Одним з основних наукових напрямків досліджень відділу є синтез, орієнтований на різноманітність, з використанням різних підходів і стратегій:

1. Класичні лінійні (покрокові) реакції.
2. Багатокомпонентні реакції та розробка стратегії хемокерованих гетероциклізацій (шляхи I та II). У цьому випадку зміна параметрів реакції є основним фактором диференціації для перемикання її напрямку.
3. Модульні послідовності реакцій з використанням реакційноздатного інтермедіату (шляхи III і IV)
4. Реакції, що керуються кількістю реагентів з використанням ефекту багатокопонентності. У цьому випадку кількість реагентів є основним фактором диференціації та перемикання напрямку реакції.

Наприклад, з використанням термічного нагріву та некласичних методів активації – мікрохвильового та ультразвукового випромінення – розроблено та застосовано для синтезу різноманітних типів гетероциклічних сполук стратегію хемокерованих багатокомпонентних конденсацій (Conditions-based Divergence Strategy). На її основі запропоновано багатокомпонентні реакції полінуклеофілів і карбонільних сполук, напрямок яких керується шляхом варіювання реакційних параметрів , що дозволяє селективноотримувати до п’яти різних типів гетероциклічних систем з однакових хемотипів реагентів.

Пошук артефактів на полях хімічних перетворень, який надихнутий багатокомпонентною конденсацією Біджінеллі з використанням 3-аміно-1,2,4-тріазолу як гетероциклічного еквівалента сечовини. Нами розробляються умови, що забезпечують високу регіо- та стереоселективність утворення альтернативних продуктів з використанням таких зелених розчинників, як вода або етанол. За допомогою технологій мікрохвильового синтезу певні перетворення здійснюються в закритих посудинах при температурах, значно вищих за температуру кипіння розчинників. Структура кінцевих молекул, включаючи стереохімічні аспекти, визначається за допомогою арсеналу 2D ЯМР-спектроскопії та рентгеноструктурного аналізу.

2-(2-Ціановініл)-3-оксо-циклогекс-1-ени є універсальними реакційноздатними інтермедіатами, які можна «вловити» та використати  в різноспрямованих перетвореннях для синтезу різноманітних складних молекул. Така концепція модульного перетворення дозволяє комбінувати різноманітні реагенти за різних реакційних умов в одному реакторі, що значно розширює можливості застосування керованих багатокомпонентних конденсацій.

Однією з важливих напрямків досліджень відділу є ізоціанідні багатокомпонентні реакції для синтезу нових біологічно активних гібридних молекул, що містять пептидоміметичний ланцюг і додатковий фармакофорний гетероциклічний фрагмент. Комбінація кількох фармакофорних фрагментів в одній сполуці  може потенційно підвищити біологічну активність. Наприклад, тандемна комбінація багатокомпонентних реакцій типу Дьобнера або Грьобке з реакцією Угі дозволяє ввести гетероциклічний фрагмент у структуру пептидоміметиків.

Синтез низькомолекулярних частково гідрогенізованих азолопіримідинів із вузликовим атомом азоту, що мають аліфатичні замісники, є джерелом нових будівельних блоків для цільового дизайну потенційних ліків. Багатокомпонентний синтез таких будівельних блоків дозволяє отримати раніше недоступні сполуки з низькою молекулярною масою та реакційними центрами для подальших хімічних модифікацій. Такий підхід заснований на принципах «зеленої хімії» (використання нетоксичних розчинників) і некласичних методах активації.

Окрім того, важливим напрямкром є синтез і дослідження молекулярної структури та конформаційних змін різними фізико-хімічними і спектральними методами  спіроорганізованих азотовмісних гетероциклів для розв’язання проблем медичної і фармацевтичної хімії.

Природна сполука бісіндолілметан (DIM) та її синтетичні аналоги представляють великий інтерес завдяки широкому спектру фармакологічної дії. Важливо, що деякі з цих сполук продемонстрували здатність підвищувати антибактеріальну ефективність відомих антибіотиків проти штамів мікроорганізмів, стійких до цих антибіотиків. Це відкриття є основою для подальших фармацевтичних розробок інноваційних препаратів, які поєднують антимікробний активний фармацевтичний інгредієнт із DIM, забезпечуючи ефективну антимікробну дію проти мультирезистентних мікроорганізмів.

Розроблено мікрохвильовий метод синтезу нових 1,2,3-триазоло-1,4-бензодіазепінів, що виявляють значну психотропну активність. Після всебічних досліджень методом молекулярного докінгу великої бібліотеки цих гетероциклів було відібрано та синтезовано п'ять сполук-хітів, психотропні властивості яких були оцінені in vivo за допомогою різних поведінкових тестів на мишах. Результати показали, що вибрані сполуки мали міорелаксантну та анксіолітичну дію, порівнянну з референсним препаратом Гідазепам, без порушення координації рухів і з підвищенням витривалості мишей. Крім того, їх антидепресантна ефективність перевищувала ефективність препарату порівняння Іміпрамін. Для оптимізації біодоступності було розроблено дві системи доставки: полімерні нановолокна, отримані методом електропрядіння, та водо-полімерні гелі, придатні для напівтвердого екструзійного 3D-друку. У підсумку було визначеносполуку-лідер, що демонструє оптимальну активність, високу стабільність та низьку токсичність, а також найбільш підходящу систему доставки на основі нановолокон.

Розробка нових модуляторів SIRT1 (NAD+-залежного ферменту деацетилази) у співпраці з компанією Єнамін (м. Київ) є перспективним напрямком у боротьбі з онкологічними та віковими нейродегенеративними захворюваннями. В рамках цього напрямку, зокрема, було виконано молекулярний докінг нових похідних N-ацилгідразону та їх аналогів до активного центру ферменту SIRT1, що дозволило знайти ряд сполук «хітів».

Ще одним важливим напрямком є модифікація природних молекулярних платформ, зокрема, тритерпеноїдів лупанового ряду та стероїдів для вирішення завдань матеріалознавства та медичної хімії. Наприклад, було ситнезовано такі гибрідні сполуки для створення «смарт» гелів, а також для пошуку нових лікарських засобів.

Супрамолекулярна хімія стосується хімічних систем, що складаються з окремих молекул, поєднаних слабкими нековалентними зв’язками. Вона використовується в аналітичній хімії, молекулярному розпізнаванні, каталізі, фармацевтичних дослідженнях, доставці ліків, розробці нових матеріалів. 

Наші дослідження в супрамолекулярній хімії базуються на здатності зв’язувати та зберігати певні молекули в супрамолекулярному комплексі з подальшим їх вивільненням у бажаних умовах. Зокрема, нами розроблено нові агропрепарати на основі супрамолекулярних комплексів 1-метилциклопропену для обробки фруктів з метою збільшення терміну їх зберігання. На сьогодні на ринок України виведено два препарати «Оберіг^PRO» і «Оберіг^LIGHT».

У тісній співпраці з іншими відділами розроблено прототип тест-системи Lepto-RT-PCR, яка призначена для виявлення ДНК патогенних штамів Leptospira spp. за допомогою полімеразної ланцюгової реакції в реальному часі (з використанням інтеркалюючого барвника Krystal Green). Доведено здатність прототипу Lepto-RT-PCR виявляти в реакції до 100 геномних еквівалентів.