Как пиразол и фуроксан объединились в новый класс энергоемких соединений?

В рамках нашей рубрики о молодых ученых ИОХ РАН мы продолжаем знакомить читателей с исследователями, чьи статьи были опубликованы в ведущих международных химических журналах в 2024 году.

Сегодняшний герой — Тигран Эдвардович Хоранян, кандидат химических наук, младший научный сотрудник лаборатории ароматических азотсодержащих соединений ИОХ РАН. Его научные интересы сосредоточены на синтезе и изучении свойств энергоемких соединений на основе нитропиразола.

В интервью мы обсудим его научную публикацию, в которой описан первый удачный «союз» пиразола и фуроксана — двух мощных строительных блоков для создания новых высокоэффективных веществ. Поговорим о том, почему в химии энергоемких соединений важен баланс между мощностью и стабильностью, как устроена гонка за научный приоритет в этой конкурентной области и как роман Жюля Верна может привести в науку.

● Чему посвящены Ваши научные исследования в целом? Какую фундаментальную научную или практическую задачу Вы пытаетесь решить?

Мои исследования посвящены разработке методов синтеза новых энергоемких соединений. Энергоемкие материалы имеют самое разнообразное применение в добывающей, военной и аэрокосмической промышленности, а также во многих других сферах человеческой жизни. Создание новых энергоемких соединений, обладающих превосходящими эксплуатационными характеристиками по сравнению со штатными взрывчатыми веществами, является важной практической задачей. Хочу также отметить, что в химии энергоемких соединений существует фундаментальная проблема: увеличение энергосодержания в молекуле непременно приводит к уменьшению стабильности. Систематические исследования, которые мы проводим, заключаются в поиске баланса между мощностью и стабильностью. Например, мои работы сосредоточены на использовании нитропиразолов в поиске закономерностей в свойствах соединений. Варьированием типов эксплозофорных групп, способов их взаимного расположения мы влияем на практически важные свойства.

● Расскажите о Вашей последней высокорейтинговой работе[1], опубликованной в 2024 году. В чем ее основная идея?

Пиразол, как основа для создания новых энергоемких соединений хорошо себя зарекомендовал при получении термостойких, малочувствительных соединений. Фуроксан является одним из наиболее высокоэнтальпийных гетероциклов с лучшим кислородным коэффициентом. Идея заключалась в создании новой энергетической комбинации, в которой пиразол и фуроксан соединены С-С связью, и определении зависимости структура-свойство в полученном ряду соединений. Для этого мы изучили синтетические пути получения двух типов региоизомерных пар, обогащенных нитрогруппами, и исследовали влияние положения N-оксида в фуроксановом кольце на физико-химические свойства.

● Где и каким образом могут быть использованы полученные в этой работе результаты?

В расширении библиотек зависимостей «структура-свойства» необходимо для установления корреляции между характеристиками соединений, полученными раннее, и при дизайне новых молекул.

● В чем сложность, и с какими трудностями Вы столкнулись во время выполнения этого исследования?

Нитропиразолы активно исследуются многими научными группами по всему миру. Существует высокая конкуренция, поэтому самая главная трудность, с которой я сталкивался за годы своей научной работы — быть опубликованным первым. Было необходимо провести исследование быстро, и мы справились с этим: активно проводить исследование мы начали в феврале 2024 года, а в июле мы уже отправили готовый текст в журнал. Как потом оказалось, другую работу, посвященную пиразолил-фуроксанам подали через восемь дней после нас. Самые незначительные промедления — и мы бы потеряли первенство, что всегда обидно.

● Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

Исследования свойств энергоемких соединений требует участия исследователей из разных областей науки. Данное исследование проводилось совместно с нашими коллегами из Лаборатории энергетических материалов Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН и Лаборатории рентгеноструктурных исследований Института элементорганических соединений РАН им. А. Н. Несмеянова. Так же хочется поблагодарить коллег из ИОХ РАН — кандидата химических наук Александра Александровича Ларина, заведующего Лабораторией № 19, доктора химических наук Леонида Леонидович Ферштата и своего научного руководителя, заведующего Лабораторией № 18, доктора химических наук Далингера Игоря Львовича. Только благодаря тесной совместной работе удалось достичь поставленных целей.

● Есть ли у Вас дальнейшие планы по развитию этого направления исследования?

Опубликованные в работе бициклические пиразолил-фуроксаны являются первыми представителями нового класса соединений. Мы планируем изучать их дальше. Например, сейчас перед нами стоит задача получить соединения с большей энергетической эффективностью.

● Каким образом Вы попали в химию?

В детстве я интересовался астрономией и космонавтикой. Строение звезд, планет, путешествия к ним. Среди прочего роман Жуля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» поразил меня до глубины души. Фантастическая история о том, как из гигантской трубы, наполненной пироксилином, выстрелили инженерами в Луну, видимо, определило круг моих научных интересов. После окончания школы я поступил в РХТУ им. Д.И. Менделеева на Факультет инженерный химико-технологический, который спустя 6 лет успешно закончил.

● Как оказались в ИОХе?

На пятом курсе обучения встал вопрос о научной работе для выполнения курсовой. Мне предложили провести работу в ИОХе, и я согласился. Так я попал в Лабораторию № 18 и познакомился с Далингером Игорем Львовичем, своим научным руководителем.

● Какими, на Ваш взгляд, качествами должен обладать современный ученый?

Эрудированность — большой объем знаний из разных областей безусловно важнейшее подспорье. Коммуникабельность — современная наука и, в особенности, органическая химия требует совместной работы большого числа людей. Дисциплина — способность систематически проводить исследования, доводить их до конца.

● Какой совет можете дать своим коллегам?

Шаг за шагом — только систематическое, тотальное исследование заложит крепкий фундамент для будущих достижений науки и техники.

[1] Khoranyan T.E., Larin A.A., Suponitsky K.Y., Ananyev I.V., Melnikov I.N., Kosareva E.K., Muravyev N.V., Dalinger I.L., Pivkina A.N., Fershtat L.L., First Alliance of Pyrazole and Furoxan Leading to High-Performance Energetic Materials, ACS Applied Materials & Interfaces. 2024, V. 16, P. 53972-53979. DOI: 10.1021/acsami.4c12242