Выпускница РХТУ Анастасия Шишкина предложила новый подход к описанию нековалентных взаимодействий в молекулярных кристаллах, с помощью которого можно установить картину межмолекулярного связывания в любой системе и понять, каким образом объединены несущие один и тот же заряд атомы. В исследовании также представлено новое понимание действия механизма молекулярного распознавания, которое позволит повысить селективность связывания соединений и управлять ею. За свою фундаментальную научную работу Анастасия получила Ломоносовскую премию в номинации «Молодые ученые» в конце 2018 года.
В последние годы для описания нековалентных взаимодействий в молекулярных кристаллах используют анализ электронной плотности, полученной из рентгенодифракционного эксперимента. Однако часто не удается получить монокристалл вещества или точные дифракционные данные с высоким разрешением. На основе ван-дер-ваальсовых радиусов и геометрических соображений нельзя однозначно выявить наличие или отсутствие слабых контактов в кристаллах. Анастасия использовала расчетные методы с учетом дальнодействующих эффектов окружения, способные обеспечить надежную информацию о нековалентных взаимодействиях в сложных молекулярных системах.
«Общий подход к проблеме дает квантово-топологическая теория Бейдера, – отмечает Анастасия. – Она позволяет определять индивидуальные нековалентные взаимодействия на основании анализа электронной плотности». Для установления пространственных деталей межмолекулярных взаимодействий в кристалле выпускница РХТУ предложила новый функциональный индикатор на основе наложения градиентных полей электронной плотности (ЭП) и электростатического потенциала (ЭСП) в модели непрерывно распределенного заряда. Градиентные поля ЭП и ЭСП позволяют визуализировать границы химически связанного атома (ЭП-бассейн) и электронейтрального связанного атома в кристалле (ЭСП-бассейн). «Поскольку эти бассейны не совпадают, то их наложение явно показывает, какая часть ЭП оказывается локально в пределах ЭСП-бассейна соседнего атома и притягивается к его ядру, – рассказывает Анастасия. – Так можно установить картину электростатических межатомных взаимодействий в любой системе и понять, каким образом связаны атомы, формально несущие один и тот же заряд».
Исследование Анастасии также наполняют новым содержанием понятие молекулярного распознавания – избирательного связывания между молекулами. Степень соответствия соседних молекул может быть описана как комбинация двух механизмов. Первый тип определяется размером и формой взаимодействующих атомов или атомных групп. Второй – обеспечивает сборку молекул посредством соответствия электрофильных и нуклеофильных центров в молекулах. Анастасия представила различия этих механизмов через анализ распределения одноэлектронного потенциала и лапласиана электронной плотности. Такое дополнение в понимании механизма позволит повысить селективность связывания лекарственных соединений и управлять ею.
Теме нековалентных взаимодействий в молекулярных кристаллах была посвящена дипломная работа Анастасии, выполненная под руководством заведующего кафедрой квантовой химии РХТУ, профессора Владимира Григорьевича Цирельсона. Сейчас выпускница Менделеевского университета работает заместителем начальника центральной заводской лаборатории АО «Северный Рейд», а изучением количественной и качественной характеризации нековалентных взаимодействий занимается в свободное время.
Премия им. Ломоносова была учреждена правительством Архангельской области, администрацией города Архангельска и Ломоносовским фондом. Вручается за достижения в области науки, техники и культуры. В 2018 году награждение прошло в рамках пленарного заседания XLVII Ломоносовских чтений. По словам губернатора Архангельской области Игоря Орлова, Ломоносовская премия – это признание ценности каждодневного труда ученых, специалистов, чья работа приносит ощутимые плоды для развития самых разных областей науки и производства.
Фото: Анастасия Шишкина
