Современные тенденции развития органической химии

ВВЕДЕНИЕ

Органическая химия выполняет ключевую функцию в системе подготовки будущих провизоров и является фундаментальной учебной дисциплиной, тесно интегрированной с такими профильными дисциплинами, как фармацевтическая и токсикологическая химия, фармакология, фармакогнозия, фармацевтическая технология [2]. И это вполне объяснимо, если учесть, что «организм» и «органическая» являются однокоренными словами, а термин «органическая химия», впервые введенный Берцелиусом в 1807 г., обозначает раздел науки, изучающий вещества, выделенные из объектов живой природы. Организм человека представляет собой лабораторию, и воздействие лекарственных средств на него можно смоделировать путем взаимодействия фармакологически активных веществ с биологическими мишенями. При изучении органической химии формируются основы химического мышления на молекулярном уровне, необходимые для подготовки квалифицированных специалистов фармацевтической отрасли.

Современным тенденциям развития органической химии было уделено большое внимание на XII Международной конференции студентов и молодых ученых по химии «Mendeleev-2021», состоявшейся с 6 по 10 сентября 2021 г. в Санкт-Петербургском государственном университете. Статистические данные свидетельствуют о том, что молодежный форум стал поистине значимым событием в мировой химической науке. «Mendeleev-2021» объединил ученых из 20 стран Европы, Азии и Америки, в Санкт-Петербург прибыли не только ученые из различных уголков России, но и представители США, Германии, Италии, Японии, Австрии, Канады, Швеции и других стран мира. Несмотря на сложные эпидемиологические условия, конференция проходила в очном формате: из 834 участников конференции 502 присутствовали лично. Все доклады и обсуждения велись исключительно на английском языке. В рамках научной программы было заслушано 528 постерных и 194 устных доклада, в конференции приняли участие 32 приглашенных спикера из числа ведущих ученых, специализирующихся в различных областях химии. Обмен результатами исследований в области органической химии осуществлялся в ходе научных дискуссий на пленарных заседаниях и следующих секциях конференции: «Компьютерное моделирование и хемоинформатика», «Нанохимия и наноматериалы» и «Органическая и биомедицинская химия».

CЕКЦИОННЫЕ ДОКЛАДЫ

На секции было представлено много интересных докладов по разным направлениям, в том числе связанных с разработкой лекарственных средств. Председатель секции А. Новиков обратил внимание слушателей, что медицина является одним из главных векторов использования компьютерного моделирования [3, р. 124].

Ученые из МГУ поделились данными по изучению изменений в строении твердой фазы антибактериального препарата широкого спектра действия диоксидина путем криомодификации [3, р. 170]. В своем выступлении они подчеркнули, что часто процесс производства наночастиц лекарственных средств сопровождается появлением новых полиморфных модификаций с различными биофармацевтическими свойствами.

В программу секции был включен доклад студента 4 курса Института фармации имени А. П. Нелюбина Сеченовского университета А. Тальдаева на тему «Антибактериальная активность дигидрокверцетина против E. сoli» [3, р. 172]. Значение этой работы заключается не только в описании путей реализации фармакологических эффектов молекулы — кандидата на роль антисептика, но и в подтверждении выводов, сделанных в исследованиях in silico, экспериментами in vitro путем диффузии в агар.

Важную функцию выполняет компьютерное моделирование и при решении вопросов о механизме действия лекарств. Исследователи из Новосибирска поделились результатами по изучению компьютерной модели взаимодействия нового противоопухолевого средства диоксадета с клеточной мембраны [3, р. 178].

В целом компьютерная химия — это интенсивно развивающаяся область современной науки, находящаяся на стыке «тяжеловесной» фундаментальной теории и актуальной практики. В настоящее время для медицинской химии, основная задача которой заключается в создании молекулярной структуры потенциального лекарственного вещества с заданным типом биологической активности, необходим функционал компьютерной химии. Исследования хемоинформатиков, использующих вычислительные методы для решения химических проблем, в том числе и при создании лекарственных препаратов, позволяют оптимизировать работу «мокрых» химиков в лаборатории и способствуют скорейшей трансляции научных гипотез в реальную клиническую практику.

Программа секции отличалась широким охватом тем и высокой ориентированностью на практическое применение результатов научной деятельности. Большое внимание уделялось методам повышения биологической доступности труднорастворимых фармакологически активных веществ. Нужные эффекты были достигнуты как путем создания простых желатиновых наночастиц, так и посредством гибридных кремниевых носителей с несколькими действующими веществами внутри [3, р. 486].

Особое внимание молодых ученых было приковано к полиоксимолибдатам, которые в настоящее время переживают ренессанс в области исследований. С их помощью можно получать сложные супрамолекулярные органо-металлические материалы, которые обязательно найдут применение в качестве поглотителей красителей, фотокатализаторов и молекулярных сенсоров [3, р. 366].

В рамках научной программы секции с докладом «Лиофилизаты дигидрокверцетина: синтез и характеристики эконаноматериалов» выступил старший преподаватель кафедры химии Института фармации имени А. П. Нелюбина Сеченовского университета Р. Терехов. Используя методы инженерии кристаллов, были получены новые модификации природного флавоноида, отличающиеся повышенной растворимостью в воде при комнатной температуре. Установлено их фазовое состояние, и охарактеризованы свойства комплексом физико-химических методов. Особая ценность работы заключается в том, что способы получения модифицированных форм отвечают принципам зеленой химии − одного из самых современных и интенсивно развивающихся научных направлений [3, р. 496].

Научная область нанохимии находится на пересечении супрамолекулярной, физической и коллоидной химии. Особое внимание нанотехнологи уделяют размерам и форме получаемых материалов, благодаря которым реализуются уникальные, так называемые размерные эффекты. Изучение подобных объектов, как правило, требует привлечения большой кросс-функциональной команды исследователей. В фармации уже используются достижения нанохимии, например при получении наноконтейнеров − наноразмерных носителей для доставки лекарств [4]. Можно выразить уверенность, что в будущем актуальность подобных научных разработок будет только увеличиваться.

Большой интерес для специалистов в области фармации на секции представлял доклад по стереоселективному синтезу биологически активных соединений [3, р. 611]. Формирование подходов к синтетическому получению хиральных лекарственных средств является одной из важнейших задач науки о лекарствоведении. Неудивительно, что Нобелевская премия в области химии в 2021 г. была присуждена «за развитие асимметрического органокатализа». Лауреаты премии Б. Лист и Д. Макмиллан независимо друг от друга разработали очень простую, но поистине гениальную идею, основанную на том, что в качестве катализаторов в синтезе хиральных органических соединений можно использовать не целиком фермент, а отдельные «кирпичики», из которых он состоит, — определенные стереоизомеры аминокислот [5, 6]. Результат реализации этой концепции превзошел все ожидания: продукт синтеза представлял собой не рацемическую смесь, а на 90 % состоял из энантиомера с желаемой конфигурацией центров хиральности. До 2000 г. этого направления в химии фактически не существовало, поэтому асимметрический органокатализ это и есть химия XXI века. Важность этого открытия для фармации трудно переоценить, так как оно прокладывает широкую магистраль для синтеза хиральных лекарственных средств, а его ключевым преимуществом является безопасность полученного продукта.

ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ

В первый день конференции состоялось большое пленарное заседание, на котором признанные метры в области химии делились своим опытом и последними разработками. Традиционно большой интерес у аудитории вызвал доклад «компьютерного химика» Т. Маджидова из Казанского федерального университета на тему «Искусственный интеллект в синтетической химии». Автор книги «Введение в хемоинформатику» представил проект по цифровизации химического синтеза и путям получения новых молекул роботом, без участия человека [3, р. 21]. В настоящее время в базах данных хранятся более 100 млн химических реакций, и, например, для осуществления 20-ступенчатого синтеза компьютеру необходимо выбрать оптимальный путь из 10¹⁰⁰ возможностей. Несмотря на то что дизайн синтеза является сложнейшей шахматной партией, по прогнозам, к 2050 г. роботы-химики смогут решать любые синтетические задачи.

Научная повестка первого дня включала обсуждение роли нековалентных взаимодействий при синтезе новых лекарственных препаратов с противоопухолевой и антибактериальной активностью. Много внимания было уделено вопросам нанотехнологии, в частности как использовать распылительную сушку для синтеза объектов нового, супрачастичного, уровня. Профессор К. Мандел из Университета Фридриха-Александра (Германия) обозначил этот уровень как «Нано 2.0» [3, р. 25].

И. Алабугин, профессор из Университета Флориды (США), представил доклад, посвященный стереоэлектронным эффектам. Он отметил, что молекулы — это «инструменты покорения мира» и создание молекул необходимо для получения материалов с улучшенными свойствами и новых лекарственных средств [3, р. 26]. Но это непростая задача, и теоретической платформой для ее решения является ответ на вопрос: как разорвать химическую связь и как образовать новую путем взаимодействия электронных орбиталей?

На заключительном пленарном заседании с докладом «Полимеры с молекулярными отпечатками в экспресс-анализе: возможности и вызовы» выступил профессор Университета Вены П. Либерцайт [3, р. 19]. В докладе австрийского ученого удивительным образом были переплетены тематики всех секций конференции. Профессор Либерцайт использовал полимерные наночастицы для проведения селективного анализа биологических молекул. Его работа особенно актуальна в наше непростое с точки зрения эпидемиологии время, поскольку позволяет значительно снизить затраты на проведение иммунологических экспресс-анализов.

Вместе с тем спикер, будучи редактором журнала Sensors and Actuators B: Chemical (Q1, CiteScore = 14.0, IF = 7.46), не упустил возможность поговорить про более общие проблемы современной науки. Так, Либерцайт признался, что нередко публикуются статьи, снабженные очень красивыми рисунками, которые, однако, совершенно не подтверждают выводы, сделанные авторами. Более того, рапортуя о выявленной селективности новых методов анализа биологических систем, ученые намеренно умалчивают, что выход при получении комплексов с анализируемым веществом составляет 2–3 %. Подводя итог своего выступления, докладчик напомнил, что наука должна быть сконцентрирована на получении практических результатов. Научные исследования всегда вызывают огромный интерес, но в конце работы нужно обязательно задать себе вопрос: что меняют в этом мире сделанные мною выводы?

КРУГЛЫЙ СТОЛ

Интересным событием на конференции «Mendeleev-2021» стал круглый стол на тему «Как опубликоваться в хорошем химическом журнале?», который провела главный редактор высокорейтингового журнала Organic Letters (Q1, CiteScore = 10.2, IF = 6.0) профессор М. Козловски. Она дала несколько ценных советов, которые могут быть полезны молодым специалистам и в области наук о жизни.

• Очень важно подобрать журнал, подходящий по тематике планируемой публикации, для чего полезно ознакомиться с содержанием последних статей рассматриваемого издания.

• В журналах химического профиля обязательно должны быть приведены формулы соединений.

• Четкое, лаконичное и интригующее название статьи − половина успеха для того, чтобы редактор отправил статью на рецензирование.

• Потрясающее резюме (abstract) рукописи, которое должно заставить читателя захотеть ознакомиться с полным текстом статьи, − вторая половина успеха.

• Графическое резюме (graphical abstract) является мощным инструментом в руках автора, который позволяет редактору и читателю за пару мгновений составить положительное впечатление о статье.

• В сопроводительном письме (cover letter) для ускорения процесса рассмотрения статьи необходимо указать ученых, которые могли бы стать рецензентами вашей рукописи.

• Плохой английский не является препятствием для отправки рукописи, достаточно, чтобы читатель понял мысль автора, а язык можно будет отредактировать после рецензирования.

• Не расстраивайтесь, если редактор рекомендовал отправить статью в другой журнал и указал его название. Скорее всего, ваша работа не подходит журналу по профилю, но полученные вами результаты впечатлили редактора, и взаимодействие с новым журналом наверняка будет успешным.

• Не спешите отвечать на критику рецензентов. Прочтите замечания, отложите их, а на следующий день грамотно и логично напишите ответы, не забывая про уважительный тон по отношению к редактору и рецензенту.

• Не игнорируйте замечания рецензентов. Не обязательно соглашаться со всеми требованиями, особенно в части расширения эксперимента: всегда можно обосновать, почему вы ограничились указанными материалами и методами.

• Сократите список литературы, если рецензент рекомендует расширить текст рукописи, а вы при выполнении этого условия не укладываетесь в требуемый журналом размер статьи.

• Помните, что любую рукопись можно сделать лучше, но идеальных статей не бывает. Редакторы журналов нацелены на публикацию, а не на отказ.

В конце своего выступления М. Козловски посоветовала молодым участникам конференции не пасовать перед трудностями при проведении эксперимента, а член-корреспондент РАН, д-р хим. наук Ю. Горбунова добавила: «Не бойтесь того, что не получится. Бойтесь, что не попробуете».

ВЫВОДЫ

Классическая молекулярная органическая химия, основанная на ковалентных связях, на современном этапе развивается параллельно с супрамолекулярной химией − химией молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей.

Благодаря компьютерным технологиям ускоренными темпами формируется область органической химии, связанная с конструированием лекарственных средств, − медицинская химия.

Новые разработки по стереоселективному синтезу биологически активных соединений с использованием асимметрического органокатализа послужат инновационной платформой для получения хиральных лекарственных средств.

Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.

The authors declare that there is no conflict of interest.