Интервью с Юлией Бурыкиной и Никитой Шлапаковым: авторами статьи, опубликованной в Nature

Добрый день, Юлия и Никита. Прежде всего хочется вас поздравить с таким весомым научным достижением, как публикация в Nature — одном из самых старых и авторитетных общенаучных журналов в мире.

1. Расскажите пожалуйста о том, что для вас значит опубликоваться в Nature?

БЮ: Публикация в журнале Nature — это большое и очень радостное событие для каждого исследователя. Статья в журнале такого высокого уровня (импакт-фактор = 69.504) означает признание мировым сообществом результатов, полученных в проведенном исследовании.

НШ: На мой взгляд, самое ценное в подобного рода публикациях – это возможность продемонстрировать результаты своих исследований наибольшей аудитории. Убеждён, что каждому человеку хочется быть причастным к чему-то важному, масштабному, быть максимально полезным для общества. А когда результатами твоих исследований смогут воспользоваться многие люди, возникает приятное ощущение того, что у тебя появился шанс внести существенный вклад в развитие человеческой цивилизации.

2. Сколько времени вы посвятили исследованиям, подготовке и написанию этой работы?

НШ: Первые пробные эксперименты в 2019 году начали наши немецкие коллеги из Университета Регенсбурга (Германия). В январе 2020 года я в рамках аспирантуры с двойным руководством начал активное участие в этом проекте. С этого момента наши эксперименты приобрели воистину гигантские масштабы. Порой бывало, что за одну серию экспериментов ставилось около ста реакций! В течение всего 2020 года буквально каждый день и почти без выходных мы с горящими глазами и некоторым безумием жадно поглощали немыслимое количество информации, которое требовалось немедленно классифицировать и анализировать. Этот анализ уже проводился преимущественно на базе лаборатории академика Валентина Павловича Ананикова. Весь 2021 год был преимущественно посвящен выделению огромного количества продуктов (282 соединения) и только в 2022 году были написаны первые осмысленные версии манускрипта, которые многократно дорабатывались вплоть до момента публикации.

БЮ: Эта работа по продолжительности исследования и количеству экспериментов для меня на данный момент самая трудоемкая. Проведение масс-спектрометрических экспериментов было начато 2020 году, к тому времени часть химических экспериментов уже была сделана, и мы смогли прийти к первым выводам о механизме реакции. Весь прошлый год был направлен на написание статьи, описание результатов в supporting information и тогда же началось общение с редакцией. Статья несколько раз переписывалась и добавлялись новые продукты и эксперименты.

3. Сколько вам пришлось ждать с того момента, как рукопись была отправлена в редакцию журнала?

БЮ: Рукопись отправили осенью прошлого года, затем был долгий процесс ожидания и ответов рецензентам. Весной 2023 года стало понятно, что мы близки к цели.

НШ: Хотелось бы уточнить, что с момента подачи манускрипта в редакцию журнала до момента её публикации прошло 7 месяцев и за этот период, в особенности после получения рецензий, статья изменилась до неузнаваемости. В ней были переработаны и текст, и картинки.

4. Какие эмоции вы испытали когда получили извещение о том, что ваша рукопись одобрена к публикации? 

БЮ: Мы были очень рады и счастливы, что прошли этот путь, но понимали, что нам нужно еще отредактировать рукопись и внести все замечания редакции. Напряжение еще немного оставалось, так что чувство отлично сделанной работы пришло уже летом, когда статья была опубликована на сайте издательства.

НШ: Признаюсь, что у меня чувство радости было немного притуплено, потому что настолько объёмные проекты очень изматывают. Это настоящее испытание, когда ты отдаёшься полностью одному проекту в течение многих лет, жертвуя своей публикационной активностью и положительной эмоциональной подпиткой. Поэтому я чувствовал облегчение, в этот момент в моей голове крутилось одно слово – «отмучался». Также оставалось чувство тревоги, связанное с тем, что всё могут «откатить» в любой момент по независящим от нас причинам.

5. Расскажите о самом исследовании. В чем его основная идея?

БЮ: Основная идея работы — это создание простой, доступной каталитической системы для проведения органического синтеза. Кроме того отдельно было проведено исследование механизма реакции с помощью набора физико-химических методов анализа.

НШ: Позволю себе развить мысль. Главная практическая идея данного исследования состоит в том, что были найдены универсальные и доступные условия для проведения реакций кросс-сочетания арилгалогенидов и различных нуклеофилов, при которых варьированию подвергается ограниченный круг параметров: это в первую очередь органическое основание (вплоть до его отсутствия), а также температура фотореакции (комнатная температура или 60 °С) и время облучения синим светом (от 10 минут до 2 дней). Но для того, чтобы полностью переосмыслить классический подход к проведению реакций кросс-сочетания (берём прекурсор катализатора, пробуем множество лигандов, растворителей, оснований, прочих добавок), мы сконцентрировались на роли нуклеофила. Это позволило нам распределить самые разнообразные нуклеофилы по 4 группам в зависимости от их активности в реакциях кросс-сочетания на никеле и обозначить для каждой группы то органическое основание, которое позволяет максимально активировать систему. Таким образом, создаются уникальные условия, при которых из основных участников процесса – катиона никеля, нуклеофила и основания (если требуется) – образуется адаптивная каталитическая система, подстраивающаяся под конкретные субстраты в виду её высокой вариативности. Именно масс-спектрометрические исследования позволили нам надёжно установить факт наличия множества разнообразных комплексов никеля в реакционных смесях, каждая из которых потенциально может оказаться каталитически активной для того или иного сочетания субстратов.

6. Где и каким образом могут быть использованы полученные в этой работе результаты?

БЮ: Применение предложенных методик синтеза для широкого ряда различных соединений может быть использовано и в лабораторной практике, и для фармацевтической отрасли. Предложенные подходы для исследования различных фотохимических превращений позволяют исследователям понимать механизм превращений и помогает на различных этапах эксперимента.

НШ: Хотелось бы отдельно акцентировать внимание на простоте используемой каталитической системы: это соль двухвалентного никеля, растворитель диметилацетамид, крайне доступный фотокатализатор, какое-нибудь классическое органическое основание (DABCO, TMG или циклогексиламин) и субстраты – всё. Это всё смешивается, дегазируется или продувается инертным газом и облучается синими светодиодами. И эта процедура покрывает значительную область пространства субстратов, что делает её крайне привлекательной как для решения рутинных синтетических задач, так и для модификации сложных молекул на последних стадиях синтеза. Не менее полезной данная система может оказаться в области комбинаторной химии, где требуются стандартизированные условия проведения реакций для получения широкого набора похожих по структуре продуктов с целью дальнейшего изучения их свойств. Наконец, данная работа показывает один из вариантов кластеризации данных в ходе изучения плохо определённых каталитических систем, что позволит в будущем подключать мощности искусственного интеллекта для решения похожих задач. Тогда, возможно, написание статьи в Nature будет занимать не 4 года, а максимум – год)

7. В чем сложность, и с какими трудностями Вы столкнулись во время выполнения этого исследования?

БЮ: В ходе проекта был получен большой набор экспериментальных данных, работать с таким массивом иногда было затруднительно.

НШ: Это уж точно! Массив данных немыслим. Как-то было подсчитано, что мы провели более 20 тысяч фотореакций в рамках данного исследования и около 100 МС-мониторингов реакционных смесей. И тщательная обработка этих данных при весьма ограниченном круге лиц, задействованных в проекте порой была проблематична. Особенно сложно было обрабатывать масс-спектры реакционных смесей. Дело в том, что в наших реакциях нет стабилизирующего лиганда, который бы строго определял структуру каталитических частиц, а поэтому приходилось подбирать особые условия регистрации масс-спектров, при которых можно было бы наблюдать нестабильные «голые» комплексы никеля с нуклеофилами и основанием. Ещё одна проблема – это моральное состояние. Довольно сложно быть приверженным одному и тому же проекту на протяжении 3 лет, часто встречая критику в свой адрес и скепсис (весьма обоснованный).

8. Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

БЮ: На протяжении всего проекта соавторы помогали друг другу и в экспериментах и написании статьи. Особую благодарность хочется выразить академику Валентину Павловичу Ананикову и профессору Буркхарду Кёнигу.

НШ: Действительно, наши профессора делали всё возможное, чтобы нас не увело в исследование ради исследования, а всё-таки дело двигалось в сторону написания статьи) И если бы не их наставления и концептуализация проделанной работы, то мы бы до сих пор просто ставили реакции… Я бы также хотел выразить благодарность главному двигателю этого проекта, моему другу и товарищу – доктору Индраджиту Гошу из Университета Регенсбурга за неиссякаемый оптимизм и уверенность в успехе.

9. Есть ли у Вас дальнейшие планы по развитию этого направления исследования?

БЮ: Конечно. С синтетической точки зрения будут рассмотрены другие субстраты и каталитические системы, а изучение механизмов фотохимических превращений с помощью масс-спектрометрии активно развивается в нашей лаборатории.

НШ: Конечно же, в статье была представлена только часть накопленных данных и у нас с коллегами осталось ещё множество наработок, которые обязательно выльются в будущем в новые статьи.

10.  Какие перспективы развития данной области химической науки вы видите?

БЮ: Поиск универсальной каталитической системы для широкого набора соединений с различной природой заместителей работающей в мягких условиях является одним из направлений развития фотохимических реакций. Уменьшение количеств катализатора, добавок, растворителей, времени, температуры реакции все эти задачи стоят перед исследователем на сегодняшний день.

НШ: В дополнение хотелось бы сказать, что подобный анализ индивидуальной каталитической активности, который был нами проведён в ходе изучения фотокаталитических процессов с участием никеля также планируется провести и для других металлов. Также планируется попробовать подключить мощности искусственного интеллекта для решения поставленных задач.