Новая химия: оживить и сделать бесследной

Как увидеть химическую реакцию? Зачем нужно «оживлять» химию? Возможно ли создать лекарства, в которых не будет примесей? Об этом – наш разговор с академиком РАН Валентином Павловичем Ананиковым, заведующим лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН.

– Валентин Павлович, расскажите, пожалуйста, чем вы в своей лаборатории занимаетесь?

– Этот вопрос на первый взгляд очень простой, и, наверное, требует какого-то однозначного и легкого ответа, но современная химическая лаборатория – это структура очень сложная и многопрофильная. В моей лаборатории ведется целый ряд смежных проектов. Как следует из названия, изначально лаборатория создавалась для изучения металлокомплексных и наноразмерных катализаторов, и в центре этих исследований находятся каталитические процессы. Каталитические технологии чрезвычайно важны для человечества. Ориентировочно 70–80% всех химических продуктов, с которыми мы имеем дело, начиная от простых веществ, таких как, красители, материалы, топлива, и заканчивая очень сложными лекарственными препаратами и молекулярными устройствами, сделаны с помощью каталитических реакций. То есть, если у человечества отнять каталитические реакции, оно сразу отбрасывается на несколько столетий назад. Поэтому совершенно очевидно – гонка за новыми катализаторами, более эффективными и более экологичными, будет продолжаться еще долго. В этой гонке мы активно участвуем.

– Каким образом?

– Мы разрабатываем катализаторы на основе простых комплексов металлов, на основе наночастиц металлов, и разрабатываем специализированные катализаторы для масштабирования в химических процессах.

Но сказать, что лаборатория занимается только каталитическими реакциями, будет неправильно. Современная химическая лаборатория должна заниматься несколькими проблемами. У нас активно ведется исследование в области углеродных материалов. Мы создаем носители для катализаторов. Недавно мы обнаружили, что сам носитель проявляет каталитическую реакцию, и неожиданно подошли к известной исторической реакции Зелинского – Бертло. Мы «переоткрыли» этот процесс и вернулись к изучению механизма этой непростой реакции.

Еще одно чрезвычайно интересное направление развития нашей лаборатории, которое все больше и больше становится актуальным, – это попытки увидеть химическую реакцию. При разговорах о химии обычный человек, не сталкивающийся с химической наукой, вспоминает довольно скучные школьные уроки химии, где заставляли заучивать и запоминать формулы.

Такие формулы – это лишь плоское двумерное представление тех трехмерных молекулярных структур, которые имеют место в действительности. Это и есть одна из сложностей, почему химию так сложно понимать. Мы видим своими глазами, как происходят биологические процессы, например, мы видим, как растут организмы, как они размножаются, какие они имеют формы. Но никто не видит химические реакции. У нас есть только косвенные инструменты для их исследований. Мы можем изучать их спектрально, расшифровывать записанные спектры и делать интерпретации. Можем проводить компьютерные расчеты, которые моделируют химические реакции. Но увидеть химическую реакцию на молекулярном уровне своими глазами нельзя. В моей лаборатории мы отрабатываем специальную методологию, как увидеть молекулы и визуализировать химическую реакцию.

– А для чего вы это делаете? Чтобы заинтересовать химией молодежь?

– На этот вопрос есть сразу три ответа. В первую очередь, мы делаем, потому что это интересно. Мы много знаем о молекулах, мы активно их исследуем. Но совершенно не терпится посмотреть, как на самом деле происходит химическая реакция, какой жизнью живут молекулы. Если удастся визуализировать химическую реакцию, то будут получены ответы на все вопросы. Про эту химическую реакцию мы будем знать все.

Второй ответ – исчезнет необходимость в длительных исследованиях. Потому что, как я уже говорил, часто о реакции мы судим по продуктам реакции, по исходным веществам, варьируя условия, измеряя параметры, температуру, давление, растворитель. Мы пытаемся понять, какие факторы на неё влияют. Если мы увидим процесс и проанализируем его напрямую, тогда на порядок сократятся затраты на разработки и исследования в данной области. То есть можно будет делать быстрее эффективные катализаторы, можно будет проще получать продукт.

И третья часть – образовательная. Изучать химию станет намного проще, если люди своими глазами будут видеть, как эти реакции происходят. Тогда отпадет необходимость в абстрактных интерпретациях, которые всем трудно запомнить и зависимость между которыми в реальной жизни не всегда четко очерчена.

– Оживление химии – это и правда интересно. А чем еще вы занимаетесь?

– Наши проекты напрямую примыкают к биологической науке, к биохимии: катализаторы, которые мы разрабатываем, используются для получения сложных биологически активных функционализированных молекул. Таким образом, мы синтезируем вещества для новых поколений лекарственных препаратов, и здесь каталитические реакции чрезвычайно полезны. Огромное количество современных лекарственных препаратов получены с помощью каталитических реакций, в большинстве случаев, на основе палладия. Есть даже такая шутка, что множество современных лекарственных препаратов содержит небольшое количество палладия. Это связано с тем, что палладий действительно используется как катализатор для органического синтеза фармацевтических субстанций.

– Почему именно палладий?

– Палладий – это металл XXI века в том, что касается органического синтеза. Огромное количество каталитических реакций сделано именно с участием палладия. И это чрезвычайно интересная тема – понять, почему палладий оказался настолько удачным, почему именно на этом металле идет большинство интересующих синтетиков химических реакций, и чем его можно заменить.

– А почему его нужно заменять?

– Еще несколько десятилетий назад палладий был относительно дешевым металлом. Сейчас палладий гораздо дороже золота. Сделало его таким дорогим именно применение в качестве катализаторов. Его цена стремительно выросла, потому что он стал нужен человечеству в новых научных технологиях.

– Есть ли какие-то претенденты на замену?

– Здесь ведется активная работа. Ближайший аналог палладия по периодической системе – это никель. Идут активные исследования, как заменить палладий на никель. Как создать такое молекулярное окружение вокруг никеля, чтобы по своим химическим свойствам он мог конкурировать с палладием. Никель – металл чрезвычайно интересный. Он имеет меньший атомный номер по сравнению с палладием, он легче, и он гораздо более реакционно способный. Если проблема с палладием – как увеличить активность катализатора, то проблема с никелем заключается в том, как ограничить его разнообразную каталитическую активность, как сделать так, чтобы меньше реакций одновременно катализировались в химической системе.

Интересна история исследования никелевых катализаторов. Один из первооткрывателей никелевых катализаторов, человек, который много сделал для развития этой области, – это известный ученый Поль Сабатье. Он получил за свои исследования Нобелевскую премию. И у него есть интересная фраза: «Никель – это лихой конь каталитических реакций». По своим свойствам это действительно резвая, плохо управляемая лошадка, которая несется, куда ей хочется. Как сделать реакцию управляемой – вопрос, на который мы упорно ищем ответ. Как сделать ее подконтрольной человеку, как добиться того, чтобы никелевые катализаторы приносили больше пользы?

– Валентин Павлович, вы сказали, что участвуете в разработке лекарств нового поколения. Что это означает?

– Чтобы получить один современный лекарственный препарат, нужно провести скрининг огромного количества всех ближайших аналогов. Нужно исследовать все конформационное и функциональное пространство вокруг. Это тысячи и тысячи соединений. Разрабатываются специальные комбинаторные методы, как генерировать это молекулярное разнообразие, для того чтобы быстрее находить нужные биологически активные соединения.

Мы как раз такие методики отрабатываем, публикуем статьи, разрабатываем каталитические методы. Ученые по всему миру пользуются нашими методами, для того чтобы проводить каталитические реакции и ускорять поиск новых лекарственных средств.

– Есть ли какие-то конкретные разработки на основе вашего метода?

– У нас есть целый ряд каталитических систем кросс-сочетания, когда мы из нескольких фрагментов, очень быстро и аккуратно сшивая их, можем генерировать целые библиотеки химических соединений. Наша лаборатория – одна из первооткрывателей так называемой динамической теории катализа. Если раньше катализатор представлялся как один-единственный активный центр, на котором идет химическая реакция, то мы показали, что этих активных центров в реакции множество, и они разного типа. Каталитическая система представляет собой не просто один катализатор, а целый сложный коктейль катализаторов. То есть одновременно в системе присутствует смесь катализаторов, иногда около полутора десятков. И все они в той или иной степени участвуют в образовании продукта. Такая «коктейлевая» природа резко изменила наше представление об этих каталитических реакциях, особенно о реакциях кросс-сочетания в растворах. Это означает, что нужны новые принципы для дизайна каталитических систем. А самый главный вопрос, который перед нами стоит – как уменьшить загрязнение продуктов реакции остатками и компонентами разложения катализаторов.

– Речь идет о токсичности лекарственных препаратов?

– В том числе. Конечно, все лекарственные препараты тщательно очищаются. Понятно, что никто не хочет, чтобы в организм человека попадал палладий или другие металлы. Но эта очистка очень дорогостоящая, и она существенно влияет на стоимость самого лекарства. Одна из важнейших наших разработок – это попытка сделать катализатор, который не оставляет следа. Так называемы бесследные катализаторы. То есть, катализатор выполнил свою работу, и потом полностью выведен из системы.

– Лекарство, которое не имеет никаких побочных эффектов, не несет никакого вреда, а только пользу? Это же просто мечта.

– Вы верно сказали – это мечта любого химика, врача и пациента. Причем стадия его очистки должна быть дешевая. Можно очищать лекарства стандартными средствами – многостадийная процедура, хроматографические, экстракционные методы, промывание. Но это очень дорого и медленно. Мы должны создать идеальный бесследный катализатор, который отработал, а потом полностью выделен из системы.

– Такое возможно?

– Да, это возможно. Уже сейчас есть катализаторы, которые практически бесследны. Задача состоит в том, чтобы сделать универсальный катализатор, который будет обладать такими свойствами.

– На какой стадии исследования вы находитесь? Скоро ли в аптеках появятся безвредные лекарства?

–У лекарства есть свои собственные побочные эффекты, вызванные его формулой и механизмом действия, и эти эффекты, естественно, никуда не деваются. Они определяются молекулярной структурой вещества. А вот что касается побочного эффекта, который связан с присутствием примесей, – я думаю, что в ближайшие годы этот вопрос будет окончательно решен химиками. Первую статью о динамической природе катализа мы опубликовали в 2012 году. Эту статью сразу по достоинству оценили в мировом научном сообществе. Примерно через пять лет появилась целая серия работ в разных странах, где ученые наблюдали динамические эффекты различных каталитических систем. Сейчас мы уверенно движемся к созданию не оставляющих следов загрязнения каталитических систем. Думаю, что в течение ближайших нескольких лет эта задача будет доведена до практической реализации.

– Замечательно. Какие еще направления вашей работы представляют интерес?

– Есть еще целый ряд направлений. Но я бы хотел отдельно отметить направление, которое связано с ускорением химических реакций и с созданием каталитических систем под действием света. Это так называемые фотохимические, особенно фотокаталитические процессы. Фотокаталитическая химия сейчас переживает новый подъем, второе дыхание. Это связано с тем, что человечество задумывается о полезности и вредности тех или иных реагентов в промышленных процессах. И оказалось, что можно во многом улучшить химические процессы, если некоторые химические реагенты заменить на свет.

– Каким же образом?

– Воздействуя светом определенной длины волны на химическую реакцию, можно заставить ее идти в нужную сторону, ускорить её или просто запустить новый химический процесс. Это направление получило новый импульс, потому что сейчас есть очень мощные, удобные, недорогие источники света – светодиодные излучатели, которые могут излучать на нужной длине волны, выделяя нужный нам спектр. Они активно воздействуют на химическую реакцию, и эти технологии сейчас дешевы и доступны.

– Что вы хотите получить в результате такой работы?

– Речь идет о построении химических реакторов, где бы процесс шел под действием света. Вместо традиционных катализаторов используются специальные вещества-красители (это вещества с яркой, интенсивной окраской, которые поглощают световое излучение), и за счет поглощенной энергии они инициируют целый каскад превращений. Это чрезвычайно интересное направление, его очень любят аспиранты и студенты, поскольку здесь можно собственными руками создать свой химический реактор.

– Иначе говоря, реакция проходит уже не в только в колбе?

– Колба, конечно, остается классическим инструментом в руках химика, и пока человек не подержал в руках колбу с веществом, которое он там синтезировал, называть химиком он себя не может. Но в дополнение к обычным колбам в лабораторию проникают различные футуристичные по дизайну установки. Фотохимические процессы здесь придают специальный «дизайнерский» импульс.

А совсем недавно мы открыли для себя новую возможность, связанную с использованием трехмерной печати. С помощью 3D-принтеров можно печатать из доступных материалов различные объекты, включая химические реакторы. Мы печатаем сами для себя химические реакторы, в которых потом проводим химические реакции. С точки зрения разработок это технология полного цикла.

– Чем в вашем случае хороша 3D-печать?

– Это принципиально новые возможности для химии. Можно на компьютере спроектировать химический реактор, и в короткое время – за день – напечатать его на 3D-принтере. Обычно такой технологический цикл по созданию новых химических реакторов включал в себя стадию дизайна, потом чертеж отправлялся в мастерскую или на завод, где на довольно сложных станках шло создание отдельных частей, деталей. Потом реактор собирался, испытывался, дорабатывался. Этот цикл мог занимать от нескольких месяцев до года. И только потом от чертежа мы доходили до химического реактора. Теперь достаточно сделать чертеж, оцифровать его на компьютере (это автоматическая процедура) – и можно напрямую отправить его на 3D-принтер, который за сутки или меньше сделает готовый к дальнейшим испытаниям химический реактор.

Для тех, кто никогда не сталкивался с 3D-печатью, в это даже трудно поверить. Достаточно один раз увидеть, чтобы убедиться в этом, что конструкция любой внутренней сложности, с большим количеством каналов, протоков, соединителей, может быть напечатана на 3D-принтере слой за слоем. Это действительно чрезвычайно интересный процесс.

– Это просто фантастика. Действительно, сложно поверить в это.

– Химия становится многогранной наукой. Само понятие химии постоянно расширяется. Типичный пример – недавняя Нобелевская премия по химии. Многие химики ворчат, что «снова дали по биологии» и что химики не виноваты в том, что нет отдельной Нобелевской премии по биологии. У меня совершенно другой взгляд на эту ситуацию. Я считаю, что Нобелевский комитет действует правильно. Тем фактом, что Нобелевский комитет отмечает работы по биологии и биохимии, он говорит нам, что это тоже химия.

– Биология – это тоже химия?

– Основу многих биологических процессов составляют химические реакции. Сейчас граница между науками стирается, она очень условна. Она проходит, может быть, в голове у самого человека.

– А что же тогда не химия?

– Всё, на что падает ваш взгляд, даже в данный момент – это химия. Если вы посмотрите вокруг, взгляд в первую очередь упадет на материалы, на конструкции, на пластиковые поверхности, на целлюлозные и металлические материалы – это все продукты химических технологий. Вы можете выйти на улицу, посмотреть на любой предмет, и это тоже химия. Вы везде столкнетесь с материалами, с красителями. Вы можете посмотреть на автомобиль, который покрашен краской, на его стекло или пластик, которое создано как результат химического процесса. Автомобиль потребляет топливо, полученное на химическом заводе. В самом автомобиле есть автомобильные катализаторы – это продукт химических технологий и так далее. Мы говорим о том, что наука решает задачи, которые необходимы для человечества. И особенность ситуации в том, что человечество ставит все более и более сложные задачи. Современную задачу уже не решить с помощью одного какого-то узконаправленного инструмента. Для того чтобы создавать новые материалы, новые устройства, нужно обладать целым спектром инструментов и способностей.