Бывает так, что вещество уже давно используется в промышленности или медицине, а ученые все еще полностью не знают его структуру, особенности или даже механизм его генерации. Так, химикам уже давно известно вещество под названием цианурат меламина. Это кристаллы, которые образуются при смешивании небольших органических молекул под названием меламин и циануровая кислота.
Это вещество, казалось бы, хорошо известно. Его используют в производстве лакокрасочных материалов, для придания огнеупорных свойств некоторым пластмассам и других применений. Однако до сих пор не утихают споры ученых о том, как же именно происходит образование этого вещества. То есть, что именно происходит с молекулами циануровой кислоты и меламина, когда они при соответствующих условиях оказываются в одной емкости, как начинается нуклеация.
Как рождаются кристаллы
Группа ученых, в которую вошли специалисты из Университета ИТМО и МФТИ, представила исследование, где подробно разбирается вопрос образования цианурата меламина: как на молекулярном уровне происходит соединение частиц двух веществ в одно.
«Наша работа посвящена молекулярному моделированию, — рассказывает Александра Тимралиева, соавтор исследования и куратор образовательных программ НОЦ Инфохимии Университета ИТМО, — мы рассматривали процесс нуклеации супермолекулярного комплекса цианурат меламина. Для нас было важно выявить особенности формирования таких структур. Мы с коллегами решили выявить, как идет образование структуры: от процессов нуклеации до образования кристалла. Было показано, что простым соотношением компонентов, можно влиять на механизм нуклеации, и, соответственно, на формирующийся кристалл. Это позволит лучше понять особенности применения данных веществ для доставки биомолекул».
Основные расчеты проводились московскими учеными в МФТИ, экспериментальная часть проходила в лабораториях НОЦ Инфохимии Университета ИТМО. Ученые смотрели, как изменения концентрации одного из двух компонентов влияют на процесс образования цианурата меламина.
Перспективы применения
Несмотря на то, что работа носит фундаментальный характер, и, на первый взгляд, не касается прикладных вопросов, она может иметь важные последствия для прикладной супермолекулярной химии. Прежде всего, для экспериментов по внедрению в такие супермолекулярные комплексы лекарственных препаратов для их адресной доставки.
Цианурат меламина удобен для понимания механизмов внедрения лекарственных препаратов в аналогичные ему по строению кристаллы.
«Мы занимаемся внедрением активных молекул в состав структур, подобных цианурату меламирна, — рассказывает Александра Тимралиева, — нам нужно было понять, как образуются зародыши таких супермолекулярных структур, чтобы процесс внедрения в эти структуры активных молекул был бы более осмысленным. Мы планируем проведение модельных испытаний со многими органическими молекулами, например, с антибиотиками по типу тетрациклина».
Создание цианурата меламина. Изображение предоставлено учеными
Еще одна область применения открытия московских и петербургских химиков — работы по созданию искусственной молекулы ДНК. Такие эксперименты уже ведутся — в 2008 году американские ученые объявили о создании первой полностью искусственной ДНК. Однако работы в данной области продолжаются, и чем больше теоретических данных будет в руках экспериментаторов, тем успешнее будет работа в лаборатории.
«Многие супермолекулярные структуры, в том числе цианурат меламина, очень похожи по своему формированию на то, как образуется ДНК, — заключает Александра Тимралиева, — если сможем разобраться с контролем нуклеации, образования супермолекулярных структур, то сможем перейти в область химии зарождения жизни. Химическая база, которая лежит в основе биологических процессов и супермолекулярных, не то чтобы одна, но очень близкая».
Исследование опубликовано в журнале Crystal Growth & Design.
Nikita Orekhov, Nikolay Kondratyuk, Mikhail Logunov, Alexandra Timralieva, Vladimir Shilovskikh, and Ekaterina V. Skorb. Insights into the Early Stages of Melamine Cyanurate Nucleation from Aqueous Solution. Crystal Growth & Design, 2021/10.1021/acs.cgd.0c01285
