В Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ) РАН разрабатывают новые соединения, содержащие азот и кислород. Эти вещества обладают значительным энергетическим потенциалом и могут найти применение в материалах для перспективных космических миссий, в составе лекарственных препаратов, в качестве гетероциклических ионных жидкостей (так называемых жидких солей) и в других областях. Руководит исследованиями Леонид Леонидович Ферштат, руководитель лаборатории азотсодержащих соединений ИОХ РАН и лауреат премии «ВЫЗОВ» за 2024 год. Мы обсудили с известным ученым особенности азота и потенциальную пользу химических соединений на его основе.
Справка: Леонид Леонидович Ферштат ― химик-органик, доктор химических наук, заведующий лабораторией азотсодержащих соединений Института органической химии им. Н.Д. Зелинского (ИОХ) РАН, профессор базовой кафедры ИОХ РАН на факультете химии Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», лауреат премии «ВЫЗОВ» за 2024 г. в номинации «Перспектива». Премия «ВЫЗОВ» вручена за передовые исследования в области создания органических функциональных материалов многоцелевого назначения на основе высокоазотных молекулярных архитектур.
― Чем интересен азот?
― Это замечательный химический элемент, присутствующий повсюду вокруг нас. Азот является составной частью ДНК, РНК, белков и аминокислот, из которых они формируются. Более 75% воздуха, которым мы дышим, приходится на этот газ. Благодаря различным комбинациям азота в молекулах, можно получать разнообразные фармацевтические препараты и создавать новые материалы. Недавно в одном из медицинских обзоров я увидел интересную информацию: ученые провели анализ молекулярной структуры существующих лекарственных препаратов, и оказалось, что не менее 60% лекарств, которые мы с вами можем купить в аптеке, имеют в своем составе азот! На мой взгляд, этот факт дополнительно подчеркивает важность этого химического элемента в нашей жизни.
― Каков механизм циркуляции азота в природных системах?
― Нам крупно повезло, что земная атмосфера в основном состоит из молекулярного азота, поскольку в случае преобладания кислорода мы бы попросту сгорели. Азот, разбавляя воздух, защищает нас от солнечных ожогов. Определенные бактерии и синезеленые водоросли фиксируют атмосферный азот, насыщая этим химическим элементом почву, где он превращается в производные ― нитриты, нитраты и другие соединения, становясь пищей для растений. Травоядные животные питаются этими растениями, а затем сами служат пищей для хищников. Продукты жизнедеятельности растений и животных возвращаются в окружающую среду, азот снова попадает в почву, а затем ― в атмосферу.
― Какую функцию выполняет азот в сельском хозяйстве?
― Её масштабы впечатляют. Без азота и удобрений на его основе было бы невозможно добиться такого прогресса в сельском хозяйстве, как в растениеводстве, так и в животноводстве.
― Влияние сельского хозяйства приводит к изменению баланса азота в атмосфере, уменьшая его концентрацию. Какие химические решения могут быть применены в этой ситуации?
― Хотя это и справедливо, стоит отметить, что, несмотря на обилие азота в природе, его запасы постепенно сокращаются из-за увеличения выбросов парниковых газов, таких как метан, углекислый газ и угарный газ, а также газообразных продуктов жизнедеятельности организмов. Существуют различные методы для компенсации дефицита азота в атмосфере. Вероятно, вы знакомы с концепцией декарбонизации производства — снижением выбросов углеродсодержащих веществ. В этой области, как химику, представляется интересным следующее решение: можно частично заменить углеродные материалы и ресурсы на азотсодержащие соединения. Такие соединения в основном состоят из атомов азота, поэтому при их преобразовании и переработке в атмосферу будет попадать азот, а не углекислый газ, что позволит сбалансировать состав атмосферы и одновременно снизить углеродный след. Подобный подход вполне можно назвать экологически чистым.
― В лабораторных условиях вы синтезируете азотсодержащие соединения. Не могли бы вы рассказать, откуда берется азот и что с ним происходит впоследствии?
― В ходе наших исследований мы стремимся использовать наиболее доступные азотсодержащие производные, преимущественно продукты крупнотоннажного химического синтеза, например, нитрит натрия и азотную кислоту. Это базовые реагенты, необходимые как химической промышленности, так и сельскому хозяйству, а также другим, более специализированным областям материаловедения. Наши усилия в основном направлены на фундаментальные исследования и разработку методов синтеза гетероциклических азотсодержащих соединений.
После получения нового химического соединения и подтверждения его соответствия предполагаемой молекулярной структуре, мы продолжаем исследования, направленные на изучение потенциальных свойств таких веществ. Это позволит нам разрабатывать фармакологически активные компоненты, которые могут стать основой для новых лекарственных средств, или, к примеру, создавать соединения для разработки новых материалов с высокой энергоемкостью.
― Какую пользу могут принести подобные материалы?
― Они обладают широким спектром применения. Поскольку такие материалы преимущественно состоят из атомов азота и кислорода, а содержание углерода в них невелико, они способны запасать значительное количество химической энергии. Модифицируя их состав путем добавления различных молекулярных групп, можно создавать потенциальные компоненты топлива, в том числе для аэрокосмической отрасли, например, для освоения Марса.
Разрабатываемые нами материалы отличаются не только высокой энергетической емкостью, но и безопасностью при хранении, транспортировке и утилизации. Это позволяет повысить уровень безопасности на производстве, сохраняя при этом требуемую энергетическую составляющую. В заключение стоит отметить еще одно многообещающее применение наших энергонасыщенных материалов, которое может показаться неожиданным. В частности, их можно использовать в качестве наполнителей автомобильных подушек безопасности: в данном случае, таким наполнителем может выступать полиазотный материал.
― А что сейчас используют в подушках безопасности?
― Азид натрия – распространенный и недорогой неорганический реагент, в состав которого входят три атома азота и один атом натрия. Он обладает токсическими свойствами, и хотя вероятность утечки невелика, она может представлять угрозу для здоровья человека. В отличие от него, азотсодержащие материалы безопасны и исключают возможность отравления.
― Сколько научных групп по всему миру ведут исследования, аналогичные вашим?
― Наука привлекательна тем, что в лаборатории нередко получается достичь того, что ранее не удалось никому. Это служит сильным побуждением к дальнейшему развитию и требует дополнительных усилий и времени, затрачиваемых на работу. Хотя… Это даже не совсем работа, а скорее нечто среднее между работой и хобби.
― И искусством.
― Так и єсть. Під час роботи постійно потрібно проявляти творчий підхід та використовувати уяву, необхідно вміти вирішувати різноманітні завдання з несподіваних ракурсів. Така діяльність підтримує мозкову діяльність у стані активності. Значну допомогу також надає інтенсивна взаємодія з колегами з інших лабораторій та інститутів. Важливо не обмежуватись лише власним «просторо́м». Іноді, у процесі спілкування або самостійного вивчення інформації за темою, ми дізнаємось, що наукові групи в лабораторіях інших країн працюють у схожому напрямку. Отже, з одного боку, ми колеги, а з іншого – наукові конкуренти, які, якщо говорити відверто, переслідують один одного. Тому кожен прагне якнайшвидше вирішити поставлене завдання.
― Я утверждаю, что для ученого крайне важно рассматривать различные вопросы под новым, нестандартным углом. Что же помогает мне самому формировать такой подход?
― Научная деятельность требует значительной вовлеченности, включающей проведение исследований, руководство студентами и аспирантами, участие в конференциях и многое другое. Когда дел очень много, бывает непросто переключиться на что-то другое, однако регулярный отдых и передышка крайне важны. Для этого можно найти различные способы расслабления, такие как игра в сквош или шахматы, или совместный просмотр сериалов с друзьями. Если я ухожу в двухнедельный отпуск, то уже к концу первой недели у меня возникает желание вернуться к работе, что мешает полноценно отдыхать: возвращаются силы и появляется стремление вновь заниматься наукой. В заключение, я хотел бы подчеркнуть важность поддержания равновесия между профессиональной деятельностью и другими аспектами жизни.
― Вернемся к азоту. Существует весьма распространенное соединение, известное как оксид азота» ( NO). По мнению некоторых, она способна замедлить процессы старения и оказать помощь в борьбе с широким спектром заболеваний. Но так ли это на самом деле?
― У азота существует множество различных оксидов, но молекула NO, этот оксид, в отличие от других подобных соединений, состоит всего из двух атомов и играет значительную роль в нашей жизни. Благодаря своим сигнальным функциям, он участвует во многих физиологических процессах, происходящих в организме человека: обеспечивает расширение сосудов, препятствует образованию тромбов, регулирует кровяное давление, осуществляет передачу нервных импульсов между нейронами и способствует заживлению ран.
Мы создали обширную коллекцию соединений, содержащих кислород и азот (включая и NO), эти соединения, в отличие от традиционных доноров оксида азота, таких как нитроглицерин, характеризуются более благоприятным фармакологическим профилем, включая отсутствие нежелательных побочных эффектов. При этом их способность высвобождать оксид азота превышает показатели нитроглицерина. Однако, как гласит принцип «всё хорошо в меру», любая доза может оказаться токсичной — это известно изречением Парацельса. В целом NO представляется мне весьма перспективным фармакологическим кандидатом для нового поколения лекарственных препаратов.
― А что насчет продления молодости?
― Геронтологи могли бы дать более развернутый ответ, однако, как химик, я хотел бы еще раз отметить, что оксид азота способствует расслаблению гладких мышц сосудов и способен уничтожать злокачественные образования в организме.
Благодаря своим противовоспалительным свойствам, оксид азота может подавлять образование свободных радикалов. Сам он также является радикальной частицей, поскольку содержит неспаренный электрон. Все это потенциально может оказывать влияние на процессы старения. Надеемся, что будущие исследования помогут лучше понять этот механизм.
― Вы посвятили изучению азота многие годы, но, возможно, в периодической таблице Д.И. Менделеева есть еще какой-то элемент, который лично вам кажется крайне необычным и интересным?
― Периодическая таблица является основой всей химии, и она, безусловно, содержит множество интересных и еще неизученных фактов. Недавно ученым удалось завершить последний период таблицы, синтезировав новый 118-й химический элемент, получивший название «оганесон». Это стало возможным благодаря выдающемуся соотечественнику, академику Юрию Цолаковичу Оганесяну и стало большой победой для России и всего мира. Что касается лично меня, то я в основном сосредоточен на исследованиях, связанных с органической химией. Еще со студенческих лет я начал заниматься химией азотсодержащих соединений, поэтому мне наиболее близки элементы верхних периодов таблицы, особенно азот, углерод и кислород. С точки зрения генетических связей, например, большой интерес представляют также фосфор и его производные. Этот химический элемент входит в состав ДНК, но также и в состав различных пиротехнических веществ. Возможно, это прозвучит банально, но мне также очень нравится кислород, не только потому, что мы дышим им, но и потому, что на основе этого элемента тоже можно получать энергонасыщенные и фармакологически активные субстанции. Кроме того, мы все состоим в том числе из кислорода, так что этот химический элемент играет в нашей жизни не менее фундаментальную роль, чем азот.
Интервью было осуществлено при содействии Министерства науки и высшего образования РФ