Направление V. 44. Фундаментальные основы химии Программа V. 44

Направление V.44. Фундаментальные основы химии

Программа V.44.1. «Изучение физическими методами, включая методы квантовой химии, спиновых меток, спиновой химии и МР-томографии, элементарных процессов в химии и физико-химических свойств веществ, материалов и биологических объектов» (координаторы ак. Р.З. Сагдеев, д.ф. м.н. С.А. Дзюба)
Паспорт программы
1. Обоснование

Для исследования структуры и свойств веществ и материалов, физико-химических и биологических явлений необходимо применять разнообразные физические методы  такие как электронная абсорбционная спектроскопия, колебательная и вращательная спектроскопия (инфракрасная, комбинационного рассеяния, микроволновая, терагерцовая), спектроскопия магнитного резонанса (ЯМР и ЭПР), спектроскопия рассеяния рентгеновских лучей, позитрон-аннигиляционная спектроскопия, методы магнетохимии, термографии, масс-спектрометрии, электрохимии, и другие. Некоторые подходы в ЭПР и ЯМР оформились в самостоятельные методы (метод спиновых меток, спиновая химия, МР-томография). Важное значение имеют также методы теоретической химии – квантовая химия, молекулярная динамика и др. Эти экспериментальные и теоретические физические методы непрерывно изменяются и совершенствуются, появляются новые методы. Для ускорения прогресса в решении научных задач необходимы адекватная адаптация и своевременное изменение методологии научного исследования.
2. Описание поддающихся экспертной оценке ожидаемых результатов

Методами спиновой химии будут получены новые знания о спиновой и молекулярной динамике и кинетике короткоживущих радикальных частиц, а также стабильных радикалов в гомогенных и молекулярно-организованных средах, а также в далеких от равновесия открытых химических системах.

Импульсные методы химической радиоспектроскопии будут развиты и использованы для исследований строения, свойств и реакций свободных радикалов, спин-меченых биологических структур, ионов и ион-радикалов.

Методами квантовой химии будет изучена стереохимия и реакционная способность новых соединений, в том числе производных ацетилена и гипервалентного кремния.

Будут установлены механизмы радиохимических, фотохимических и вторичных процессов, в том числе в фемтосекундном интервале времен, для ряда фотохромных систем и комплексных соединений, установлена связь реакционной способности интермедиатов с их химической структурой.

Будут выявлены факторы, определяющие направление и скорость катионоидных органических реакций и созданы основы для разработки эффективных подходов к управлению ими.

Будет изучено строение новых гетероциклических соединений, перспективных для создания медицинских препаратов, красителей и люминофоров.

Будут изучены молекулярные механизмы действия пептидов-антибиотиков на биологические мембраны и репарирующих ферментов на ДНК, функционирования мембран при наличии холестерина, созданы модели структурных и динамических неоднородностей в жидкостях и стеклах, получены новые данные о строении растворов на атомарном уровне.

Будут синтезированы спиновые метки новых типов, изучены их спектроскопические характеристики и функциональные свойства.

Будут изучены многоцентровые взаимодействия в молекулярных кластерах и наноструктурах и их макроскопические проявления.

Будут изучены методами in-situ при повышенных температурах и/или давлениях процессы формирования и эволюции катализаторов, наноструктурированных и функциональных материалов, установлена электронная и геометрическая структура активных центров и интермедиатов.

Будут установлены элементарные механизмы модельных каталитических реакций, в том числе методами ЯМР-томографии, проведены их кинетические исследования и математическое моделирование динамики.

Будут развиты теоретические методы интерпретации спектральных исследований каталитических систем и проведены квантовохимические расчеты структуры активных центров практически важных катализаторов, хемосорбционных комплексов и элементарных актов реакций на поверхности.

Будут развиты высокочувствительные многоэлементные методики определения химического состава наноструктур, включая углеродные, а также керамик, оксидных монокристаллов и высокочистых веществ, новые методики атомно-спектрального и масс-спектрометрического анализа с исключением матричных влияний, методы анализа энантиомерного состава основных летучих компонентов экстрактов растительного и животного происхождения.

Будет усовершенствована методика сканирующей проточной цитометрии для изучения частиц сложной формы и структуры.

Будет развита теория нуклеации из пересыщенного пара и разработаны методы получения наночастиц веществ различного типа.

Современные спектроскопические методики ЯМР, ИК и КР позволят определить структуры новых гетероатомных химических соединений, неорганических соединений, функциональных материалов и природных объектов.

Исследование элементарных реакций в процессах горения на молекулярном уровне методами молекулярно-пучковой масс-спектрометрии и численного моделирования приведет к созданию новых моделей горения гомогенных и гетерогенных систем.

Исследование элементарных реакций в процессах горения разными физическими методами на микроскопическом уровне позволит определить закономерности волн горения в конденсированных и газовых средах.

Будут изучены химические и физико-химические превращения под действием лазера на свободных электронах в области 3-200 мкм, в т. ч. для разделения изотопов.
3. Сопоставимость с аналогичными программами или показателями, принятыми в мировой практике

Объем исследований, в которых применяются физические методы в химии и биологии, в мире просто колоссальный. Достаточно перечислить лишь несколько издаваемых в рамках данной тематики высокорейтинговых журналов – Journal of Chemical Physics, Journal of Physical Chemistry, Molecular Physics, Physical Chemistry – Chemical Physics, Chemical Physics, Chemical Physics Letters, Journal of Magnetic Resonance, Molecular Physics.
4. Описание механизмов контроля за достижением целей в ходе реализации программы

Контроль за достижением цели может быть осуществлен по годовым отчетам по программе, количеству ежегодных публикаций и их качеству (импакт-факторы журналов), по полученным патентам.