В «Сириусе» завершилась пятая проектная химическая смена

В ноябре 2022 года в Образовательном центре «Сириус» успешно прошла пятая проектная смена по химии для школьников, организованная учёными СПбГУ. В её подготовке и работе приняли активное участие не только преподаватели, но и студенты, и аспиранты Университета.

В число слушателей были включены учащиеся 9–11 классов, проявившие направленный интерес к химии и подтвердившие высокую результативность при освоении образовательной программы. На участие в смене подано более 1400 заявок, но только 63 человека стали её участниками.

За десять дней до начала смены на сайте «Сириуса» разместили краткие презентации, аннотации предполагаемых проектов и методические указания к их выполнению, чтобы школьники могли выбрать более близкую их интересам траекторию. Было подготовлено и успешно реализовано 11 исследовательских проектов по органической и неорганической, аналитической и физической химии, по моделированию химических процессов. Выбирать участникам конкретный проект оказалось очень непросто: всё интересно, увлекательно, но состав исследовательских групп не должен превысить 6–7 человек.

В программу вошли:

• научные и научно-популярные лекции чл.-корр. РАН Юлии Германовны Горбуновой (Москва), профессоров Ирины Анатольевны Баловой (г. Санкт-Петербург), Анны Алексеевны Карцовой (г. Санкт-Петербург), доцента СПбГУ, зав. кафедрой органической химии Института химии СПбГУ Николая Витальевича Ростовского, научного сотрудника Института ядерной радиационной физики ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», (г. Саров Нижегородской обл.) Полины Борисовны Гусевой — выпускницы химического факультета СПбГУ; заслуженного учителя Российской Федерации Сергея Анатольевича Москвина (г. Екатеринбург)
• олимпиадные тренинги
• муниципальный тур химической олимпиады
• музыкально-поэтический вечер
• «Кружок с академиком — беседа о науке будущего»
• экскурсия в Институт растениеводства (г. Сочи) для проекта Е.А. Бессоновой
• научно-практическая конференция по итогам выполнения исследовательских проектов

---

Темы представленных проектов

1. Проект «Методы современной органической химии: от синтеза низкомолекулярных органических соединений к флуоресцентным сенсорам»
(руководитель проекта: доцент Анастасия Говди, волонтёр — аспирант Александра Видякина)

Учащиеся познакомились как с теоретическими, так и с практическими основами органической химии, получили навыки в синтезе и очистке органических соединений, а также познакомились с физико-химическими методами анализа для идентификации структур синтезированных веществ.

Участники этого проекта осуществили синтез 3-азидо-7-гидроксикумарина, познакомились с клик-химией и реализовали клик-реакции в своём проекте; синтезировали люминол и BTSA – pH чувствительного детектора.

На заключительной научно-практической конференции участники этого проекта сумели продемонстрировать многое из того, что поразило их самих.

2. Проект «Органическая химия: от теории к практике»
(руководитель проекта: аспирант Илья Филиппов, волонтёр — аспирант Екатерина Хмелевская)

В рамках данного проекта реализованы следующие сюжеты: синтез солей диазония и азокрасителей; синтез биологически активного соединения (фенацетина) и душистых веществ — сложных эфиров; изучение люминесценции — синтез флуоресцеина и бис(2,4,6-трихлорфенил)оксалата. Участники сессии прослушали блок лекций по спектроскопии: ЯМР, УФ, ИК-спектроскопии и масс-спектрометрии, познакомились с теорией цветности органических соединений.

И, конечно, не смогли отказать себе в удовольствии выкрасить рабочие халаты синтезированными красителями, в которых и защищали свой проект на заключительной научно-практической конференции.

3. Проект «Поиск природных источников лекарственных препаратов»
(руководитель проекта: доцент Елена Бессонова, волонтёр — аспирант Дмитрий Карпицкий)

Исследование проводится совместно со Всероссийским научно-исследовательским институтом цветоводства и субтропических культур (г. Сочи), где ведётся работа по селекции сортов фейхоа в России. Разработанный подход позволил получить характеристические хроматографические профили полифенолов, аминокислот и водорастворимых витаминов в кожуре и мякоти селекционных сортов фейхоа (сорта «Дачный», «Дагомысский», «Сентябрьский», «Superba» и «ШВ-07»). Идентификация основных полифенолов в полученных экстрактах подтверждена методом жидкостной хромато-масс-спектрометрии.

Найдены условия селективного разделения трёх групп аналитов: полифенолы (рутин, кверцитин, мангифирин, нарингинин, галовая кислота), аминокислоты и водорастворимые витамины (витамины группы В и аскорбиновая кислота).

4. Проект «Синтез люминесцентных гибридных наноматериалов на основе соединений лантаноидов»
(руководитель проекта: доцент Андрей Мерещенко; волонтёр — аспирант Анастасия Петрова)

В последние годы вектор развития науки активно смещается в сферу междисциплинарных проектов. Так, одним из перспективных направлений, комбинирующих в себе приёмы и подходы химии, материаловедения, биологии и медицины, является дизайн многофункциональных наноматериалов. В данном проекте синтезированы неорганические нанокристаллические материалы NaMF₄: Eu/Tb и NaMF₄: Yb, Ho/Er, наночастицы золота и серебра, а также их коньюгаты. Все полученные материалы обладают яркой люминесценцией, что подтверждает их перспективность в качестве красителей для люминесцентной микроскопии тканей. Проведены эксперименты по цитотоксичности полученных наночастиц золота и серебра и конъюгатов с золотом и серебром на клеточной линии HEK-293 (эмбриональные клетки почки). На базе полученных соединений могут быть разработаны биоортогональные многофункциональные материалы для тераностики, которые могут быть использованы как контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии с целью раковых опухолей.

Для дополнительных исследований (электронная микроскопия) некоторые образцы терефталатов лантаноидов были отправлены в Научный парк СПбГУ.

5. Проект «Колориметрические тест-системы: от лакмусовой бумажки до анализа биологически активных молекул»
(руководитель проекта: доцент Мария Пешкова)

Целью проекта являлось исследование возможностей применения коммерческих тест-полосок для количественного анализа, а также создание и апробация в модельных растворах тест-систем собственного изготовления для определения биологически значимых аналитов. Рассмотрены реакции цистеина и нитропруссида натрия, глицина и 1,2-нафтохинон-4-сульфоната натрия, фенолята железа(III) и молочной кислоты.

Созданы Na⁺-селективные тест-полоски на основе гидрофобных компонентов, традиционно используемых для создания ионоселективных оптических сенсоров. Как тест-системы собственного производства, так и коммерчески доступные тест-полоски проградуированы в растворах с известной концентрацией аналита (глицин, молочная кислота, цистеин, Na⁺, pH, глюкоза, ацетон), сигнал регистрировался при помощи цифровой микрофотографии с последующим цифровым анализом цвета. При помощи pH-полосок по полученной градуировочной зависимости был определён pH нескольких образцов (воды из Чёрного моря, воды из пруда на территории «Сириуса»).

6. Проект «Термохимия комплексных соединений»
(руководитель программы: старший преподаватель Никита Богачёв; волонтёр — студент Никита Глухоедов)

Проект посвящён синтезу сольватов галогенидов кадмия и меди с органическими растворителями, и последующему экспериментальному определению энтальпий образования этих комплексов и энергий их кристаллических решёток.

Проект включал четыре этапа: синтез и анализ состава кристаллических сольватов иодида и бромида кадмия, а также хлорида меди(II) с диметилсульфоксидом, диметилацетамидом, диметилформамидом и диоксаном. Проектирование и сборка калориметра с автоматизированной системой управления на основе системы Arduino Nano и термодатчика DS18B20. Программирование калориметра на языке Arduino Wiring на выполнение функции автоматической проверки установки к работе (термостатирование) и функции проведения калориметрического эксперимента. Измерение теплот растворения синтезированных сольватов на трёх разных калориметрах: высокоточном калориметре Calve Setaram (Научный парк СПбГУ), на калориметре собственной сборки с системой управления, а также с использованием калориметра на основе термометра Бекмана.

Участники проекта создали два портативных устройства, позволяющих проводить автоматическую калориметрию на калориметре собственной сборки. В качестве ёмкости-реактора для проведения эксперимента использовали стеклянные сосуды Дьюара вместимостью 250 и 500 мл.

Можно выделить два ключевых итога реализации проекта: создание автоматического прибора для калориметрии, а также получение новых экспериментальных данных, которые неизвестны в литературе — для всех используемых в работе сольватов энтальпии растворения, энтальпии образования и энергии решетки определены в настоящем проекте впервые.

7. Проект «Выделение ионов редкоземельных элементов из отработанных неодимовых магнитов»
(руководитель проекта: доцент Ольга Курапова; волонтёр — студент Василий Пажельцев)

Участники проекта освоили основы методов ионной хроматографии, кислотно-основного, комплексонометрического титрования, потенциометрии, спектрофотометрии, а также познакомились с основами расчёта ионных равновесий в растворах и гетерогенных системах.

Методами кислотно-основного и pH-метрического титрования участниками проекта измерены константы обмена, обменная ёмкость в статических и динамических условиях для разлничных катионитов. На основе полученных данных выбран катионит Dowex 50×8 c ёмкостью 1,94 ммоль-экв/г и размером частиц 37 мкм.

Предложена новая методика выделения ионов РЗЭ из отработанных магнитов:

• селективное осаждение Fe³⁺ водным раствором аммиака при pH=4 в приготовленном 1М растворе Nd³⁺ на основании данных титрования и потенциометрии;
• осаждение редкоземельных элементов щавелевой кислотой и прокаливание полученных оксалатов с образованием оксидов и последующее получение кислой пробы;
• хроматографическое выделение оставшегося Fe³⁺ по методу Крауса (элюент - 0,5М HCl); хроматографическое разделение Pr³⁺ и Nd³⁺ при выбранных условиях.

8. Проект «Наблюдение за раствором в молекулярный микроскоп»
(руководитель проекта: доцент Александр Ванин; волонтёр — студентка Трояна Кисслер)

Участники проекта познакомились с основами метода молекулярной динамики, научились пользоваться пакетом программ GROMACS, провели расчёты 20 систем и выполнили обработку полученных данных. Для визуализации результатов расчётов школьниками были освоены программы VMD, Microsoft Excel. Рассмотрены системы в порядке усложнения химической структуры и, соответственно, усложнения вида функции, задающей энергию межчастичных взаимодействий. Простейшей системой, состоящий из одноатомных молекул, был аргон. Более сложные для моделирования системы состояли из многоатомных молекул.

В проекте рассмотрены также ионные системы: кристаллический хлорид натрия, его расплав и пар, а также его водный раствор. Смоделировали постепенный нагрев кристалла NaCl, начальные этапы плавления, образование расплава и его испарения. Наблюдали характерные особенности ионных систем, возникающие при растворении ионных кристаллов и испарении ионных расплавов (кристалл и расплав покидают только электронейтральные группы/кластеры из ионов — димеры, тетрамеры, гексамеры и т.п.).

Самыми сложными вариантами систем были жидкие органические растворители (этанол, тетрагидрофуран, 1,4-диоксан, диметилсульфоксид, диметилформамид, диметилацетамид) и их смеси с водой. В ходе молекулярно-динамического моделирования получены данные о зависимости плотности чистых растворителей от температуры, а также избыточные объёмы смешения и энтальпии смешения органических растворителей с водой.

9. Проект «Ядерный магнитный резонанс в земном поле»
(руководитель проекта: Александр Иевлев, научный сотрудник СПбГУ, физический факультет)

Участники проекта освоили теорию ЯМР в объёме, достаточном для выполнения проекта, в том числе прослушали несколько лекций об отличиях спектрометрии ЯМР в сильных и слабых магнитных полях. Выполнены измерения временных вариаций магнитного поля в лаборатории с помощью прибора POS-2; измерения проводились с интервалом 5 секунд, непрерывно в течение суток.

Участники проекта научились использовать специализированное программное обеспечение для построения графических иллюстраций, выяснили, как зависит резонансная частота колебательного контура от номинала использованной ёмкости, определили частоты отсекания для типичных полосовых фильтров и поняли, что колебательный контур может быть использован в качестве узкополосного фильтра радиочастотных колебаний. Дальнейшая обработка полученных экспериментальных данных показала, что исследованный участок земной поверхности содержит достаточно много зон с аномально высоким градиентом магнитного поля. Сравнивая картированные аномальные зоны со схемой технических коммуникаций, пришли к выводу, что почти все они совпадают с проложенными трубопроводами, а единичные аномалии, не совпадающие с картой коммуникаций, судя по всему, образованы различным металлическим мусором, попавшим на участок во время прокладки существующих технических коммуникаций.

10. Проект «Анализ пищевых продуктов»
(руководитель проекта: старший преподаватель Сергей Савинов; волонтёр — магистрант Владислав Лямин)

Целью проекта явился анализ различных продуктов питания и напитков для контроля их качества путём сопоставления полученных результатов с нормативными показателями ПДК и литературными данными. По результатам проекта получены следующие выводы. Водопроводная вода в пгт. Сириус (место отбора проб — Парк науки и искусств) характеризуется практически нейтральной средой и относительно малым содержанием ионов кальция и магния. Состав воды стабилен во времени (в течение трёхнедельного мониторинга) и практически идентичен для горячей и холодной воды, а также холодной воды, отобранной из разных точек здания, что свидетельствует о хорошем качестве и воспроизводимости системы водоподготовки. Колбасные изделия (сосиски) в изучаемых пробах двух производителей практически идентичны с точки зрения содержания фосфатов. По данному показателю они соответствуют естественному содержанию.

11. Проект «Гидрогели на основе функциональных сополимеров с акриламидом и их потенциал применения в биомедицине»
(руководитель проекта: доцент Пётр Фетин; волонтёр – В. Фетина)

В проекте получены сшитые полимерные сетки на основе сополимеров акриламида с функциональными мономерами. Эти соединения способны поглощать растворитель формируя гидрогель. Функциональными мономерами в проекте выступали коммерческие мономеры N,N-диметиламиноэтилметакрилат (DMAEMA) и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновая кислота (AMPS) и «авторские» мономеры, которые учащиеся синтезировали самостоятельно: катионные и анионные мономеры N-акрилоил-11-аминоундекановая кислота (AAU) и 11-акрилоилоксиундецилтриэтиламмония бромид (AUTEA-Br), а также неионогенный мономер акрилоилоксисукцинимид (AOSu). Структура полученных веществ была подтверждена методом ¹Н ЯМР. Для формирования сшитых сополимеров использовали несколько подходов, приводящих к гидрогелям:

• ковалентная сшивка (гель формируется при синтезе сополимеров, использовали бифункциональный сшивающий агент — N,N'-Метилен-бис-акриламид);
• ковалентная сшивка (гель формируется при взаимодействии полимерных звеньев акрилоилоксисукцинимида с пентаэтиленгексаамином);
• ионная сшивка (гель формируется при тройной сополимеризации акриламида с катионными и анионными сополимерами).

При смешении водных растворов катионных сополимеров с акриламидом и анионного сополимера образуется осадок интерполиэлектролитного комплекса, уменьшение доли ионных звеньев в сополимере не приводит к образованию гидрогеля в этом случае. Установлены основные параметры, влияющие на коэффициенты набухания гидрогеля: увеличение ионных звеньев и уменьшение доли сшивок благоприятствует возрастанию коэффициента набухания гидрогеля. В полученные гидрогели введены модельные соединения — имитирующие лекарственные вещества различной природы: ионные соединения (СuSO₄), и органические молекулы, обладающие различными гидрофобными фрагментами, и, следовательно, разной растворимостью в воде (красители — метиловый оранжевый, β-нафтолоранж, флуоресцеин).

---

По итогам научно-практической конференции участники смены проголосовали за самые интересные проекты.

I место занял проект «Методы современной органической химии: от синтеза низкомолекулярных органических соединений к флуоресцентным сенсорам» (руководитель проекта: Анастасия Говди, к.х.н., доцент Института химии СПбГУ).

II место занял проект «Синтез люминесцентных гибридных наноматериалов на основе соединений лантаноидов» (руководитель проекта: Андрей Мерещенко, д.х.н., доцент Института химии СПбГУ).

III место занял проект «Органическая химия: от теории к практике» (руководитель проекта: Илья Филиппов, аспирант Института химии СПбГУ).

Участники проектов «Поиск природных источников лекарственных препаратов» (руководитель проекта Е.А. Бессонова) и «Выделение ионов редкоземельных элементов из отработанных неодимовых магнитов» (руководитель проекта О.Ю. Курапова) успешно выступили на семинаре для магистрантов и аспирантов, который проводил Сергей Борисович Иванов. Лучшими и наиболее интересными на этом семинаре оказались… школьники!

---

Из анкет участников проектов после завершения ноябрьской химической смены:

• … убедилась в том, что хочу связать свою жизнь с органической химией
• … всё было супер, мало свободного времени, но ведь это неплохо
• … запомнились прекрасные люди, прекрасные преподаватели, всё было великолепно
• … Эта смена помогла понять мне, что я действительно движусь в правильном направлении. Химия – моя наука!
• … появилась мотивация для дальнейшего развития
• … Всё было супер! Спасибо! Высший пилотаж!

И значит — всё не зря! Руководитель проектной химической смены проф. СПбГУ, д.х.н., заслуженный учитель РФ Анна Алексеевна Карцова