Сегодня в лабораториях факультета химии Иркутского госуниверситета (ИГУ) и действующего на его базе НИИ нефте- и углехимического синтеза ведут исследования буквально на самом острие современной науки. О том, как ученые "сшивают" большие органические молекулы, чтобы получить новые вещества с уникальными свойствами, об идеальном катализаторе для тонкого органического синтеза, а также о плюсах российского оборудования, "Интерфаксу" рассказала известный ученый-химик, старший научный сотрудник лаборатории кинетики каталитических процессов Анна Курохтина.
- Анна Аркадьевна, ваша лаборатория одновременно вела работу сразу по трем проектам, финансируемым за счет грантов Российского научного фонда (РНФ). И по каждому из них были получены интересные результаты. Расскажите подробнее об этих исследованиях.
- В этом есть, наверное, элемент везения, но прежде всего - это наш большой труд. Буквально до июля текущего года наша очень компактная лаборатория вела работу сразу по трем проектам РНФ, различным по уровню финансирования и, соответственно, по уровню ответственности. Это и для университета, и в целом для Иркутской области очень хороший показатель.
Один, самый крупный проект, выполнялся под руководством ректора ИГУ Александра Шмидта, который является фактически руководителем нашей лаборатории. Второй проект под моим руководством. Третий - проект нашего молодого ученого Елизаветы Лариной.
Все эти исследования связаны с изучением реакций кросс-каплинга, или кросс-сочетаний. Если совсем по-простому говорить - это химические реакции, которые позволяют "сшить" между собой две различные молекулы. Конечно, такие реакции для органической химии не уникальны. Это в принципе реакции замещения, их очень много. Уникальность реакций кросс-сочетаний в том, что они позволяют очень избирательно в нужных химикам местах "сшивать" молекулы.
Современные органические молекулы - очень объемные объекты, которые состоят из большого количества разных атомов. И естественно, если молекула большая, она может участвовать в реакции разными своими частями. Реакции кросс-каплинга позволяют "сшивать" такие молекулы конкретными участками, не затрагивая остальную их часть. И "сшивая" таким образом две такие сложные молекулы, можно получать третью молекулу с новыми уникальными свойствами.
Эти реакции были открыты в конце 1960-х - начале 1970-х годов и получили довольно бурное развитие. В 2010 году Нобелевскую премию по химии дали открывателям этого направления. Тогда всему миру стало понятно, что реакции кросс-сочетания - это супер-процессы современного органического синтеза.
- Зачем это нужно?
- Это позволяет синтезировать совершенно новые химические соединения, вещества с уникальными свойствами. Еще и 50-ти лет не прошло, как эти реакции были открыты, но уже во многих химических концернах они используются для получения современных продуктов. Прежде всего, это фармацевтические препараты, это полупроводниковые материалы, жидкие кристаллы, агрохимикаты. Все они называются продуктами тонкого органического синтеза.
Тонкий органический синтез - это операции с какими-то сложными дорогостоящими субстанциями, которые требуют специальных условий. И все эти реакции являются каталитическими, то есть они проходят только с участием катализаторов. Мы еще в школе учили, что есть такие вещества, которых можно немножко добавить и реакция пойдет быстрее. В современной химической промышленности более 90% реакций - каталитические, потому что катализ самый оптимальный путь ускорения химических реакций. В качестве катализаторов используются так называемые переходные металлы - палладий, никель, платина. И они довольно дорогие - но за все надо платить, в химии это особенно четко ощущается. А любой производитель хочет вложить поменьше и получить побольше. Кроме того, мы все сегодня живем в экологической повестке - надо меньше загрязнять, меньше тратить ресурсы, стараться повторно использовать.
Катализаторы - довольно дорогие и довольно токсичные. Соответственно, все производители заинтересованы в том, чтобы загружать катализатора поменьше, работал он подольше и продукта позволял получать побольше. Есть даже такая характеристика: производительность катализатора - условно, сколько тонн готового продукта можно получить на 1 кг катализатора. И чем выше этот показатель, тем лучше для всех.
- И как сделать так, чтобы получить такой идеальный катализатор?
- Тут есть два диаметрально противоположных подхода. Первый - давайте просто в слепую перебирать условия, и найдем лучшее. Существуют мириады соединений палладия, которые участвуют в катализе, и сегодня ведется поиск новых, более успешных. То есть можно взять 100 комплексов палладия, взять еще различные добавки, поменять условия реакции и искать оптимальные сочетания.
На наш взгляд, этот подход не очень эффективен. Во-первых - то, что работает для одного набора реагирующих веществ, когда ты перейдешь к другому, может не сработать. Например, вы синтезировали одно лекарство, разработали каталитическую систему для его получения - она идеальна. Решили перейти на другой объект, синтезировать другой, похожий препарат - далеко не факт, что реакция пойдет таким же образом. И надо будет проводить всю работу заново, фактически с нуля.
А есть другой подход, более научный. Он требует больше времени, больших усилий, но позволяет получать более широко применимый результат. Этот подход реализуем мы. Это так называемое исследование механизма химического процесса.
- Что это такое?
- Помните, в школе на химии мы записывали химические реакции - А плюс В стрелочка С. Так вот, под этой стрелочкой может скрываться очень много сложных процессов. Подавляющее число реакций, которые в природе реализуются - это реакции многостадийные. И то, как на самим деле эти А и В превращаются в С - большой вопрос.
Ставя себе задачу управления химическим процессом, мы должны понимать, какие его параметры ключевые, чтобы процесс шел так, как нам надо - с такой скоростью, с такой селективностью, чтобы получался именно этот продукт, а не десять других возможных при соединении данных молекул. Желательно также понимать, как на молекулярном уровне происходит перестройка одних молекул в другие. Любая химическая реакция - это разрыв одних связей и образование других. Соответственно, нам надо понять, как одни связи рвутся, и как другие образуются. Вот именно этому посвящены все наши исследования.
- Все три проекта исследовали разные реакции кросс-сочетаний. Расскажите над чем именно работали ученые, каких успехов добились?
- В рамках моего проекта мы занимались исследованием реакции Мицороки-Хека - это та самая реакция, с которой началась история кросс-сочетаний. В самых современных учебниках химии она уже есть, и описан ее механизм. Мы же показали, что наряду с ним может реализовываться и другой механизм, который ранее даже не предполагался. Мы доказали, что реакция может идти другим путем. И это нужно учитывать, строя гипотезы, как можно повлиять на эту реакцию. Ведь, если мы знаем последовательность маленьких шажочков, из которых слагается процесс, то можем предположить, как на эти шажочки влияя, можно влиять в целом на реакцию, на ее результат. Это такой глобальный результат.
Проект под руководством Александра Федоровича (ректор ИГУ - ИФ) исследовал реакцию Сузуки-Мияуры - это вторая всемирно известная реакция кросс-сочетаний. На самом деле, уже обнаружено довольно много реакций кросс-сочетаний, от восьми до десяти, кто как считает - еще нет единого мнения в мировой науке. Так вот, в реакции Сузуки-Мияуры нами также было показано, что есть возможность реализации другого механизма ее протекания с другим набором стадий. И это надо будет учитывать при выборе катализатора для использования в химпроме. Кроме того, мы получили второй очень важный результат. Можно использовать разные исходные вещества, чтобы получать продукт. Есть субстраты более реакционноспособные, а есть - менее реакционноспособные. И те, которые более - они очень дорогие. Есть, например, хлорбензол и йодбензол - вещества очень близкие, представители одного семейства. Йодбензол очень хорошо вступает в реакцию, но 1 литр йодбензола стоит 80 тыс. рублей. Литр хлорбензола стоит около 3 тыс. рублей, но в реакцию он вступает почему-то плохо. Разница почти в 40 раз. И есть такая задача - вовлечение этих инертных, но дешевых, простых в получении веществ, в реакции кросс-сочетания.
Долгое время исследователи считали, что проблемы, почему эти субстраты не хотят реагировать, обусловлены тем, что стадия их активации катализатором протекает очень тяжело. То есть химическая связь углерод-хлор гораздо более прочная, чем углерод-йод. И считалось, что надо решать проблему, связанную с активацией этих субстратов. Нами было показано, что на самом деле активация субстрата протекает довольно легко, а проблема в другом - в том, что из всего объема катализатора, что мы загружаем в реактор, активной является только очень маленькая его доля. Основная часть находится в виде форм, которые не являются активными. И значит, надо решать эту задачу не с точки зрения того, как вовлечь неактивные субстраты в реакцию, а - как увеличивать количество активного катализатора, который почему-то с этими субстратами находится в неактивной форме. И это тоже принципиально важный результат, и он позволяет исследователям двигаться дальше.
По данному проекту, который был недавно продлен Российским научным фондом в связи с открытием этих новых фактов, одна из целей - понять, как перевести катализатор из неактивного состояния в активное. Это наша задача на следующие два года. И чтобы решить ее, надо разобраться - что это за неактивная форма, что она собой представляет и откуда возникает. Мы понимаем, что работает очень маленькая доля катализатора, а что представляет собой эта большая неработающая часть, мы на сегодняшний день сказать не можем. У нас есть определенные предположения, если они подтвердятся, дальше мы будем думать, что с ней делать, как ее простимулировать и заставить работать.
- Если вам удастся решить эту проблему, это позволит удешевить производство?
- Конечно, и значительно. Это позволит использовать более дешевые исходные субстанции, но главное - это позволит в разы повысить активность катализатора. Смотрите, если сегодня, условно, надо использовать 1 кг палладия, а из него активно по факту 3 грамма, то если мы поймем, как из 1 кг заставить работать хотя бы 100 грамм - это в 30 раз увеличит производительность катализатора.
Только, единственное, вряд ли за 2 года нам удастся полностью решить эту задачу. То есть сказать: сделайте на производстве то, то и то и у вас в 30 раз вырастет производительность катализатора. Фундаментальная наука так быстро, к сожалению, не работает.
- Чем занимается третий проект?
- Проект Елизаветы Лариной исследует реакцию Соногаширы, и задачи, которые он решает, намного сложнее. Если в реакциях Мицороки-Хека и Сузуки-Мияуры химики уже примерно знают, как и что происходит, то здесь такого понимания нет. В данной реакции происходит очень много превращений, интересных с точки зрения получения продукта, но их механизм не изучен. Мы еще не знаем того набора шажков, из которых складывается эта реакция. Проект еще реализуется, ученые работают, результаты есть, но говорить о них пока преждевременно. Его финансирование составляет 1,5 млн рублей в год, срок - до конца текущего года.
- Какие-то результаты ваших исследований уже нашли применение в реальном химическом производстве? Возможно, у вас есть опыт внедрения разработок?
- У нашей исследовательской группы такого опыта нет, но и задачи такой перед нами никто не ставит. Мы занимаемся фундаментальной наукой. Все наши исследования направлены на глобальную цель - создать идеальный катализатор.
Химическая технология - отрасль отдельная, сложная. То, что можно реализовать в колбе, в 95% случаях не будет работать в многотоннажном реакторе. И чтобы перенести какой-то процесс из лабораторных условий на производство, из колбы в промышленный реактор, надо очень сильно постараться, очень много нюансов учесть. Но - если не знать, откуда стартовать, этого можно никогда и не сделать.
Еще по поводу внедрения разработок: все производства, которые сегодня реализованы - это совокупный результат многолетней работы массы научных групп и в России, и за рубежом. И мы видим, что в последние 5-10 лет открывается все больше производств, использующих реакции кросс-сочетаний. Но если бы не было таких научных групп, как наша, которые занимаются фундаментальной наукой - не было бы и практического результата. Мы все вместе складываем эту картинку из отдельных кусочков - мы один кусочек установили, кто-то еще другой, и вот уже появляется общее понимание процессов, и можно сесть и подумать, как это на производстве реализовать.
- Насколько у российских химиков высокий потенциал, чтобы развернуть такие исследования?
- В нашей стране реакциями кросс-сочетаний занимаются немного ученых. В последние годы больше. Но все равно мало. Хотя во всем мире это популярная, развивающаяся тема. Она буквально лавинообразно развивается с 1990-х годов. Мы всегда были очень интегрированы в международное сообщество, и раньше знали, что если чего-то нет в России, то можно найти это за рубежом. Сейчас ситуация изменилась. Но мне кажется, мы можем развернуть такие исследования. На самом деле, у нас все для этого есть - мозги и знания есть, руки есть, мощности тоже есть. Это, конечно, вопрос не одного дня, но, мне кажется, все реализуемо.
- Вы испытываете трудности в проведении исследований из-за сегодняшней ситуации с ограничением импорта?
- С оборудованием у нас в лаборатории все нормально, есть запас комплектующих для иностранных установок. Кроме того, у нас много современного российского оборудования, которое вполне конкурентоспособно в сравнении с иностранными аналогами. Мы уже второй российский хроматограф в лабораторию приобрели, и шестой - на кафедру. Очень довольны. Не надо думать, что у нас ничего нет - в некоторых областях вполне можно пользоваться приборами российского производства.
Дополнительный плюс - оперативная связь с производителями. Если возникает необходимость, наши соотечественники очень быстро решают проблемы. С иностранными аппаратами сложнее - надо объяснить все дилеру, тот донесет твои просьбы до производителя за границей - и полгода ты ждешь. С этой точки зрения работа с российскими производителями намного приятнее. Быстрее, и мы все-таки на одном языке разговариваем, меньше недопонимания возникает.
Лично нас сегодня больше волнуют реактивы. Есть в России проблема - у нас могут производить много каких-то относительно простых веществ: ацетон, серная кислота. А когда речь идет о сложных веществах, которые надо синтезировать - в России нет производителей, которые ими занимаются. Эти вещества могут стоить, условно, 50 тыс. рублей за 5 грамм. Вот это действительно проблема.
Сейчас мы, видимо, будем переориентироваться на Китай, но там тоже свои нюансы с качеством очистки, с соблюдением концентраций. Нам как-то пришел реактив, где в паспорте было указано 140% чистоты - это невозможно. И есть вопрос, кто и как оформлял этот паспорт.
Когда эта проблема с реактивами и как будет решаться - горизонт просто непредсказуемый.
- Финансирования, которое заложено на реализацию проектов, достаточно для продолжения исследований в новых условиях?
- Должно хватить. За последние годы мы обеспечили себя оборудованием первой необходимости. Нам необходимо закупать только реактивы и расходные материалы. В гранты также включена оплата труда - мы привлекаем в проекты студентов, аспирантов, чтобы сохранять научные кадры, а для этого нужно и материальное стимулирование. Молодежь видит, что в науке можно зарабатывать деньги.
В последние годы государство вкладывается в науку. Увеличение финансирования произошло, и оно держится. Но у нас, как ученых, занимающихся чистой наукой, фундаментальными исследованиями, возникают некие опасения. Сейчас наша страна оказалась в такой ситуации, когда от науки нужны практические результаты. И тут важно сохранить баланс и не перебрасывать все ресурсы с НИР (научно-исследовательские работы - ИФ) на НИОКР (научно-исследовательские опытно-конструкторские работы). Мы опасаемся, что будет смещение в сторону проектов, которые обещают дать быстрый практический результат. Конечно, это важно, но если прекратятся фундаментальные исследования - мы рискуем повторить провал 1990-х годов.
Скорее всего, будет какое-то смещение в сторону практиков. Наверное, в сложившейся ситуации по-другому невозможно. Даже нам, чтобы вести фундаментальные исследования, нужны реактивы, которых нет, которые надо учиться производить. И чтобы ученые делали это быстрее, надо хорошо финансировать такие работы. Но если эти реактивы не для кого будет синтезировать - зачем тогда это все? Важно, чтобы сохранился баланс.
