Почему развитая страна не может жить без органической химии
И.П.Белецкая, В.П.Анаников, Журнал органической химии, 2015, т. 51, вып. 2, с. 159 — 161.
Загрузить полный текст:
RJOC2015-159Английская версия — DOI: 10.1134/S1070428015020013
Он-лайн ссылка — http://dx.doi.org/10.1134/S1070428015020013
Написать эту статью нас побудили два обстоятельства, которые, как мы надеемся, будут поняты и поддержаны нашими коллегами. Первое — любовь к своей профессии, которой мы посвятили жизнь и которой мы гордимся, считая ее творческой, бесконечно интересной и необходимой людям. Второе – бедственное состояние органической химии в стране, которая дала миру блестящую плеяду химиков-органиков – А.М. Бутлерова, В.В. Марковникова, Н.Н. Зинина, А.Е. Фаворского, А.М. Зайцева, А.Е. Чичибабина, Н.Д. Зелинского, И.Н. Назарова, А.Н. Несмеянова и многих других. Без этих имен невозможно представить историю органической химии.
На наш взгляд органическая химия, а особенно органический синтез, лежат в самом сердце химии. Достаточно оглянуться вокруг, чтобы убедиться, что без результатов этого синтеза не могла бы существовать современная цивилизация. Качество жизни человека напрямую зависит от развития в стране органической химии и основанной на ней промышленности. Нам нужны лекарства с самым различным спектром действия, нужны ростовые вещества и средства борьбы с вредителями сельского хозяйства. Нам нужны пластические массы, материалы с разнообразными свойствами, волокна, заменяющие шерсть и шелк, а для этого нужны мономеры, синтез которых основан на открытых химиками-органиками реакциях. Нам нужны красители, повсеместное распространение которых для самого различного применения, делает наш мир ярким и красочным. Нам нужны взрывчатые вещества и средства для тушения пожаров. Нам много всего нужно и с каждым днем все больше химических соединений становятся жизненно необходимыми. Но в основе всего этого многообразия лежит синтез молекул, обеспечивающих создание новых нужных человеку веществ и материалов.
На сегодняшний день химики синтезировали более 88 миллионов соединений, и порядка 15000 новых химических соединений регистрируется ежедневно [1]. Это количество значительно больше того, что создала природа, и такая безграничность структур поражает воображение самих исследователей. Практически ученые создали целый химический мир, где можно найти молекулы с ранее неизвестными свойствами.
Органическая химия в цифровую эпоху.
У органической химии есть проблемы, общие для всех стран. Поскольку она создает молекулы (органические субстанции), а не конечные продукты – ее часто не замечают или, что еще хуже, обвиняют в загрязнении окружающей среды. Химику-органику трудно объяснить, чем он занимается, поскольку он привык думать на языке формул, малопонятном неспециалисту. Отсюда возникает трудность в популяризации нашей науки. Между тем пренебрежение органической химией (и вообще химией – а мы часто не видим этой области в государственных программах), может оказаться весьма драматичным.
Мы не без зависти смотрим, как развивается наша наука не только в индустриально развитых странах: Западная Европа, США и Япония, но и в странах Азиатского региона, таких как Китай, Индия, Южная Корея, Тайвань и др. Достигнуты впечатляющие результаты в целом ряде направлений органической химии, таких как: создание новых методов получения связей углерод-углерод и углерод-гетероатом, совершенствование методов C‑H функционализации, проведение многокомпонентных реакций, синтез сложных природных соединений, и, конечно, развитие асимметрического синтеза и органокатализа. Одновременно достигнуты успехи в создании безотходных (или малоотходных) методов синтеза. Тесное переплетение органического синтеза, катализа и металлорганической химии за короткое время изменили лицо органической химии [2]. Причем многие находки химиков-органиков в настоящее время очень быстро переходят в индустрию развитых стран.
|
Органокатализ — ускорение химических превращений с помощью каталитических или суб-стехиометрических добавок органических веществ,не содержащих металлов. |
Эту небольшую статью, обращенную к нашим коллегам, мы решили написать под впечатлением школы-конференции, проведенной для аспирантов разных университетов и Институтов кафедрой органической химии Химического факультета МГУ. На это мероприятие в качестве лекторов были приглашены признанные ученые не только из нашей страны, но и наши соотечественники из США и Канады. Нужно было видеть, какой интерес проявили наше молодое поколение к этому мероприятию. Они задавали, действительно, умные вопросы, они участвовали в дискуссиях и сами выступали с короткими, но яркими докладами. Их энтузиазм заразил и нас, и мы чувствовали свой долг перед ними. Они – наше будущее и мы должны не только дать им знания, к которым они так стремятся, но и обеспечить возможность для них работать в нашей стране, дать уверенность, что они ей нужны.
Если говорить о современной органической химии, то хотелось бы отметить ряд вопросов, по которым нам интересно узнать мнение химиков-органиков нашей страны. В данный момент отечественная наука получила несомненную поддержку в виде весомых грантов Российского научного фонда [3]. Целенаправленная поддержка фундаментальных исследований, которой в достойном объеме не было уже многие годы, дает шанс для развития науки в стране, и, конечно же, для наиболее интересной для нас части химической науки – органической химии. Однако многое зависит от того, насколько успешно нам удастся этим шансом распорядится, и от того, как мы сможем найти свое место в бурно развивающемся химическом мире после длительного периода выживания и вынужденного простоя (отставания).
Практически все лекарственные препараты – продукт органической химии.
Безусловным флагманом, задававшим основной тренд в развитии органической химии последних двух десятилетий, являются фармацевтические, биологические и биохимические приложения. В этой сфере были достигнуты впечатляющие успехи и на сегодняшний день укрепилось мнение, что с помощью арсенала современного органического синтеза можно за разумное время синтезировать практически любую стабильную органическую молекулу с массой до 1500 — 2000 Да. Прослеживается тенденция в проведении химических трансформаций с «атомарной точностью» даже для очень сложных органических молекул [4]. Такая концентрация ресурсов на одном направлении у некоторых химиков-органиков даже вызвала небезоснавательное опасение, что яркие и востребованные приложения в какой-то момент могут вытеснить саму науку органической химии на второй план [5].
Эффективные синтетические методики для быстрого получения разнообразных органических молекул, в особенности асимметрический синтез, будут активно востребованы в науках о жизни и в ближайшее десятилетие. Эта область по-прежнему будет значимой и будет давать работу множеству химиков-органиков. Тем не менее, передовой край науки смещает свой центр тяжести, поскольку для обычных скрининговых приложений человека вполне успешно заменили роботизированные синтетические комплексы [6]. Автоматизированный синтез тысяч органических молекул из стандартных билдинг-блоков уже является рутинной процедурой [7].
Молекулярное конструирование материалов нового поколения.
На наш взгляд, наиболее интересные задачи для органической химии будут поставлены в тех междисциплинарных областях, которые активно выходят в сферу практического применения. Яркими примерами таких областей является биотехнологии, геномные технологии для медицины, исследования стволовых клеток, нейрохимия, тераностика, и ряд других областей [8,9]. В этой сфере успешно сочетается фундаментальная наука, востребованность научных результатов на уровне стартапов и готовность выделения существенного финансирования из частных и государственных источников по всему миру. Нужно отметить, что такой тесный контакт наук о жизни с химическими науками отнюдь не случаен и благоприятствует развитию обеих областей [10].
| Тераностика — новое направление в современной медицине, сочетающее в себе терапию и диагностику. Планируется создание лекарственных препаратов, одновременно обладающих диагностическими и лечебными свойствами. |
Материаловедение является вторым ключевым игроком, оказывающим существенное влияние на химические науки. Эволюция физико-химических методов исследования и развитие нашего понимания сложных процессов, лежащих в основе функционирования материалов нового поколения, позволило связать свойства материалов с их молекулярной структурой. Это достижение закладывает основы для управления свойствами материалов и конечных устройств за счет конструирования нужных молекул – традиционной сферой деятельности органической химии. К примеру, создание множества передовых материалов для молекулярной электроники, солнечных элементов, специализированных устройств поглощения/испускания света, химических сенсоров и интерфейсов основано на применении реакций кросс-сочетания, реакции Хека и других металл-катализируемых превращений. Прогресс в этой области во многом будет зависеть от доступности сложных органических молекул и стоимости их производства.
Эволюционное развитие методических основ органического синтеза проходило под влиянием концепции Зеленой химии (Green Chemistry) и парадигмы устойчивого развития (Sustainable Chemistry). Ряд жестких требований по экономии природных ресурсов, охране окружающей среды и эффективности химических процессов сориентировали химиков в первую очередь на каталитические технологии. Беспрецедентно сложные критерии по активности, селективности, стабильности и регенерируемости каталитических систем нацелили исследователей на разработку так называемых «идеальных» каталитических систем [11]. И все же, надо сказать, что, не смотря на значительные успехи, данная область еще далека от достижения поставленной цели.
Есть еще целый ряд областей и достижений органической химии, о которых очень хочется упомянуть. Но такой подробный обзор не является задачей этого короткого эссе. Нам будет интересно услышать отклики читателей по этим непростым вопросам и по возможным планам развития органической химии в нашей стране в ближайшем будущем. Наиболее интересные отклики будут опубликованы для дальнейшей дискуссии. Вне всяких сомнений, в современном мире развитая страна не может существовать без органической химии. И мы считаем, что химики-органики нашей страны не могут находиться в стороне, когда обстоятельства требуют нашего активного участия.
Благодарность. И.П.Б. выражает признательность за поддержку гранту РНФ 14-23-00186, В.П.А. выражает признательность за поддержку гранту РНФ 14-50-00126. Авторы благодарят Е.Г.Гордеева за предоставленные иллюстрации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1CAS REGISTRY and CAS Registry Number, American Chemical Society, 2014-2015. http://www.cas.org/content/chemical-substances/faqs
2 I. P. Beletskaya, V. P. Ananikov, Organometallics, 2011, 30, 5 – 6. [doi: 10.1021/om100982z]
3Конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов, Российский научный фонд, 2014-2015. http://www.rscf.ru/
4 В.П.Анаников, Л.Л.Хемчян, Ю.В.Иванова, В.И.Бухтияров, А.М.Сорокин, И.П.Просвирин, С.З.Вацадзе, А.В.Медведько, В.Н.Нуриев, А.Д.Дильман, В.В.Левин, И.В.Коптюг, К.В.Ковтунов, В.В.Живонитко, В.А.Лихолобов, А.В.Романенко, П.А.Симонов, В.Г.Ненайденко, О.И.Шматова, В.М.Музалевский, М.С.Нечаев, А.Ф.Асаченко, О.С.Морозов, П.Б.Джеваков, С.Н.Осипов, Д.В.Воробьева, М.А.Топчий, М.А.Зотова, С.А.Пономаренко, О.В.Борщев, Ю.Н.Лупоносов, А.А.Ремпель, А.А.Валеева, А.Ю.Стахеев, О.В.Турова, И.С.Машковский, С.В.Сысолятин, В.В.Малыхин, Г.А.Бухтиярова, А.О.Терентьев, И.Б.Крылов, Успехи химии, 2014, 83 (10), 885 – 985. [doi: 10.1070/RC2014v083n10ABEH004471]
5 М.П. Егоров, Успехи химии, 2014, 83 (10), стр. iii.
[link: http://www.uspkhim.ru/php/content_rus.phtml?journal_id=rc&year_id=2014&issue=10]
6 M. Peplow, Nature, 2014, 512, 20 – 22. [doi: 10.1038/512020a]
7 E. M. Woerly, J. Roy and M. D. Burke, Nat Chem, 2014, 6, 484–491. [doi: 10.1038/nchem.1947]
8 B.W. Agranoff, History of Neurochemistry, in Encyclopedia of Life Sciences, 2001, John Wiley & Sons, Ltd. [doi: 10.1038/npg.els.0003465].
9 E.-K. Lim, T. Kim, S. Paik, S. Haam, Y.-M. Huh and K. Lee, Chem. Rev., 2014, 115, 327 – 394. [doi: 10.1021/cr300213b]
10 C.H. Arnaud, Chem. Eng. News, 2014, 92 (50)28 – 30.
[link: http://cen.acs.org/articles/92/i50/Confronting-Irreproducibility-Life-Sciences-Research.html]
11 I. P. Beletskaya, V. P. Ananikov, Organometallics, 2012, 31, 1595 – 1604. [doi: 10.1021/om201120n]
И.П.Белецкая, В.П.Анаников, Журнал органической химии, 2015, т. 51, вып. 2, с. 159 — 161.
Загрузить полный текст: