Чем важен фтор и почему он присутствует практически во всех лекарственных соединениях? Почему в бóльших дозах он превращается в яд? Как можно использовать солнечный свет для получения новых лекарств? Возможна ли жизнь на основе кремния? Что будет, если заменить углерод этим элементом? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Александр Давидович Дильман, заведующий лабораторией функциональных органических соединений и заместитель директора по научной работе Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН.
― Александр Давидович, с химией связана практически вся ваша жизнь. Вы целенаправленно поступали в химический лицей, потом ― в химический вуз, и вот уже 30 лет работаете в этом институте. Почему именно химия?
― Так сложилось, что в старших классах мне понравилась именно химия, я пошел в Московский химический лицей ― специализированную школу с уклоном в эту науку. Поэтому я целенаправленно поступал в Высший химический колледж при РХТУ им. Д.И. Менделеева. Поступив туда, уже на первом курсе я пришел в Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Я выполнил здесь дипломную работу, остался в аспирантуре, защитил кандидатскую диссертацию, потом у меня год была постдоковская стажировка. А в 2003 г. я начал здесь самостоятельную работу. И с 2011 г. заведую лабораторией.
― Чем ваша лаборатория занимается?
― В лаборатории сейчас активно развиваются два направления. Первое ― фторорганическая химия. Фтор ― очень важный химический элемент. Основной акцент его приложения ― медицинская химия и агрохимия. Если заглянуть в аптеку, там будет множество лекарств, в которых в той или иной форме содержится фтор. По каким-то причинам фтор улучшает терапевтические свойства молекул, и это пользуется большим спросом.
Второе направление ― фотокатализ с использованием видимого света. Это одно из самых интенсивно развивающихся направлений в современной органической химии в настоящий момент. С помощью таких процессов можно делать очень широкий круг реакций.
― Читала, что у вас еще кремниево-органические соединения на повестке дня.
― Да. Мы использовали этот элемент органических соединений для нужд органического синтеза. То есть ключевая цель ― синтез органических молекул, органических соединений, и для этой цели мы используем различные элементы. Мы очень много занимались химией кремния. Немного ― химией других элементов: бора, серы, фосфора, цинка. Но это вспомогательные элементы, цель использования таких элементов ― для нужд органического синтеза.
―Чем в вашей лаборатории занимаются применительно к фтору, этому, как мы поняли, очень важному элементу?
― Мы занимаемся разработкой методов получения фторорганических соединений, в частности методом введения фторсодержащих функциональных групп. Такие группы могут вводиться селективно в определенный фрагмент молекулы. С одной стороны, они могут изменять терапевтические свойства молекулы. С другой стороны, ключевые свойства остаются теми же самыми. То есть фтор ― элемент маленький, но, как говорится, удаленький: за счет своих электронных свойств он оказывает существенное влияние на параметры молекулы.
― Какие-то новые вещества вам удалось получить?
― Дело в том, что в жизни каждого синтетика в повседневной жизни происходит синтез новых веществ. Везде есть новые вещества, и это не есть некая цель, потому что новые вещества получаются очень легко, это рутинная работа. Мы разрабатываем методы, которые востребованы в фармацевтической промышленности, например «строительные блоки», из которых строятся лекарства.
Мы часто наблюдаем такие явления, когда делаем вещества, и очень скоро на основе этих веществ на рынке начинают возникать продукты, которые продаются. Все, кто читает наши публикации, начинают быстро воспроизводить наши работы и используют это для развития своих направлений.
― Это обидно?
― Нет, наоборот! Мы сделали серию методов для ведения трифторметильного фрагмента для получения фторсодержащих аминов. Мы разработали принципиально новый подход для получения соединений с СF2-фрагментом. У нас есть серия работ, посвященная синтезу гетероциклических соединений, содержащих всего один атом фтора. Это индолы, пиридины, фураны. В особенности, скажем, соединения индольного ряда. Известно, что они широко встречаются среди биологически активных природных соединений, и с помощью наших методов их можно делать достаточно эффективно.
― Есть ли в аптеках сейчас какие-то препараты, которые были разработаны на основе ваших методов?
― Думаю, что нет. Дело в том, что доведение молекулы до аптеки ― это крайне долгий и затратный путь. Это требует огромного количества средств на первичные испытания, клинические испытания и сертификацию. Наша группа больше занимается фундаментальными исследованиями, направленными на создание базы, которая позволяет создавать лекарственные препараты.
― Тогда поговорим о втором блоке ваших исследований, связанных со светом.
― Это направление, которое начало активно развиваться примерно десять лет назад. Органическая фотохимия была известна очень давно, но многие ее недолюбливали, потому что она включала использование ультрафиолетового света, требовала особого оборудования. А видимый свет совершенно не затрагивает органические соединения, он доступен, источники света есть повсюду, в то же время при наличии катализатора видимый свет может использоваться для того, чтобы пошла химическая реакция. С помощью таких процессов можно реализовывать самые разные химические реакции, и делать это очень эффективно. Ключевой момент в том, что эти процессы позволяют проводить реакции гораздо дешевле и проще, чем многие другие методы.
― Потому что свет «работает» для всех бесплатно?
― Да. Если есть какая-то одна частица, которая его начинает поглощать, она может запускать реакцию и могут происходить какие-то превращения. Мы используем эти реакции для синтеза фторорганических соединений, для генерирования фторсодержащих радикалов. Таким образом, фторированная группа может вводиться в молекулу. Введение фторированной группы в ароматическое кольцо замедляет скорость метаболизма вещества в организме и повышает его устойчивость, его метаболическую стабильность. Это одно из возможных применений. Сейчас это направление очень широко изучается за рубежом, и в этой области мы чувствуем бешеную конкуренцию.
― Есть ли у вас какие-то оригинальные разработки в этой части?
― Конечно, есть. Мы публикуемся. У нас есть интересные реагенты, интересные методы.
― Расскажите, что у вас есть такого, чего нигде больше нет?
― У нас есть уникальный метод синтеза соединений, содержащих CF2-фрагмент, основанный на использовании дифторкарбена в качестве ключевого строительного блока.
― Можно объяснить это понятным языком?
― Когда мы проанализировали литературу по лекарственным препаратам, мы поняли, что соединений с CF2-фрагментом среди одобренных лекарств крайне мало. И мы задались вопросом: почему? И один из ответов, к которым мы пришли, таков: методы синтеза таких соединений весьма ограничены. И мы разработали универсальный метод получения таких соединений, которые позволяют получать широкий круг продуктов с таким звеном. Мы выпустили серию статей, получивших широкое признание.
― А почему вы решили, что такие вещества нужны?
― Потому что из литературных данных было известно, что дифторметиленовый фрагмент представляет собой биологический изостер атома кислорода и это используется для дизайна лекарственных препаратов.
― Появились ли где-нибудь какие-то препараты на основе подобных разработок?
― Сложно ответить. Отслеживать такие вещи очень тяжело, потому что, даже когда мы видим лекарственную молекулу или то, что она находится в патенте, не всегда понятно, каким способом она реально получалась.
― Вам же наверняка хочется понять, насколько ваши разработки потом пригождаются в жизни, как они помогают людям?
― Да. Мы читаем литературу на эту тему и знаем, что они используются.
― Вы сами свои разработки не пробуете?
― Нет. Наоборот, радуюсь, когда нашими разработками пользуются другие люди, химические компании.
― Если можно, философский вопрос. Задумывались ли вы о возможности существования жизни на основе фтора, кремния? То есть не углеродной жизни?
― Фтор обладает комбинацией уникальных свойств. С одной стороны, его на Земле необычайно много ― он находится в земной коре. С другой стороны, природных соединений, содержащих фтор, практически нет. А существующие природные соединения обладают чрезвычайной токсичностью. Простейшие неорганические соединения на основе фтора, такие как сам элементарный фтор и плавиковая кислота, ― крайне токсичные вещества, мы их не используем, потому что это очень опасно.
― Значит, фтор вычеркиваем из претендентов.
― В качестве основы жизни фтор крайне маловероятен. Создание живых систем с фтором трудно даже представить.
― Это будут очень токсичные существа?
― Да. С кремнием же вопрос крайне интересен. Он также широко доступен ― это песок. С другой стороны, кремний очень близок по своей сущности к углероду. И постановка вопроса замены углерода на кремний возможна. Наверное, в каком-то фантастическом фильме это можно себе представить.
― Какие еще элементы можно рассмотреть в этом качестве?
― Все знают элементы, которые крайне важны для живых существ: азот, фосфор, кислород…
― На основе фосфора возможно представить себе жизнь?
― Представить возможно, имея богатую фантазию. Но думаю, что это очень далеко от реальности. Вопрос токсичности будет ключевым. Хотя неорганические фосфаты в живых организмах ― это тоже ключевой компонент.
― Как вы думаете, почему именно углерод стал решающим элементом для формирования биосферы, почему не тот же кремний? Это случайность или целенаправленный выбор эволюции?
― Я думаю, что это неслучайно, это именно вопрос выбора эволюции, следствие тех свойств, которыми обладают элементы. Некоторые реакции с углеродом идут быстро, а с кремнием медленнее. Углерод оказался оптимальным, потому что особенность углерода ― это структурное многообразие. Чем замечательна органическая химия ― бесчисленное количество соединений, которое можно нарисовать. Пожалуй, это ключевое свойство углерода в отличие от кремния, который существенно более органичен, чем углерод. Поэтому то, что жизнь устроена на основе углерода, это правильно.
― Вижу, что органическая химия продолжает вас увлекать так же, как и 30 лет назад. Вы нисколько не разочаровались?
― Нисколько! Я еще в старших классах понял, что хочу заниматься наукой, и не жалею об этом по сей день. Важно, что молодые люди, которые через нас проходят, не только пополняют ряды ученых, но и идут работать на химические предприятия, в компании, в фармацевтическую промышленность, делают реальные лекарства, которые лечат людей. В этом ценность нашей науки.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук