Учёные Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН (ИНЭОС) разрабатывают каталитические системы, которые будут внедряться крупнейшими европейскими фармацевтическими компаниями и, вероятно, приведут к изменению заводских стандартов производства витаминов и лекарственных средств. Предполагается, что эти системы помогут повысить чистоту фармсоединений и снизить стоимость конечной фармпродукции.

Работа выполняется в рамках одного из самых крупных инновационных проектов 7-ой рамочной программы Евросоюза «Поликат» с объёмом финансирования порядка 7 миллионов евро. Наряду с российскими учёными исследования по проекту ведут группы из Германии, Великобритании, Франции, Голландии, Финляндии, Греции и других европейских стран.

Европейцы озабочены состоянием химического производства. По оценкам экспертов, тогда как во всём мире оно стремительно меняется – движется в сторону экологичности и более низкой себестоимости, в консервативной Европе порой наблюдаются обратные процессы: исходные вещества становятся более дорогими, затраты на энергоресурсы увеличиваются, возрастающие требования по безопасности не всегда удовлетворяются промышленностью. Чтобы переломить ситуацию, в 7-ой рамочной программе Евросоюза поддержали проект «Поликат» с солидным даже по западным меркам бюджетом – 7 миллионов евро.

Работы по проекту объединяют тонкую органическую химию, катализ и инженерные решения. В результате должны быть открыты новые химические процессы, разработаны новые конфигурации реакторов и варианты заводских установок, которые позволят усовершенствовать химическое производство. Координирует исследования Институт микротехники в Майнце (Германия), исполнители – 18 компаний, академических институтов и университетов. С российской стороны участвуют две академические группы: учёные Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН и Тверского государственного технического университета.

Группа ИНЭОС синтезирует новые дендроны и дендримеры и создаёт магнитно-управляемые катализаторы, которые как раз позволят повысить эффективность химических процессов. Подробнее рассказать об этих сложных научных задачах мы попросили руководителя группы макромолекулярной химии ИНЭОС Зинаиду Шифрину, одного из координаторов российской части.

Рис. 1. Зинаида Шифрина: «Новизна предлагаемого нами подхода в использовании в одном нанокомпозите наряду с каталитическими частицами магнитных наночастиц».

«Дендример – это индивидуальная сверхразветвлённая молекула с очень большой молекулярной массой, тогда как дендрон – её сегмент. В отличие от большинства полимеров, такая молекула монодисперсна и имеет чёткие структурные характеристики. Новизна предлагаемого нами подхода заключается в использовании в одном нанокомпозите наряду с каталитическими частицами также и магнитных наночастиц. А привлечение наших высокотермостойких дендримеров позволяет использовать высокие температуры (~300^oС), что бывает необходимо при некоторых процессах, и получить высокоупорядоченные системы с контролируемыми характеристиками», – пояснила Зинаида Шифрина.

Основной принцип, лежащий в основе синтеза дендримера, – step-by-step approach. Это означает, что рост молекулы дендримера идёт по стадиям, шаг за шагом, причём на каждом этапе происходит наращивание молекулярной массы, усложнение структуры молекулы, что требует привлечения новых методов характеризации и большого искусства химика. Недаром химиков-синтетиков, умеющих синтезировать дендримеры, иногда называют молекулярными дизайнерами.

Рис. 2. Так выглядит наночастица,
стабилизированная дендримерами.

Процесс протекал следующим образом: сначала учёные синтезировали дендрон, являющийся ветвью дендримера, и присоединили его к магнитной наночастице, которую заранее получили разложением соединений железа при высокой температуре. Образовался композит, очень похожий, по замечанию Зинаиды Шифриной, на одуванчик, в котором розетка – магнитная наночастица, а белые хохолки – дендроны.

«На основе такого нанокомпозита мы можем создавать поверхностные слои с заданными свойствами за счёт дальнейшей самоорганизации молекул, – уточняет она. – Эти слои находят широкое применение в микроканальных реакторах, очень эффективных для катализа, поскольку для них требуются совсем небольшие количества катализаторов, которые очень дороги, но если катализаторы стабильны, чего как раз мы и добиваемся, то они не уносятся в процессе реакций. Микрореакторы используются для синтеза сложных органических веществ и фармацевтической продукции, к примеру витаминов».

На следующем этапе в композит вводят соль благородного металла, например платины или палладия, которая сначала координируется с определёнными группами дендрона, а затем в результате восстановления превращается в наночастицы металла, стабилизированные внутри нанокомпозита. Так создаётся собственно каталитическая система.

Рис. 3. Научный сотрудник контролирует синтез дендримера с помощью тонкослойной хроматографии.

Большой обзор, подготовленный руководителем группы ИНЭОС Людмилой Бронштейн и Зинаидой Шифриной и поддержанный проектом «Поликат», уже опубликован в Chemical Reviews – авторитетном международном журнале с импакт-фактором 35.9.

Наверняка появятся и отдельные научные статьи, написанные по итогам исследований группы ИНЭОС, хотя, по словам учёных, на это потребуется некоторое время. Чтобы в деталях рассказать научному сообществу о процессе создания новых нанокомпозитов, исследователям необходимо получить специальное разрешение от всех участников проекта – всё же в этой работе имеют место интересы крупных коммерческих компаний, инвестировавших огромные средства в реализацию новых идей по изменению технологий производства фармпродукции.