Сегодня при производстве лекарств бывает необходимо менять структуру сложных молекул, содержащих много разных атомов. Для этого нужны «умные» катализаторы, которые способны работать «с атомарной точностью», без образования побочных продуктов, часто вредных человеку. Такие катализаторы придумывают ученые.
В Новочеркасске расположилась лаборатория металлокомплексного катализа и органического синтеза Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И.Платова. Она — часть базовой кафедры вуза в Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН (Москва). А ее сотрудники при финансовой поддержке РЦНИ (прежде — РФФИ) и РНФ занимаются исследованиями в области химии N-гетероциклических карбенов, их соединений с металлами, а также проблемами переработки возобновляемого растительного сырья в ценные химические продукты и топливо. Так, в 2019-2021 годах были выполнены работы по гранту РФФИ «Новые стратегии синтеза функционально замещенных N-гетероциклических карбенов и их комплексов с переходными металлами» (19-03-01053). Проект был как раз нацелен на получение новых «умных» катализаторов M/NHC. О достигнутых результатах по просьбе «Поиска» рассказывает руководитель лаборатории, директор ЦКП «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ) профессор РАН Виктор ЧЕРНЫШЕВ.
— Виктор Михайлович, что это за загадочная аббревиатура — M/NHC?
— Ключевым звеном проекта было использование в составе катализаторов особых молекул — функционально замещенных гетероциклических карбенов. Они имеют специальную группу, которая называется «функциональной». Это та часть молекулы, которая может вступать в специфические реакции.
В частности, мы разработали методы синтеза функционализированных гетероциклических карбенов (NHC) ряда триазола и имидазола и методы получения новых комплексов металлов (Pd, Ni, Cu и др.) c функционализированными карбеновыми лигандами. В качестве NHC-пролигандов изучались гетероциклические вещества ряда триазола, имидазола и других систем, содержащих функциональные группы с атомами азота, кислорода и серы. Такие молекулы в координационной химии называются «полидентатными».
— Подождите-подождите! Я не химик, ничего не понял… Лиганды, пролиганды… Что это такое?
— Лиганды (от лат. ligo — связывать) — атомы или их группы, непосредственно связанные с центральным атомом металла (комплексообразователем) в координационных соединениях. Большинство лигандов является нейтральными молекулами (CO, H2O, O2, CO2, N2, NH3, C2H4, C6H6, C5H5N, H2NCH2C, H2NH2 и др.) или отрицательно заряженными ионами (F-, Cl-, Br-, I-, CN-, O2-, O22-, NO2-, SO42-, PO43-, C2O42-, CH3COO-, OH-, H- и др.). Лигандом также может быть более крупная молекула, состоящая из множества атомов. Лиганд бывает природным (как органическая или неорганическая молекула), а может быть получен синтетически в лаборатории. Если структуру лиганда реально воссоздать в лаборатории, синтетический лиганд сможет взаимодействовать так же, как естественный.
Природа лигандов определяет свойства, строение, реакционную способность соединений и, следовательно, варианты их использования.
Лигандом, например, является кислород. В крови и тканях организма он должен достигать всех митохондрий, если организм хочет выжить. Тем не менее достаточно трудно переместить кислородный лиганд туда, где он необходим. Многие организмы используют для этого специальные белки. У людей и других млекопитающих гемоглобин — основной белок крови, ответственный за транспортировку кислорода.
Главным конкурентом кислорода является окись углерода. Она имеет более высокое сродство к гемоглобину, чем кислород. Как результат, у человека, надышавшегося большим количеством угарного газа, вскоре весь гемоглобин будет насыщен неправильным лигандом, и кислород прекратит поступать в мозг и ткани. Даже когда пострадавшего вытащат на свежий воздух, он может не прийти в себя, грубо говоря, задохнется из-за неспособности его гемоглобина транспортировать кислород. Ну, я увлекся…
Так вот, возвращаясь к нашему проекту: мы проводили поиск и оптимизацию условий селективного металлирования полидентатных молекул с образованием связи металл-углерод. Также исследовались особенности строения получаемых комплексов M/NHC, устойчивость их по отношению к кислотам и основаниям, а также каталитическая активность ряда комплексов в важных для производства лекарств реакциях Бухвальда — Хартвига и Сузуки — Мияуры.
— Почему так важны эти реакции?
— Нам удалось разработать принципиально новые «умные» карбены и на их основе — высокоэффективные палладиевые, никелевые и другие катализаторы. Например, такой, который крайне устойчив к щелочной среде. Но самое главное, что в результате реализации проекта была открыта новая реакция, которая позволяет из обычных исходных веществ быстро, всего за одну стадию, получать ранее недоступные сложные молекулы предшественников карбенов с реакционно-способной хлорметильной и другими функциональными группами.
Открытая реакция дает возможность производить новые катализаторы, которые можно прикреплять к сложным биологическим молекулам или твердым носителям, и в перспективе производить новые лекарства, а также катализаторы для многократного использования. Этот результат был совсем недавно опубликован в престижном международном журнале Angewandte Chemie.
Всего по результатам проекта были опубликованы 4 статьи в международных и российских изданиях, а также прочитаны доклады на авторитетных научных конференциях.
— Вы занимаетесь фундаментальными научными исследованиями. Но сегодня, как никогда, важна их прикладная составляющая. Бизнес, производственники проявляют какой-то интерес?
— Наша лаборатория ведет не только фундаментальные исследования, но и участвует в проектах с прикладной направленностью. Совместно с лабораторией гетерогенного катализа нашего университета мы проводим поисковые работы в области технологий гетерогенно-каталитического синтеза и переработки углеводородов для моторных топлив и смазочных масел.
Большой интерес к этим исследованиям проявляют крупные нефте- и газоперерабатывающие компании, например, «Газпром нефть», в том числе в рамках хозяйственных договоров. Ведем совместный с ИОХ РАН поиск новых материалов для химических реакторов, получаемых путем применения аддитивных технологий. Это направление очень интересно компаниям-разработчикам и производителям лабораторного и опытно-промышленного химического оборудования. Одна из них не только принимает участие, но и предоставляет для исследований свою инструментальную базу.
— У вас в коллективе много молодежи?
— Да, наш контингент на 70% состоит из ребят моложе 39 лет. Среди них — несколько аспирантов и студентов, остальные — кандидаты наук. Например, реакцию синтеза функционализированных предшественников карбенов имидазольного ряда у нас в лаборатории открыл студент Дмитрий Пасюков. Сегодня он уже аспирант 3-го курса. Но на тот момент именно он попробовал взять немного другой реактив (за неимением нужного расходника) и получил неожиданное вещество, которое сильно отличалось по свойствам от запланированного.
Тогда у нас в университете еще не было своего ЯМР-спектрометра — мы не знали, что получилось. Все образцы отвезли в Москву, в Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского (ИОХ РАН). Дождались спектров и поняли, что получили новый материал. Поначалу не могли понять, как он мог образоваться. Дмитрий занялся исследованием этой реакции. Поступил в аспирантуру. Сначала дело шло медленно, поскольку приходилось все результаты опытов отправлять в столицу на анализ, но мы поняли, что имеем дело действительно с новой важной реакцией.
Университет приобрел ЯМР-спектрометр, и исследования нашей группы ускорились в несколько раз. Были найдены еще несколько вариантов этой реакции, по сути, семейство новых реакций. Мы исследовали их механизм, показали возможности их практического применения для катализа. В итоге в начале 2022 года эта реакция стала предметом публикации в Angewandte Chemie, да еще и была вынесена на обложку номера.
Другой наш аспирант, Андрей Черненко (сейчас он уже стал кандидатом наук), обнаружил необычное явление сильной стабилизации комплексов палладия с аминофункционализированными карбенами в щелочной среде. В результате исследований Андрея, которые стали основой его кандидатской диссертации, были созданы новые стабильные катализаторы для реакций в сильнощелочных средах.
Многие из молодых кандидатов наук в нашем коллективе выполняют собственные исследовательские проекты и являются руководителями проектов, поддержанных грантами. Все активно публикуются и участвуют в научных конференциях.
— Как в ваших работах проявляют себя партнеры?
— Серьезные фундаментальные исследования сейчас очень сложно вести силами одной лаборатории. Мы почти десять лет очень плодотворно сотрудничаем в области химии карбенов и металлокомплексного катализа с лабораторией академика Валентина Ананикова (ИОХ РАН). Совместными усилиями мы обнаружили и изучили несколько новых реакций металлокомплексных соединений, разработали ряд новых методов синтеза органических молекул, востребованных в медико-биологических исследованиях, опубликовали несколько десятков научных работ.
У нас постоянно в процессе сразу несколько совместных научных проектов. Наши аспиранты и студенты очень часто приезжают в ИОХ для проведения сложных экспериментов, требующих применения специального научного оборудования, регулярно проходят там стажировки, участвуют в семинарах, слушают лекции. У нашего университета даже создана базовая кафедра ИОХ РАН. Также сотрудничаем с коллективами ИНЭОС, МГУ и других вузов.
Последние годы ведем совместные исследования в области каталитической переработки растительного сырья с Гуанчжоуским институтом преобразования энергии (Китай), даже грант недавно совместный выиграли.
— Зашел на сайт вашей лаборатории, Виктор Михайлович, посмотреть, на каком оборудовании работаете. Техники и приборов — масса, российский нашел один — сканирующий зондовый микроскоп Solver HV. А для всех нужны обслуживание, комплектующие, расходники… В нынешней международной ситуации это ведет к сложностям. Или нет?
— Конечно, в последние годы из-за санкционной политики ряда государств появились сложности с обслуживанием и ремонтом дорогостоящего импортного оборудования. Очень многие западные компании полностью отказались от выполнения гарантийных обязательств и просто разорвали все контакты. Поэтому начинаем переходить на отечественные приборы или технику, поставляемую из дружественных стран. Например, только за последний год центр коллективного пользования нашего университета получил ряд новых, достаточно ценных и сложных научных приборов, в числе которых, например, хромато-масс-спектрометр российского производства, препаративный жидкостный хроматограф от китайского поставщика, различное оборудование для пробоподготовки.
— Чем лаборатория занимается сегодня?
— Мы продолжаем наши исследования в области металлокомплексного катализа и работаем над созданием новых, более эффективных лигандов и катализаторов для органического синтеза и фармацевтического производства, разрабатываем новые пути синтеза органических молекул каталитическими методами. Ведем исследования в области переработки растительного и ископаемого углеродсодержащего сырья, планируем интенсифицировать это направление совместно с нашими китайскими коллегами.
Продолжаем работы прикладной направленности, так мы начали заниматься новым для нашей лаборатории направлением — фотокатализом. Мы стараемся постоянно пробовать что-то непривычное для нас и таким образом находить перспективные тематики.
Во всем этом нам очень помог Российский фонд фундаментальных исследований (ныне — РЦНИ), который профинансировал наши поисковые проекты. Благодаря грантам РФФИ мы смогли реализовать идеи по созданию функционализированных карбеновых лигандов, которые стали фундаментом для разработки эффективных металлокомплексных катализаторов и заложили основу для более масштабных проектов. Формат конкурсов РФФИ был особенно эффективен при поддержке молодых исследователей — студентов и аспирантов, которые благодаря выигранным грантам смогли не только приобрести реактивы и мелкое оборудование, но и активно участвовать в научных конференциях.
Подготовил Андрей СУББОТИН
Фотоснимки предоставлены В.Чернышевым
Нет комментариев