«Ставьте значимые цели и проявляйте упорство в их достижении»: интервью с Виктором Михайловичем Чернышевым, профессором РАН, директором центра коллективного пользования «Нанотехнологии» ЮРГПУ

ИОХ РАН посетил Виктор Михайлович Чернышев – д.х.н, профессор РАН, директор ЦКП «Нанотехнологии» Южно-Российского государственного политехнического университета. Его исследования тесно переплетены с научными направлениями, развиваемыми в ИОХ РАН, а в ЮРГПУ успешно функционирует возглавляемая Виктором Михайловичем группа Научной школы В.П. Ананикова.

Как химия стала любовью на всю жизнь? Каковы совместные проекты у ЮРГПУ и ИОХ РАН? Какие новые типы лигандов планируют создать? Рассказал Виктор Михайлович в интервью.

Каким образом Вы пришли к выбору своей научной деятельности? Как попали в химию?

Химия – моя любовь с детства. Когда я учился в 5 классе, это были советские годы, мы в школе выгружали макулатуру в грузовик во время летней практики. Во дворе школы стоял гараж со списанными книгами, там я наткнулся на учебник для втузов по химии и начал его листать. Учитель сказал, что если что-то понравится, то можете забрать себе. Эта книга показалась мне очень интересной, и я ее забрал. Я читал ее как приключенческий роман.

Мне всегда хотелось не просто читать, но и что-то сделать. Представьте себе гвоздь – твердый, металлический, им можно прибить что-то прочное. Вы его опускаете в кислоту, и он растворяется. Сейчас для меня это совершенно обычный процесс. А когда я был ребенком, мне это казалось чем-то сродни волшебству. Меня это очень сильно увлекло. Мальчишками нам хотелось всегда что-то попробовать.

Вначале мы начали экспериментировать просто в гараже у меня или у моего друга, потом началась химия в 7 классе. Мы попросили нашу учительницу проводить эксперименты в школьной лаборатории, и скоро она стала местом, в котором я проводил значительную часть времени после уроков. В лаборатории при этом иногда случались задымления и хлопки, но все обошлось. Мы делали безумные вещи. Из серы получали серную кислоту, получали газообразный водород в таких количествах, что на 8 марта всем девочкам в нашем классе дарили шарики, надутые водородом. Синтезировали различные вещества, в том числе органические.

В общем, химия – это любовь с первого взгляда. Когда я школу заканчивал, у меня не было никаких проблем с выбором профессии. Единственное, о чем я задумывался, каким именно химиком я хочу стать. При поступлении в Новочеркасский политехнический институт я выбрал специальность, которая показалась мне наиболее перспективной – технологию органических веществ.

Чему посвящены Ваши научные исследования?

До этого я занимался химией высокоазотистых гетероциклов. Примерно в 2013 году, во время конференции, я познакомился с Валентином Павловичем Ананиковым. Он очень увлек идеей металлокомплексного катализа, особенно предложением использовать гетероциклические вещества, которые мы тогда синтезировали в Новочеркасске, для металлокомплексного катализа, прежде всего, в качестве предшественников N-гетероциклических карбенов (NHC). Гетероциклические карбены – это очень перспективные лиганды для металлокомплексного катализа. Мы ими занялись с большим энтузиазмом, поскольку и я, и люди, которые меня окружали в Новочеркасске, в основном занимались гетероциклами.

Мы вошли в металлокомплексный катализ как абсолютные дилетанты, но зато у нас был свежий взгляд, который иногда сильно отличался от взглядов профессионалов, занимающихся металлокомплексным катализом. 

Мы смотрели на металлокомплексные катализаторы, т.е. комплексы металлов с гетероциклическими карбенами, как на гетероциклы, в которых металл – это, по сути, функциональная группа, участвующая в различных реакциях. И нам было очень интересно, а что происходит с гетероциклической частью катализатора в процессе катализа. Довольно быстро мы обнаружили, что многие комплексы металлов с гетероциклическими карбенами, которые считались высокостабильными катализаторами, очень легко разлагаются в процессе каталитических превращений.

Мы начали этим заниматься в 2014 году, а первая совместная статья с Валентином Павловичем вышла в 2015 году, где мы показали, что связь гетероциклического карбена с никелем(II) может очень быстро разрушаться под действием воды. Для многих специалистов в области металлорганической химии это не кажется удивительным, но на тот момент многие каталитики считали комплексы гетероциклических карбенов с никелем(II) весьма стабильными, и при использовании таких комплексов для катализа не учитывали, что даже следы воды в растворителе могут быстро разрушать их.

Далее, совместно с учеными ИОХ РАН, у нас вышла целая серия работ, где мы изучали, как влияют реагенты, применяющиеся во многих металл-катализируемых реакциях, на стабильность связи металл-лиганд, а также как распад комплексов влияет на механизмы каталитических превращений. Выяснили, что во многих реакциях, которые, как считалось, катализируются молекулярными комплексами металлов с гетероциклическими карбенами, истинными катализаторами являются продукты разложения этих комплексов. Обнаружили ряд новых реакций восстановительного элиминирования карбеновых лигандов из комплексов металлов и показали, что некоторые из этих реакций могут существенно влиять на работу каталитических систем.

Стабильность связи металл-лиганд часто очень важна для катализа. Например, в реакциях с участием таких реагентов, как арилхлориды, комплексы, в которых связь палладия с карбеновым лигандом легко разрывается, обычно непригодны в качестве катализаторов. Как можно стабилизировать связь металл-карбен? Для этого используются разные приемы. Но у нас возникла идея, что можно не только стабилизировать эту связь, но и управлять каталитическими свойствами металлокомплексных катализаторов, если в определенных условиях целенаправленно изменять заряд на лиганде. Например, сообщить лиганду отрицательный заряд или, наоборот, положительный. Так у нас возник совместный с ИОХом проект по изучению влияния заряда, локализованного на карбеновых и других лигандах, на свойства каталитических систем.

Как возник этот проект?

Мы обнаружили, что в комплексах палладия некоторые карбеновые лиганды, которые содержат аминогруппу, амидную группу и некоторые другие группы, в высокооснованных средах могут претерпевать ионизацию за счет отрыва протона под действием основания. При этом у лиганда появляется отрицательный заряд. Казалось бы, а что в этом особенного? Так вот, мы обнаружили, что стабильность комплексов палладия с этими лигандами возрастает в десятки раз. Если комплексы с аналогичными по структуре лигандами, но не имеющими ионизирующихся групп, при нагревании в растворе со щелочью полностью разлагаются в течение нескольких минут или часов, то комплексы с ионизирующимися лигандами «живут» иногда несколько дней. В 2021 году мы, совместно с коллегами из ИОХа, опубликовали первую статью об этом явлении. В ней мы впервые показали очень сильное влияние отрицательного заряда в карбеновых лигандах, производных 1,2,4-триазола, на стабильность связи палладий-NHC в присутствии сильных оснований.

Но комплексы, которые мы тогда изучали, хоть и катализировали многие реакции, но, к сожалению, оказались непригодны для катализа реакций деактивированных электрофилов, например, таких востребованных реагентов, как арилхлориды. Поэтому мы решили исследовать взаимное влияние заряда и пространственной структуры новых лигандов и, совместно с ИОХ, подали заявку на получение гранта РНФ. Проект получил поддержку Фонда и реализуется с привлечением центра коллективного пользования ИОХа. Первым значимым результатом стала разработка новых, в каталитическом плане существенно более эффективных ионизирующихся карбеновых лигандов и их комплексов с палладием. Этот результат опубликован в нашей совместной статье «Base-Ionizable Anionic NHC Ligands in Pd-catalyzed Reactions of Aryl Chlorides», которая вышла в 2023 году в журнале ChemCatChem. В ней мы показали, что комбинация отрицательного заряда и специфических пространственных характеристик лиганда позволяет весьма эффективно катализировать реакции кросс-сочетания с участием деактивированных арилхлоридов. Ионизация таких лигандов в присутствии оснований существенно снижает активационный барьер стадии окислительного присоединения, хотя и повышает барьер восстановительного элиминирования, что для некоторых реакций может являться проблемой. Поэтому заряд на лиганде может оказывать как ускоряющее, так и тормозящее влияние на разные каталитические реакции, и эти вопросы требуют изучения.

У нас совместный с ИОХ РАН проект по созданию новых типов лигандов, которые могут управляемо менять свой заряд в процессе катализа. Мы планируем системно исследовать влияние заряда и пространственных характеристик лиганда на каталитические характеристики комплексов палладия, никеля и других металлов в различных реакциях. Будем искать новые типы лигандов, в основном планируем это делать на базе различных гетероциклических соединений. У новочеркасской группы достаточно большой опыт работы в химии гетероциклических соединений, у московской группы – в области металлокомплексного катализа. Эта коллаборация может быть очень эффективной, в том плане, что мы соединяем опыт химиков-гетероциклистов и каталитиков. Надеемся создать новые типы высокоэффективных лигандов для металлокомплексного катализа и получить фундаментальные знания о влиянии заряда (как отрицательного, так и положительного), пространственных и других особенностей лигандов на катализ. Надеемся, что нам удастся обнаружить принципиально новые закономерности и использовать их для решения практически важных задач.

Мы реализуем и другие научные направления в совместных исследованиях с ИОХ РАН – это и химия фурановых соединений, получаемых из растительного сырья, и проблемы динамического катализа, коктейлевые системы, фотокатализ.

С какими трудностями вы сталкиваетесь?

Мы, как и многие другие химики, сейчас испытываем проблемы с обеспечением реактивами и научным оборудованием. Во многом проблемы с оборудованием удается решить благодаря сотрудничеству между ЮРГПУ и ИОХ РАН. Наш проект РНФ реализуется на базе ЦКП ИОХ РАН, а в ИОХе прекрасная приборная база. Институт очень эффективно помогает нам решать довольно сложные аналитические задачи, требующие привлечения специфического дорогостоящего оборудования, которое сложно найти в регионах. Кроме того, здесь очень высококвалифицированные кадры. Это сотрудничество для нас очень важно. Оно позволяет существенно повысить уровень научных результатов и публикаций, что, естественно, очень важно для современного ученого. Регулярно наши аспиранты и молодые научные сотрудники приезжают в ИОХ, выполняют здесь свои эксперименты, принимают участие в научных семинарах, проходят стажировки. Хочу также отметить, что в нашем университете функционирует базовая кафедра Института органической химии, которая позволяет повышать уровень подготовки студентов старших курсов, магистрантов и аспирантов. Есть также интерес со стороны химиков из Южного федерального университета в сотрудничестве с ИОХ РАН и ЮРГПУ. Мы надеемся развивать совместные исследования в области катализа и очень благодарны Институту органической химии за сотрудничество.

Что Вас вдохновляет в работе ученого?

Во-первых, если удается решить научную проблему, или, хотя бы, сделать значимый шаг на пути к ее решению, это вызывает огромный прилив радости и энергии.

Во-вторых, получение нового знания, когда узнаешь или понимаешь какие-то закономерности, которые раньше было трудно объяснить. Например, многие считали, что некоторые реакции катализируются молекулярными комплексами гетероциклических карбенов с металлом и считали, что чем прочнее будет комплекс, тем эффективнее будет катализ. Но многие стабильные комплексы являлись плохими катализаторами в этих реакциях, что было непонятно. А оказалось, что в действительности эти реакции катализируются продуктами распада комплексов, и чем менее устойчив комплекс, тем более эффективен он как катализатор. Когда ученый находит ответы на то, что ранее было необъяснимо, это приносит ему новое вдохновение и желание ставить себе более сложные задачи.

В-третьих, очень сильно вдохновляет общение с другими учеными, с выдающимися людьми. Например, в ИОХе много таких людей, высока их плотность. Это не обязательно академики, это совсем молодые люди – научные сотрудники, аспиранты и студенты. Я здесь в своей среде, мне очень комфортно и интересно. Здесь у меня общие ценности, мы обмениваемся идеями, и это очень сильно мотивирует.

Какие советы Вы бы дали молодым ученым, желающим начать свой научный путь?

1. Не бояться сложностей. Наверное, это то, что я и себе хочу все время советовать. Когда становишься старше, сложностей, иногда, боишься больше.
2. Ставить перед собой амбициозные цели и проявлять упорство в их достижении. Человек, который такие цели ставит и системно добивается их достижения, он существенно выше продвигается и становится успешным. И в плане научных результатов, и в плане научной карьеры. Не бойтесь повышать планку.