Эти непростые простые химические реакции

В лаборатории кластерного катализа СПбГУ под руководством члена- корреспондента РАН профессора Валентина Ананикова разрабатывают методы, с помощью которых можно будет получать новые биологически активные соединения и новые лекарственные препараты. Задачи, на решение кото- рых они замахнулись, весьма амбициозны. В гонке участвуют тыся- чи конкурентов, соперники из других лабораторий дышат в затылок… А победитель, как и на олимпиаде, только один.

НОВАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

Лаборатория кластерного катализа открыта на средства крупного гранта СПбГУ (см. журнал «Санкт-Петербургский университет», № 1, февраль, 2014, с. 40–44). Руководитель лаборатории констатирует: это первый случай в его практике, когда профессор не становил- ся прорабом! Как правило, в нашей стране руководитель лаборатории сам должен зани- маться и ремонтом, и поиском средств на него. Но, выиграв грант СПбГУ, он просто дал техническое задание университетским службам (сообщил, какие ему нужны площади, химическое оборудование, лабораторная посуда, реактивы, мебель, компьютеры и т.п., нарисовал чертеж лаборатории). «Результаты конкурса грантов СПбГУ были объявлены в начале октября 2013 года. А в конце ноября у нас уже была полно- стью отремонтированная и оборудованная лаборатория, зачислены первые сотрудники. Начальный этап был сжат до минимума. И мы сразу начали эксперименты!» — вспоминает Валентин Анаников.

Все сотрудники лабора- тории приехали в Санкт- Петербург из других регионов: из Москвы, Ростова, Кирова, Нижнего Новгорода и даже Ли- верпуля. По мнению руководи теля, возможность активного привлечения опытных иссле- дователей из других научно-образовательных организаций очень важна для успешного развития мультидисциплинар- ного научного проекта на стыке нескольких направлений.

НОВАЯ ЦЕЛЬ

Простые химические реакции и лекарства будущего. Как они связаны? Кажется, любой может погреть что-нибудь в колбочке, устроить «водяную баню» и провести несложную химическую реакцию...

«Большинство лекарственных препаратов сделаны из обычных органических молекул. И все они — доступные химические вещества, которые получаются методами тонкого органического синтеза. Химики-ор- ганики с помощью катализа из фрагментов молекул, как картинку из отдельных пазлов, собирают сложные структуры, вещества с заданными свойствами, — объяснил Валентин Анаников. — Но чтобы сделать один лекарственный препарат, нужно протестировать тыся- чи химических соединений! Этим занимаются биохимики, медики и фармацевты. От нас, химиков, они хотят получить методы, с помощью которых смогут синтезировать сложные молекулы — быстро, эффектив- но и дешево». Из курса школьной про- граммы многие знают, что катализаторы — это вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но сами при этом не расходуются. Имея граммы катализатора, можно получить тонны продукта. Сегодня почти все методы синтеза в органической химии — каталитические, они экономически эффективны.

Цель лаборатории кластер- ного катализа — создать новые катализаторы под конкретные задачи: для получения биоло- гически активных химических соединений, которые, возмож- но, станут лекарственными препаратами. Доказать, что соз- данный образец работает тре- буемым образом, определить его характеристики. А затем с его помощью будут получать нужные соединения. Химики в группе Валенти- на Ананикова — не теоретики, а экспериментаторы. Они ставят реакции, выделяют требуе- мые вещества. И новые методы ищут в процессе эксперимента. Они должны понять: как раз- работать новый катализатор и как создать новую синтети- ческую методику. В том числе решить сугубо практические вопросы — какие исходные вещества брать, в какой пропор- ции их смешивать, до какой температуры нагревать, как потом их выделять, стабилизи- ровать, очищать. Современная органическая химия — это сложная экспериментальная наука, в которой сочетаются накопленные за два столетия фундаментальные научные знания и новейшие технологии.

НОВЫЕ МЕТОДЫ
Для каких именно реакций искать катализаторы, химикам уже известно. Биохимики, фар- мацевты, медики постоянно проводят исследования и опре- деляют классы химических соединений, которые могут рассматриваться как лекар- ственные препараты. Нередко процесс выглядит так: сначала находят требуемые соедине- ния в природном источнике (растения, живые организмы), выделяют миллиграмм этого вещества и выясняют, что у него имеется требуемая биоло- гическая активность. А затем это вещество нужно получать не миллиграммами, а тонна- ми! И химики ищут методы, как дешевле и эффективнее синтезировать то или иное вещество. «Мы смотрим на формулу и понимаем: вот эти два фрагмента можно легко соединить и вот эти — тоже. А как соединить другие фраг- менты, мы не знаем, нет такого метода. Найти его — наша за- дача, — рассказывает Валентин Анаников. — Например, связь углерод-углерод сейчас можно сделать легко, метод для этого известен, а для получения связи углерод-азот универсаль- ного селективного метода не существует! Это сегодня один из современных мировых „че- ленджей“ (вызовов)». Тысячи лабораторий по всему миру бьются над реше- нием этой задачи. Но профессор Валентин Анаников уверен, что за два года (это срок гранта СПбГУ) сможет их опередить! «Каждая из лабораторий пред- лагает свой подход: берут раз- ные реагенты, катализаторы: комплексы железа, палладия, платины или наночастицы… Методов для решения пробле- мы много, — говорит ученый. — По моему опыту, наилуч- шими будут катализаторы на основе кластеров металлов. Эту тематику я и подал в заявке на грант СПбГУ. Кластеры метал- лов — это структуры с тремя или более атомами металлов, между которыми есть взаимо- действие, межатомная связь металл-металл. Для сравнения: наночастицы включают тыся- чи атомов металла, а кластер — только единицы». Обыватели думают, что на- ночастицы — это нечто самое ма-а-хонькое…

Но кластер-то гораздо меньше наночастицы, это субнаноразмер! Почему же кластеры металлов перспек- тивны в качестве катализа- торов? «Хорошо развиты два подхода в катализе: гомоген- ный катализ растворимыми комплексами металлов (в реакции участвуют комплек- сы металлов по отдельности) и гетерогенный (с помощью наночастиц металлов). У каж- дого вида катализаторов свои достоинства и недостатки. Но катализ кластерами метал- лов — новый перспективный подход. До недавнего времени эта пограничная область меж- ду гомогенным и гетерогенным катализом практически не исследовалась. А именно здесь нужно ожидать создания ново- го поколения высокоэффектив- ных катализаторов (активных, селективных, стабильных и регенерируемых), — убежден Валентин Анаников. — Передо- вые исследования последних лет выявили необычную тен- денцию чрезвычайно высокой активности именно кластеров переходных металлов в катали- тических реакциях». У профессора Валентина Ананикова большой опыт: в своей лаборатории Института органической химии РАН он работал и в гомогенном, и в гетерогенном катализе, знает их сильные стороны. В лабора- тории СПбГУ он хочет использо- вать достоинства того и другого метода и избавиться от недо- статков. В новой пограничной области кластерного катализа, уверен он, это возможно.

НОВЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
Возникает вопрос: неужели никто из тысячи лабораторий не сообразил насчет кластеров металлов и почему этим не за- нимались раньше? По словам Валентина Ананикова, то, что область кластерного катализа очень перспективная, ученые понимали давно. Исследовать эти молекулярные системы было нечем. Еще десять лет назад не существовало доступ- ного для этого оборудования, на котором могли бы работать химики. Сегодня все факторы сложились: есть задача, метод и инструменты для решения. «Первая и вторая компоненты были и летом 2013 года, когда я узнал о конкурсе грантов СПбГУ. В Университете я нашел третью составляющую: очень хорошие ресурсные центры, оборудованные на мировом уровне», — рассказал ученый. Валентин Анаников счита- ет, что в научном парке СПбГУ есть все приборы, которые нужны для проведения экс- периментов высокого уровня: высокочувствительные ЯМР- спектрометры с большим арсеналом методик, масс- спектрометры, электронные микроскопы и другие совре- менные приборы. «На оборудо- вании СПбГУ можно изучать кластеры и реакции на ато- марном уровне! Мне нравится, что Университет настроен на прорывной результат — и созда- ет для этого все возможности. Научный парк СПбГУ сегодня лучший в России», — подчерк- нул Валентин Анаников. НОВЫЙ КОЛЛЕКТИВ Сейчас в лаборатории пять со- трудников. Однако это не весь штат, подбор специалистов продолжается. «Мне нужны молодые, активные. Нужны три типа специалистов: в обла- сти органической химии (они делают реакции и получают нужные вещества), в области катализа (они создают новые катализаторы и определяют их характеристики) и те, которые работают на приборах (они будут изучать реакции). При- гласить часть необходимых специалистов можно в рамках программы постдоков, которая реализуется в СПбГУ. В общей сложности мне нужны при- мерно 15 человек, и к концу года планирую набрать такой коллектив», — уверен руково- дитель лаборатории.

ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА БАЛОВА, ПРОФЕССОР, ДИРЕКТОР ИНСТИТУТА ХИМИИ СПбГУ:

«Быстро завершить ор- ганизационный период после открытия новой лаборато- рии кластерного катализа позволила подготовитель- ная работа, проведенная в Институте химии СПбГУ. Учитывая опыт организа- ции в СПбГУ первых лабора- торий ведущих ученых в рамках мегагрантов Пра- вительства РФ, мы сфор- мулировали предложение о создании „центров мобиль- ности“ — заранее отремон- тированных лабораторных и офисных помещений, го- товых к размещению новых научных групп. Для реализации этой идеи и появления первой очереди „центров мобильно- сти“ заведующий кафедрой физической органической химии В. Ю. Кукушкин пред- ложил использовать часть помещений, которые на- ходились в его распоряжении. Оперативная работа по подготовке типовых проек- тов для ремонта лаборато- рий и офисных помещений, выделенные руководством СПбГУ средства на ремонт — вот вкратце и весь секрет успеха. А для возможности расширения лаборатории Валентина Павловича Ана- никова и появления новых лабораторий уже сейчас готова следующая очередь помещений».

Журнал "Санкт-Петербургский университет", №04/2014, стр. 28 — 31