Метод Фокина — Шарплесса. Идеальная химия и совсем не идеальная премия

Нобелевскую премию по химии в этом году дали за идеальную химию — клик-реакцию. Берешь два вещества, чьи молекулы хочешь склеить, помещаешь в воду, добавляешь одновалентную медь и аскорбинку, перемешиваешь. Оп! И вот уже все случилось — реакция прошла как будто по щелчку, как будто по клику «мышки», и молекулы склеились в нужных местах.

На самом деле речь идет о классических реакциях присоединения, в данном случае — азид-алкинового циклоприсоединения, когда соединяются молекулы с азидной группой (-N-NN), и алкинами с тройной связью (-СС-). В результате на месте встречи этих двух групп в пространстве получается триазол — циклический гетероцикл с тремя атомами азота из азида и двумя атомами углерода. Химики так и пишут «[3+2]-присоединение», в сумме получается пять атомов в цикле. Именно эта реакция была полигоном для отработки клик-метода в органическом синтезе и легла в основу клик-химии.

Профессор В.В. Фокин, открывший медно-аскорбиновый катализ циклоприсоединения азидов и алкинов в водной среде, за который дали Нобелевскую премию по химии 2022 года.

Впервые эту вполне заурядную реакцию провел в 1893 году американский химик Артур Михаэль, показав, что такое присоединение в принципе возможно. Другое дело, что тогда реакцию проводили в органическом растворителе при высокой температуре — то есть в условиях, недружественных к окружающей среде и производителям. Реакция шла плохо. А кроме того, в результате реакции получалась смесь двух изомеров триазола. Так что никакой пользы от нее не просматривалось. Поэтому реакция не нашла применения в промышленности, ради которой, собственно, и работает исследовательская химия.

Но прошло сто с небольшим лет, и у реакции появился шанс на новую бурную и богатую на события жизнь, потому что открыли медный катализатор (соли одновалентной меди), который позволял проводить ее в водной среде при комнатной температуре. Теперь ее может делать любой студент. И конечно, в нее тут же вцепились промышленники, поэтому сегодня клик-реакция работает в нефтехимии, в промышленности полимеров, биотехнологии и фармацевтике.

Как же тыква превратилась в карету? В 2002 году вышли сразу две научные статьи с небольшим интервалом.  Датский химик Мортен Мельдаль занимался твердофазным синтезом пептидов, и в какой-то момент во время экспериментов азид-алкиновое циклоприсоединение внезапно пошло само. Оказалось, что все дело в иодиде меди, который ускорил реакцию. Поскольку Мельдаль работал со смолами и органическими растворителями (ацетонитрил, пиридин, лютидин), он был уверен, что реакция идет только на смолах. Но сама реакция — тяжелая и по набору компонентов, и по условиям, так что перспектив у нее не было.

Настоящее открытие было зафиксировано буквально спустя пару месяцев, когда в Angewandte Chemie появилась статья Валерия Фокина, профессора Института Скриппса, в соавторстве с нобелевским лауреатом Барри Шарплессом, тоже профессором того же исследовательского института.

Валерий Фокин самостоятельно и независимо от кого-либо открыл, что реакцию циклоприсоединения алкинов и азидов хорошо катализируют соли меди в водных средах в присутствии аскорбиновой кислоты. В. Фокин даже проводил реакцию, используя обычный дешевый медный купорос, в котором медь двухвалентна. Но для того и нужна аскорбинка, чтобы восстановить медь до одновалентной и помешать ей окисляться.

Реакция с медным катализатором шла по идеальному сценарию: никаких побочных продуктов, никаких изомеров, полнейшая региоселективность, выход почти 100%, никаких органических растворителей — реакция проходит в водной среде при комнатной температуре. Причем идет в сотни раз быстрее по сравнению с не каталитическим вариантом. Это была та самая клик-реакция, о которой несколько лет мечтал Барри Шарплесс, но так ее и не сделал.

Ученые быстро увидели, что клик-химия позволяет соединить две относительно большие молекулы, если у одной будет в составе алкин, а у другой — азид. И не важно, что это за молекулы. За такое не жалко дать Нобелевскую премию.

Химики давно ждали, когда это случится. Однако не ожидали, что состав лауреатов будет таким. Клик-реакцию в среде химиков последние 20 лет называют методом Фокина — Шарплесса. А Валерия Фокина среди лауреатов нет, хотя именно он открыл первую клик-реакцию, катализируемую солями меди.

В 2013 году Thomson Reuters уже называла Валерия Фокина, выпускника химического факультета Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (1993), тогда, в 2013-м, профессора Института Скриппса (Калифорния, США), а сегодня профессора Университета Южной Калифорнии, адъюнкт-профессора МФТИ, кандидатом на Нобелевскую премию — вместе с Барри Шарплессом. Они совместно работали над изучением клик-реакции. Эксперты полагали, что если не в 2013-м, то в ближайшие годы они точно получат Нобелевскую премию.

Прогнозы Thomson Reuters считаются довольно точными. Основаны они не на инсайдерской информация из Нобелевского комитета, а на цитируемости работ ученого его коллегами. Так что в 2013 году В. Фокин стал лауреатом цитирования. И конечно, не без основания.

В 1998–1999 годах он проходил стажировку в лаборатории Б. Шарплесса в Институте Скриппса и познакомился с его идеями идеальной химии. На мой взгляд — они очевидны: химические реакции для получения полезных веществ должны быть простыми, желательно одностадийными, однозначными, когда А + В = С, не требовать дорогих реактивов и не вредить окружающей среде. То есть реакции должны быть легкими и быстрыми, как щелчок. Похожими на те, что протекают в живой клетке. Впрочем, для любого химика-технолога это само собой разумеется.

Обзор на эту тему Б. Шарплесс опубликовал в мае 2001 года в Angewandte Chemie. В этом обзоре не было ни слова о первой клик-реакции — катализе азид-алкинового циклоприсоединения солями меди. Оно и понятно — тогда эта реакция еще не была открыта. Авторы просто рассуждали о том, что фарминдустрии сегодня очень нужны простые и быстрые реакции, клик-реакции, которые облегчат синтез новых лекарств.

К тому времени стажировка Валерия Фокина закончилась, он стал профессором и работал как самостоятельный исследователь. И уже через год, в 2002-м, В. Фокин сделал свое открытие — медно-аскорбиновый катализ циклоприсоединения алкинов и азидов в водной среде. Вот она, идеальная химия — простая, однозначная, быстрая, дешевая, экологичная. Яркий пример клик-реакции, о которой до этого рассуждали чисто умозрительно как о чем-то «вообще».

Об этом открытии своего коллеги Б. Шарплесс узнал лишь спустя несколько недель. К тому времени Шарплесс не был руководителем Фокина, но близкие и открытые отношения сохранялись.  Впоследствии он неоднократно говорил, что его вклада в открытие этого катализа медью не было — это былa реакция Фокина.

Почему же Б. Шарплесс оказался соавтором той высоко цитируемой статьи В. Фокина в Angewandte Chemie? «Я всегда считал, что само открытие важнее первооткрывателя, — ответил мне Валерий. — И все же соавторы у меня не случайные. Сева Ростовцев и Люк Грин — постдоки. Люк первым провёл реакцио с йодидом меди для получения триазола, нужного для его проекта. Он тогда заканчивал свою стажировку, и начатые им исследования продолжил Сева. Работали над катализируемой медью реакцией в органических растворителях в присутствии достаточно агрессивных лигандов на основе пиридина. Ни о какой воде и биосовместимости речи не могло быть. То есть это были работы, похожие на синтезы Мельдаля. Я же сделал клик-реакцию в воде с добавкой соли меди и аскорбинки для катализа, у которой были очевидные огромные перспективы в биоорганике и медицине. И в этом суть статьи, именно это открытие поставило на карту клик-химию. Соавторство было логичным и правильным решением, и в этой статье мы оба основные (corresponding) авторы, хотя главное открытие, изюминка этого метода, конечно была в простоте купороса, воды и аскорбинки». (А я думаю, все дело в том, что наш квази-Нобель просто из приличной семьи и получил хорошее воспитание.)

Но вернемся к открытию, которое «важнее первооткрывателя». По словам В. Фокина, уникальность реакции заключается в том, что «она проходит за минуты при комнатной температуре — в воде, в физрастворе, в крови, в супе или в молоке». И всегда в результате реакции двух веществ А и В получается только одно вещество — С.

«Представьте себе популярную застежку фастекс, которую используют на рюкзаках. Она будет застегиваться всегда: в тепле, на снегу, на суше, под водой. И скреплять будет что угодно: клапан рюкзака, ремень сумки, брелок на телефоне. Собственно, слово «клик» появилось в названии именно по аналогии со звуком защелки, — рассказывает В. Фокин. — Теперь уменьшим нашу застежку до размеров молекулы. Защелка и пряжка будут химическими соединениями, как, например, азид и алкин. Они друг друга не замечают, пока не добавлена медь. И вот тогда они моментально защелкиваются, образуя замок из пяти атомов».

Таким способом теперь можно соединять самые разные молекулы — белки и красители, лекарства и контрасты, органические и неорганические соединения, создавать новые полимеры. Так что клик-химия произвела революцию не только в органическом синтезе, но и в биоорганической химии.

Прочность замка В. Фокин демонстрировал в эффектном опыте — склеивании двух медных брусков. Он наносил слой органического азида на поверхность одного медного бруска, а слой алкина — на другой брусок и соединял их. Медь выступала катализатором, и они склеивались настолько прочно, что при попытке оторвать их друг от друга деформировались сами бруски.

К вопросу о том, почему Валерия Фокина нет среди лауреатов, вернусь чуть позже. А сейчас надо отметить, что ученые из разных областей науки очень быстро подхватили эту реакцию, потому что не нужно быть химиком, чтобы ею воспользоваться.

Каролин Бертоцци из Беркли (сейчас она работает в Стэнфорде) в 2004 году предложила использовать клик-химию внутри живых организмов, в клетках. Вот что пишет об этом в своем ЖЖ А.Ю. Соловьев, выпускник химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (2007), после стажировки в Беркли живет и работает в США.

«Ни алкины, ни азиды не являются распространенными в природе функциональными группами. Поэтому если ввести в организм искусственно синтезированный углевод, содержащий «ручку» из азида, можно быть уверенным, что это будет единственное соединение с азидом в этом организме. А теперь вводим флуоресцирующий краситель с алкином, проводим клик-химию и по распределению закрепившего красителя видим, как распределился углевод по организму. Важно тут и то, что ни с чем другим, плавающим в клетках, азиды и алкины так просто реагировать не станут. Устоявшееся словосочетание «биоортогональная химия» подразумевает, что мы вводим в биологическую систему две разные функциональные группы, которые могут реагировать только друг с другом в нужных нам условиях.

Дополнительной проблемой стало то, что соли меди ядовиты для живых организмов. Бертоцци и ее сотрудники нашли решение — стали использовать не просто алкины, а напряженные алкины: тройная связь хочет быть линейной, ее нельзя включить в маленький углеродный цикл, а, например, в восьмичленном цикле она настолько хочет перестать быть тройной, что реагирует с азидами намного быстрее, и соли меди не нужны. Это был прорыв».

Никто не сомневался, что Каролин Бертоцци когда-нибудь обязательно дадут Нобелевскую премию. Тут, конечно, велик соблазн сказать — еще бы, конечно, дадут, она ведь женщина, да еще лесбиянка. Но — нет. Бертоцци знают химики всего мира из-за ее великолепной работы. Она по-настоящему крутая.

А что же Валерий Фокин? Почему его обошли вниманием? Все же именно он сделал открытие. Здесь тоже велик соблазн свалить все на русофобию, мол, наших везде затирают. Но не думаю. Скорее всего это — одна из ошибок Нобелевского комитета, который премией отметил не настоящего первооткрывателя. Почему они это сделали? Вряд ли расскажут.

На самом деле случившееся — это обычная ситуация для Нобелевской премии. К сожалению, В. Фокин — не первый и не последний, обойденный признанием Нобелевского комитета. Вот что по этому поводу пишет А.Ю. Соловьев: «Я лично с Фокиным не знаком. Возможно, он или другие соавторы первых статей о клик-химии могли бы рассказать, кто именно все придумал и какой был интеллектуальный вклад самого Шарплесса. (Никакой, сам Шарплесс говорил это. — Л.С.) Понятно, что тот уже руками не работал. И в этом кроется отдельный большой этический вопрос к Нобелевской и другим премиям: руками работают студенты и постдоки, иногда по идеям профессора, а иногда по своим собственным. Но профессора всегда стоят соавторами в статьях и получают потом все премии и другие плюшки».

Академик РАН Ю.Г. Горбунова на лекциях своим студентам всегда рассказывает историю про двух лауреатов Нобелевской премии — французских химиках Жан-Мари Лене и Жан-Пьере Саваже, с которыми тесно сотрудничает ее лаборатория. Жан-Мари Лен получил Нобеля по химии вместе с Дональдом Крамом и Чарльзом Педерсеном в 1987 году за синтез криптандов, хотя первый криптанд в его лаборатории синтезировал его аспирант Жан-Пьер Саваж.

А в 2016 году уже Жан-Пьеру Саважу вместе с сэром Дж. Фрейзером Стоддартом и Бернардом Ферингой была присуждена Нобелевская премия по химии за работы по синтезу «молекулярных машин». Поэтому не бойтесь, что за ваши результаты ваш руководитель получит Нобелевскую премию. Это нормально, и для вас это шанс рано или поздно получить своего Нобеля, потому что в лаборатории нобелевского лауреата гораздо больше возможностей.

Однако дело в том, что эти справедливые рассуждения для В. Фокина не подходят. Он был профессором, а не постдоком, когда сам, своими руками под тягой с колбами открыл этот потрясающий медно-аскорбиновый катализ в водной среде. И вряд ли кто-либо другой решился бы на такой неожиданный, идущий вразрез с канонами органической химии, чуть ли не детский в своей смелости эксперимент.

Получилось абсурдно, если не сказать, скандально: премию дали за конкретное открытие — click reaction, copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition. Эффект медного катализа формально заметил Мельдаль, клик-реакцию в воде, катализируемую аскорбатом меди, открыл Фокин, премию дали Шарплессу. Я одна вижу здесь отсутствие логики?

Видимо, в работе Нобелевского комитета есть и другие изъяны. Во всяком случае дать вторую Нобелевскую премию по химии ученому, который не сделал открытия, и не дать первооткрывателю то есть не суметь отличить производителя от продавца — это очень странно.

Конечно, я не могла не задать Валерию Фокину мерзкий и банальный журналистский вопрос — не обидно, что премию не дали?  И вот что он мне ответил: «Химия была ко мне всегда щедра. Это не премиями измеряется. Но истинных первооткрывателей все же надо предъявлять обществу. Хотя бы для того, чтобы молодые ученые не боялись делиться своими открытиями и с коллегами, и со всем миром. Несомненно, ими воспользуются другие, но для первооткрывателя важно, что останутся плоды его труда. В моем случае — это лекарство Троделви (Trodelvy), которое продлило жизнь уже тысячам пациентов со сложной онкологией, и ежедневное использование наших технологий в секвенировании геномов компанией Illumina. И многое еще впереди — все только начинается. Не это ли и есть настоящее признание? “Удивительно, чего вы можете добиться, если вам все равно, кто получит признание” (“It is amazing what you can accomplish if you do not care who gets the credit”). Эту цитату Гарри Трумэна я часто привожу в пример своим студентам. Даже не столько “всё равно” – нет, никогда не всё равно. Но если ставить признание во главу угла, то новых открытий скоро просто не будет и вовсе».

Возможно, жажда справедливости — это сугубо русская черта идеалистов, вроде меня, живущих на облаке. Однако справедливость все же очень важна всем нам. Поэтому с удовольствием публикуем странички из лабораторного журнала Валерия Фокина, любезно предоставленные исследователем, который, по объективной справедливости, должен был получить Нобелевскую премию по химии 2022 года. На этих страничках — живая история открытия Валерия Фокина.