятилетие методы FEP (free energy perturbation), представляющие собой наиболее строгий физический подход к расчету изменения относительных свободных энергий связывания, получили распространение в разработке лекарств для прогнозирования относительного сродства лиганда к терапевтической мишени. Одной из важных терапевтических мишеней ряда онкологических заболеваний является циклин-зависимая киназа 7 (CDK7). Известные ингибиторы CDK7 продемонстрировали противоопухолевую активность при различных типах рака, однако их недостатки, такие как высокая токсичность, ограничивают их применение в клинической практике. С использованием предварительного моделирования для направленного синтеза соединений с заданными свойствами и методами, которые являются одними из лучших в различных тестах, на основе ингибитора PHA-793887, обладающего острой гепатотоксичностью, нами были разработаны синтетически доступные потенциально негепатотоксичные ингибиторы CDK7. Судя по данным испытаний на клетках, разработанные соединения являются перспективными противоопухолевыми препаратами. 5. В результате работ по предварительному моделированию и последующего эксперимента мы представили экспериментальные доказательства нового превращения: NHC-этинил-сочетания. Эта реакция протекает в комплексах ацетиленид–Pd/NHC с высокой скоростью и представляет собой путь в динамической каталитической системе реакций сочетания Соногаширы. Продукт NHC-этинил сочетания наблюдали как в условиях с присутствием меди, так и в безмедных условиях с NHC-лигандами различной природы. Более того, он может быть синтезирован путем прямой реакции между Pd / NHC и ацетиленидом лития в мягких условиях. Подробные MS и IRMPD исследования предоставили ценное понимание механизма этого процесса. Восстановительное элиминирование NHC-лиганда с этинильным заместителем происходит легко из-за низкого активационного барьера, но диссоциация NHC-этинильного продукта с центром Pd является эндотермическим процессом. Кинетические исследования сочетания Соногаширы показали, что реакция NHC-этинил сочетание происходит с самого начала каталитического процесса, но исключается из реакции дальнейшими превращениями, такими как олигомеризация, которая была одним из основных барьеров для выявления этого превращения. 6. Сопоставление результатов каталитических экспериментов с результатами исследований Pd-Ag катализаторов методом Н2-ТПД позволяет заключить, что их селективность обусловлена влиянием двух факторов: - Подавлением образования фазы гидрида Pd при увеличении соотношения Ag/Pd; - Образованием структуры моноатомных центров Pd, изолированных друг от друга атомами Ag. Результаты исследований формирования моноатомных активных центров комплексом физико-химических методов в совокупности с теоретическими расчетами показали, что значительное влияние на селективность Pd-Ag катализаторов оказывает процесс миграции атомов Pd к поверхности наночастиц в результате адсорбции молекул с высокой энергией связи, таких как монооксид углерода или молекулы исходных алкинов (адсорбционно-индуцированная сегрегация). В отсутствии молекул-адсорбатов основная доля Pd находится в «ядре» сплавных наночастиц, однако при адсорбции молекул-адсорбатов энергетически выгодным становится процесс миграции атомов Pd к поверхности наночастиц. В результате этого формируется система поверхностных моноатомных активных центров Pd, обеспечивающих высокую селективность биметаллических Pd-Ag катализаторов в парциальном гидрировании интернальных алкинов. 4. Проведена оценка и сделан выбор целевых структур MOF в качестве носителей для введения активных центров вида “single-atom” на основе благородных и неблагородных металлов - Pd, Au, Ag и Cu. Критериями отбора служили размер пор и однородность пор по размеру, наличие функциональных групп, связанных с линкером, в частности, амино-групп, способствующих стабилизации единичных частиц металла, а также термическая стабильность координационного полимера, которая должна быть достаточной для проведения каталитических процессов как в периодическом режиме, так и в потоке. Был осуществлен подбор условий и разработаны 3 общих методики приготовления выбранных материалов MOF, таких как NH2-MIL-53(Al, Fe) и NH2-UiO-66(Zr), MIL-53(Al, Fe) и UiO-66(Zr): две методики, реализованные в условиях СВЧ-активации реакционной массы при варьируемых параметрах процесса, и одна методика, включающая механохимический синтез без использования растворителя. С применением трех разработанных методик синтезированы 20 образцов на основе координационных полимеров NH2-MIL-53(Al, Fe) и NH2-UiO-66(Zr), MIL-53(Al, Fe) и UiO-66(Zr). В качестве активных металлов для проведения реакций гидрирования тройной связи (фенилацетилен) и в гидроаминировании фенилацетилена анилином выбраны Pd-, Au-, Ag- и Cu-содержащие MOF с относительно невысоким содержанием металла (0,5 вес. %). Была проведена всесторонняя характеризация приготовленных образцов MOF, как исходных, так и с нанесенными металлами, комбинацией физико-химических методов – РФА, СЭМ, ПЭМ, ИКС диффузного отражения (DRIFTS), в том числе с использованием адсорбированного СО в качестве молекулы-зонда на наночастицы металла и Льюисовские кислотные центры, ТГА, низкотемпературная адсорбция азота и элементный анализ с применением техники ICP. Общее заключение по работе, выполеннной в 2020 году: Работа по предварительному моделированию активности в каталитическом синтезе (включая биокаталитический), а также моделированию хода реакций с целью юстировки структуры катализатора и состава получаемых продуктов продолжена в ключе «первая стадия любого направленного синтеза – предварительное прогностическое моделирование». Мы считаем, что показана критическая масса примеров из различных областей синтетической химии – органической, медицинской, катализа – для достижения исходной методологической цели: привнести цифровизацию научного исследования в планирование химического эксперимента. Теоретические модели и механизмы реакций направленного синтеза: показано теоретическим прогнозированием и подтверждено спектральными методами и проведением синтетического эксперимента, что сочетание - модифицированных методов молекулярного докинга, - динамического молекулярного моделирования и - квантовомеханических методов исследования механизмов каталитических реакций дает реальную возможность регулирования хода каталитической реакции, прогнозирования состава продуктов направленного синтеза. Из чего следует, что в 2021 году исполнители данного проекта, не снижая уровня теоретических исследований, центр тяжести работы перенесут на экстенсивное масштабирование полученных результатов на общелабораторную практику.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с намеченными планами, работа по проекту состояла из двух взаимосвязанных направлений исследований: 1. Квантовохимическое моделирование, молекулярный докинг, плюс физико-химическая валидация как каталитического акта, так и механизма реакции - для построения модельной структуры, в наибольшей степени отвечающей заданной активности. Этот раздел объединяющий. 1.1. Протестирована точность предложенного нами в 2020 году алгоритма квантовохимического моделирования связывания белков с лигандами при использовании других полуэмпирических методов, а также при использовании single-point энергий ТФП. Впервые рассчитан механизм модельной реакции Дильса-Альдера: установлена причина неустойчивости продукта [4 + 2] в реакции тетрацианоэтилена с гидразонами. 1.2. Статическими квантовохимическими методами, методом молекулярной динамики и масс-спектрометрии исследована структура анионных гидридных комплексов [PdX2H]− (X = Cl, Br, I). Последующая экспериментальная валидация подтвердила образование [PdX2H]− в процессе активации предшественника катализатора и в каталитическом цикле Мизороки-Хека. 2. Практическая валидация теоретического моделирования в лабораторной практике 2.1. Биологически активные модели. Начав с молекулярного моделирования ингибиторов киназы CDK7 стандартными методами, мы обнаружили несоответствие существующих систем прогнозирования активности компоненту а) (см. выше) - ни одна из систем, включая наиболее распространенные и даже авторская LeadFinder, не давала достаточной точности прогнозирования в сложных случаях. Это привело к разработке надстроек к классическому докингу: применение FEP (Free Energy Perturbation) для учета конформационной лабильности лиганда в комплексе с мишенью, и для учета влияния растворителя (лиганд и мишень координируются в биологическом объекте не в вакууме); и метод поиска неявного или слабовыраженного активного центра белка - обходом его полной поверхности лигандом. При этом удалось избежать неприемлемых требований к мощности вычислительных ресурсов. Результат - структуры, смоделированные модифицированными методами, показали ингибирующую активность по отношению к киназе GSK-3b (на рынке прпаратов нет, в клинических испытаниях 3 ингибитора GSK-3b: 1) болезнь Альцгеймера, 2) онкология, 3) миоклональная дистрофия); по литературным данным, ингибиторы GSK-3b - потенциальные ингибиторы основной протеазы COVID; в эксперименте - к CDK2, CDK9 (онкология). 2.2. Реакция Мизороки-Хека, которая имеет большое значение для развития синтетического инструментария и катализа, является одним из наиболее известных и наиболее изученных каталитических превращений. Три из четырех классических интермедиатов каталитического цикла Мизороки-Хека содержат связи Pd-C и подробно изучены. Однако простой гидрид палладия (который образуется в результате β-H-элиминирования) является своего рода неуловимым интермедиатом. В настоящем исследовании мы провели теоретическое и масс-спектрометрическое исследование гидридных комплексов палладия [PdX2H]- (X = Cl, Br и I), которые являются реакционноспособными интермедиатами в реакции Мизороки-Хека. Статические и молекулярно-динамические расчеты показали, что данные соединения имеют Т-образную структуру с транс-расположением атомов галогена. Остальные изомеры [PdX2H]- нестабильны и легко перегруппировываются в Т-образный изомер или разлагаются. Гидридные интермедиаты были обнаружены методом масс-спектрометрии (МС) в реакции активации предшественника катализатора с использованием NaBH4, Et3N и молекулы растворителя в качестве восстанавливающих агентов. Онлайн-мониторинг МС позволил обнаружить соединения [PdX2H]- в ходе реакции Мизороки-Хека. Настоящая работа является первым систематическим исследованием по детектированию и определению структуры нестабилизированных гидридов палладия, образованных из простых солей палладия повсеместно используемых в катализе. Впервые было проведено молекулярно-динамическое моделирование для описания возможных изомеров гидридных комплексов палладия и их превращений. 2.3. Объект применения общих принципов предварительного моделирования, методами квантовой химии моделированный в 2017 г., в рамках этого же гранта 2017-2019 гг. - "single-atom" гетерогенный катализ. Одна из основных задач по направлению «Single-atom» катализ на этапе 2021 года была направлена на экспериментальное и теоретическое изучение структуры и адсорбционно-каталитических характеристик сплавных моноатомных PdAg катализаторов с изолированной структурой активных центров (Pd1). Решение поставленной задачи было разделено на два этапа: - Получение сплавных биметаллических PdAg наночастиц с устойчивой структурой моноатомных активных центров Pd1, стабильных в условиях адсорбции молекул с высокой энергией связи. Определение оптимального соотношения компонентов сплава. - Детальное исследования особенностей жидкофазного гидрирования замещенного алкина на синтезированном катализаторе с целью выявления зависимостей кинетики, активности и селективности в различных условиях, а также создание кинетической модели и теоретическое исследование механизма реакций селективного гидрирования замещенных алкинов, проводимых в жидкой фазе. - Разработка кинетической модели, описывающей процесс селективного гидрирования алкина на поверхности PdAg сплавных наночастиц со структурой моноатомных активных центров. - Проверка таких важных параметров гетерогенных катализаторов с изолированной структурой активных центров, как устойчивость в условиях эксплуатации. Все перечисленные факторы являются базисом для масштабирования процесса каталитических превращений, конкретно - т.е. для выводов о перспективности использования сплавного моноцентрового Pd1Ag3 катализатора со структурой изолированных активных Pd1 центров в реакции жидкофазного селективного гидрирования замещенных алкинов. 2.4. На осенове модельных структур 2020 г. разработаны методы синтеза новых нанокатализаторов вида “single-atom” на основе высокопористых матриц MOF: NH2-MIL-101(Al, Fe) (Al, Fe3O(abdc)3, аbdc = 2-аминобензол-1,4-дикарбоксилат) и NH2-UiO-66(Zr) (Zr6O4(OH)4(аbdc)5) и наночастиц Pd, Au, Ag и Cu. Выбор этих носителей обусловлен присущей им высокой удельной поверхностью и пористостью, а также присутствием функциональных аминогрупп в органических 2-аминобензол-1,4-дикарбоксилатных линкерах. Носители NH2-MIL-101(Al, Fe) и NH2-UiO-66(Zr) были приготовлены в условиях СВЧ-активации реакционной массы и сольвотермальным способом. Синтезированные целевые материалы MOF отличаются высокой фазовой чистотой, а также высокая удельной поверхностью (1200-2900 м2/г) и пористостью (до ~ 1.3 м3/г). Разработанные методики синтеза позволяют получить наноразмерные образцы MOF с размером кристаллитов 50-300 нм. Основное достоинство методов - возможность применения в расширенных условиях внелабораторной практики.