«Я хочу достигнуть мастерства в получении полезных молекул с использованием энергии света»: Никита Шлапаков, к.х.н, научный сотрудник ИОХ РАН

Никита Сергеевич Шлапаков — кандидат химических наук, научный сотрудник Лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов ИОХ РАН. Области его исследований: фотохимия, фотокатализ, металлокомплексный катализ.

В интервью Никита рассказал о своих исследованиях, высокорейтинговой работе, опубликованной в 2023 году, и о своем пути в науке.

Чему посвящены Ваши научные исследования в целом? Какую фундаментальную научную или практическую задачу Вы пытаетесь решить?

Меня еще с детства всегда будоражила мысль, как у растений получается улавливать энергию света и из очень доступных реагентов производить что-то полезное. Как они берут воду, СО2 и делают из этого молекулу сахара? Мне казалось, что это магия. Это же так замечательно получилось, что на нашей планете зародился такой процесс — фотосинтез. Когда я поступил в университет, мне стало интересно, а может ли человек тоже так делать? Можно ли использовать энергию света для того, чтобы делать что-то полезное из каких-то простых молекул? Можем ли мы приблизиться к растениям в этом аспекте? И, по сути, тогда еще будучи первокурсником, я поставил принципиально глобальную задачу и стараюсь ей следовать. Я хочу достигнуть мастерства в получении полезных молекул с использованием энергии света. Как можно при помощи света получать сложные молекулы в обход каких-то ограничений, которые сейчас существуют, если пользоваться методами классической органической химии, когда свет не используется? У этого есть фундаментальное объяснение. Когда мы на вещество действуем светом, оно переходит в возбужденное состояние, и в нем действуют уже другие законы химии, не те, которые действуют в основном состоянии. И получается, молекула как бы «воспаряет, летит» над ландшафтом поверхности потенциальной энергии и в итоге оказывается где-то в другом месте, до которого иначе не добраться. Это сравнимо с освоением человеком летательной техники, когда ему стало гораздо проще добираться из точки А в точку Б несмотря на то, что нужно пересечь горы и океаны. Я всегда хотел освоить подобную технику в химии, довести до того совершенства, до которого довела ее природа. В этом я вижу свою основную фундаментальную цель исследований.

Расскажите о Вашей последней высокорейтинговой работе[1], опубликованной в 2023 году. В чем ее основная идея?

Обычно реакции кросс-сочетания на основе катализа солями переходных металлов проводят всегда в присутствии лигандов, то есть каких-то таких добавок, которые координируют металл и направляют его реакционную способность строго в определенном русле. И мы задались вопросом, насколько это вообще является необходимым условием и важно ли добавлять эти лиганды? С практической точки зрения это важно, потому что зачастую лиганды настолько дорогие, что они могут стоить даже дороже, чем сам металл. Синтез самих лигандов очень дорогой. В процессе исследования мы обнаружили, что да, действительно, лиганд не нужен в очень широком классе реакций кросс-сочетания. Показали, что мы можем создавать 8 типов связей, используя только лишь «голую» соль двухвалентного никеля без каких-либо лигандов. Мы брали соль никеля и два реактанта, которые участвуют в кросс-сочетании, добавляли туда мизерные количества вещества, которое называется фотокатализатор, и накачивали систему энергией света, то есть, светили на нашу реакционную смесь синим светом. Фотокатализатор может эту энергию усвоить и передать ее реактантам. Обнаружилось, что, действительно, для широкого класса реакций лиганд не нужен вообще, и реакция идет просто под действием тех комплексов, которые в этой смеси образуются. Их реакционной способности оказалось достаточно. В дальнейшем мы попытались объяснить причину наблюдаемых явлений. В ходе этих рассуждений мы пришли к концепции динамического адаптивного катализа и показали ее реальное практическое воплощение.

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

Во-первых, данное исследование направлено на развитие фундаментальной науки. Мы выдвинули гипотезу адаптивного катализа, и в дальнейшем она может быть использована для переосмысления и создания новой какой-то всеобщей теории катализа. В нашей группе очень активно развивается такая концепция, как «коктейль катализаторов», и наше исследование очень хорошо ее дополняет. Если в предыдущих наших работах под «коктейлем катализаторов» подразумевалось, что одновременно в реакции участвуют и наночастицы, и многоядерные комплексы металлов, и просто комплексы металлов, то в данной работе мы говорим о том, что у нас появляются дополнительные степени свободы, достигаемые в рамках фотокатализа. Я убежден и очень верю, что этой работой я и мои коллеги вносим свой скромный вклад в развитие именно фундаментальной науки. С другой стороны, исследование направлено на практическое применение. Дело в том, что если нам не нужно подбирать под каждую реакцию лиганд, потому что реакция сама и так прекрасно найдет для себя возможность осуществиться в рамках динамического катализа, то можно существенно снизить затраты и получить существенный экономический импакт.

У нас есть универсальная система, которая подходит для огромного количества реакций. А это имеет большое значение для комбинаторной химии. Когда вы хотите проверить какой-нибудь кандидат на лекарственное средство, вам нужно, как правило, синтезировать очень много однообразных молекул, у которых в одном положении что-то меняется. И это очень удобно делать, когда у вас есть универсальная методология, которую можно использовать для того, чтобы вводить как можно больше разнообразных групп в одно и то же положение. Нами было показано, что мы можем, к примеру, взять какие-то лекарства, которые содержат хлор или бром в ароматическом кольце и использовать их, как арилгалогенидные субстраты, производить так называемую late-stage функционализацию лекарств и сложных молекул.

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

По моим оценкам, порядка 10, может быть, даже 20 тысяч экспериментов было поставлено суммарно в этом проекте. И основные сложности были связаны с большим объемом собранных данных, которые мы жадно собирали на протяжении двух лет и долго не могли выстроить из них системную картину. В конечном счете в нашей статье она выразилась в том, что мы все нуклеофильные субстраты классифицировали по пяти группам в зависимости от их реакционной способности. Главная проблема была в том, чтобы в данных «не закопаться», вовремя начать писать статью, и при этом ничего не забыть. Сложно было разрабатывать с нуля эту область знаний, которой никто особо не касался. Мы постоянно боялись, что, может, мы чего-то не знаем. Может быть, давным-давно уже опровергли то, что мы сейчас делаем. Мы столкнулись с очень конструктивной критикой на стадии рецензирования. Один из рецензентов покритиковал нашу классификацию нуклеофилов. Он предложил подумать над некоторыми вопросами, благодаря которым мы, по сути, обогатили нашу статью, сделали ее еще более логичной. С материалами этой научной дискуссии, кстати, можно ознакомиться на сайте издательства, она приложена к статье.

Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

У нас была проблема увлеченности экспериментальной работой и нежелание приступать к ее обобщению и написанию статьи. Наши руководители — академик РАН Валентин Павлович Анаников и профессор Буркхард Кениг — направили бурный поток наших мыслей в нужное русло. Спасибо им большое, без их организаторской жилки нам сложно было бы остановиться просто-напросто.

В процессе работы возникала неуверенность в себе, а не делаем ли мы какую-то работу зря, не изобретаем ли мы велосипед? Здесь мы помогали друг другу с моим другом и первым автором этой статьи — доктором Индраджитом Гошем. Мы часто отвлекались на философские беседы и рассуждения о чем-то высоком, абстрагировались от этих мыслей. Потом, когда мы возвращались обратно в рабочую среду, неуверенность исчезала, и мы опять продолжали решать научные проблемы.

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

Планы есть, потому что в этой статье несмотря на то, что мы показали определенный практический результат, я бы сказал, что мы задали больше вопросов, чем дали ответов на существующие. До сих пор остается непонятным, как конкретно работает гипотетическая динамическая адаптивная каталитическая система? Мы хотим проработать этот вопрос при помощи масс-спектрометрических экспериментов. Это непростая задача, так как она связана со многими, в том числе, и инструментальными ограничениями. Мы пытаемся придумать такой эксперимент или серию экспериментов, которые позволили бы нам обойти ограничения и увидеть все образующиеся в системе каталитические комплексы, и проследить на следующем этапе их динамику, как они друг в друга превращаются, какие из этих комплексов дают интермедиаты, связанные с протеканием каталитического процесса.

Каким образом Вы попали в химию?

Так получилось, что я всегда был биологом. Но в 9 классе по ошибке меня не пустили на региональный этап Всероссийской олимпиады школьников по биологии, я не оказался в списке по какой-то технической ошибке. Хотя я по всем правилам должен был там участвовать. Я очень сильно расстроился и подумал, если не поеду на Всерос по биологии в этом году, значит, поеду на Всерос по химии. В 8 классе я к ней относился положительно-нейтрально. А в 9 — очень сильно заинтересовался. И вот в контексте того, что произошло на этой олимпиаде, я углубился в химию. Обнаружил в какой-то момент довольно быстро, что она не менее интересна, чем биология. И после этого я уже был химиком. Меня это прям очень сильно захватило, и я этот интерес пронес до настоящих дней. Получается, уже половину моей жизни я этим занимаюсь.

Как оказались в ИОХе?

Я поступил на химический факультет МГУ в 109-ю академическую группу — в нее люди идут за тем, чтобы начинать уже с первого курса работать в Институтах РАН. После этого я сходил на день открытых дверей в ИОХ. Потом услышал разговор про лабораторию Валентина Павловича Ананикова, когда стоял в очереди в столовой на химфаке. Далее несколько раз еще слышал про эту лабораторию и подумал: «Почему так много про нее говорят?» В итоге написал письмо Валентину Павловичу, он позвал меня на собеседование, мы поговорили. И вот с октября 2013 года я в ИОХе.

Какими, на Ваш взгляд, качествами должен обладать современный ученый?

 Современный ученый должен четко осознавать, что мир меняется очень быстро, постоянно появляются новые направления, причем не только в твоей области, но и вообще. Он не должен вариться в своем маленьком уютном мирке, ему необходимо постоянно смотреть по сторонам, чтобы не остаться на обочине. Мне кажется, если ученый способен гибко мыслить, обращать внимание на то, что вокруг происходит, тогда у него, по идее, должно быть все хорошо. Он может делать науку, может давать такой результат, который будет отвечать вызовам современности.

Какой совет можете дать своим коллегам?

На данный момент я нахожусь в таком положении, что могу давать советы только студентам. Следует поскорее привыкнуть к тому, что наука всегда сопряжена с тем, что 90% того, что ты будешь делать, будет бесполезным. Те эксперименты, которые ты проводишь, будут давать тебе отрицательный результат или не будут давать вообще никакого результата, из которого можно сделать вывод. Важно ценить те крупицы положительного опыта, положительных экспериментов, которые тебе дают какой-то результат. Тогда ты будешь чувствовать себя счастливым, занимаясь наукой. Потому что я прекрасно помню себя на первых курсах университета, как я расстраивался, когда у меня что-то не получалось, и уже начинал думать, что, наверное, не создан для науки. Сейчас понимаю, насколько я ошибался. Нужно спокойно относиться к неудачам, которые тебя неизбежно будут ожидать, когда ты ставишь эксперименты. Потому что эксперименты — это шаг в неизвестность. Ты никогда не знаешь, что тебя там ждет.