Путешествие в мир азота: чем уникален этот элемент и как его изучают в лаборатории? Интервью с химиком Леонидом Ферштатом из ИОХ РАН

В Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ) РАН синтезируют новые соединения на основе азота и кислорода — вещества с большим запасом энергии, которые могут использоваться в материалах для будущих космических миссий, а также компоненты лекарств, гетероциклические ионные жидкости (так называемые жидкие соли) и многое другое. Эту работу возглавляет руководитель лаборатории азотсодержащих соединений ИОХ РАН лауреат премии «ВЫЗОВ» за 2024 г. Леонид Леонидович Ферштат. Мы поговорили с известным ученым о том, чем уникален азот и какую пользу могут принести химические соединения на его основе.

Справка: Леонид Леонидович Ферштат ― химик-органик, доктор химических наук, заведующий лабораторией азотсодержащих соединений Института органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ) РАН, профессор базовой кафедры ИОХ РАН на факультете химии Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», лауреат премии «ВЫЗОВ» за 2024 г. в номинации «Перспектива». Премия «ВЫЗОВ» вручена за передовые исследования в области создания органических функциональных материалов многоцелевого назначения на основе высокоазотных молекулярных архитектур.

― Чем интересен азот?

― Это потрясающий химический элемент, который окружает нас повсюду. Азот входит в состав ДНК, РНК, белков и аминокислот, из которых состоят эти белки. Воздух, которым мы дышим, более чем на 75% состоит из этого газа. На основе различных его комбинаций в молекулах мы можем получать разнообразные фармакологические препараты и новые материалы. Недавно в одном из медицинских обзоров я увидел интересную информацию: ученые провели анализ молекулярной структуры существующих лекарственных препаратов, и оказалось, что не менее 60% лекарств, которые мы с вами можем купить в аптеке, имеют в своем составе азот! На мой взгляд, этот факт дополнительно подчеркивает важность этого химического элемента в нашей жизни.

― Что представляет собой круговорот азота в природе?

― Нам очень повезло, что земная атмосфера состоит преимущественно из молекулярного азота, ведь если бы она содержала только кислород, мы бы просто сгорели. Разбавляя воздух, азот спасает нас от солнечных ожогов. Атмосферный азот фиксируется определенными бактериями и синезелеными водорослями: они насыщают этим химическим элементом почву, где он трансформируется в свои производные ― нитриты, нитраты и др., ― превращаясь в пищу для растений. Этими растениями питаются травоядные животные, которые затем сами становятся пищей для хищников. Продукты жизнедеятельности растений и животных попадают в окружающую среду, азот снова возвращается в почву, а затем ― опять в атмосферу.

― Какова роль азота в сельском хозяйстве?

― Она колоссальна. Если бы азота и удобрений на его основе не существовало, мы бы не смогли так успешно развить сельское хозяйство, будь то посевные культуры или животноводство.

― В то же время из-за сельскохозяйственной деятельности баланс азота в атмосфере меняется: его становится меньше. Какие решения здесь могут быть полезны с точки зрения химии?

― Отчасти это так, и даже несмотря на то, что азота в природе много, его количество постепенно уменьшается из-за возрастающей эмиссии парниковых газов (метана, углекислого и угарного газов) и углеродсодержащих газообразных продуктов жизнедеятельности различных организмов. Существуют разные способы восполнить дефицит азота в атмосфере. Возможно, вы слышали о декарбонизации различных производств — сокращении углеродного следа, то есть выбросов углеродосодержащих веществ. В этой области мне как химику представляется перспективным следующее решение: можно заменить часть углеродных материалов и ресурсов на азотсодержащие. Такие соединения состоят преимущественно из атомов азота, а значит, при их конверсии и утилизации именно азот, а не углекислый газ, будет попадать в атмосферу, тем самым выравнивая дисбаланс и одновременно уменьшая углеродный след. Такую технологию вполне можно назвать зеленой.

― Вы создаете азотсодержащие соединения в лабораторных условиях. Где вы берете азот и что с ним происходит дальше?

― В своих исследованиях мы стараемся использовать максимально доступные азотсодержащие производные, в основном продукты крупнотоннажного химического синтеза, такие как нитрит натрия, азотную кислоту и др., то есть базовые реагенты, без которых не могут обойтись ни химическая промышленность, ни сельское хозяйство, ни какие-то другие, более тонкие материаловедческие сферы. Мы занимаемся по большей части фундаментальными исследованиями и разрабатываем методы получения преимущественно гетероциклических азотсодержащих соединений.

Наша главная задача ― создавать методы синтеза новых интересных веществ на основе азота и кислорода.

Получив новое химическое соединение и убедившись, что оно соответствует ожидаемой молекулярной структуре, мы продолжаем свои исследования, чтобы понять, какими свойствами могут обладать подобные вещества. Таким образом, мы можем получить фармакологически активные компоненты, которые в будущем лягут в основу новых лекарств, или, например, синтезировать соединения для конструирования новых энергонасыщенных материалов.

― Чем могут быть полезны такие материалы?

― У них достаточно широкая сфера применения. За счет того, что такие материалы в основном состоят из атомов азота и кислорода (а углерода в них мало), они способны запасать в себе достаточно большое количество химической энергии. С помощью добавления в их состав других молекулярных группировок мы можем создавать потенциальные компоненты топлива, в том числе для аэрокосмической отрасли, например для освоения Марса.

Используя разные комбинации молекул, можно также получать перспективные материалы для горнодобывающей отрасли, что позволит снизить риск техногенных катастроф в этой сфере. Не секрет, что работа в горнодобывающей отрасли связана с высокими рисками.

Помимо того что разрабатываемые нами материалы содержат много энергии, они еще и достаточно безопасны при хранении, транспортировке и утилизации. Все это позволяет увеличить профиль безопасности на производстве, сохранив при этом необходимую энергию. В заключение отмечу еще одно перспективное применение наших энергонасыщенных материалов, которое может показаться неожиданным. Речь о наполнителях автомобильных подушек безопасности: в нашем случае таким наполнителем может быть полиазотный материал.

― А что сейчас используют в подушках безопасности?

― В основном азид натрия ― стандартный дешевый неорганический реагент, состоящий из трех атомов азота и одного атома натрия. Он достаточно токсичен и, хоть риск и невелик, в случае утечки может представлять опасность для человека. В то же время азотсодержащие материалы нетоксичны и позволяют избежать отравления.

― Как много научных групп в мире занимаются теми же исследованиями, что и вы?

― Тем и интересна наука, что очень часто нам в лаборатории удается сделать то, что еще никому не удавалось. Это дает мощный стимул развиваться дальше и вкладывать еще больше сил и времени в работу. Хотя… Это даже не совсем работа, а скорее нечто среднее между работой и хобби.

― И искусством.

― Так и есть. В процессе работы нам все время приходится задействовать свои творческое мышление и воображение, мы должны уметь подходить к решению разных задач с самых неожиданных сторон. Такая деятельность всегда поддерживает мозг в тонусе. Очень помогает, конечно, и интенсивное общение с коллегами из других лабораторий и институтов. Важно не замыкаться в своем «микромире». Иногда в процессе общения или самостоятельного изучения информации по теме мы узнаем, что научные группы в лабораториях других стран работают в похожем направлении. Так что, с одной стороны, мы коллеги, а с другой ― научные конкуренты, которые, грубо говоря, наступают друг другу на пятки. Поэтому каждый старается как можно быстрее справиться с решением той или иной задачи.

― Вы сказали, что в работе ученого важно смотреть на разные вопросы с непривычной, неожиданной стороны. Что помогает лично вам выработать такой подход?

― Занятия наукой предполагают очень сильную вовлеченность: исследования, руководство студентами и аспирантами, поездки на конференции и т.д. Имея так много дел, иной раз очень сложно отвлечься и подумать о чем-то другом, но на самом деле периодически проветривать голову крайне полезно. Можно развеяться, играя в сквош или шахматы, например, или просто посмотреть какие-то сериалы совместно с друзьями. Если я беру двухнедельный отпуск, то уже к концу первой недели у меня обычно начинается то, что называют рабочим зудом, и это не позволяет продолжать отдыхать: появляются новые силы и хочется скорее браться за науку. Подытоживая, я бы сказал, что очень важно соблюдать баланс между работой и другими сферами жизни.

― Вернемся к азоту. Есть очень популярная молекула под названием «оксид азота» (NO). Говорят, что она продлевает молодость и помогает бороться с самыми разными заболеваниями. Это действительно так?

― У азота много разных оксидов, но молекула NO, состоящая в отличие от других оксидов всего из двух атомов, действительно играет колоссальную роль в нашей жизни. Выполняя сигнальные функции, она отвечает за многие физиологические процессы в организме человека: расширение сосудов и противодействие образованию тромбов в них, регуляцию давления, передачу нервных импульсов между различными нейронами, заживление ран и не только.

Есть ряд исследований, показавших, что оксид азота обладает также определенной пролиферативной активностью, то есть может ингибировать рост раковых опухолей и препятствовать развитию этого грозного заболевания.

Мы разработали большую библиотеку кислород- и азотсодержащих соединений (в том числе и NO), которые в отличие от существующих аналогов доноров оксида азота, например нитроглицерина, обладают улучшенным фармакологическим профилем, в том числе отсутствием побочных эффектов. При этом по своей способности донировать оксид азота они превосходят нитроглицерин. Но, конечно, все хорошо в меру, и, как говорил Парацельс, любое вещество может стать ядом — все зависит лишь от дозировки. В целом NO представляется мне весьма перспективным фармакологическим кандидатом для нового поколения лекарственных препаратов.

― А что насчет продления молодости?

― На этот вопрос более полно смогли бы ответить геронтологи, но со своей стороны как химик могу снова подчеркнуть, что оксид азота способствует расширению гладкой мускулатуры сосудов и может убивать различные опухоли в организме человека.

Первая стадия рака часто протекает незаметно, и человек даже не подозревает о том, что болен. Если на этой стадии в игру вступает оксид азота, он так же незаметно для самого больного может уничтожить злокачественную опухоль.

Возможно, за счет того, что оксид азота обладает определенными противовоспалительными функциями, он способен губить образование каких-то ненужных свободных радикалов. По сути, он и сам представляет собой радикальную частицу, так как у него есть неспаренный электрон. Все перечисленное может опосредованно влиять на продление молодости. Будем надеяться, что дальнейшие исследования позволят пролить свет на этот вопрос.

― Вы посвятили изучению азота многие годы, но, может быть, в периодической таблице Д.И. Менделеева есть еще какой-то элемент, который лично вам кажется крайне необычным и интересным?

― На периодической таблице зиждется вся химия, и, конечно, в ней можно найти много интересного и неизведанного. Мы только недавно смогли закрыть последний период таблицы, когда был синтезирован новый 118-й химический элемент под названием «оганесон». Это осуществилось благодаря нашему выдающемуся соотечественнику академику Юрию Цолаковичу Оганесяну и стало большой победой для России и всего мира. Что касается лично меня, то я в основном сосредоточен на исследованиях, связанных с органической химией. Еще со студенческих лет я начал заниматься химией азотсодержащих соединений, поэтому мне наиболее близки элементы верхних периодов таблицы, особенно азот, углерод и кислород. С точки зрения генетических связей, например, большой интерес представляют также фосфор и его производные. Этот химический элемент входит в состав ДНК, но также и в состав различных пиротехнических веществ. Возможно, это прозвучит банально, но мне также очень нравится кислород, не только потому, что мы дышим им, но и потому, что на основе этого элемента тоже можно получать энергонасыщенные и фармакологически активные субстанции. Кроме того, мы все состоим в том числе из кислорода, так что этот химический элемент играет в нашей жизни не менее фундаментальную роль, чем азот. 

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ