ПЛЕНАРНЫЙ ЭКСКЛЮЗИВ

Пленарную сессию ХХ Менделеевского съезда начал нобелевский лауреат профессор Даниэль Шехтман (Технион, Хайфа; Университет Айовы, США) блестящим научно-популярным докладом о квази-периодических кристаллах, открытых им в 1982 году. На тот момент кристаллография была уже сформировавшейся наукой, основанной на постулате, согласно которому все кристаллы являются упорядоченными и периодическими. Постулат этот был подтвержден огромным массивом экспериментальных данных, и никакой революции в наших представлениях о структуре кристаллических материалов не предвиделось. Неудивительно, что открытие кристаллов с квази-периодической структурой не могло быть сразу принято научным сообществом, на это ушло более десяти лет. Шехтмана называли «квазиученым», отказывались публиковать его работы, потому что с точки зрения рецензентов он вторгался с территории химии на территорию физики, однако он последовательно доказывал свою правоту. В результате в 2011 году Даниэль Шехтман получил высшую научную награду, причем Нобелевский комитет констатировал, что «его открытия заставили ученых пересмотреть свои представления о самой природе материи». Увлекательный рассказ о своем пути к научным вершинам Шехтман завершил слайдом с изображением внука за микроскопом, очевидно наследующего его детскую влюбленность «в мир маленьких вещей». В тот же день профессор встречался со студентами УрФУ и заслужил бурные аплодисменты за советы, как получить «нобелевку». Для этого, по его убеждению и опыту, кроме профессионализма нужны невероятные упорство и вера в себя.

Профессор Сергей Дмитриев, директор лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова (Объединенный институт ядерных исследований, Дубна) доложил об одном из самых ярких научных событий последнего десятилетия — пополнении таблицы Менделеева сверхтяжелыми элементами с атомными номерами 113–118. Все они были синтезированы искусственно, поскольку в природе не существуют.

По словам С.Н. Дмитриева, синтез новых элементов по своему масштабу сопоставим с атомным проектом, поэтому в такие «игры» играют только развитые страны. Партнеры российских ученых — американские коллеги из Ливерморской национальной лаборатории (Калифорния) и Национальной лаборатории Окридж (Теннеси), и, кстати, никакие санкции на это сотрудничество не распространяются. Российско-американской группой в последние годы синтезированы 5 новых элементов: 114-й–118-й. Два из них уже получили названия: 114-й — флеровиум в честь академика Г.Н. Флерова, одного из основателей института в Дубне, 116-й — ливермориум.  Приоритет создания 113-го элемента принадлежит Японии и будет назван в честь этой страны, а 115-й элемент предложено назвать московием, 117-й — теннесином (в честь штата Теннеси), 118-й — оганессоном в честь научного руководителя лаборатории ядерных реакций академика Ю.Ц. Оганесяна. Окончательное решение будет принято Международным союзом теоретической и прикладной химии  в ближайшее время.

Ученые из Дубны не только синтезировали новые элементы, но и провели уникальные исследования их химических свойств, а также ядерно-физических свойств их изотопов. Открытие «Острова стабильности» сверхтяжелых элементов с увеличенным временем жизни по сравнению с соседними элементами ставит перед исследователями фундаментальные вопросы: могут ли существовать элементы с еще более тяжелыми ядрами, где границы Периодической таблицы, насколько химические свойства сверхтяжелых элементов подобны их легким гомологам.

Чтобы продолжить исследования и ответить на эти вопросы, необходимо кардинально усовершенствовать экспериментальную базу. В лаборатории ядерных реакций планируется создать первую в мире Фабрику сверхтяжелых элементов, включающую мощный ускоритель стабильных долгоживущих радиоактивных изотопов, новые материалы-мишени, новые сепараторы и детекторы для исследования ядерных, атомных и химических свойств новых элементов.

Синтезом 118-го элемента завершен 7-й период таблицы Менделеева. В обозримом будущем ученые начнут синтез 119-го и 120-го элементов — первых в 8-м периоде, и, вероятно, о результатах кто-то доложит на очередном Менделеевском съезде.

Доклад члена правления и начальника департамента ПАО «Газпром» доктора технических наук Олега Аксютина был посвящен роли химии в газовой отрасли страны и ожиданиям специалистов от химической науки. Крупнейшая энергетическая компания мира с диверсифицированным бизнесом, имеющая газотранспортную систему протяженностью более 170 тыс. километров (или четыре оборота вокруг Земли по экватору), является не только потребителем, но и производителем химической продукции.  Но есть и всегда будут проблемы, решение которых требует активного участия ученых, — это разработки новых материалов, реагентов, инновационных технологий добычи газа и нефти, их транспортировки, хранения и переработки, в том числе и такие существенные «мелочи», как создание современной модификации адорантов, придающих газу резкий запах, чтобы предотвратить его утечку. Очертив круг этих проблем, Олег Евгеньевич подчеркнул, что Газпром постоянно сотрудничает с институтами РАН, другими научными организациями в фундаментальной и прикладной областях и всегда рассчитывает на взаимный эффект.

Профессор Фисба Линдхорст (Университет Киля, Германия), президент Немецкого химического общества, которое в будущем году отметит 150-летие, работает на стыке органической химии и молекулярной биологии. Она представила новое понимание роли эффектов поливалентности в процессах распознавания углеводов, которые играют ключевую роль в клеточном метаболизме. Речь шла также о механизмах бактериальной адгезии (от греч. «прилипание») — способности микроорганизмов адсорбироваться и создавать колонии на различных поверхностях — и о возможностях контроля этого процесса. Актуальность проблемы определяется тем, что микробная адгезия — пусковой механизм инфекционных заболеваний.

Профессор Пол Ворсфолд (Университет Плимута, Великобритания), специалист в области аналитической химии и химии окружающей среды, доложил о результатах исследования состава воды Мирового океана, в частности содержания в ней железа, кобальта, цинка, алюминия. Эти микроэлементы регулируют рост биомассы и состав фитопланктона в морской воде, посредством этого участвуют в глобальном круговороте углерода и таким образом оказывают влияние на климат Земли, поэтому изучение их биогеохимических циклов имеет не только научное и экологическое, но и политическое значение. Докладчик подробно охарактеризовал проточно-инжекционный метод, который используется в этих исследованиях. 

 

Директор Института проблем химической физики РАН академик Сергей Алдошин (на фото) рассказал об истории исследований мономолекулярных магнитов, которые начались в 1980-е годы, и о современных тенденциях в этой области. Мономолекулярные магниты — молекулы, которые намагничиваются под действием внешнего магнитного поля и по его завершении могут сохранять намагниченность при определенной температуре. Задача состоит в том, чтобы получить высокоспиновые молекулы, которые проявляют такие необычные свойства. С использованием мономолекулярных магнитов можно строить системы записи информации, объем памяти которых будет на четыре порядка выше, чем существующих. Мономолекулярные магниты представляют интерес и для молекулярной спинтроники: на их базе можно создавать транзисторы. Системы, основанные на этих соединениях, могут использоваться как элементы памяти в квантовых компьютерах. Правда, по словам докладчика, говорить о создании полнофункциональной системы записи информации на этой основе пока рано. Сейчас усилия направлены на увеличение температуры блокирования намагниченности. Комплексы получены, но температура их размагничивания остается крайне низкой. Впрочем, недавно канадской компании D-Wave Systems все же удалось применить компоненты на базе мономолекулярных магнитов для создания квантовых компьютеров.

Член-корреспондент Владимир Разумов (Институт проблем химической физики РАН) представил совместный с директором Центра фотохимии РАН академиком Михаилом Алфимовым доклад, посвященный химическим аспектам современной энергетики. На протяжении четырех этапов развития энергетики, поочередно связанных с господством угля, переходом к нефти, изменением цен на энергоносители и появлением новых видов топлива, доля химических источников энергии остается стабильно высокой и, согласно прогнозам до 2040 года, не подвергнется серьезному сокращению. Сегодня все большее внимание уделяется возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), однако доля их использования невелика, поскольку плотность получаемой энергии недостаточно высока. Поэтому наряду с освоением ВИЭ главная задача современной энергетики — поиск более эффективных технологий преобразования, аккумулирования и транспорта энергии. Ведь сегодня даже в развитых странах эффективность использования первичной энергии не превышает 40%. Докладчик проанализировал причины потерь энергии на различных этапах и предложил способы их минимизации, главным образом за счет преобразования первичной энергии в виды, более удобные для потребления.

В докладе профессора Тебелло Ниоконг (Университет Родса, ЮАР, на фото внизу) шла речь о роли наноструктурных материалов в усилении фотофизических свойств фталоцианинов — гетероциклических соединений, которые могут использоваться в качестве фотосенсибилизаторов в лечении онкологических заболеваний, в противомикробной терапии,  как фотохимические катализаторы при экологическом мониторинге, а также в ферментоподобном катализе. Докладчица подробно остановилась на проблеме синтеза наночастиц на основе конъюгатов фталоцианинов для направленного транспорта лекарственных средств.

Специалист в области супрамолекулярной химии профессор Мир Вайс Хоссейни (Страсбургский университет, Франция) представил разработанную им и его командой новую стратегию конструирования и исследования молекулярных кристаллов, названную молекулярной тектоникой и основанную на формировании молекулярных сеток из молекулярных строительных блоков. Этот универсальный подход, сочетающий супрамолекулярный синтез и процесс самосборки, позволяет конструировать  разнообразные сложные органические или гибридные молекулярные архитектуры.

 

Академик Ирина Белецкая (МГУ им. М.В. Ломоносова) представила обзор истории катализа за 100 лет, включая новейшие открытия и достижения. Во второй половине прошлого века каталитический синтез сделал такой мощный рывок, что, казалось бы, исчерпал свои возможности, однако в начале века нынешнего наступила поистине новая эра развития. Три Нобелевские премии за 9 лет (2001, 2005 и 2010) — небывалый успех и мировое признание этого факта. Правда, в нашей стране органическая химия частенько выпадает из поля зрения государства. Российские ученые всегда работали в условиях жесткой экономии, без дорогих (но и токсичных) лигандов, в обычной водной среде, используя в частности эмульсии с наночастицами палладия задолго до появления такого термина. Сегодня это уже мировая тенденция наряду с возвратом к меди в качестве катализатора.

Профессор Киоко Нозаки (Токийский университет, Япония) доложила об особенностях синтеза полиэтилена, поливинилацетата и полипропилена в научно-популярной форме. Вот, например, майонез, — аудитория была приятно удивлена, что докладчица знает о Екатеринбурге как «столице майонеза», — его упаковка изготовлена из полиэтилена, который, к сожалению, проницаем для атмосферного кислорода. Для создания газового барьера нужно добавить еще один или даже несколько слоев сополимера. А можно создать линейный полиэтилен с активными группами на поверхности. Далее речь пошла о самом перспективном материале ближайшего будущего — полипропилене. Если удастся снизить стоимость полипропилена, усиленного углеродом, до приемлемого уровня, то это будет означать прорыв аэрокосмических материалов и технологий в автомобилестроение и бытовую технику.

Профессор Кришна Ганеш (Индийский институт научного образования и исследований, г. Пуна) представил совместный с коллегами доклад о новом поколении аналогов пептидных нуклеиновых кислот, способных эффективно проникать в клетку. Как известно, многие заболевания связаны с дефектами ДНК. Оказалось, новые аналоги пептидов могут избирательно и прочно связывать ДНК или РНК, содержащие «испорченную» информацию,  и потому очень перспективны в качестве десенсибилизирующих лекарственных средств. Первый препарат, основанный на этом принципе действия, был выпущен в 1998 году, второй — в 2013, а сегодня различные стадии испытаний проходят уже два десятка таких препаратов. По словам докладчика, этот тип лекарственных средств может также использоваться в борьбе с онкологическими заболеваниями.

Ректор Пекинского университета Чжоу Цифэн — химик по образованию, и его доклад о системе преподавания любимой науки в старейшем университете Китая был исполнен гордости и патриотизма. Он отметил, что начало химическим исследованиям было положено в 1950-е годы благодаря помощи российских специалистов. Один из приоритетов развития вуза (а в области химии он входит в первую десятку мировых школ) — тщательно выстроенная система научной коммуникации и обмена. К сожалению, среди более полусотни университетов, с которыми эта система работает, российских только два. По числу студентов — около 35 тысяч — Пекинский университет не столь уж велик (в УрФУ на очных отделениях обучается почти 32 тысячи), но по объемам современного научного оборудования и библиотечного фонда (он составляет 9,8 млн книг — это самая крупная библиотека в Азии), по числу преподавателей — членов Академии наук, количеству иностранных студентов он превосходит любой отечественный вуз. О внимании государства к столичному университету свидетельствует и то, что его ректор является членом Постоянного комитета Всекитайского собрания народных представителей — высшего законодательного органа КНР.

 

Доклад президента РАН академика Владимира Фортова, выдающегося специалиста в области химической физики и экстремального состояния вещества (на фото), гармонично  вписался в концепцию съезда, выраженную формулой «Новые горизонты химии XXI века», и подтвердил острую необходимость кооперации смежных наук. Речь шла о поведении химических элементов в экстремальных условиях сверхвысоких давлений, когда привычные всем свойства материалов становятся принципиально иными. Идея концентрации энергии волновала людей с библейских времен — вспомним историю битвы будущего царя Израиля Давида с самым могущественным воином филистимлян Голиафом, когда юный израильтянин поразил великана камнем, выпущенным из пращи, увеличив в разы скорость полета снаряда и давление в момент удара. Сегодня состояние вещества с предельно высокими температурами и давлениями, а следовательно, с необычайно высокими плотностями энергии, привлекает исследователей возможностью получения в лаборатории условных экзотических состояний, из которых возникла наша Вселенная в результате Большого взрыва и в которых находится сейчас подавляющая масса видимого вещества в природе. Понимание поведения материи при всех ее трансформациях вплоть до ультравысоких концентраций энергии определяет не только конкретные физические модели, но и общие мировоззренческие концепции современного естествознания. Докладчик представил в частности результаты экспериментов российских и зарубежных ученых, проведенных в ближней зоне подземного ядерного взрыва, где из-за перекрытия электронных оболочек элементов традиционные физика и химия как бы «заканчиваются». Более того, теоретики предсказывают, что в обозримой перспективе могут быть обнаружены химические элементы, не вписывающиеся в таблицу Менделеева, то есть наступит «конец периодической системы», что вовсе ее не отменяет, однако невероятно расширяет границы познания — так же, как квантовая механика не отменила ньютоновскую.

Профессор Алекс Тропша (Университет Северной Каролины, США, на фото) представил новую область теоретической и вычислительной химии — хемоинформатику, позволяющую на основе компьютерных моделей прогнозировать свойства химических соединений, в частности их биологическую и токсическую активность. Когда-то химики, чтобы представить пространственное строение молекул, собирали их модели из пластиковых деталей. Сегодня специалисты используют для этого математическое понятие графа, представляя молекулу как химический «граф» с «вершинами» и «ребрами», который может быть «записан» в виде таблицы. Термин «хемоинформатика» был введен Ф. Брауном в 1998 году, однако первым хемоинформатиком можно назвать Дмитрия Менделеева, ведь сформулированный им периодический закон дает возможность предсказывать свойства еще не открытых  химических элементов. Перефразируя Ломоносова, можно сказать:  широко простирает хемоинфоматика  руки свои в дела человеческие: она находит применение в разработке лекарственных препаратов и экотоксикологии, в материаловедении и нанотехнологиях. Хемоинформатика незаменима в решении крайне актуальной сегодня проблемы — оценки достоверности химической информации, предлагая инструменты анализа колоссальных по объему баз данных. И даже способна прогнозировать …успеваемость будущих студентов. Модель, построенная с использованием дюжины параметров, была с успехом опробована в школе фармацевтики Университета Северной Каролины, где преподает докладчик. В заключение Алекс Тропша обратился к участникам съезда с призывом: хемоинформатики всех стран, объединяйтесь!

Из доклада профессора Джоэля Миллера (Университет Юты, США) мы узнали, что помимо известных всем металлических магнитов существуют органические магнитные материалы, синтезированные несколько десятилетий тому назад. Правда, первые органические магниты проявляли магнитные свойства только при низких температурах, однако японским ученым удалось создать органические соединения, сохраняющие намагниченность даже при комнатной температуре. Профессор Миллер представил результаты исследования физико-химических свойств органических магнитов, оценил их преимущества и перспективы использования в материаловедении будущего.

Профессор Грэхэм Кукс (Университет Пердью, США), крупнейший специалист в области аналитической химии и масс-спектрометрии, отметил выдающийся вклад российских ученых, прежде всего нобелевских лауреатов Н.Н. Семенова и П.Л. Капицы, в их развитие. Масс-спектрометрия — приоритетный метод качественной идентификации веществ, особенно органических. Области ее применения — материаловедение, органический синтез, нейрохирургия, анализ изображений в медицинской диагностике, в частности в диагностике и оценке характера опухолей, стерилизация хирургических инструментов, ионизация помещений и многое другое. Докладчик обрисовал перспективы развития этой отрасли знания, в том числе практические.

 

Профессор Ху Жэбен Цзи Жу (Национальный университет Цинхуа, Тайвань, на фото) представил эффективные методы прямого синтеза аренов, пирролидинов и имидазолидинов. На основе последних можно создавать препараты для борьбы с резистентными вирусами — ВИЧ, гепатита С, гриппа А и В, Эболы, лихорадки денге, желтой лихорадки, а также противовирусные препараты широкого спектра действия. Синтез этих соединений основан на так называемом принципе домино, когда в одной пробирке поочередно проходят несколько реакций, за счет чего при уменьшении трудозатрат достигается больший выход конечного продукта.

Завершил пленарную сессию съезда академик Олег Чупахин (Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН, на фото), представивший  совместный с академиком Валерием Чарушиным доклад о нуклеофильной C-H функционализации аренов. Он рассказал об истории открытия реакций нуклеофильного ароматического замещения водорода, которые многие химики-органики считали невозможными. Однако из этого непризнанного гадкого утенка, по выражению Олега Николаевича, вырос лебедь —  S^H_N реакции не только вошли во все учебники по органической химии и были признаны фундаментальным свойством ароматических соединений, но и способствовали изменению самой логики органического синтеза. Всесторонне изучив реакции нуклеофильного замещения водорода в аренах, ученые выяснили, что водород вытесняется не в виде отрицательной частицы, как считали раньше, а в виде протона, и в качестве побочного продукта выделяется вода. Синтетическая методология S^N_H оказалась исключительно плодотворной, позволив  конструировать вещества самых разнообразных классов и при этом отказаться от процессов, связанных с использованием агрессивных реагентов. Это своего рода покаяние химиков-органиков, которые изрядно загрязнили нашу планету, но теперь получили  возможность следовать принципам зеленой химии.