Известно, что основу материи во Вселенной составляют невидимые нам элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, кварки и др.), предположительно, образовавшиеся при Большом взрыве. Фундаментальным законом природы является непрерывное структурирование и укрупнение материальных частиц за счет различных взаимодействий. Так, из элементарных частиц, преимущественно, в недрах звезд формируются ядра химических элементов, из которых затем строятся все более сложные молекулы. В ходе этого процесса, называемого химической эволюцией, при благоприятных условиях (например, существующих на Земле) рождаются супрамолекулы, к которым относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и жиры. Характерная особенность супрамолекул – их способность к самоорганизации и распознаванию других молекул. Структурирование супрамолекул – результат множественных слабых (невалентных) взаимодействий. В биологии одним из основных невалентных взаимодействий является водородная связь. Например, водородные связи формируют двойную спираль ДНК, а также нитевидные или смятые в глобулы спирали белков (полипептидов). Белковая спираль внутри каждого витка стабилизируется водородными связями NH…O=C между карбоксамидными и амидными группами  (рис. 1).

Исследования фундаментальных характеристик амидной группы, – например, цис-транс изомеризационного барьера, резонансной энергии или кислотно-основных свойств, продолжаются из года в год в связи с особой актуальностью. Они значимы для обеспечения дальнейшего прогресса в медицине, биологии и биотехнологии, химии и междисциплинарных науках.

В сфере главных интересов группы профессора ЮФУ Александра Пожарского находятся неклассические типы водородных связей. Прежде всего, это касается сильных коротких водородных связей. В последние годы утвердилось мнение, что именно они несут главную ответственность за мягкость, быстроту и селективность большинства биохимических реакций.

Успешными моделями для таких исследований стали протонные губки и их аналоги.

Значение открытого в 1968 году феномена так называемых протонных губок, состоит в том, что впервые были синтезированы органические молекулы, способные в миллионы раз замедлять скорость протонного переноса и использовать это в органическом синтезе, электрохимических, биотехнологических и медицинских исследованиях. Открытие протонных губок – крупнейший вклад в теорию кислот и оснований за последние 50 лет. Появление протонных губок во многом ускорило становление такой области науки, как супрамолекулярная химия.

Студентами, аспирантами и сотрудниками кафедры органической химии синтезировано множество новых соединений и типов протонных губок. Так, аспирантом Андреем Марченко под руководством профессора Валерия Озерянского синтезирована группа веществ с самыми короткими водородными связями NH…N типа. До конца 2020 года исследования планируется опубликовать в одном из международных журналов.

Недавно профессором Александром Пожарским совместно с его бывшими аспирантами Александром Антоновым и Владимиром Микшиевым (ныне сотрудниками Санкт-Петербургского государственного университета) в журнале ChemPhysChem опубликована статья, в которой на многочисленных примерах показана возможность амидной группы O=C-NH₂ образовывать водородную связь за счет атома азота, а не карбонильного кислорода (рис. 2). Эта работа имеет значение для понимания нестандартного поведения белковых молекул.

В трех других статьях – «Нейтральный атом азота пиррола в качестве π-и смешанного n,π-донора в водородной связи», «Моделирование биологически важных NH ... π взаимодействий с использованием пери-дизамещенных нафталинов» и «Нуклеофильное замещение атома водорода в исходно-инактивированном пиррольном кольце» – на близкую тему, опубликованных в 2019 и 2020 гг. в ведущих журналах J. Org. Chem. и Org. Letters, на оригинальных примерах рассмотрены другие, малоизученные типы спиральной стабилизации белков, их энергетика и структурная специфика.

На протяжении последних 20 лет на кафедре органической химии Химического факультета Южного федерального университета в группе профессора Александра Пожарского проводится успешная работа в этом направлении.

Названные исследования выполнялись в рамках трех грантов РФФИ No 17-03-00035, 18-73-00020, 20-03-00112. Теоретические расчеты проводились профессором Вроцлавского университета А. Филаровским. Рентгеноструктурные исследования выполнены в научно-исследовательском парке Санкт-Петербургского университета, а спектральные на химическом факультете ЮФУ и в НИИ ФОХ.