Радикальная химия будущего: интервью с Еленой Лопатьевой, инженером-исследователем ИОХ РАН

Мы продолжаем рубрику, посвященную молодым ученым ИОХ РАН, которые уже сегодня вносят значительный вклад в развитие науки и технологий. Рады представить следующего героя — Елену Романовну Лопатьеву, инженера-исследователя Лаборатории исследования гомолитических реакций. Ее научная деятельность охватывает сразу несколько передовых направлений: от органических радикалов до гетерогенного фотокатализа и аэробного окисления.

Елена активно работает над тем, чтобы радикальные процессы стали надежным инструментом в органическом синтезе. Это исследование открывает двери к более безопасным и экологически чистым методам, способным решить множество практических задач.

В нашем интервью Елена расскажет о сложностях работы с органическими радикалами, поделится успехами в разработке новых каталитических систем и планами на будущее.

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

Наша лаборатория занимается исследованием радикальных процессов. Цель наших работ — доказать, что радикальные процессы это не какие-то неконтролируемые, неселективные и взрывоопасные реакции, а надежные, разноплановые синтетические методы. Они не требуют дополнительных стадий введения направляющих и уходящих групп, сложных реагентов и катализаторов. Вместо стехиометрического окислителя и восстановителя можно использовать электрический ток или видимое излучение (свет).

Но несмотря на то, что в последние годы наблюдается очередной ренессанс радикальной химии, что отражается тысячами новых высокорейтинговых публикаций, широкого внедрения технологий, основных на радикальных реакциях не наблюдается.

Самый распространенный в промышленности радиальный процесс — аэробное окисление. Этот процесс обычно проходит при высоких температурах, повышенном давлении, что является не очень безопасным и энергоэффективным. Поэтому мы разрабатываем такие каталитические системы, основанные на органических радикалах, которые позволяют проводить эти процессы в мягких условиях: при комнатной температуре, нормальном давлении и без добавления солей переходных металлов.

При этом нам важно не только предложить готовое практическое решение проблемы, но и глубоко изучить закономерности и механизмы, которые в дальнейшем помогут расширить применение наших разработок, усовершенствовать их, или создать по общему принципу другие каталитические системы. Так, решая конкретную практическую задачу, мы не забываем про фундаментальный вклад наших исследований.

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

Эта работа посвящена радикальной дифункционализации алкенов. Обычно в реакциях радикальной дифункционализации используется только один тип радикалов, который присоединяется к двойным связям. Таким образом, региоселективность в этих процессах определяется только структурой алкена. Мы же подумали, нельзя ли в эту реакцию ввести сразу два радикала, каждый из которых в отдельности способен присоединяться к двойным связям? В этой работе мы показываем, что действительно можно подобрать такие условия, в которых можно селективно ввести два радикала, различающихся по своим свойствам, например, азидные и N-оксильные, в молекулу алкена. Однако если вы поищите подобную реакцию в различных химических базах данных, то обнаружите статью, в которой утверждается, что на самом деле она идет наоборот, с другой региоселективностью. Из-за этого несоответствия нам пришлось очень долго и надежно устанавливать структуру наших соединений множеством различных физико-химических методов, в то числе с помощью метода рентгеноструктурного анализа и двумерных спектров ЯМР. Благодаря этому мы смогли показать настоящую реакционную способность азидных и N-оксильных радикалов в этой реакции.

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

В этой работе мы сформулировали «рецепт» успешной радикальной дифункционализации. Так, один из радикалов должен обладать более низкой энергией активации для присоединения к двойной связи, то есть скорость его присоединения должна быть значительно выше, чем у другого. Второй же радикал должен быть достаточно стабилен, чтобы накапливаться в высокой концентрации и селективно перехватывать промежуточный углерод-центрированный радикал. Этот рецепт может быть применен не только для конкретных радикалов, выбранных в нашей работе, но и для других пар радикалов. Это позволит в будущем разработать новые методы радикальной дифункционализации для широкого спектра синтетических приложений.

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

Не так просто приручить органический радикал. Нами была проведена довольно обширная оптимизация, чтобы генерировать радикалы именно с такой скоростью, чтобы они вступали в реакцию по очереди. Самое неожиданное, что сами радикалы, которые мы хотели присоединить к двойной связи в алкене, могут рекомбинировать между собой. Такого процесса рекомбинации азидных и N-оксильных радикалов раньше нигде не было описано. Мы его не только впервые экспериментально обнаружили, но и подтвердили с помощью квантово-химических расчетов.

Помогал ли Вам кто-нибудь в решении возникающих проблем?

Конечно, весь коллектив. В частности, мой научный руководитель — Крылов Игорь Борисович. Все самые странные продукты, которые я получаю, Игорь Борисович может объяснить и подтвердить с научной точки зрения, в том числе с помощью квантово-химических расчетов. Таким образом, у нас совмещается не только органический синтез, но и подробная теоретическая работа.

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

Да, мы планируем варьировать и другие радикалы в открытой реакции радикальной дифункционализации. Зная теперь, как их генерировать, как они себя ведут, мы можем попробовать заменить тот или иной радикал и получить совершенно новые продукты.

Каким образом Вы попали в химию?

В химию я попала, потому что мне нравилась эта наука. Изначально я хотела разрабатывать лекарства. Поэтому я поступила в РХТУ имени Д.И. Менделеева на кафедру, которая занимается разработкой химико-фармацевтических препаратов. У нас в лаборатории я прикоснулась к средствам защиты растений. Это тоже очень полезное направление. Более того, мы испытываем эти вещества не только в лаборатории на культурах грибков, но также на опытных полях.

Как оказались в ИОХе?

На первом курсе у нас была летняя практика, во время которой нас привели на экскурсию в ИОХ. Он нам, конечно, очень понравился – после этого в ИОХ пришла половина группы. Я позвонила Александру Олеговичу Терентьеву и спросила, могу ли я прийти заниматься научной работой в ИОХе. Так на втором курсе я уже оказалась в дружном коллективе Лаборатории № 13, где и работаю до сих пор.

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

Современный ученый должен быть разноплановым, легко обучаться в различных областях, не только непосредственно связанных с его профессиональной деятельностью. Он должен быть инициативным, собирать вокруг себя коллектив, уметь распределять задачи.

Какой совет можете дать своим коллегам?

За повседневной рабочей рутиной не забывайте основную цель, которую вы себе поставили: главную цель исследования.