«Нобелевский комитет говорит мне, что это тоже химия»

8 февраля российские учёные отметили свой профессиональный праздник. День российской науки ежегодно отмечается в годовщину создания Петром I Петербургской академии наук, праматери нынешней РАН. С момента открытия в академии появилось немало новых направлений, например, вместо кафедры «химии и практической медицины», входившей в состав Петербургской академии с момента открытия, сегодня существует не один десяток специализированных учреждений, связанных с химией и фармацевтикой, в системе РАН.

В одном из них, Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН), мне предстояло побеседовать с работниками лаборатории мирового класса под руководством Валентина Ананикова. По дороге в ИОХ РАН я задавалась вопросом, как изменилась химия за почти триста лет существования  академической науки в России? Время эмпирических открытий в этой области, наверное, прошло, все возможные химические реакции уже описаны. Сегодня химия – это удел промышленников. Что же осталось учёным? Вещества с новыми свойствами появляются уже при манипуляциях на субмолекулярном уровне, а за это отвечают физики и кристаллографы; лекарства разрабатывают микробиологи и биоинженеры, а Нобелевские  премии  по химии все чаще получают исследователи белков, рибосом и ДНК. Увижу ли я настоящие «мокрые» опыты, или в химии все постепенно замещается на компьютерные расчёты (за которые, кстати, тоже присудили «Нобелевку» в 2013 году)?

Наливным яблочком по серебряному блюдечку

Отчасти мои предположения оказались верными. Первый же сотрудник, с которым я познакомилась, работает не с пробирками, а с компьютером. Кандидат химических наук Евгений Гордеев занимается квантово-химическим молекулярным моделированием. Он признался, что уже давно предпочёл компьютерную мышь колбам и ретортам, хотя «работать руками» ему доводилось немало. «В студенческие годы я занимался синтезом различных металлокомплексов, но потом лично для меня оказалось интереснее моделировать вещества на теоретическом уровне. Кому-то важно подержать в руках, увидеть то, что он варит в колбочке. Я же не получаю конкретного результата в виде какого-то материала, в моей работе продукт – знания в чистом виде».

Евгений Гордеев: «Для меня оказалось интереснее моделировать вещества на теоретическом уровне»

Без такого продукта современное материаловедение безнадёжно забуксует. Фактически молекулярное моделирование – это своеобразный «сиквел» фундаментальной физики и химии. «В основе своей материя управляется законами физики, потому что вся материя – это физический объект. Не существует отдельных законов химии, которые не согласовывались бы с физическими»,– рассказывает Евгений.

У теоретического моделирования есть две функции – объяснительная и предсказательная. Первая помогает работать с уже используемыми реакциями и позволяет «подкорректировать» ожидания. Предсказательная же функция более интересна, она используется, когда мы вообще ничего не знаем о молекуле. Это популярное направление называется молекулярный дизайн и, примерно как чертёж для постройки здания, является первым шагом к синтезу совершенно новых молекул.

Эта работа уже идёт по накатанным рельсам. «Законы, которые лежат в основе всех химических реакций, открылись не вчера, они были известны ещё в начале XX века. Но проблема заключалась в том, что уравнения, к которым можно свести эти законы, слишком сложны, чтобы их можно было решить «на коленке». А сейчас вычислительные технологии доросли, – объясняет научный сотрудник.  – Тут мы моделируем всё, что связано с направлением деятельности лаборатории: прогнозирование каталитической активности, реакции тонкого органического синтеза, более сложные системы на основе графена, связанные с нанотехнологиями – предсказываем свойства полупроводников».

Фантазии на тему полупроводниковых свойств графена. Автор Евгений Гордеев

Что ж, теоретические обоснования работы лаборатории «не отходя от кассы» – это очень хорошее начало знакомства. Но эти расчёты явно претворяются в жизнь, вопрос – кем?

Медицинское крыло

Вообще лаборатория металлокомплексных и наноразмерных катализаторов (№30) под руководством Валентина Ананикова довольно большая, в ней трудятся почти 30 человек, и каждый, как правило, участвует в нескольких проектах. Эти проекты складываются в весьма пёструю и причудливую мозаику.

Одно из направлений исследований – изучение ионных жидкостей. Благодаря своей стабильности эти жидкие соли широко используются для лабораторных исследований (например, для наблюдения химических процессов под электронным микроскопом, где другие жидкости моментально испаряются). Но сегодня для них может открыться новое применение – медицинское.

«Все мы состоим из воды на 80%, поэтому если вещество, например, лекарственный препарат, плохо растворимо, оно не будет действовать в нашем организме. А ионные жидкости с одной стороны хорошо растворимы, а с другой – сами по себе жидкие. Поэтому сейчас мы пытаемся присоединить к ионным жидкостям самые простые лекарства (в частности, салициловую кислоту)  и посмотреть, сохранят ли те свою активность и можно ли дальше развивать это направление»,

– поясняет научный сотрудник лаборатории Ксения Егорова, кандидат биологических наук и переводчик научных и художественных текстов.

В лаборатории к моей радости оказалось достаточно «мокрых» приборов

Сейчас биологическая активность ионных жидкостей проверяется на культурах клеток. А в перспективе будут проводиться и исследования на животных, надеется Ксения. «Я пришла сюда из молекулярно-биологического института, где я работала с дрозофилами. Меня пригласили заниматься ионными жидкостями, я согласилась, и оказалось, тут всё так интересно!»

Правда, знакомство с ионными жидкостями принесло и свои сюрпризы, но тем интереснее, считает исследовательница: «Изначально это было очень популярное направление, ионные жидкости пытались применить буквально везде, а ещё бытовало мнение, что они нетоксичны, потому что у них практически нет паров. Все думали, как здо?рово! Это, наверное, настоящая зелёная химия! И мы тоже так думали, но получилось не совсем так: ионные жидкости с аминокислотами, например, оказались более токсичными, чем сами аминокислоты».

Зелёная химия

Из приятного кабинета мы спускаемся в подвал. Надпись «Убежище – 50 метров» добавляет ощущения, что вот сейчас что-то будет.

В подвале жужжат разные приборы, большие и маленькие. Перед одним из них сидит молодой человек и вводит шприцем какой-то раствор. Вот оно!

Растворитель для масс спектрометра

Молодой человек оказался аспирантом Дмитрием Ерёминым, специалистом в области масс-спектрометрии в органической и аналитической химии. С помощью спектрометров, расположенных в этом самом подвале (а один из них имеет высоту 6 метров и закопан специальным образом в грунт, так что в подвале торчит только «голова») он определяет структуру вещества, что является стандартной задачей как для масс-спектрометрии, так и для ЯМР-спектроскопии (спектроскопии ядерно-магнитного резонанса).

Нестандартны некоторые объекты исследования. Например, благодаря высокой точности приборов и разработанной в стенах лаборатории технологии гомогенизации учёным удалось запечатлеть спектры высокого разрешения для ионных жидкостей. Из-за того, что эти соединения довольно вязкие, снять спектр с них крайне сложно, а знать его крайне важно для использования ионных жидкостей в качестве растворителей: «Сам принцип ЯМР заключается в равномерности магнитного поля, а если мы в магнитное поле помещаем неоднородный образец, то и спектр хороший мы не получим», – поясняет Дмитрий.

Дмитрий Ерёмин

Важное достижение сотрудников лаборатории в том, что благодаря этой методике удалось не просто зафиксировать спектры ионных жидкостей, а увидеть, как происходит их взаимодействие с целлюлозой. Таким образом, получилось установить, что ионные жидкости действительно растворяют целлюлозу, и в результате получается платформа 5 HMF. Это одна из немногих молекул, которые синтезируются из биологического сырья. А спектр её использования весьма широк: и в лекарствах, и в полимерной химии, и в химии материалов.

«Обычно проблема в том, что при переработке любой биомассы мы получаем огромный набор разных молекул, которые придётся делить. А в данном случае, если мы проводим реакцию при определённых условиях, получается один вид молекул, – самозабвенно рассказывал Дмитрий. – Рожь колосится, мы зёрнышки собрали, а если солому не выкинуть, а пустить на переработку, то на выходе получаем нормальный химический реагент, который можем использовать и в промышленности, и в исследованиях».

Вещи на службе у идей

Даже если не считать масс-спектрометры, у лаборатории много мощного и уникального оборудования: некоторые приборы «подгоняли» под нужды коллектива прямо здесь. Кстати, это относится не только к сложным аппаратам. Уникальные колбы, например, тоже могут изготовить прямо в лаборатории, напечатав на 3D-принтере. «Конечно, необходимо учитывать химические свойства полимера, из которого мы всё отливаем, но сам принцип очень удобный, ещё и потому, что можно очень легко внести изменения в конструкцию», –  не без гордости заметил Евгений Гордеев, который разрабатывает 3D-модели для будущих «печатных» объектов.

А в маленькой комнатке возле лаборатории притаился электронный микроскоп. Рядом с монитором лежит игровая приставка Sony PlayStation. «Что это?» –  «Это от нано-манипулятора, –  улыбается научный сотрудник лаборатории Евгений Пенцак. – Наш электронный микроскоп – это такой конструктор от различных производителей. Одна фирма, Японская, хорошо делает сами микроскопы, другая, Английская, – детектор ЭДС, третья, Немецкая, – нано-манипуляторы, а джойстик к нему мы вообще взяли от Sony PlayStation.

Электронный микроскоп-конструктор. Фото: лаборатория Ананикова

С его помощью мы пытаемся перемещать наночастицы. На самом деле они очень маленькие, и это большая проблема».

Оказывается, несмотря на бурное развитие приборов для изучения микромира, загадок в нём остаётся очень много, а перспективы развитии химии лежат именно там. «При обычной химии, когда мы, условно, сливаем вместе два стакана с разными веществами, у нас взаимодействуют 10²⁶ молекул веществ, и никто не знает, как каждая конкретная молекула прореагировала с другой. Поэтому

глобальная цель, которую мы преследуем – это создание химии будущего, когда мы сможем проследить реакцию двух конкретных молекул. Пока это нечто невероятное, но мы делаем шаги в эту сторону.

Мозаика органической химии

Исследование ионных жидкостей, катализ, синтез «биологических» молекул, предсказание свойств графена, анализ строения вещества различными способами – эти темы на первый взгляд мало связаны между собой, а охват работ, производимых в одной лаборатории, тянет на небольшой институт. За разъяснениями я обращаюсь к руководителю лаборатории Валентину Павловичу Ананикову. Оказывается, увиденное мною разнообразие – это ещё не всё.

 

 Рабочий стол Валентина Ананикова отражает деятельную натуру своего хозяина. Ножки стола телескопические, и Валентин Павлович в основном работает стоя, потому что долго сидеть на одном месте одному из самых молодых членов-корреспондентов РАН не позволяет темперамент

«У нас действительно «на ходу» сейчас 6 тем, которые кажутся очень разными. Разные темы, разные исследования. И человеку непосвящённому может показаться, что направления исследований мало связаны друг с другом. На самом деле,

всё, чем мы занимаемся, имеет общую направленность: мы пытаемся понять, как проходят химические реакции.

Химики по традиции записывают химические реакции в виде упрощенных уравнений на бумаге. Но в реальности химические процессы гораздо сложнее. Сейчас мы подходим к самому интересному моменту в развитии химии. Очень скоро мы сможем увидеть, как на самом деле происходят реакции, и в идеале снять что-то типа молекулярного «кино» — видеоролика с настоящей химической реакции. Очень помогает прогресс в развитии научного оборудования — ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии и электронных микроскопов.

С их помощью мы пытаемся ответить, как на самом деле происходят химические реакции. Химия должна быть точной наукой, несмотря на все привычные мнемонические картинки химических формул – которые, на самом деле, далеки от реальности».

Я поспешно закрываю сам собой открывшийся рот: «А как же Нобелевские премии по химии, которые присуждают чуть ли не биологам?»

«Меня нисколько не пугает, а наоборот, радует, когда открываются новые направления. – говорит Анаников. – Действительно, если посмотреть, Нобелевские премии по химии дают по самым разным предметам: по биологии, по биохимии, за белки, за ДНК, за химические реакции, за катализ. И чем больше такого разнообразия, тем больше я радуюсь. Потому что Нобелевский комитет говорит мне, что это тоже химия. Это интересная наука, где очень много нераскрытых тайн природы».

 «Наука и технологии России — STRF.ru», 09 декабря 2016 г.