Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученые ИТМО создали новый функциональный материал, перспективный для биохимии и молекулярной биологии

Новое вещество люминесцирует в видимой области и содержит радикалы в своей структуре. Исследовательская работа продолжается, но первые результаты уже опубликованы в журнале Chemistry: The European Journal.

Некоторые открытия появляются на свет тогда, когда ученые проводят рутинную работу по исследованию границ применимости давно известной теории, решают чуть изменить стандартные условия опыта или применить близкие аналоги давно известного вещества. Этот подход уже не раз приводил к неожиданным находкам и даже к очень значительным открытиям.

Ученые Научно-образовательного центра инфохимии ИТМО создали новый функциональный материал во время работы с хорошо известной реакцией образования осадка цианурата меламина.

«Существует хорошо изученное вещество: цианурат меламина. В научной среде оно привлекает интерес благодаря своей симметричной структуре, построенной из множества водородных связей. В промышленности оно тоже нашло свое применение, его добавляют в полимеры и краски, чтобы снизить их горючесть, ― рассказывает один из авторов работы Владимир Шиловских. ― Наше внимание пало на цианурат меламина из-за того, что он образует нерастворимый осадок уже при ничтожных концентрациях реагентов. Мы решили проверить, получится ли осадок, если мы немного понизим симметрию в одном реагенте ― и взяли барбитуровую кислоту вместо циануровой».

Поликристаллическая частица супрамолекулярной самосборки на основе барбитурата меламина. Сканирующая электронная микроскопия (Tescan Vega 3). Изображение предоставлено авторами статьи
Поликристаллическая частица супрамолекулярной самосборки на основе барбитурата меламина. Сканирующая электронная микроскопия (Tescan Vega 3). Изображение предоставлено авторами статьи

Барбитурат, как и цианурат меламина, относятся к классу супрамолекулярных ансамблей, которые образуются из исходных индивидуальных веществ ввиду колоссального родства молекулы меламина и молекулы циануровой (барбитуровой) кислоты из-за их комплиментарности. Причем реакция их образования протекает практически до конца, то есть до тех пор, пока в растворе есть свободные реагенты.

Изначально ученые не планировали посвящать экспериментальному материалу много времени, но в ходе первичных тестов выявились некоторые интересные свойства получившегося барбитурата меламина. Так, удалось получить сравнительно крупные кристаллы хорошо выраженной формы. Кроме того, в отличие от исходных реагентов, материал оказался фотолюминофором, то есть оказалось, что вещество способно светиться при «накачке» ультрафиолетовым излучением.

«Чтобы узнать природу его люминесценции, мы решили снять спектр электронного парамагнитного резонанса, ― рассказывает Владимир Шиловских. ― Оказалось, что вещество содержит радикалы, причем спектр однозначно говорит, что это “внешние” радикалы, а не “родные” для барбитурата меламина, поскольку молекулярная структура и меламина, и барбитуровой кислоты буквально нашпигованы атомами азота и водорода, которые должны расщеплять сигнал в спектре, если неспаренный электрон будет хотя бы на какую-то долю локализован на этих атомах.Получается, что каким-то образом барбитурат меламина захватывает радикалы из окружающей среды и стабилизирует их в своей структуре. Вероятнее всего, люминесценция и связана с этими “внешними” радикалами».

Поликристаллическая частица супрамолекулярной самосборки на основе барбитурата меламина. люминесцентная микроскопия (Zeiss Axioscope A1).
Поликристаллическая частица супрамолекулярной самосборки на основе барбитурата меламина. люминесцентная микроскопия (Zeiss Axioscope A1).

Это свойство материала заинтересовало ученых, поскольку свободные радикалы играют большую роль в различных биологических реакциях: если вещество способно захватывать из окружающей среды радикалы, то с его помощью можно контролировать протекание подобных процессов.

«Барбитурат меламина образуется в водном растворе при комнатной температуре и нейтральном pH, он, по всей вероятности, биосовместим. Все это и способность аккумулировать радикалы из раствора может оказаться полезным для биологических исследований, например, вещество потенциально может быть использовано как биорегулятор при экспериментах с ростом бактерий. Если вещество будет захватывать свободные радикалы, возникающие в процессе жизнедеятельности бактерий, мы сможем больше узнать и о жизненном цикле бактерий и о роли радикалов в этом цикле», ― объясняет автор работы.

Ученые уже провели первый комплекс исследований, его результаты опубликованы в журнале Chemistry: The European Journal. Сейчас специалисты НОЦ Инфохимии университета ИТМО продолжают работу по изучению нового материала.

Статья: V.V. Shilovskikh, A.A. Timralieva, P.V. Nesterov, A.S. Novikov, P.A. Sitnikov, E.A. Konstantinova, A.I. Kokorin, E.V. Skorb. Melamine‐barbiturate supramolecular assembly as pH‐dependent radical trap material. Chemistry Europe, 2020/10.1002/chem.202002947