Аннотация результатов, полученных в 2016 году
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ЭФИРОВ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИОННОГО И БИОМЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ Биоразлагаемые полимеры, получаемые полимеризацией с раскрытием цикла (ПРЦ) циклических эфиров, находят применение в качестве конструкционных материалов (замена полиолефинов, 3D-печать), а также имеют широчайшие перспективы биомедицинского применения (доставка лекарств, тканевая инженерия, хирургия и др.). Области использования биоразлагаемых полимеров обуславливают жесткие требования к катализаторам ПРЦ – низкая токсичность и высокая активность, позволяющая проводить реакцию в мягких условиях. Разработка высокопроизводительных, нетоксичных катализаторов, создание полимеров с заданными молекулярно-массовыми характеристиками, микроструктурой и механическими свойствами, полимеров с регулируемой гидрофильностью, а также полимеров, содержащих реакционноспособные группы, позволяющие "программировать" скорость разложения in vitro и in vivo - задачи, стоящие перед исследователями на современном этапе. С целью решения этих задач и выполняется настоящий проект. Он посвящен дизайну эффективных катализаторов ПРЦ, призванных заменить токсичный и малоактивный октаноат олова (II) Sn(Oct)2 и превосходящих по производительности наиболее активные органокатализаторы, например, триазабицикло[4,4,0]децен (TBD). В качестве исследуемых катализаторов ПРЦ рассматриваются комплексы непереходных металлов (Mg, Zn, Al, Са) с фенолами содержащими объемные орто-заместители. Первыми представителями вновь полученных катализаторов являются комплексы магния состава BHT-Mg-Х (Х= Bu, OEt, OBn и др.) содержащие 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (butylated hydroxytoluene, BHT) [1]. Благодаря наличию объемного лиганда BHT-магниевые катализаторы находятся в неассоциированном состоянии и демонстрируют высокую эффективность в ПРЦ (DL)-лактида, ε-капролактона и ω-пентадекалактона, многократно превосходя как Sn(Oct)2, так и TBD. Экспериментальные и теоретические исследования позволили сделать выводы о наиболее вероятном механизме реакции ПРЦ с участием BHT-магниевых комплексов как в полимеризации лактонов [2], так и в полимеризации лактидов [3]. С целью сопоставления каталитических свойств фенолятов Mg, Zn, Ca, и Al была синтезирована серия фенолятов этих металлов на основе 4-трет-бутил-2,6-бис(дифенилметил)фенола (БДФМФ), методом РСА исследовано их молекулярное строение и проведено сравнительное изучение их каталитической активности в полимеризации (DL)-лактида, ε-капролактона. Показано, что наибольшей эффективностью среди исследованных фенолятов обладают магниевые производные [4]. Таким образом, именно феноляты магния являются наиболее перспективными представителями исследуемого класса катализаторов. С целью получения материалов с регулируемой гидрофильностью и стабильностью синтезирован ряд новых мономеров и полимеры на их основе, свойства которых изучены с использованием современных физико-химических методов. Проведено сопоставление свойств (молекулярно-массовые характеристики, микроструктура и цитосовместимость) (DL)-полилактидов и поли-ε-капролактонов, синтезированных с помощью BHT-магниевых комплексов и TBD, с коммерчески доступными “medical grade” полимерами марок Purasorb PDL 02, PDL 04, PDL 05 и PDL 07 (производства Purac Biochem bv, Нидерланды). Показано, что полимеры, полученные на магниевых катализаторах, имеют меньшие значения полидисперсности, что делает их поведение в биологически активных средах более предсказуемым [5]. Изучены процессы формирования биорезорбируемых матричных структур из полилактидных образцов различной молекулярной массы для тканевой инженерии методом их пластификации с последующим вспениванием в атмосфере сверхкритического диоксида углерода, а также получения полимерных микрочастиц-носителей лекарственных препаратов методом PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions). Показано, что и в первом, и во втором случае синтезированные с помощью BHT-магниевых комплексов и TBD (DL)-полилактиды ведут себя практически идентично их “medical grade” аналогам производства компании Purac Biochem bv. Проведен анализ цитосовместимости образцов матриц на основе разрабатываемых материалов. С помощью МТТ-теста выявлено отсутствие цитотоксического действия всех исследуемых материалов на мультипотентные стромальные клетки (МСК) человека, выделенные из жировой ткани и пульпы. Показана способность матриц, полученных на основе исследуемых материалов, поддерживать клеточную адгезию. При использовании витального флуоресцентного красителя установлено, что клетки культур МСК эффективно прикрепляются и распластываются на поверхности матриц. Результаты исследования свидетельствуют о высокой цитосовместимости матриц на основе разрабатываемых материалов, сравнимой с цитосовместимостью контрольных образцов. Публикации по гранту 1. I.E. Nifant'ev, A.V. Shlyakhtin, A.N. Tavtorkin, P.V. Ivchenko, R.S. Borisov, A.V. Churakov Monomeric and dimeric magnesium mono-BHT complexes as effective ROP catalysts. Catal. Commun. 87 (2016) 106-111. 2. Нифантьев И.Э., Ивченко П.В., Шляхтин А.В., Иванюк А.В. Сравнительное теоретическое и экспериментальное исследование полимеризации триметиленкарбоната и лактонов в присутствии моно-ионолята магния Высокомолекулярные соединения, Серия Б - Химия полимеров (принята в печать) 3. Ivchenko P.V., Shlyakhtin A.V., Nifant'ev I.E Reaction profile and mechanism of stereocontrol in aryloxy-magnesium catalyzed ring-opening polymerization of rac-lactide – A DFT study Mendeleev Communications (принята в печать) 4. Nifant'ev I.E., Minyaev M.E., Shlyakhtin A.V., Ivchenko P.V., Churakov A.V. Bulky ortho-disubstituted phenolates of magnesium, calcium and zinc: structural features and comparison of catalytic properties in ε-caprolactone and rac-lactide polymerization Mendeleev Communications (принята в печать) 5. Антонов Е.Н., Бухарова Т.Б., Дунаев А.Г., Кротова Л.И., Нифантьев И.Э., Попов В.К., Шляхтин А.В. Новые “старые” полилактиды для тканеинженерных конструкций Перспективные материалы (принята в печать)

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году исследования проводились по четырем основным направлениям. В рамках первого, "неоргано-химического", направления были завершены работы по синтезу катализаторов и изучению их молекулярного строения. Мы установили, что мономерные гетеролептические комплексы магния (BHT)Mg(OR), легко генерируемые взаимодействием ROH с (BHT)2Mg(THF)2 или (BHT)MgBu(THF)2, в отсутствие мономеров способны образовывать широкий спектр би- и полиметаллических комплексов [1, 2]. Структура ряда комплексов доказана с использованием РСА. Мы показали, что использование этих комплексов in situ в качестве инициаторов полимеризации позволяет вводить в полимер RO-фрагменты произвольной структуры, включающей фрагменты социально значимых соединений – витаминов, стероидов, сахаров. Помимо гетеролептических комплексов, были исследованы комплексы "биометаллов" – Mg, Zn, Al – с этилгликолатом, установлена высокая эффективность этих соединений в катализе ПРЦ при повышенных температурах, с целью синтеза статистических сополимеров. Второе - "физико-химическое" - направление исследований было посвящено теоретическому и экспериментальному изучению процесса ПРЦ. Детальное квантово-химическое моделирование полимеризации лактонов и лактидов показало, что более стабильные димерные комплексы [(BHT)Mg(OR)]2 являются истинными катализаторами полимеризации. Биядерный механизм полимеризации лактонов и лактидов с выраженным кооперативным эффектом, рассмотренный в работе [2], является новым в координационной полимеризации циклических эфиров. Стереоселективность полимеризации рац-лактида, предсказанная на основании анализа рассчитанных реакционных профилей ПРЦ, подтверждена экспериментально. Не менее важным подтверждением результатов расчетов является экспериментальное доказательство димерной природы BHT-Mg-OR в растворе с использованием DOSY ЯМР спектроскопии [2]. Третье, "полимерное" направление нашей работы в 2017 году было посвящено исследованию полимеризации перспективного класса циклических субстратов – этилен фосфатов, фосфонатов и фосфорамидатов, катализируемую BHT-Mg комплексами. В ходе этих исследований было установлено, что Mg комплексы превосходят наиболее эффективные органокатализаторы (TBD, DBU/TU) по каталитической активности, инициируя образование преимущественно линейных полимеров [3, 4]. Механизм полимеризации фосфатов ранее никогда не исследовался с использованием квантово-химических методов. Мы выполнили предварительное моделирование DFT полимеризации метил этиленфосфата, катализируемой TBD и BHT-Mg комплексами, и установили ошибочность представлений о механизме ПРЦ фосфатов при катализе TBD, а также предпочтительность моноядерного механизма полимеризации и переэтерификации при катализе BHT-Mg комплексами. Последнее, направление наших исследований было посвящено органохимической разработке новых циклических мономеров, созданию и изучению перспективных полимерных материалов. Мы расширили ряд доступных мономеров моно- и дизамещенными гликолатами различной структуры [5], разработали эффективные подходы к "защищенным" 4-гидрокси- и 2,4-дигидроксивалеролактонам. С использованием гликолатов Mg, Zn и Al был получен широкий спектр статистических лактид-гликолидных сополимеров, перспективных материалов для использования в хирургии. Кроме того, синтезированы перспективные блок-сополимеры, включающие в себя полифосфатные, полилактидные и поли-капролактоновые фрагменты. Отдельного упоминания заслуживает успешный синтез сополимеров капролактона с 4-бензилокси- и 2,4-бис(бензилокси)валеролактоном. Для этих сополимеров, после удаления бензильной защиты, экспериментально подтвержден новый механизм фрагментации биополимеров без изменения кислотно-основного баланса среды. С помощью МТТ-теста и окраски витальным флуоресцентным красителем культур мультипотентных стромальных клеток (МСК) жировой ткани человека in vitro с последующим СЭМ анализом проведены исследования цитотоксичности и матриксных свойств поверхности сополимеров на основе производных 2,4-дигидроксивалеролактона, а также гомо- и сополимеров на основе циклических фосфатов с регулируемой липофильностью. Показано, что наилучшими матриксными свойствами обладают сополимеры метилфосфата с капролактоном. Они не цитотоксичны и активно поддерживают клеточную адгезию и пролиферацию. В тоже время, образцы на основе сополимеров 4-гидроксивалеролактона и 2,4-дигидроксивалеролактона с капролактоном обладают цитотоксическим действием (от слабого до ярко выраженного) и не поддерживают клеточную адгезию культур МСК, что не позволяет рассматривать их в качестве кандидатов на материалы для имплантируемых биомедицинских изделий и матриц-носителей лекарственных препаратов. Публикации по гранту [1] Minyaev M.E., Churakov A.V., Nifant'ev I.E. Structural diversity of polynuclear MgxOy cores in magnesium phenoxide complexes. Acta Cryst. C Struct. Chem., 2017, 73 (11) 854-861. DOI: 10.1107/S2053229617012657 IF журнала: 4.099 (Q1) [2] Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Minyaev M.E., Churakov A.V., Karchevsky S.G., Birin K.P., Ivchenko P.V. Mono-BHT heteroleptic magnesium complexes: Synthesis, molecular structure and catalytic behavior in the ring-opening polymerization of cyclic esters. Dalton Trans., 2017, 46 (36) 12132-12146. DOI: 10.1039/c7dt02469j IF журнала: 4.029 (Q1) [3] Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Komarov P.D., Kosarev M.A., Tavtorkin A.N., Minyaev M.E., Churakov A.V., Roznyatovsky V.A., Ivchenko P.V. Controlled ring-opening polymerisation of cyclic phosphates, phosphonates and phosphoramidates catalysed by heteroleptic BHT-alkoxy magnesium complexes. Polym Chem., 2017, 8 (36) 6806-6816. DOI: 10.1039/c7py01472d IF журнала: 5.375 (Q1) [4] Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Komarov P.D., Kosarev M.A., Tavtorkin A.N., Minyaev M.E., Roznyatovsky V.A., Ivchenko P.V. Synthesis and ring-opening polymerization of glycidyl ethylene phosphate with a formation of linear and branched polyphosphates. Mendeleev Commun., 2018, принята к публикации IF журнала: 1.827 (Q3) [5] Lozhkin B.A., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Ivchenko P.V., Nifant'ev I.E. Effective stereoselective approach to substituted 1,4-dioxane-2,5-diones as prospective substrates for ring-opening polymerization. Mendeleev Commun., 2018, принята к публикации. DOI: 10.1016/j.mencom.2018.01.020 IF журнала: 1.827 (Q3)

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе исследований по проекту в 2018 году завершена разработка механистической модели полимеризации циклических эфиров (лактонов, лактидов, фосфатов) при катализе арилокси-алкоксикомплексами магния. Модель основана на результатах комплексного DFT моделирования высокого уровня процессов обратимой координации субстрата ПРЦ, моноядерного и биядерного механизма, а также переэтерификации. Результаты моделирования подтверждены полимеризационными экспериментами, продемонстрирована применимость модели в предсказании скорости полимеризации и стереохимии образующихся полимеров. С использованием метода DFT построены реакционные профили ПРЦ метилэтиленфосфата [5] и переэтерификации полифосфатов в присутствии органокатализатора TBD. Результаты моделирования, с учетом данных по реологии растворов полифосфатов, позволили объяснить образование разветвленных полифосфатов. Предложен эффективный метод получения линейных полифосфатов с узким молекулярно-массовым распределением, основанный на проведении полимеризации в присутствии инертного триметилфосфата. В 2018 году завершена разработка высокостатистических поли-гликолид-лактидных сополимеров [1], синтез которых основан на использовании нового мономера – метилгликолида, сочетающего высокую реакционную способность незамещенного гликолида с наличием структурного лактатного фрагмента, необходимого для придания материалу требуемых механических свойств. Разработан метод синтеза метилгликолида полимеризационной чистоты, наработаны образцы полимеров для формования хирургической нити. Разработан и оптимизирован эффективный метод синтеза гомополимеров и сополимеров, содержащих фрагменты этиленполифосфорной кислоты (PEPA) [2]. Данный метод основан на термолизе продуктов гомо- и сополимеризации трет-бутилэтиленфосфата. PEPA и сополимеры PEPA представляют собой принципиально новый тип биоразлагаемых материалов, способных к обратимому связыванию физиологически активных аминов, что открывает путь к принципиально новым полимерным средствам доставки лекарств. С использованием методов сверхкритического флюидного формования и 3D термоэкструзионной печати изготовлены и исследованы образцы матриксов из гомо- и сополимеров лактида и капролактона с метилэтиленфосфатом. В подготовленной в 2018 году публикации [4] закреплен научный приоритет в создании полиэфирных материалов, подверженных биодеструкции без образования карбоновых кислот на основе сополимеров 4-гидрокси-δ-валеролактона и 2,4-дигидрокси-δ-валеролактона. Запрограммированное на стадии синтеза наличие структурного фрагмента HO–(С)3–C=O обуславливает возможность фрагментации по термодинамически выгодному пути образования пятичленного фрагмента лактона вместо гидролиза по сложноэфирной связи. Наконец, в 2018 году предложен простой и эффективный метод химического связывания лекарственных препаратов, содержащих карбоксильную группу, с биополимерами на основе лактида. Способность к такому связыванию программируется на стадии синтеза сополимера введением в его структуру реакционноспособных 4-гидроксибензильных групп. На примере ибупрофена убедительно продемонстрированы преимущества подобных материалов в пролонгированном высвобождении лекарственного препарата без выраженного burst эффекта, с протяженной во времени линейной областью. Публикации по гранту [1] Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Komarov P.D., Tavtorkin A.N., Minyaev M.E., Ivchenko P.V. Efficient synthetic approach to copolymers of glycolic and lactic acids for biomedical applications. Mendeleev Commun., 2018, 28, 4, 412-414. DOI: 10.1016/j.mencom.2018.07.024 IF журнала: 2.098 (2017, WoS) [2] Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Komarov P.D., Tavtorkin A.N., Minyaev M.E., Kosarev M.A., Ivchenko P.V. Synthesis in aqueous media of poly(ethylene phosphoric acids) by mild thermolysis of homopolymers and block copolymers based on tert-butyl ethylene phosphate. Eur. Polym. J., 2018, 106, 249-256. DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2018.07.034 IF журнала: 3.741 (Q1) (2017, WoS) [3] Minyaev M.E., Nifant'ev I.E., Shlyakhtin A.V., Ivchenko P.V., Lyssenko K.A. Phenoxide and alkoxide complexes of Mg, Al and Zn, and their use for the ring-opening polymerization of ε-caprolactone with initiators of different natures. Acta Cryst. C Struct. Chem., 2018, C74, 5, 548-557. DOI: 10.1107/S2053229618005090 IF журнала: 8.678 (Q1) (2017, WoS) [4] Nifant’ev I.E., Shlyakhtin A.V., Bagrov V.V., Ezhov R.N., Lozhkin B.A., Churakov A.V., Ivchenko P.V. Ring-opened 5-hydroxy-δ-valerolactone subunit as a key structural fragment of polyesters that degrade without acid formation. Mendeleev Commun., 2018, 28, 6, 629-631 DOI: 10.1016/j.mencom.2018.11.022 IF журнала: 2.098 (2017, WoS) [5] Nifant’ev I.E., Shlyakhtin A.V., Kosarev M.A., Karchevsky S.G., Ivchenko P.V. Mechanistic Insights of BHT-Mg-Catalyzed Ethylene Phosphate’s Coordination Ring-Opening Polymerization: DFT Modeling and Experimental Data. Polymers, 2018, 10, 10, 1105. DOI: 10.3390/polym10101105 IF журнала: 2.935 (Q1) (2017, WoS) Кроме того, направлена в печать статья: Pavlova E.R., Nifant'ev I.E., Minyaev M.E., Bagrov D.V., Klinov D.V. Mechanical properties and morphology of electrospun mats made of poly (ω-pentadecalactone). J. Physics Conf. Ser., 2018(9).