Миллионный вклад. Химики внесли в банк данных рекордный объем информации об органических соединениях
На первый, беглый взгляд — обычный прибор. Но стоит подойти ближе и присмотреться, увидишь внушительный сверхпроводящий магнит и начиненные сложной аппаратурой управляющие блоки. Прибор-айсберг — спектрометр ядерного магнитного резонанса для определения структуры химических соединений (на верхнем снимке). Благодаря его созданию приблизительно 70 лет назад родилось новое направление структурной органической химии — ЯМР-спектроскопия. О значении ее говорит такой факт: за разработку и развитие различных приложений ЯМР-спектроскопии Нобелевскую премию присуждали уже пять раз.
Сегодня этот эффективный и перспективный метод получил толчок для дальнейшего развития благодаря многократному ускорению процесса регистрации спектра и сокращению времени эксперимента. Ученые Института органической химии РАН впервые записали миллионный спектр ядерного магнитного резонанса. Рекордное количество спектров регистрируется начиная с 1998 года. Об этом достижении химиков “Поиск” попросил рассказать директора ИОХ академика Михаила Егорова:
- Немного истории. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса сегодня — основной и, подчеркну, недеструктивный метод изучения строения органических соединений. Это значит, что после анализа вещество не разлагается. Ведь сплошь и рядом новые природные соединения химики получают в мизерных количествах, насчитывающих всего несколько миллиграммов. Понятно, как обидно было бы потерять их при анализе. А ЯМР-спектроскопия вещество не разрушает, а возвращает в неизменном виде. Очень важное достоинство.
Химики, как известно, в основном решают две главные задачи: либо синтезируют новые структуры, либо, наоборот, расщепляют их на составные группы. Природа располагает огромным количеством химических соединений, но изучены из них далеко не все. И едва ли не главный, ключевой метод исследования — спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Скажем, ИОХ разработал уникальные методики, позволяющие не только определять структуру сложных природных молекул, но и устанавливать их трехмерное строение. Традиционно мы занимаемся синтезом новых типов органических и элементоорганических соединений и конечно же гетероциклических систем. На их основе получают, например, новые лекарственные препараты, биологически активные соединения, высокоэффективные материалы для оптической трехмерной записи информации. Что в десятки, сотни раз увеличивает емкость компакт-дисков, делая запись многослойной.
Одно из традиционных наших направлений — химия углеводов. Для определения строения вновь полученных углеводов жизненно необходимы спектры ядерно-магнитного резонанса. Эти исследования проводит мощная научная школа, основанная академиком Н.Кочетковым (ИОХ). В нашем институте эти ЯМР-исследования сейчас ведет профессор Александр Степанович Шашков — самый высокоцитируемый специалист по ЯМР-спектроскопии у нас в стране.
Другое направление, где применение физико-химических методов оказалось чрезвычайно эффективным, — катализ. В нашем институте эти исследования развиваются уже много лет как для промышленных приложений, так и для решения задач тонкого органического синтеза. В этой области работает самый молодой член-корреспондент РАН Валентин Павлович Анаников.
Без спектроскопии ЯМР невозможно развитие целого ряда областей, в которых работают наши ученые. И, конечно, не одни они. Этот метод применяют все химические институты органического профиля и ведущие университеты. Потому так важен эксперимент, который провел ИОХ: использовав наши усовершенствованные ЯМР-спектрометры, мы добились их многолетней бесперебойной работы и сняли миллион спектров молекул различных химических соединений.
Значение этого уникального по эффективности спектрального анализа в том, что каждый спектр содержит большой объем информации. Как будто с молекулы сняли отпечатки пальцев в виде частотных линий и занесли полученные сведения в базу данных. Можно сказать, молекуле выписали “паспорт”, содержащий практически полную ее характеристику. Например, какие группы атомов в нее входят, как они соединены между собой и ориентированы в пространстве. Достаточно один раз внести эти сведения в базу данных — и исследователям уже не нужно будет тратить время на сложный анализ. Это в разы ускоряет разработку новинок в различных областях химии. Добавлю, что благодаря современному оборудованию и компьютерным программам регистрация спектра занимает всего секунд 30, а не 15-20 минут, как раньше. Это тоже своеобразный рекорд.
Современный ЯМР-спектро-метр работает так. В прибор помещают образец, как правило, это раствор вещества в небольшой ампуле, и подвергают воздействию радиочастоты. В магнитном поле происходит резонансное взаимодействие с образцом — так собирается и накапливается информация о молекуле. Она помещается в базу данных и служит незаменимым инструментом при анализе спектра молекул.
Замечу, что эти исследования наш институт ведет очень давно — с начала 1960-х годов. Тогда в ИОХ собрали первый отечественный ЯМР-спектрометр. В конце 1990-х годов у нас уже было несколько таких приборов (они непрерывно работали даже в годы разрухи), и наш сотрудник, Юрий Андреевич Стреленко, соединил их в локальную сеть, тем самым объединив ЯМР-спектрометры и предоставив пользователям целый массив информации в режиме реального времени регистрации спектров. Считаю, столь грандиозная задача была впервые решена в России, а такая высокая скорость регистрации спектров достигнута впервые в мире. Теперь химики получили возможность анализировать спектры на компьютере (находясь на расстоянии от спектрометра). Но главное, благодаря специально разработанным программам мы научились получать ЯМР-данные очень оперативно, что в разы повысило производительность спектрометров.
Нельзя не сказать о достоинствах этих замечательных приборов. Сегодня мы используем немецкие ЯМР-спектрометры фирмы “Брукер”. У нас их пять, в большинстве своем они современные и их характеристики очень высокие. Но есть один “долгожитель”, он проработал более 25 лет (обычно срок их службы не превышает 10-15 лет). Приборы отлично себя зарекомендовали как для повседневной, рутинной работы, так и для самых современных научных экспериментов.
Сотрудничество с “Брукером” удовлетворяет всем нашим требованиям. В частности, нет никаких проблем с обслуживанием и ремонтом оборудования. Уверены: случись что с прибором, мы тут же получим квалифицированную помощь. И компания со своей стороны рассматривает нас как надежных, долговременных партнеров, а потому доверяет нам обучение своих новых пользователей. Впечатленные нашим своеобразным рекордом, специалисты “Брукера” заинтересованы в распространении этого опыта.
Меня нередко спрашивают, как нам удается приобретать дорогостоящие приборы, если их цена часто достаточно высока. Сделать это действительно непросто. Для этого, убежден, необходимо выполнить три важных условия. Во-первых, ученые должны решать перспективные фундаментальные и прикладные задачи. Во-вторых, нужен квалифицированный персонал, использующий современную технику на все 100 процентов. Ведь не секрет, что бывают случаи, когда дорогостоящие приборы покупают, и они стоят не распакованные в ящиках, потому что на них некому работать. И, наконец, еще один немаловажный фактор: современное оборудование требует определенных средств на поддержание его в рабочем состоянии. Для ЯМР-спектрометров это прежде всего жидкий гелий и жидкий азот — весьма дорогостоящие расходные материалы.
В нашем институте нет проблем с постановкой сложных исследовательских задач. К тому же существенную помощь в этом нам оказывают коллеги из других институтов, университетов, компаний. Спектроскопия ЯМР фактически стала основой центра коллективного пользования. Ежегодно мы снимаем спектры приблизительно для 100 различных организаций. Учитывая все это, РАН идет нам навстречу и выделяет средства на покупку ЯМР-спектрометров. Но в одиночку мы вряд ли справились бы с этой сложной задачей. Поэтому для нас так важна помощь, которую нам оказывает “Академинторг”.
Возвращаясь к нашему рекордному достижению, замечу: снять миллион спектров за 13 лет — безусловно, не самоцель. Мы рассчитываем, что количество перейдет в качество. И благодаря собранному нами за эти годы банку данных, содержащему спектры органических соединений, и мы сами, и наши многочисленные коллеги добьемся прогресса в химических исследованиях, сможем проводить все более сложные эксперименты, получать новые органические структуры — лекарственные препараты, вакцины, материалы.
Юрий Дризе