Молекулы многих лекарств могут переходить из одной пространственной формы в другую. Ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН с помощью математической модели ибупрофена в сверхкритическом CO₂ показали, что растворитель может вызывать необычно медленный отклик таких молекул. Сами молекулы при этом продолжают быстро менять форму, но их окружение перестраивается медленно, и это отражается на результатах измерений. Исследование опубликовано в The Journal of Chemical Physics.
При производстве лекарств важно не только синтезировать действующее вещество, но и получить из него кристаллы с подходящей структурой. Один из способов — растворить вещество в сверхкритическом углекислом газе. Так называют CO₂, который нагрели и сжали выше критических значений температуры и давления. Затем давление снижают, и вещество выпадает в виде мелких твердых частиц. Однако еще до того, как они образуются, растворитель может влиять на форму молекул.
Некоторые молекулы гибкие и могут принимать разные пространственные формы — конформации, соотношение которых зависит от нескольких факторов, в том числе от плотности растворителя. Вблизи критической точки — состояния, при котором исчезает различие между жидкостью и газом, — плотность растворителя сильно колеблется. В нем возникают области повышенной и пониженной плотности, размеры которых увеличиваются по мере приближения к критической точке. Одновременно такие колебания становятся все более медленными. Это явление физики называют критическим замедлением.
Ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН разработали статистико-механическую модель, которая объясняет, почему молекулярная система может долго сохранять следы первоначального возмущения, хотя отдельные молекулы продолжают быстро менять форму. Модель учитывает три взаимосвязанных процесса: смену формы молекул, колебания плотности среды и диффузию (перераспределение компонентов раствора в пространстве). Авторы рассчитали, как эти процессы влияют друг на друга и с какой скоростью протекают.
Оказалось, что вблизи критической точки в растворе возникают сразу два медленных коллективных процесса. Первый связан с критическим замедлением колебаний плотности растворителя. Второй — с диффузией: чем больше размер колебаний, тем больше времени требуется для перераспределения вещества на таком расстоянии. При этом третий процесс — переходы отдельных молекул между конформациями — может оставаться быстрым. Однако благодаря взаимодействию молекул с растворителем оба медленных процесса начинают влиять и на сигнал, по которому отслеживают изменения формы молекул. Этот эффект авторы назвали двойным коллективным замедлением.
Авторы продемонстрировали, как работает модель на примере ибупрофена в сверхкритическом CO₂. Согласно расчетам, даже небольшая разница во взаимодействии растворителя с разными формами молекулы может сделать медленные коллективные процессы заметными в измерениях. Более того, отклик системы может затухать не по обычному экспоненциальному закону, а значительно медленнее — по степенному. Это означает, что следы первоначального возмущения способны сохраняться гораздо дольше, чем длится отдельный переход молекулы между формами.
«Отдельная молекула может по-прежнему быстро менять форму. Но вероятность нахождения в той или иной форме зависит от окружающего растворителя. Если плотность среды меняется медленно, то и связанные с ней изменения соотношения молекулярных форм могут сохраняться очень долго. Получается, что медленная память растворителя передается молекулам, хотя скорость самих переходов между формами практически не меняется, — поясняет ведущий научный сотрудник Лаборатории вычислительной физики МИЭМ ВШЭ Юрий Будков. — Физический смысл нашей работы существенно глубже, чем объяснение необычной динамики ибупрофена в сверхкритическом CO₂. Мы показали, как медленная коллективная динамика среды может проявляться в наблюдаемой динамике молекул, собственные внутренние превращения которых остаются быстрыми».