Лаборатория физико-химических методов исследования

Заведующий лабораторией - Барановский Александр Вячеславович
доктор химических наук

тел. +375 (17) 374-83-24

О лаборатории

Лаборатория физико-химических методов исследования была создана в 1981 году на базе группы физико-химических методов исследования, которая была организована в Отделе биоорганической химии Института физико-органической химии в 1971 г., с 1974 г. в составе того же отдела - во вновь созданном Институте биоорганической химии. Основная задача группы состояла в обеспечении проводимых в Институте исследований данными инструментальных методов. Поскольку в Республике до создания ИБОХ ряд методов не был представлен, специалисты для организации и проведения исследований готовились в ведущих институтах Академии наук СССР – Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского, Институте элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова, Институте биоорганической химии им. М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова. Целенаправленная работа по подготовке кадров, с одной стороны, и по обеспечению приборной базы, с другой, позволили к началу 80-х годов сформировать научный коллектив, способный решать проблемы теоретической органической химии, задачи по установлению структуры низкомолекулярных биорегуляторов и биополимеров с использованием большого арсенала современных методов исследования: элементный анализ, оптическая спектроскопия в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне, дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, рентгеноструктурный метод, теоретические расчеты.

В настоящее время в лаборатории представлены следующие методы: ЯМР-, ИК-спектроскопия, масс-спектрометрия, капиллярный электрофорез. С 1981 по 2004 лабораторию возглавлял к.х.н. Н.И. Гарбуз, с 2004 д.х.н. А.В. Барановский.

Со времени создания лаборатория в сотрудничестве с научными коллективами ИБОХ, ИФОХ, ИХНМ НАН Беларуси, другими научными учреждениями страны выполняет плановые задания Государственных программ научных исследований. Сотрудниками лаборатории с использованием методов молекулярной спектроскопии и квантовой химии определены строение и конформационные свойства ряда модифицированных стероидов и гетеростероидов, нуклезидов, простаноидов, других низкомолекулярных биорегуляторов. Получены новые знания о структурных особенностях биологически активных соединений. Обнаружены закономерности изменения спектральных свойств в зависимости от характера модификации в рядах родственных соединений, что создало доказательную базу для установления структуры вновь синтезируемых новых соединений. Получены данные о строении и таутомерных свойствах β-ди- и β-трикарбонильных соединений, используемых в синтезе простагландинов и стероидов, и разработана методика разделения вкладов энергий электронного резонанса и водородного связывания в общую энергию стабилизации хелатных молекулярных систем с меж- и внутримолекулярными водородными связями.

Научные интересы коллектива в настоящее время направлены на качественный и количественный анализ природных биорегуляторов и ксенобиотиков методом ЯМР-спектроскопии высокого разрешения; анализ методами спектроскопии и хроматомасс-спектрометрии химических средств защиты растений в сельхозпродукции и объектах окружающей среды; синтез и изучение спектральных свойств 14- и 15-замещенных стероидов.

В лаборатории защищено 6 кандидатских диссертаций:
1. Борисов Е.В. (1983)
2. Курбако В.З. (1983)
3. Хрипач Н.Б. (1987)
4. Грицук В.И.(1990)
5. Громак В.В. (1996)
6. Болибрух Д.А. (2009)
1 докторская диссертация:
1. Барановский А.В. (2018)

Основные достижения за время существования лаборатории

На базе лаборатории создан и эффективно функционирует центр коллективного пользования уникальным научным оборудованием, который проводит измерения не только для нужд Института, но и для других научных учреждений и промышленных предприятий Республики Беларусь.
На основе изучения большой группы ди- и трикарбонильных соединений с внутримолекулярной водородной связью показана диагностическая ценность величины константы спин-спинового взаимодействия ²J (¹³С-ОН) для определения содержания таутомеров в растворах поликарбонильных соединений (E.V. Borisov, W. Zhang , S. Bolvig , P.E. Hansen . ⁿJ(¹³C, O¹H) coupling constants of intramolecularly hydrogen-bonded compounds // Magnetic Resonance in Chemistry. – 1999. – V.36, Iss.S1, P.S104-S110).
Изучены превращения аддуктов Дильса-Альдера стероидных диенил ацетатов и нитроэтилена, осуществлен синтез на их основе труднодоступных азотсодержащих гетероциклических стероидов. Совокупностью спектральных методов (ЯМР, масс-спектрометрия) и рентгеноструктурного анализа доказана структура соединений и предложен возможный механизм их формирования.

Значимые публикации последних лет

1. O. Pavlyushchik, V. Afonin, S. Fatykhava, P. Shabunya, V. Sarokina, A. Khapaliuk. Macro- and Microelement Status in Animal and Human Hypertension: the Role of the ACE Gene I/D Polymorphism. Biol. Trace Element Res. – 2017. V. 180, №1, P. 110-119.
2. N.A.Bumagin, A.V. Kletskov, S.K. Petkevich, I.A. Kolesnik, A.S. Lyakhov, L.S. Ivashkevich, A.V. Baranovsky, P.V. Kurman, V.I. Potkin. Substituted 1-(isoxazol-3-yl)methyl-1H-1,2,3-triazoles: Synthesis, palladium(II) complexes, and high-turnover catalysis in aqueous media. Tetrahedron. – 2018. –V. 74. - P. 3578-3588.
3. А.В. Барановский, А.С. Ладыко, В.А. Шатская, А.М. Щербаков. Хемоселективный синтез 14β-(изоксазол-3-ил)метилстероидов эстранового ряда и их трансформации с раскрытием гетероциклического ядра. ЖОрХ - 2019. – Т. 55, №2. – C. 252–265.
4. A.V. Baranovsky, D.A. Bolibrukh, B. Schneider. Solvolysis of 14,17-etheno-bridged 16α-nitroestratrienyl acetate and lactam formation pathways studied by LC–NMR and LC–MS. Structures of minor products // Steroids. – 2015. - V. 104. - P. 37-48.
5. A. Baranovsky, A. Ladyko, T. Shkel, S. Sokolov, N. Strushkevich, A. Gilep. Transformations, NMR Studies and Biological Testing of Some 17β-Isoxazolyl steroids and Their Heterocyclic Ring Cleavage Derivatives. Steroids - 2021, V. 166, 108768.

Сотрудничество

На договорной основе лаборатория выполняет регистрацию 1D и 2D спектров ЯМР, ИК- и масс-спектров; количественный и качественный анализ методами HPLC с УФ и масс-спектрометрическим детектированием, методами капиллярного электрофореза, ICP-MS; оказывает методическую помощь при интерпретации данных, полученных в результате измерений. Сотрудники лаборатории обладают достаточной квалификацией для анализа неизвестных веществ, их смесей и композиций методами двумерной ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии с целью установления состава и химической структуры органических соединений.

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

Конфигурация прибора позволяет проводить одномерные и двумерные эксперименты в растворах в широком диапазоне температур (-150 – 150 ^оС) путем детектирования большинства ядер периодической системы. По ядрам ¹H и ¹³C возможен анализ низкомолекулярных соединений при их концентрации до порядка 0.1 мг/мл (время каждого эксперимента составит от 12 до 48 ч). В настоящее время отработаны методики регистрации одномерных и двумерных спектров ЯМР для ядер ¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P, ¹⁵N, ¹²В. При возникновении потребности могут быть подготовлены методики для записи спектров на других ядрах. Для ядер ¹H и ¹³C доступны следующие двумерные эксперименты:

Гомоядерные эксперименты:
- СOSY45 - выявляют скалярное взаимодействие между протонами - обычно до 3 связей;
- TOCSY - выявление изолированных спиновых систем;
- NOESY - установление пространственной сближенности протонов, метод эффективен для установления стереохимии молекул.
Гетероядерные эксперименты:
- HSQC - протон-углеродная корреляция через одну связь;
- HMBC - протон-углеродная корреляция более чем через одну связь, метод эффективен для установления положения четвертичных атомов углерода. Методики HMBC можно использовать также для записи 2D корреляционных спектров протон-азот с естественным содержанием ¹⁵N в молекуле. Это дает возможность исследовать на спектрометре AVANCE 500 методом ¹⁵N ЯМР спектроскопии низкомолекулярные азотсодержащие соединения.

Использование ЯМР-спектрометра AVANCE-500 может эффективно помочь в решении следующих задач:

установление или подтверждение химического строения и пространственной структуры низкомолекулярных органических соединений как синтетических, так и природного происхождения
исследование структуры полимеров в растворах
количественный и качественный анализ лекарственных препаратов, средств защиты растений, препаратов для ветеринарии.

Конфигурация прибора позволяет с использованием двух типов ионизации - химической ионизации при атмосферном давлении (APCI) или ионизации в электроспрее (ESI) осуществлять:

аналитическое хроматографическое разделение смесей соединений и последующее детектирование их положительных и/или отрицательных ионов в диапазоне масс 50-4000 а.е. Разрешающая способность прибора в диапазоне до 2200 m/z не хуже 0,35 а.е.м.
полное сканирование, обеспечивающее получение всего масс-спектра в заданном диапазоне масс
селективный мониторинг ионов (SIM) для высокочувствительного целевого анализа компонентов
полное сканирование дочерних ионов МС/МС (MSⁿ)
селективный мониторинг дочерних ионов (SRM).

Прибор может работать в двух режимах ионизации - химической ионизации при атмосферном давлении (APCI) и ионизации электрораспылением (ESI).

Основные характеристики:

детектирование ионов в диапазоне масс 15-2000 а.е.м. с разрешающей способностью до 0,1 а.е.м.
высокая чувствительность, низкие уровни пределов обнаружения и количественного определения
возможность работы в режимах полного сканирования, получения дочерних ионов и ионов–предшественников, селективного мониторинга ионов (SIM)
возможность работы в режиме детектирования заданных масс (Multi Reaction Monitoring, MRM), что позволяет количественно определять несколько веществ в низких концентрациях в сложных матрицах.

Прибор работает в режиме электронной ионизации (70еV).

Основные характеристики:

детектирование ионов в диапазоне масс 2-1050 а.е.м.
режим полуколичественного и количественного анализа
возможность работы в режиме селективного мониторинга ионов (SIM)
программное обеспечение содержит новейшие библиотеки масс-спектров веществ для идентификации компонентов проб.

Использование хроматомасс-спектрометров может эффективно помочь в решении следующих задач:

установление или подтверждение химического строения соединений как синтетических, так и природного происхождения
количественный и качественный анализ лекарственных препаратов, средств защиты растений, стимуляторов роста и т.д.
качественный и количественный анализ биологических жидкостей.

Прибор предназначен для элементного и изотопного анализа образцов и является современной альтернативой атомно-адсорбционным спектрометрам. Работает в двух режимах:

Режим скрининга (полуколичественный анализ) позволяет измерять концентрации большинства элементов таблицы Менделеева без предварительной калибровки на уровне нг/л. Время анализа одного образца в этом режиме составляет около 3 минут.

Режим количественного определения (с использованием калибровочных стандартов) – это одновременное измерение высоких и низких концентраций с удалением всех полиатомных интерференций при использовании гелиевой коллизионной ячейки. Широкий динамический диапазон дает правильные результаты для образцов сложного и переменного состава, что невозможно для ICP-MS-систем, использующих реакционные газы или их смеси.

ICP-MS-спектрометр может быть использован для решения следующих задач:

анализ объектов окружающей среды (вода, почва, отходы и др.)
исследование геологических образцов
контроль качества пищевых продуктов
биомедицинские исследования
анализ фармацевтических субстанций и готовых лекарственных форм.

Позволяет разделять и собирать необходимые компоненты проб под контролем диодно-матричного и масс-спектрометрического детекторов. Препаративные насосы работают в диапазоне скоростей 5-100 мл/мин Рабочий диапазон давления от 20 до 400 бар. Возможность работы в изократическом и градиентном режимах.

Характеристики квадрупольного масс-детектора: диапазон масс – от 10 до 1500 а.е.м.; разрешающая способность 0,13 а.е.м. Тип ионизации – электроспрей. Возможна работа в режимах полного сканирования и селективного мониторинга ионов (SIM).

Препаративный хроматограф используется для:

выделения индивидуальных продуктов синтеза (мг)
выделения метаболитов из биологических матриц (мг)
выделения и очистки от примесей основных веществ в продуктах синтеза (г)
выделения компонентов экстрактов и др.

Прибор позволяет выполнить высокоэффективный анализ заряженных частиц (ионов неорганических и органических веществ) при минимальных затратах реактивов и образцов. Основные характеристики:

Детектор:
Спектрофотометрический, с диодной матрицей. Диапазон длин волн: 190 – 600 нм; дискретность настройки: 1 нм. Источник света: дейтериевая лампа. Регистрация спектрограмм во всем диапазоне длин волн за 0,1 сек. Произвольный выбор измерительных и контрольных длин волн с настройкой на любую ширину полосы (без выхода за диапазон 190 – 600 нм).

Капилляры:
С внутренним диаметром 50, 75 и 150 микрон. Для повышения чувствительности могут использоваться запатентованные фирмой Agilent Technologies капилляры с внутренним пузырьком (в 3 раза увеличивающим длину оптического пути).

Система предназначена для:

анализа катионов (аммоний, калий, натрий, кальций, магний, литий, цинк и др.)
анализа неорганических анионов (хлорид, бромид, нитрит, нитрат, сульфат, фосфат, тиосульфат, иодид, молибдат, азид, тиоцианат, хлорат и др.)
анализа органических кислот (метод позволяет разделять анионы малат, сукцинат, лактат, оксалат, цитрат, пируват, ацетат, тартрат и др.)
анализа токсичных анионов (цианид, азид, селенат, арсенат, арсенит).

КОНТАКТЫ

374-83-24 - д.х.н. Барановский Александр Вячеславович (ЯМР, ИК),

399-96-80 - к.х.н. Курман Петр Владимирович (масс-спектрометрия),

399-96-80 - к.б.н. Шабуня Полина Станиславовна (капиллярный электрофорез).