4.4.1. Научная проблема, на решение которой направлен проект.
Проект направлен на решение одной из важнейших проблем современных биофизики и биохимии, а именно выявление механизмов анестетического эффекта. Одной из рабочих гипотез является представление о невалентных взаимодействиях анестетика с мишенями-акцепторами, имеющих обратимый характер. Таким образом, основная проблема, которая будет решаться в ходе выполнения проекта – это выяснение физической природы невалентных взаимодействий в изучаемых молекулярных системах, их спектральная диагностика, определение энергетических характеристик, динамики и структурных свойств.

4.4.2. Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы.
Научная значимость решения проблемы, которая будет рассматриваться в данном проекте, определяется важнейшей ролью межмолекулярных взаимодействий, в том числе невалентных в динамике поведения молекулярных систем, в частности, в прояснении механизмов анестетического эффекта. Большой практический интерес представляют галогенсодержащие молекулы - замещенные углеводороды и эфиры, относящиеся к классу современных летучих анестетиков, таких как фторотан, энфлюран, изофлюран, десфлюран, севофлюран и др. Природа вызываемого ими анестетического (или анальгезирующего) эффекта является в настоящее время предметом пристального внимания исследователей, работающих в области поиска новых лекарственных форм для современной медицины, конкретно, для малоинвазивной хирургии. Необходимым условием для широкого применения соединений в современной медицине, являются образование и выход малотоксичных соединений в процессе метаболизма исходных компонентов, в идеале – в неизмененной форме. Возможные метаболиты, часто это тоже галогенсодержащие соединения, также являются предметом физико-биологического исследования. Проблема чрезвычайно актуальна, решение ее далеко от завершения и весьма значимо в поисках современных, эффективных анестетиков, оказывающих минимальное негативное воздействие на организм оперируемого.

4.4.3. Конкретная задача, в рамках проблемы
В рамках обозначенной проблемы можно сформулировать задачу, связанную с комплексным подходом к ее решению, состоящим в тесном объединении экспериментальных и расчетных методов исследования спектров молекулярных систем в криогенных растворах. Это изучение проявлений комплексообразования с участием галоген-замещенных углеводородов и эфиров с одной или несколькими CH связями в спектрах ИК поглощения. Планируется исследование как самих молекул-анестетиков, так и их метаболитов и различных молекул-мишеней (акцепторов протона) с целью выяснения природы их анальгетического эффекта. Водородная связь, образуемая с участием т.н. СН-доноров, в ряде случаев обнаруживает нестандартные спектроскопические и геометрические свойства. Планируется измерение спектроскопических характеристик в широком диапазоне температур и концентраций, а также проведение квантово-механических и модельных расчетов для объяснения особенностей спектров поглощения таких систем, природы т.н. нетипичной или "синей" водородной связи.
В рамках рассматриваемой проблемы планируется провести ряд спектроскопических и рассчетных исследований характера взаимодействий ряда ингаляционных анестетиков/анальгетиков (фторотан, хлороформ, десфлюран и метоксифлюран) с молекулами-мишенями, имитирующими фрагменты аминокислот (белков) человеческого организма. Это, прежде всего кислород-содержащие группы CO и SO. Кроме поиска ответа на вопрос о механизме воздействия анестетика на центральную нервную систему человека, будут рассматриваться важные, до сих пор не потерявшие актуальности спектроскопические эффекты, определяемые глубиной и характером ангармонических взаимодействий в молекулах-анестетиках.
В рамках обозначенной проблемы можно сформулировать две группы задач, связанных комплексным подходом к их решению, состоящим в тесном объединении экспериментальных и теоретических методов исследования спектров молекулярных систем в различных фазовых состояниях (газ, жидкость). Для решения данной проблемы целесообразно рассматривать системы, содержащие простые галогенсодержащие молекулы. Экспериментальные спектры таких систем легче поддаются надежной интерпретации и могут быть сопоставлены с теоретическими спектрами, рассчитанными квантово-механическими и иными методами.
1. Исследование межмолекулярных и внутримолекулярных невалентных взаимодействий с участием галогенсодержащих молекул. Наиболее ярким проявлением действия межмолекулярных взаимодействий является образование стабильных при температурах эксперимента комплексов. Экспериментальные исследования исследуемых систем в газовой фазе и в растворах предполагается сопроводить детальными квантово-механическими расчетами ожидаемых спектроскопических проявлений комплексообразования. Такие расчеты частот и абсолютных интенсивностей ИК полос поглощения, проводимые с использованием квантово-химической информации об электронных волновых функциях комплексов и их фрагментов, позволят обоснованно интерпретировать структуру спектров и характер взаимодействий образующих комплекс составляющих.
2. Изучение спектроскопических проявлений образования комплексов с участием галогенсодержащих доноров протона с одной и двумя CH-связями и различных акцепторов протона. Водородная связь, образуемая с участием таких молекул, в ряде случаев обнаруживает нестандартные спектроскопические и структурные свойства, как в ИК, КР, так и в ЯМР спектроскопии. Указанный факт также будет предметом всестороннего исследования и внимания. Планируется измерение их спектроскопических характеристик в широком диапазоне температур и концентраций, а также проведение квантово-механических и модельных расчетов для объяснения особенностей спектров поглощения и комбинационного рассеяния таких систем.
Совокупность решаемых в рамках проекта задач представляет собой масштабное и комплексное исследование, охватывающее различные агрегатные состояния вещества, объединяющее экспериментальные работы и согласованное с экспериментом развитие теоретических методов, построение расчетных моделей и квантово-механические вычисления.

4.4.4. Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи.
Новизна планируемых исследований, как следует из описания решаемых в работе задач, в значительной степени обусловлена отсутствием убедительного их решения в современной научной литературе. В ходе решения задачи будут изучены новые, до сих пор неисследованные молекулярные системы. Планируется проведение поисковых экспериментов для определения их энергетических и геометрических параметров.
Авторский коллектив проекта имеет успешный опыт решения подобных задач, как в области постановки, проведения и обработки научных экспериментов в области молекулярной спектроскопии сложных молекулярных систем, так и в проведении квантово-механических и модельных расчетов на достаточно высоком уровне.
Решение поставленной задачи вполне достижимо и ожидаемые результаты могут быть получены при условии доступа исполнителей проекта к оборудованию Научного парка СПбГУ (Ресурсные центры «Геомодель», Криогенный отдел и Вычислительный центр).

4.4.5. Современное состояние исследований по данной проблеме
Летучие галоген-замещенные этана (фторотан) и эфира (изофлюран, севофлюран и др.) имеют сильный анестезирующий/ анальгезирующий эффект и широко используются при проведении хирургических вмешательств [1, 2]. Анестезирующий эффект, в большей или меньшей степени обнаруживается у большинства галогенсодержащих соединений, и даже у некоторых тяжелых благородных газов, например, ксенона. Хотя механизм анестезии еще до конца не установлен, некоторые исследования выявили несколько специфических рецепторов, таких как гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин и ацетилхолин, которые могут служить мишенями (таргетами) для большинства анестетиков [3].
Хотя попытки решения данной проблемы по времени насчитывают уже несколько лет, тем не менее эти попытки продолжаются и в настоящее время как авторами проекта, так и рядом зарубежных коллективов, а их интенсивность скорее только нарастает со временем. Исследования по данной проблеме непосредственно примыкают к важнейшему для всей современной физической химии направлению, нацеленному на изучение природы водородной связи и других взаимодействий невалентного характера.
В настоящее время широко применяются экспериментальные методики изучения молекулярных систем в растворах в сжиженных благородных газах, в нанокапсулах атомов гелия, в молекулярных пучках или в низкотемпературных матрицах. Сочетание этих методик с современными средствами анализа экспериментальных спектров позволяет получить детальную информацию о спектрах молекулярных систем даже в случае их низкой концентрации или малой стабильности. Доступность мощных компьютеров делает реалистичными достаточно точные расчеты электронной структуры сложных молекулярных систем и многомерных поверхностей потенциальной энергии и дипольного момента. В мире очень мало групп исследователей, в которых ИК спектры взаимодействующих молекул измерялись бы экспериментально и рассчитывались теоретически на достаточно высоком уровне.

4.4.6. Предполагаемые методы и подходы в исследовании. Общий план работ на весь срок.
Из-за малой энергии связи планируемых к изучению комплексов, основным методом исследования будет ИК криоспектроскопия. При использовании спектрального прибора с высоким разрешением метод позволит проводить анализ сложных колебательных резонансов в условиях отсутствия колебательно-вращательных возмущений, характерных для газовой фазы. Полученные результаты – частоты полос поглощения комплексов, их сдвиги относительно положения полос мономеров, их интенсивности – будут сравниваться с рассчитанными методами квантовой химии величинами. Исследование характерных спектроскопических свойств комплексов, стабилизируемых с участием СН-доноров (водородной связи), к которым относится, например, хлороформ, так и современных анестетиков, планируется начать с простейших модельных систем, каковыми являются галоген-замещенные метана. Следует отметить, что СН-доноры являются вероятными кандидатами на образование комплексов с т.н. "синей" водородной связью. Кроме нетипичных изменений спектроскопических параметров (высокочастотный сдвиг полосы валентного колебания с нестандартным изменением интенсивности), такая связь характеризуется сокращением длины связи С-Н. Следует отметить, что происхождение "синих" водородных связей с точки зрения физического обоснования все еще является предметом пристального внимания исследователей.
При использовании метода криоспектроскопии измерения проводятся в равновесных условиях, поэтому появляется возможность для количественного измерения термодинамических параметров слабых комплексов. Полученные экспериментальные данные будут сравниваться с результатами квантово-химических расчетов. Особенностью слабых комплексов является наличие нескольких конформеров из-за конкуренции между различными типами связи. При низких температурах проявляются наиболее устойчивые из них, что облегчает проведение конформационного анализа полученных спектров.
Для систем со сложной схемой колебательных резонансов, способных заметно исказить наблюдаемый спектры мономеров и комплексов, будет проведен ангармонический анализ поверхностей потенциальной энергии и функции дипольного момента. На его основе будет проведен расчет реального изменения спектров при комплексообразовании.
План работы:
1) Получение ИК спектров поглощения молекулы бензамида и ряда ее галоидозамещенных производных в газовой фазе и в растворах. Изучение эффекта галоидозамещения на возможность образования внутримолекулярной водородной связи с необычными свойствами.
2) Получение колебательных спектров поглощения и комбинационного рассеяния фторотана и его смесей с диметилсульфоксидом в различных растворителях в широком интервале относительных концентраций компонент смесей. Определение спектроскопических характеристик полос поглощения, которые наиболее заметным образом меняются при образовании комплексов анестетика с молекулами-мишенями (полос-маркеров). Определение структурных, спектроскопических и термодинамических параметров комплексов. Анализ полученных экспериментальных данных будет проводиться с учетом результатов квантово-химических расчетов на достаточно высоком уровне теории;
3) Исследование комплексообразования между десфлюраном и ацетоном, как одной из простейших моделей молекулы-мишени, содержащей группу СО. В качестве экспериментальных методик для получения ИК спектров поглощения мономеров и комплексов при различных температурах и относительных концентрациях будет использован метод криоспектроскопии. Можно ожидать, что для исследуемой системы удастся продемонстрировать факт образования комплексов с нетипичной ("синей") водородной связью. Экспериментальные величины спектроскопических параметров, а также измеренные константы равновесия димеров будут сравниваться с теоретическими, полученными из квантово-химических расчетов.

4.4.7. Имеющийся научный задел
В области экспериментального и теоретического исследования молекулярных спектров в конденсированных средах, включая криорастворы и низкотемпературные матрицы, авторы проекта на протяжении многих лет занимает одно из ведущих мест в мире. Авторы проекта неоднократно участвовали в реализации различных совместных научных проектов, в частности, грантов РФФИ и подготовке совместных публикаций.
Мето�