«Работа ученого-химика напоминает сборку конструктора»

В Москве состоялась вторая церемония вручения национальной премии в области будущих технологий «Вызов». «Ъ-Наука» поговорил с Леонидом Ферштатом, лауреатом премии, победившим в номинации «Перспектива», о том, как ученые помогают в создании лекарств, почему важно соблюдать принципы зеленой химии и зачем думать о создании гибридных материалов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Ваши исследования направлены на создание новых химических гетероциклических азотсодержащих соединений. Что такое гетероциклические соединения и зачем они нужны?

— Из школьного курса химии мы все знаем, что раздел органической химии посвящен структуре и свойствам соединений углерода. Атомы углерода соединяются между собой и с некоторыми другими химическими элементами, формируя молекулы органических соединений. Эти молекулы могут быть устроены по-разному: в виде цепочек разной длины, разветвленных сетей или же в виде циклов. И вот те органические соединения, молекулы которых включают циклические фрагменты, состоящие не только из атомов углерода, но и атомов других химических элементов (например, азота), называются гетероциклическими.

По своей природе гетероциклы бывают очень разнообразны. Они отличаются не только набором атомов, включенных в цикл, но и самим размером цикла. В органических соединениях живой природы, как правило, встречаются пяти- и шестичленные гетероциклы, однако химики-синтетики сейчас умеют получать в колбе колоссальное разнообразие гетероциклических структур. Важно понимать, что гетероциклы, особенно азотсодержащие, являются важной и неотъемлемой частью человеческой жизни. Гетероциклы входят в состав наших ДНК, служат платформой для получения огромного количества лекарственных средств, являются основой многих материалов. Думаю, что не преувеличу, если скажу, что гетероциклы окружают нас везде и всюду, поэтому очень важно заниматься исследованиями в этой области.

— С помощью каких технологий можно получить новые материалы на основе этих соединений?

— Синтезируемые нами вещества являются основой создания новых функциональных материалов. С одной стороны, эти вещества можно смешивать с другими технологичными компонентами химической природы (пластификаторами, связующими и т. д.), что служит фундаментом получения новых видов топлива. С другой стороны, имея обширную библиотеку высокоазотных и азотно-кислородных гетероциклов, мы сейчас задумываемся о создании гибридных материалов: веществ смешанной, органо-неорганической природы, которые могут содержать большие запасы энергии и при этом быть очень термостойкими. В данный момент мы прорабатываем подходы по нанесению некоторых наших органических соединений на неорганическую подложку (оксид графита) и планируем получить те самые гибридные материалы, которые будут обладать синергизмом свойств обоих компонентов. Надеюсь, в недалеком будущем мы сможем сообщить о своих успехах в этом направлении.

— В результате получаются материалы с высокой плотностью энергии и с нужными физико-химическими свойствами, в основном для горнодобывающих и аэрокосмических отраслей. Как ученые добавляют новые свойства материалам?

— На самом деле работа ученого-химика в данном случае напоминает сборку конструктора. Мы стараемся на атомарном уровне «подкрутить» молекулу, ввести какие-то фрагменты, которые позволят придать нужные свойства целевому материалу. Тут важно помнить, что все свойства веществ и материалов зависят напрямую от их молекулярного строения. Поэтому очень важно разрабатывать новые и совершенствовать уже существующие методологии синтеза гетероциклических соединений, которые и служат основой для получения новых материалов для горнодобывающих и аэрокосмических отраслей. Однако в нашем случае такая модификация органических соединений весьма нетривиальна. Наши вещества состоят по большей части из атомов азота и кислорода, что позволяет им запасать достаточно большое количество энергии. Именно поэтому зачастую весьма сложно провести какую-то направленную модификацию таких соединений: очень многие классические подходы органической химии оказываются тут неэффективны. Как правило, много времени и сил уходит на подбор условий реакции, на оптимизацию синтетического метода, чтобы вещество в итоге получилось. Таким образом, мы закладываем и совершенствуем фундаментальные основы молекулярной сборки материалов с высоким содержанием азота и кислорода, что и позволяет нам настраивать их физико-химические свойства.

— Также ваша работа направлена на создание новых лекарственных препаратов на основе азотно-кислородных гетероциклических структур. Почему было выбрано именно это направление исследований? Чем уникальны азотно-кислородные соединения?

— Часть наших исследований относится к традиционному направлению лаборатории, которая была создана в Институте органической химии в далеком 1962 году. В 1980–1990-е годы стало известно, что некоторые азотно-кислородные гетероциклы обладают способностью выступать в качестве доноров оксида азота (II) NO. Эта маленькая молекула, состоящая всего из двух атомов, является сигнальной молекулой в организмах млекопитающих и отвечает за целый ряд важных физиологических процессов: сокращение мышц, передачу нервных импульсов, сокращение стенок сосудов и т. д. Разумеется, люди могут страдать некоторыми недугами, связанными именно с нарушением способности генерировать NO в организме. Поэтому важно создавать новые препараты, которые могут обладать сосудорасширяющими и тромболитическими свойствами. Самый известный на сегодняшний день препарат в этом ряду — нитроглицерин — обладает рядом серьезных побочных эффектов и может вызывать развитие толерантности. Те азотно-кислородные соединения, которые получаем мы, лишены этих недостатков, и мы рассчитываем, что наши исследования позволят в будущем создать новые лекарственные средства, способные превзойти целый ряд болезней.

— Где еще могут применяться созданные учеными органические функциональные материалы на основе высокоазотных молекулярных соединений?

— Область применения таких материалов достаточно обширна. Например, известно, что на основе высокоазотных гетероциклов можно получать стабильные гетероциклические радикалы — вещества с открытой электронной оболочкой, то есть содержащие как минимум один неспаренный электрон. За счет такого электронного строения гетероциклические радикалы могут проявлять ферромагнитные или антиферромагнитные свойства, выступать в качестве компонентов молекулярных магнетиков, применяться для получения устройств хранения информации. Отдельно стоит отметить важность высокоазотных гетероциклов для агрохимии: на их основе можно получать новые безопасные фунгициды и ускорители роста семян. Таким образом, высокоазотные гетероциклы могут являться не только компонентами функциональных материалов, но и применяться для нужд сельского хозяйства и его интенсификации.

— Как вы относитесь к зеленой химии? Соблюдаете ли вы эти принципы в своей работе?

— На самом деле, зеленая химия — достаточно важная и отчасти самостоятельная область современной химии. Многие химики по всему миру работают в этой области и стараются проводить исследования в соответствии с 12 основными принципами зеленой химии. Это действительно важно, поскольку зеленая химия позволяет проводить необходимые передовые исследования, обеспечивая устойчивое развитие нашего общества. По возможности мы стараемся соблюдать эти принципы, хотя, конечно, часть тех химических реакций, что мы проводим, связана с использованием некоторых агрессивных реагентов. Однако в последние годы мы начали новое для нашей лаборатории направление, посвященное использованию органической электрохимии для синтеза азотно-кислородных гетероциклов. Суть этого направления заключается в том, что мы стараемся использовать в химических реакциях электрический ток в качестве экологически безопасного окислителя. Электричество — доступный и дешевый ресурс, а химические окислители — это, как правило, наиболее токсичные вещества в химии. Заменяя токсичные окислители на электрический ток, мы не только значительно удешевляем процесс синтеза, но и нивелируем вредный эффект для окружающей среды.

Подготовлено при поддержке премии «Вызов»