1. Охарактеризуйте, пожалуйста, состояние области науки, в которой вы работаете, каким оно было примерно 20 лет назад? Какие тогда проводились исследования, какие научные результаты явились самыми значительными? Какие из них не потеряли актуальности на сегодняшний день (что осталось в фундаменте здания современной науки)?
2. Охарактеризуйте сегодняшнее состояние той области науки и техники, в которой вы трудитесь. Какие работы последних лет вы считаете самыми главными, имеющими принципиальное значение?
3. На какие рубежи выйдет ваша область науки через 20 лет? Какие кардинальные проблемы, по-вашему, могут быть решены, какие задачи будут волновать исследователей в конце первой четверти XXI века?
На вопросы анкеты "Вчера, сегодня, завтра" (см. "Наука и жизнь" №№ 9, 2004 г. , 12, 2004 г..; №№ 1, 2005 г., 2, 2005 г., 3, 2005 г., 4, 2005 г.) отвечают известные ученые - авторы "Науки и жизни".
Член-корреспондент РАН Э. НИФАНТЬЕВ, заведующий лабораторией Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова, заведующий кафедрой органической химии Московского педагогического государственного университета.
Химия фосфора - а именно с ней связаны мои научные интересы - относится к классическим областям химической науки. Поэтому, прежде чем говорить о достижениях последних десятилетий, надо заглянуть чуть глубже в историю.
Основы фосфорорганической химии заложили немецкий ученый Август Михаэлис и наш соотечественник Александр Арбузов; произошло это примерно сто лет назад. Сначала исследования носили чисто академический характер, но в 30-х годах XX века обнаружилось, что некоторые органические соединения фосфора очень ядовиты, и накануне Второй мировой войны в Германии появились закрытые лаборатории по разработке отравляющих веществ на основе фосфора. После войны фосфорорганические соединения нашли применение в мирной жизни. Стала развиваться ядерная энергетика, а в ее технологическом цикле важнейшую роль выполняют сорбенты на основе фосфора: именно с их помощью из руды извлекают уран. Фосфорорганические соединения начали использовать и для пропитки огнестойких тканей, и как добавки к смазкам, и как пестициды.
А дальше пришла потребность изучать химию живого. В живых организмах содержится много фосфора. Жизнь не может существовать без нуклеиновых кислот, а что такое ДНК и РНК? Эфиры фосфорной кислоты. Далее, посмотрим на элементарную ячейку живого - клетку. У растений клеточные стенки созданы из целлюлозы, а у животных клетка окружена биомембраной из фосфорорганических соединений - фосфолипидов. Усвоение энергии из пищи тоже происходит при участии соединений фосфора.
Долгое время основная линия развития фосфорорганических соединений была связана с реагентами пятивалентного фосфора. Они удобны в работе, но ведут себя подобно слону в посудной лавке, не позволяя проводить тонких операций. Поэтому в последней четверти XX века внимание исследователей переключи лось на трехвалентный фосфор. Это стало возможным благодаря развитию лабораторной техники, ведь трехвалентный фосфор из-за своей более высокой активности требует вести работу в атмосфере инертного газа. Но зато он позволяет проводить реакции избирательно и решать более сложные задачи. Можно сказать, что сегодняшняя фосфорорганическая химия, понизив ранг с пятивалентного до трехвалентного фосфора, переродилась, помолодела и стала более эффективной.
Благодаря реагентам трехвалентного фосфора стал возможен промышленный синтез нуклеиновых кислот. Это удалось сделать с помощью фосфамидов. Первые эксперименты поставлены в нашей стране, но дальше лабораторных исследований дело не пошло. Автоматизированные синтезаторы, которые производят нужные нуклеиновые кислоты по заданной программе, созданы на западе. Кроме обычных нуклеиновых кислот получают их аналоги, в которых атом фосфора связан не с кислородом, а с серой или кремнием. Такие вещества могут выполнять функции лекарств.
Если говорить о настоящем дне фосфорорганической химии, то заслуживает внимания такое направление, как модифицикация фосфором природных соединений. Новые методы фосфорилирования используют, чтобы синтезировать липидные композиции - производные глицерина. Оказалось, что это упрощает схему получения фосфолипидов. Получены сахара' , в молекулы которых встроен фосфор. Эти вещества обладают биологической активностью либо представляют технический интерес, например как сорбенты.
Использование реагентов фосфора позволяет получать эффективные биорегуляторы, например биоантиоксиданты. Эти вещества помогают поддерживать концентрацию свободных радикалов в организме на безопасном уровне. Свободные радикалы - активные "осколки" молекул - постоянно появляются и исчезают, участвуя в процессах расщепления пищи, выработке необходимой для жизни энергии, борьбе с микробами. Но если радикалы образуются в избыточном количестве, то могут стать причиной многих болезней и преждевременного старения.
Хорошими перехватчиками радикалов служат флавоноиды, особенно дигидрокверцетин, - его свойства подробно изучила профессор из Иркутска Нонна Арсеньевна Тюкавкина. Однако это вещество получают из лиственницы, а для организма человека оно не совсем родное. Чтобы "приспособить" дигидрокверцетин к человеческому организму, "приблизить" к нашей биологической ткани, мы решили на кафедре органической химии МПГУ заняться его модификацией и нашли два пути - введение сахарo' в и введение фосфатных фрагментов. Как показали эксперименты, химически измененный, модифицированный дигидрокверцетин, полученный в результате взаимодействия с фосфорсодержащими веществами, имеет высокие радиозащитные, противоаллергические и противовоспалительные свойства. Сейчас начаты испытания нового препарата в онкологическом центре.
Чтобы работать с дигидрокверцетином, мы с коллегами разработали новый метод его выделения из лиственничных отходов, которые сейчас по большей части просто сжигаются. Но ведь это - настоящий "склад" самых разнообразных и очень нужных соединений. Здесь есть полисахариды, фенолы, ароматические соединения, алкалоиды, терпены, порфирины, воски. Они скапливаются в капсулах, образованных переплетением молекул целлюлозы и лигнина. Поэтому выделение из лиственницы целевых продуктов - задача непростая: недостаточно перемолоть древесину до состояния опилок, нужно измельчить ее специальным дезинтегратором. Комплексный метод переработки лиственницы позволяет практически полностью добыть весь содержащийся в лиственничных тканях дигидрокверцетин. Оставшуюся лиственничную биомассу - материал, внешне напоминающий пушистую вату, - мы подвергли химической модификации (обработали соединениями, содержащими кремний и фосфор) и в результате получили сорбенты тяжелых металлов и гидрофобные вещества, которые могут найти применение, например, в респираторах. Одновременно из биомассы мы извлекли целлюлозу и сопутствующие ей полисахариды, а также лигнин. Раньше целлюлозу закупали в основном в Средней Азии, но в нынешней ситуации выгоднее производить этот стратегически важный материал в России. При комплексной переработке помимо биомассы остается еще один компонент древесины - смолы. Из них мы получили полипренолы, состоящие из нескольких молекул изопрена. В природе, в растениях, изопрен превращается в полимер - натуральный каучук. Он встречается в растениях, произрастающих в Индонезии и других южных странах. Известно, что полипренолы могут защищать организм от вирусов, однако они очень плохо растворяются в воде. И здесь эффективность лекарства опять реально повысить с помощью химической модификации.
Запас леса, и в том числе лиственницы, у нас в стране богатейший, особенно в Сибири. А заготовка, если сравнивать, например, с тем, как ее ведут американцы и финны, намного хуже. Однако самая большая беда в том, что лиственницу используют только как строительный материал. При лесозаготовках берут в основном древесный ствол. Но ведь есть еще хвоя, листья, кора, ветки, комли и другие части, которые часто просто выбрасывают или перерабатывают полукустарно. Когда же древесину перерабатывают на целлюлозу (напомню, что из нее делают бумагу), все сопутствующие вещества, как правило, разрушаются и не используются. Сегодня всего лишь три процента леса из России уходит на экспорт в виде готовой продукции. Америка же при меньших запасах леса экспортирует 16 процентов продуктов переработки древесины. А 97 процентов российских экспортных материалов - это "круглый лес", или бревна.
Очень плохо, что сегодня к проблеме химической переработки леса мало привлекают научные кадры, в том числе Российской академии наук и высших учебных заведений. А между тем именно такие исследования определяют успех экономики страны. Я хочу привести хрестоматийный пример. После того как радиоэлектроника определилась как научно-техническая область, во многих странах было налажено производство радиоприемников. Когда я был еще ребенком, в 1940 году мои родители купили такой большой радиоприемник, ручку настройки которого я с удовольствием крутил. Позже появились детекторы из полупроводниковых материалов, транзисторов, гораздо меньших размеров. Промышленники говорили: "Зачем они нам? У нас есть ламповые приемники, большие, красивые, вроде комода, которые украшают дом". Что же сделал тогда американский президент Рузвельт? Он законодательно постановил, что если промышленники станут изготавливать радиоустройства на основе транзисторов, то с них не будет браться налог. Это сразу изменило положение. Ученые смогли усовершенствовать транзисторы, и теперь миниатюрный радиоприемник никого уже не удивит. Так вот, чтобы у нас в России началось использование новых безотходных технологий, которые расходуют ресурсы комплексно, по-хозяйски, ученым требуется поддержка. В нашей стране крайне необходимо государственное регулирование экономики, которое поможет привлечь в науку средства частных корпораций.
Что касается дальнейших перспектив фосфорорганической химии, я прежде всего хотел бы отметить катализ. Трехвалентный фосфор связывается с металлами, и эти металлокомплексы действуют как катализаторы. С их помощью можно получать вещества-изомеры разной хиральности, то есть зеркально симметричные, как перчатки на правую и левую руку. Это очень важно для фармацевтической химии. Лечебным эффектом, как правило, обладает только один изомер, а при обычном синтезе образуется смесь "левых" и "правых" молекул (например, левомицетин - "левый" изомер, а синтомицин - смесь изомеров, поэтому синтомицин применяют только наружно).
А в целом изучение химических свойств веществ позволяет нам углубить знания о структуре микромира. Со временем эти знания обязательно будут использованы и реализованы в виде новых лекарств и материалов с уникальными свойствами.
23 марта 2005 года.
