Раз, два и синтез, или ещё раз о «рукопожатии» в науке
Нобелевская премия по химии 2022 года присуждена за «разработку клик-химии и биоортогональной химии». Лауреатами стали Карл Барри Шарплесс (США, лауреат Нобелевской премии по химии 2001 года), Мортен Петер Мельдаль (Дания) и Каролин Рут Бертоцци (США).
«Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» — писал Михайло Ломоносов в XVIII веке. С тех пор химия не только дотянула руки до самых разных дел, но и «отрастила» себе множество рук: помимо классических неорганической и органической химии есть ещё химия физическая, высокомолекулярная химия, биохимия, компьютерная химия, зелёная химия и ещё с дюжину разных химических направлений и смежных с ней дисциплин. Но любая из этих многочисленных «рук» основывается на изучении атомов и молекул и на том, как они расположены в пространстве, как взаимодействуют и реагируют друг с другом. Химия словно конструктор: типов разных элементов в наборе чуть больше сотни, но само их количество практически безгранично.
Задача химиков заключается не только в том, чтобы изучать то, что «нахимичила» природа, но и пытаться самим синтезировать интересующие молекулы. Это могут быть как уже существующие вещества, например изначально биологического происхождения, так и совершенно новые, не встречающиеся в природе соединения. Какие-то из них превратятся в новые лекарства, другие станут катализаторами для промышленности или из них получится сделать материал с уникальными свойствами. Современная синтетическая химия позволяет создавать самые разнообразные вещества. Дело лишь в цене синтеза.
Однако, сравнивая химию с конструктором, легко впасть в заблуждение, будто синтезировать сложные молекулы так же просто и весело, как соединять кубики. Дескать, берёшь нужные молекулы или фрагменты и просто «склеиваешь» их друг с другом. Нет, в большинстве случаев такой подход не работает. Представьте, что вы пытаетесь собрать модель молекулы из пластилиновых шариков и спичек, вот только делаете это не руками, а кладёте заготовки в большую колбу, которую потом активно трясёте и в довершение ставите на пару минут в микроволновку. Вот то, что у вас получится в колбе после «реакции», и будет примерным аналогом результата химического синтеза «в лоб». Дело в том, что химическим веществам, как и пластилиновым шарикам, очень сложно объяснить, с чем и как им реагировать, поэтому они взаимодействуют друг с другом всеми доступными способами. Очень много химических реакций приводят к образованию не одного, а нескольких продуктов, которые затем, как минимум, нужно как-то друг от друга отделять. И хорошо если бóльшая часть исходных веществ прореагировала так, как надо, а то ведь и полезный выход может очень сильно отличаться от заветных 100%.
Если мы хотим синтезировать молекулу какого-нибудь нового лекарственного вещества, у которой сложная структура с большим количеством атомов и разнообразием химических групп, то, как правило, придётся очень постараться и провести с десяток, если не два отдельных реакций. Притом чуть ли не половина из них будет нужна не для того, чтобы собрать «скелет» желаемой молекулы, а лишь для того, чтобы не дать ему собраться не так, как нужно. Для этого заготовка будущей молекулы подчас одевается в защитную химическую «шубу», наружу из которой будет торчать лишь только тот фрагмент, который должен прореагировать. Потом, после реакции, эта шуба снимается, а продукты реакции очищаются. И так не один и не два раза. В общем, химический синтез — это не только непростое дело, но и, можно сказать, отдельное лабораторное искусство, со своей стратегией, различными подходами и даже личными пристрастиями. И всё это выливается ещё и в большее количество отходов. А как было бы хорошо, если бы химические реакции протекали, как на бумаге: берём вещество раз, берём вещество два, рисуем стрелочку — и, вуаля, готово!
Примерно так родилась концепция клик-химии* — своеобразный список «требований» к химическим реакциям, которые позволили бы не только сильно облегчить химикам-синтетикам жизнь, но и сделать химию более «зелёной», без лишнего вреда для окружающей среды. Химики хотели бы получить в свои руки такой инструмент, который позволил бы им соединять молекулы только там, где нужно, и только тогда, когда нужно. Чтобы это сделать, надо найти такие химические фрагменты, которые бы соединялись исключительно друг с другом, которые можно было бы «прицепить» к самым разным молекулам, и что самое главное, они не должны реагировать ни с чем другим. Помимо этого клик-реакция должна проходить в мягких условиях, желательно при комнатной температуре, не требовать каких-нибудь вредных и токсичных растворителей, а в идеальном случае — протекать просто в водном растворе.