Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Все научные исследования в 2014 году выполнялись в соответствии с заявленными планами по нескольким направлениям. 1. Экспериментальные исследования влияния жидкостей на структурные искажения и структурные перестройки, вызываемые повышением давления в минералах. 2. Экспериментальное исследование влияния жидкостей на структурные искажения и структурные перестройки, вызываемые повышением давления в молекулярных кристаллах органических и координационных соединений с водородными связями. 3. Изучение влияния жидкостей на механические свойства. 4. Теоретические расчеты, моделирование вызываемых повышением давления изменений в молекулярных кристаллах органических соединений с водородными связями при помощи методов квантовой химии. 1. По первому направлению было проведено определение структур гейландита, талька и серпентина при сжатии в водосодержащей и безводной средах до 5 ГПа, выяснены особенности их структурных изменений в зависимости от свойств передающей давление среды, проведена оценка изменений в системе водородных связей. 2. По второму направлению исследовались несколько различных (по химической природе и по типу кристаллических структур) систем, для которых ранее сообщалось о влиянии гидростатической жидкости на возможность структурного перехода при повышении давления, либо возможность этого влияния предполагалась на основании каких-то косвенных данных: а) ромбическая модификация [Co(NH3)5NO2]I2, б) альфа- и бета-полиморфные модификации хлорпропамида, в) бета-аланин, г) L-серин. 3. Третьим запланированным направлением исследований было изучение микротвердости полиморфных модификаций хлорпропамида методами микро- и нано-индентирования, изучение влияния жидкостей на механические свойства, изучение возможности инициировать структурное превращение индентированием (без и в присутствии жидкости) или повлиять на последующее превращение при повышении давления. В рамках проведения исследований в этом направлении были получены монокристаллы четырех полиморфных модификаций хлорпропамида (альфа, бета, гамма и дельта). Механические свойства были сопоставлены посредством наноиндентирования различных граней различных полиморфов. Результаты, полученные для разных полиморфных модификаций, были сопоставлены с молекулярными упаковками, строением сеток водородных связей, прочностью отдельных водородных связей и конформациями отдельных молекул. Были обнаружены значительные различия в пластичности и механической прочности различных полиморфных модификаций. 4. Наконец, важной частью работы по проекту стало освоение различных методик для расчетов молекулярных кристаллов и фрагментов биополимеров при нормальных и повышенных давлениях, в том числе в присутствии различных жидкостей. Были освоены программные пакеты Gaussian09, VASP, Crystal. Для анализа и визуализации данных использовались: VMD, Topond и MultiWFN. С использованием этих программ были освоены следующие техники: построение поверхности потенциальной энергии для молекулы в растворителе в зависимости от ее конформации, успешно реализована концепция «давления» (програмными методами без использования экспериментальных данных), исследование потенциалов взаимодействий в структурообразующих синтонах, а также количественная оценка энергий водородных связей. Таким образом были проведены расчеты трех задач: 1) моделирование влияния жидкости на конформацию гибкой органической молекулы, с целью затем проверить наличие корреляций между конформацией молекулы в определенном растворителе и в кристалле, который кристаллизуется из данного растворителя, 2) сопоставление энергий решетки и энтальпий различных полиморфных модификаций и анализ трендов их изменения при сжатии, 3) определение энергий кристаллических решеток термодинамически стабильной и метастабильной форм соединения, оценка энергий водородных связей. По результатам выполнения работ осенью 2014 года отправлены в печать пять статей (журналы PCCP, Cryst. Growth Design, CrystEngComm, Microporous & Mesoporous Materials, Journal of Petrology) и несколько рукописей находятся в завершающей стадии подготовки.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Как и планировалось изначально, исследования роли жидкости в вызываемых повышением давления твердофазных превращениях изучалась на объектах различной природы: минералах и молекулярных кристаллах органических и биологически активных соединений. При этом мы выявили и исследовали различные случаи: а) твёрдые тела в различных непроникающих и не растворяющих их жидкостях и, для сравнения, в инертных газах (Ar, Ne, He); б) твёрдые тела в различных жидкостях, с которыми они могут в большей или меньшей степени взаимодействовать. При этом, в случае б), взаимодействия могут быть также весьма различны: б1) жидкость может проникать в структуру твёрдого тела, как «гость» в структуру «хозяина», образуя гидратированные / сольватированные формы; б2) жидкость может растворять твёрдое тело, вызывая его перекристаллизацию в другую фазу; б3) жидкость может растворять только незначительную часть твёрдого тела с поверхности, способствуя росту другой твёрдой фазы, внесённой в ту же ячейку в качестве «затравки»; В случае а) при работе с разными "инертными" жидкостями неожиданно обнаружился эффект, который, скорее, следует отнести к б4): жидкость может видимо не растворять твёрдое тело вообще и казаться полностью инертной по отношению к нему, но в её присутствии давление вызывает в твёрдом теле иные процессы, чем, например, в среде инертного газа (аргона, неона, гелия). В этом случае, очевидно, имеет место взаимодействие поверхности твёрдого тела с жидкостью, вследствие которого изменяются механические свойства твёрдого тела, способность составляющих его молекул изменять свою конформацию, свойства водородных связей, способность к изменению упаковки молекул. Влияние среды на протекание твердофазных превращений связано с влиянием на кинетику процессов перестройки структуры, то есть, во многих случаях, с влиянием на процессы образования и роста зародышей новой фазы. Поэтому параллельно с исследованием влияния жидкости на вызываемые давлением структурные перестройки и полиморфные превращения мы исследовали также иные факторы, влияющие на кинетику процесса, такие как структура исходной модификации и протокол повышения давления (скорость повышения давления) и обратной разгрузки. При этом в ряде случаев удалось наблюдать образование различных фаз в зависимости от скорости повышения давления и продолжительности выдерживания образца при определенных его значениях; некоторые фазы было возможно получить только в ходе разгрузки ячейки, но не при повышении давления. Обычно наблюдаемые явления были явно связаны с возможностью перекристаллизации из жидкой среды, передающей давление. Завершающим этапом этих исследований станет возврат к исследованию влияния на эти процессы выбранной среды, но уже для вполне определенного выбранного режима нагружения и разгрузки образца. Для лучшего понимания влияния жидкостей на структурные переходы при высоком давлении мы исследовали также кристаллизацию интересующих нас фаз из тех же жидкостей при нормальном давлении, а также возможность перекристаллизации одной фазы в другую при одновременном помещении кристаллов обеих фаз в насыщенный раствор в определённом растворителе. В случае толазамида в ходе таких исследований мы столкнулись со многими, на первый взгляд, непонятными фактами и явлениями, поэтому, для понимания различий между полиморфными модификациями, их относительной устойчивости, факторов, влияющих на переходы между формами и их кристаллизацию, пришлось провести очень подробные исследования полиморфных модификаций при нормальном давлении экспериментальными и расчётными методами, прежде чем переходить к исследованию влияния на них давления. Перечень основных конкретных результатов: 1. Изучена структурная эволюция клиноптилолита при сжатии в водосодержащей и безводной средах методом монокристального рентгеноструктурного анализа, результаты сопоставлены со структурными данными для гейландита. 2. Изучено методом монокристального рентгеноструктурного анализа поведение бикитаита при сжатии в проникающей водосодержащей среде, проведено сравнение с литературными данными по сжатию бикитаита в непроникающей среде. 3. Изучено поведение слоистых силикатов магния и алюминия в водосодержащих и безводных средах при высоких давлениях и температурах. Получен «гидратированный тальк» путём сжатия талька в водной среде в ячейке высокого давления с алмазными наковальнями. Исследована его структура, продемонстрировано превращение «гидратированного талька» при нагревании в условиях высоких давлений в смесь стишовита (устойчивой при высоком давлении модификации диоксида кремния) и гидроксоперовскита – чрезвычайно интересной и малоизученной фазы высокого давления. 4. Исследовано влияние давления на полиморфные модификации хлорпропамида в разных средах (этанол, глицерин-вода, пентан-изопентан, парафин, а также, для сравнения, неон и гелий), в том числе – в присутствии «затравок» различных фаз. 5. Проведено сравнительное исследование влияния давления на полиморфные модификации толазамида в разных жидких средах методами КР-спектроскопии и монокристальной рентгеновской дифракции, а также выполнены расчеты энергий и энтальпий для форм I и II методом DFT при нормальном и высоком давлении. 6. Исследовано влияние скорости повышения давления на полиморфные переходы в кристаллах и порошках L-серина. В зависимости от скорости повышения давления, образуются различные полиморфные модификации, II или IV, которые не могут переходить друг в друга. На процесс влияет также содержание воды в среде, передающей гидростатическое давление. 7. Исследовано влияние протокола изменения давления на структурные переходы в монокристаллах бета-аланина.В зависимости от скорости повышения давления, образуются различные полиморфные модификации, II или IV, которые не могут переходить друг в друга. На процесс влияет также содержание воды в среде, передающей гидростатическое давление. 8. Расшифрована структура первого известного на сегодня сольвата гидрофобной аминокислоты, а именно - сольвата L-аланина, образующегося при особом протоколе повышения давления с последующим его частичным снижением. Показана возможность использования этого сольвата как прекурсора получения новой полиморфной модификации L-аланина и расширована структура новой полиморфной модификации. Несколько слов о значениях наших исследований. Название нашего проекта: «От минералогии до биологии: Исследование влияния высокого давления на взаимодействие воды и других жидкостей с неорганическими, органическими веществами и биологическими молекулами». Значение результатов, полученных в ходе работы, действительно, велико одновременно для столь разных областей знания. Взаимодействие минерального вещества с жидкой средой (флюидом в геологической терминологии) является ключевым моментом в обширном списке природных процессов от минерализации грунтовых вод до глубинной сейсмичности, связанной с дегидратацией водосодержащих минералов. Проблема взаимодействия водосодержащего (проникающего) и безводного (непроникающего) флюида с пористыми каркасными силикатами связана как с природными процессами (цеолитизацией осадков океанического дна, флюидообменом в цеолитсодержащих нефтегазоносных пластах и т.п.), так и с прикладным использованием этого класса минералов в качестве катализаторов при переработке углеводородов, а также ионообменных материалов. Другой аспект взаимодействия «флюид-минерал», рассматриваемый в проекте – фазовые взаимоотношения в системе MgO-SiO2-H2O, определяющие такие глобальные процессы как сейсмичность зон погружения литосферных плит, а также возможность транспорта воды в мантию Земли (так называемого глобального рециклинга воды). Исследования в экстремальных условиях кристаллов органических и биологически активных молекул имеют не меньшее значение. Они лежат в основе управления фазовыми переходами в молекулярных кристаллах, используемых в качестве молекулярных материалов, лекарственных форм, супрамолекулярных устройств. Те явления, которые обнаружены в ходе работы по данному проекту, ранее оставались вне поля зрения исследователей, хотя, как показала наша работа, именно выбор гидростатической среды и протокола изменения давления имеет решающую роль не только для скорости превращения или давления, при котором превращение будет происходить, но и для состава и структуры образующихся продуктов превращения. Знать и учитывать это крайне важно при разработке реальных технологических процессов получения новых форм. Для биологии взаимодействие с окружающей биополимер жидкостью имеет реально «жизненное» значение, так как определяет процессы функционирования и денатурации биомолекул. Высокие давления позволяют получать конформации, близкие к тем, что реально достигаются в «плотно заселённой» клетке. Кристаллы аминокислот и малых пептидов моделируют многие важные процессы и конформационные изменения в биополимерах. Например, понимание факторов, влияющих на образование кристаллосольватов аминокислот и их взаимодействие с разными жидкостями важно для понимания сольватации отдельных фрагментов пептидов. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/ce/c4ce02550d#!divAbstract http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201501541/abstract http://journals.iucr.org/m/issues/2015/06/00/bi5049/index.html http://www.sciencedirect.com.scopeesprx.elsevier.com/science/article/pii/S1387181115002760 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.5b05838 http://www.minsocam.org/MSA/Ammin/AM_Preprints/5356RashchenkoPreprintFeb.pdf http://www.minsocam.org/MSA/Ammin/AM_Preprints.html

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 году основные усилия были направлены на обобщение полученных результатов, завершение начатого и создание задела на будущее. Подготовлена и сдана в печать в Издательство СО РАН монография «Болдырева Е.В., Захаров Б.А., Ращенко С.В., Серёткин Ю.В., Туманов Н.А. Исследование твердофазных превращений в условиях высоких давлений методами рентгеновской дифракции in situ». В соответствии с планами, проводились исследования экспериментальными и расчётными методами роли флюидных фаз в превращениях в условиях высоких давлений твёрдых веществ различной природы – минералов, молекулярных кристаллов органических соединений, в том числе, аминокислот и лекарственных веществ, нанопористых кристаллов на основе дипептидов, сокристаллов и солей азотистых оснований, имитирующих фрагменты биополимеров, имеющие важное значение для их функционирования. Моделировалось взаимодействие молекул с растворителем и влияние его на конформации молекул в растворе и в образующихся в ходе кристаллизации полиморфных модификациях и сокристаллах. Моделировались и сопоставлялись с экспериментальными данными структурные изменения кристаллов в зависимости от давления. Методом монокристальной рентгеновской дифракции в ячейке с алмазными наковальнями in situ изучено поведение минерала югаваралита при сжатии в водосодержащей среде и проведено сравнение результатов с литературными данными по его сжатию в непроникающей среде. Цеолит югаваралит Ca2[Al4Si12O32] (H2O)8–9 характеризуется переменным содержанием H2O, что делает его весьма интересным объектом для исследования поведения при сжатии в проникающей и непроникающей средах. В водосодержащей среде сжимаемость югаваралита в интервале давления 0,0001–2 ГПа оказалась существенно ниже в сравнении с его сжимаемостью в непроникающей среде. Так, модуль его объемного сжатия в первом случае составляет 148(21) ГПа, во втором – 39(1) ГПа. Причиной таких различий является эффект индуцированной давлением гидратации югаваралита. В этой области давления происходит заселение двух водных позиций, вакантных при нормальных условиях. Содержание H2O при этом меняется с 8 молекул на э.я. при нормальных условиях до 11,7 молекул при 1.8 ГПа. Новые позиции не входят в координационное окружение Ca2+ и связаны только с соседними молекулами H2O и O-атомами каркаса. В области постоянного состава, т.е. по окончании сверхгидратации, сжимаемость югаваралита резко увеличивается и становится сопоставимой с его сжимаемостью в непроникающей среде: модуль объемного сжатия K0 становится равным 42(2) ГПа, что сопоставимо сего значением при сжатии в силиконовом масле: K0 = 39 ГПа. Результаты готовятся к отправке в печать. Проведено сравнительное изучение с использованием монокристальных дифракционных методов in situ структурной эволюции двух крайних членов изоморфной серии филлипсит-гармотом при сжатии в водосодержащей и безводной средах. Проведена оценка влияния особенностей внекаркасной подсистемы на поведение цеолитов этой серии при высоком давлении. Изоструктурные цеолиты филлипсит K2(Ca0.5,Na)4[Al6Si10O32]·12H2O и гармотом Ba2(Ca0.5,Na)[Al5Si11O32]·12H2O образуют непрерывный ряд твердых растворов. В качестве вторичной строительной единицы цеолитов этого топологического типа выделяют четырехчленные кольца, объединенные через два общих O-атома в коленчатые цепи. Несмотря на изоструктурность, разные соединения качественно различно взаимодействуют с проникающими водосодержащими средами. Для филлипсита наблюдался эффект сверхгидратации, в том числе и при относительно небольшом содержании воды в трансмиссионной жидкости. Сжимаемость филлипсита в парафине была существенно выше: V0 = 1026(5) Å3, K0 = 19(2) ГПа. В отличие от филлипсита, гармотом демонстрирует заметно более близкую сжимаемость и в водосодержащей среде (V0 = 998.56(9) Å3, K0 = 48.6(11) ГПа), и в парафине (V0 = 998,8(16) Å3, K0 = 41(2) ГПа); можно констатировать, что эффект сверхгидратации если и присутствует, в сравнении с филлипситом выражен существенно слабее. Предложена интерпретация наблюдаемых эффектов, основанная на учёте различий в размерах катионов и возможности разворотов составляющих анионный каркас тетраэдров. Результаты готовятся к отправке в печать. Впервые наблюдался in situ процесс образования интеркалата за счёт внедрения молекул воды в структуру талька при давлении 8 ГПа и температуре 500°C. Удалось не только оценить кинетику внедрения гостевых молекул в межслоевое пространство (τ½~ 60 мин), но и обнаружить свидетельства ранее не известного процесса, приводящего к медленному изменению спектра уже сформировавшегося интеркалата в области OH-колебаний в ходе его выдержки при высоком давлении и температуре. Находки наночастиц этой фазы в глубинных минералах вызвали интерес среди геологов. Результаты опубликованы. Поскольку для исследования поведения гидроксоперовскита MgSi(OH)6 при высоком давлении является критичным синтез исходного образца, в том числе в виде кристаллитов, пригодных для монокристального или «multi-grain» анализа, основные результаты за отчётный период были получены в направлении синтеза гидроксоперовскита MgSi(OH)6 при непосредственном взаимодействии талька с водой в многопуансонном аппарате высокого давления. В ходе экспериментов смесь талька с водой, взятой в небольшом дефиците относительно стехиометрии гидроксоперовскита, запаивалась в платиновой капсуле и выдерживалась при давлении 12 ГПа и температуре 425°С в течение 8 часов в многопуансонном аппарате типа DIA (1500 тонн). Полученные образцы не содержали следов свободной воды, целиком поглощённой в ходе протёкших реакций гидратации талька. Анализ продуктов реакции методами электронной микроскопии, КР-спектроскопии и рентгеновской дифракции показал, что полученный мелкодисперсный агрегат (размер зёрен <10 мкм) сложен преимущественно гидроксоперовскитом (70% масс.) с подчинёнными количествами (по 10% масс.) стишовита, высокобарического силиката «фазы D» (MgSi2O4(OH)2) и непрореагировавшего талька. Получение в низкотемпературном эксперименте фазы D значительно расширяет известное для неё поле стабильности, ранее исследованное при температурах только выше 1000°С, в область умеренных температур, что имеет огромное значение для геохимии. Впервые обнаружено явление различного влияния нескольких «инертных» сред, не взаимодействующих с образцом сколько-нибудь заметно при нормальных условиях, на превращение в твёрдом состоянии: в гелии, неоне, парафине и пентане твердофазные превращения в полиморфных модификациях хлорпропамида шли различным образом, давая различные фазы высокого давления. В разных средах происходят: перекристаллизация на поверхности, проникновение среды в объём твёрдого тела, поверхностные взаимодействия по механизмам Иоффе, Роско, Ребиндера. Обнаружено нетривиальное влияние затравок на перекристаллизацию в условиях высоких давлений, состоящее в том, что затравки самых устойчивых форм не служат центрами дальнейшей кристаллизации, в то время как параллельно идёт рост двух менее устойчивых форм. Явление объясняется с учётом различий конформаций и упаковок молекул и «блочного» механизма растворения. Результаты опубликованы. В ходе исследований возможности образования сольватов при сжатии кристаллов L-аланина и DL-аланина в различных спиртовых и водно-спиртовых средах, впервые получена новая полиморфная модификация L-аланина. Она образуется в ходе топотаксиальной десольватации водно-метанольного сольвата. Сольват же образуется при особых условиях сжатия L-аланина в смесях этанол-метанол-вода или метанол-вода. Структуры новых фаз высокого давления были расшифрованы при помощи дифракции с использованием синхротронного излучения и DFT расчётов. Это – единственный известный на сегодня сольват аминокислоты с гидрофобным боковым заместителем. Результаты направлены в печать и находятся на рецензии. Было подробно исследовано влияние среды на возможность полиморфных переходов между полиморфными модификациями толазамида. Расчёты при помощи квантово-химических методов показали, что полиморфная модификация II остаётся менее стабильной в очень широком интервале давления, намного превышающем тот, что может быть реально достигнут в экспериментах без аморфизации образца. В то же время, реально переход из формы II в форму I наблюдается только в среде, которая обеспечивает возможность перекристаллизации (спирты), и то неполно, но вообще не происходит в парафине. Результаты направлены в печать и находятся на рецензии. Исследованы конформации серотонина, метацетамола и пирацетама в газовой, различных жидких и кристаллических фазах. В качестве кристаллических фаз рассматривались различные полиморфные модификации, соли, сокристаллы, сольваты. Исследование проводилось расчетными методами и включало методы квантовой механики и молекулярной динамики на основе модели силовых полей. Результаты сопоставлены с экспериментальными данными о конформациях в разных структурах и о возможном влиянии давления и температуры на конформационные изменения. Результаты по серотонину опубликованы, результаты по метацетамолу и пирацетаму обрабатываются и будут направлены в печать уже после завершения проекта. Был проведен детальный анализ расчётными и экспериментальными методами причин протекания полиморфных превращений в кристаллах L-серина по разным маршрутам, с образованием разных фаз высокого давления, с учётом различной роли разных типов водородных связей в превращениях под давлением. Результаты находятся на рецензии. Проведено исследование механических свойств полиморфных модификаций ряда молекулярных кристаллов методом наноиндентирования. Результаты эксперимента дополняли квантово-химическими расчётами. Сопоставляли свойства разных граней при «сухом» индентировании и при индентировании поверхностей, на которые нанесен слой какой-либо нерастворяющей жидкости. Результаты, полученные для «сухих» поверхностей направлены в печать и находятся на рецензии. Результаты, полученные для поверхностей с нанесенными жидкостями, требуют дополнительной проверки и продолжения исследований. Начато исследование сжатия в растворяющих / проникающих / нерастворяющих средах нанопористых структур на основе дипептидов, которые можно рассматривать как модели гидрофобных полостей в биополимерах. Начаты исследования влияния давления на кристаллические структуры на основе гуаниновых квадруплексов, моделирующие структуру и свойства ионных каналов в мембранах, и сокристаллов на основе азотистых оснований, моделирующих взаимодействия в нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК. Результаты этих исследований будут отправлены в печать в следующем году. Всего по результатам работ было опубликовано за период 2014-2016 гг. тринадцать статей в ведущих профильных рецензируемых журналах, принята к публикации монография, находятся на рецензии в печати ещё четыре статьи и обзор. (*-в генерируемом системой общем списке часть публикаций дублируется с прошлого года, поэтому общее число, автоматически подсчитанное системой, завышено, но мы не нашли способа удалить "лишние" публикации; правильный список всех опубликованных за три года статей, содержится в отчёте 2016 года). Результаты неоднократно докладывались на международных и национальных конференциях, включая Европейскую конференцию по высоким давлениям, Конференцию по применению высоких давлений в биологии, Европейскую кристаллографическую конференцию, Российский кристаллографический конгресс, Международную конференцию по разработке новых лекарственных форм, научную конференцию грантодержателей РНФ «Фундаментальные химические исследования XXI-го века», конференцию «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы будущего». и другие. О некоторых исследованиях можно прочитать на сайтах: http://www.esrf.eu/UsersAndScience/Publications/Newsletter (стр. 22, июль 2016) http://mag.digitalpc.co.uk/fvx/iop/esrf/1607/ и https://www.gazeta.ru/science/2016/10/30_a_10293803.shtml