Предупреждение!

Дорогой Читатель! Если Вы случайно являетесь студентом 3 курса Химфака МГУ, то есть тем, для кого в целом этот сайт изначально и предназначается, вы сэкономите себе много времени и сил, если пока не будете смотреть этот раздел сайта. Здесь много такого, что ничего кроме беспорядка в голове вам не даст, и будет только мешать нормальному изучению органической химии. Успеете ещё загрузиться всеми этими фокусами.

Объявления

13 декабря 2023 я закончил последнюю лекцию этого курса. Записи лекций понемногу выкладывают на сайте Teach-in и на ютубе. Я не имею никакого отношения ни к записи, ни к загрузке на хостинге, поэтому ничего не знаю ни о сроках, ни о качестве записей, и не могу (и не хочу) на это влиять. Равно как и ничего не знаю про появление записей на других сайтах, и тоже не хочу знать.

Здесь я выкладываю слайды с лекций, и очень советую, если вас заинтересовало что-то в лекциях, брать именно слайды отсюда, а не с видео, потому что перед выкладкой я еще раз проверяю и исправляю, и значительно дополняю слайды, а также выкладываю те, на которые не хватило времени, хотя таких очень мало.

Слайды с последних трёх лекций я начну выкладывать после некоторого перерыва. Кроме слайдов я планирую сделать краткое содержание лекций, так чтобы можно было ориентироваться в материале, не смотря видео. Буду стараться сделать максимально информативно и удобно для поиска материала. Но это будет позже.

В следующем сезоне, если будет на то воля богов и начальников, будет продолжение курса, и лекции быдут другие, тем в современной органической химии хватит, да и некоторые темы этого года потребуют продолжения. Эти лекции повторяться не будут, но у меня есть некоторые идеи, как нам не расставаться с этими разделами химии, и возможно, я буду создавать некоторый дополнительный контент под темы уже прочитанных лекций.

Органическая химия в 21-м веке

Начинаем новый курс, в котором попробуем немного разобраться в том, что произошло с органической химией в новом веке. Курс предназначен для аспирантов, но я постараюсь сделать его доступным для всех желающих. Я начал его читать в 2022 году, но тогда не смог выполнить обещание выложить его на сайте – просто сил и времени не хватило. Но всё что делается или не делается – к лучшему. В прошлом году лекции, по моей субъективной оценке, не провалились; я бы даже сказал, что они получились лучше, чем я сам ожидал. Так бывает, если довериться интересному материалу – он сам ведёт куда нужно, сам подсказывает повороты и остановки. Но всё же во многом это было сыровато и не без дурацких косяков. Поэтому в этом году я повторю большинство тех лекций, но каждую допилю до нестыдного состояния. И выложу слайдами здесь, а компания Teach-in любезно согласилась записать их вживую и у себя выложить. Так должно получиться вполне адекватное представление о материале, а желающие смогут, например, взять ссылки – лекции основаны на оригинальных научных статьях, в основном вышедших в 21-м веке, их здесь очень много, несколько сотен, и на каждую в лекции я трачу совсем немного времени. Но если тема заинтересовала, статью можно прочитать самостоятельно, а материал лекций послужит просто введением в тему. И раз лекции в этом году станут доступны, в следующих сезонах, если будет на то милостивое изволение уполномоченных богов и начальников, я смогу не повторять, а развивать и вводить другие важные темы – органика велика, и как-то даже в первом приближении разобраться в том, что она тут наворотила на наших глазах, получится в лучшем случае лет за пять. Ну, так в путь!

Итак, курс посвящён попытке анализа того, что произошло с органической химией в 21-м веке. А почему я считаю, что с ней что-то произошло? Потому что я давно наблюдаю за органической химией изнутри, с конца 1970-х, и не узнаю той науки, которой когда-то давным-давно решил заняться. Когда я начинал, органическая химия была очень похожа на то, что мы сейчас изучаем в нашем курсе органической химии на 3-м курсе. А в свою очередь, основной курс органики, который проходили на том же 3-м курсе, тогда был сильно другим и в основном состоял в запоминании свойств веществ и конкретных реакций, механизмам уделялось совсем немного времени, и вы должны были запомнить с каким выходом и в каком растворителе и при какой температуре идет образование, например, пинаколина из ацетона – меня на этом вопросе практически завалили на экзамене в аспирантуру – не знаешь, что в бензоле? – неча такому неучу на химфаке делать! – еле пролез, добрые люди помогли.

В те годы вообще казалось, что органическая химия в основном завершила своё развитие, и нужно просто всё это запомнить и переварить, ну и спокойно заниматься тем, что известными методами пытаться получать какие-то важные и интересные соединения, их собственно и изучать, ну и немного эти самые методы усовершенствовать. Тогда уже началась какая-то непонятная возня с палладием и другими переходными металлами, но она казалась скорее какой-то блажью. В общем, признаюсь честно, органика в то время казалась наукой скучноватой, скорее рутиной. И не было у меня никакой уверенности, что я этим буду заниматься всю жизнь. Скорее даже была уверенность, что скоро куда-нибудь слиняю, во что-нибудь более живое и волнительное, например, в только появившиеся тогда персональные компьютеры – можете себе заодно представить жизнь и работу без этих устройств, когда даже тексты приходилось печатать на печатной машинке (ошибся – перепечатывай всю страницу, если текст чистовой), а формулы врисовывать от руки. Это легко себе представить, если вы посмотрите на статьи в журналах Tetrahedron или Tetrahedron Letters за семидесятые-восьмидесятые, ведь эти журналы совершили революцию в издании научных работ, так как статьи в них целиком делали сами авторы, а присланные в журнал тексты просто воспроизводили один в один фотоофсетной печатью. Это было намного быстрее, чем обычный способ, когда статью заново набирали в редакции специалисты. Посмотрите – оно того стоит – на эти мучения, грязь, ужасные машинописные шрифты с выпрыгивающими буквами, вымученные сокращения и всё это. Обратите внимание на то, как кратко тогда писали – ничего не только лишнего, но часто и необходимого: это потому что набирать текст было мучением, а еще и нужно было укладываться в полные страницы. И сравните с современными изданиями даже тех же журналов. Небо от земли отличается намного меньше, чем статьи тогда и сейчас. Но отличается не только техника издания, а и сами статьи теперь пишут совсем по-другому, как будто это совсем другая наука с другим языком и системой понятий.

Потом начались всякие события, наступили “проклятые девяностые”. Всем казалось, что строится новая жизнь, кому-то она нравилась, кому-то внушала ужас и отвращение, но только сильно позже стало поятно, что строящееся здание было очень скверно сложено, и, мало того, – ещё и хорошенько нашпиговано всякими закладками на будущее из близкого и далёкого прошлого в самых важных местах. Как выяснилось спустя много лет, оно грозит рухнуть нам на головы, но поскольку другого у нас нет, остается жить в этом и надеяться на чудо – вдруг не рухнет, а будет стоять как Пизанская башня еще столетиями. А может быть, новые поколения найдут способ его выпрямить и отремонтировать, а ещё лучше – заново построить. Но мы это тогда не замечали, уж больно много нового было вокруг. А собственная работа таки затянула и не оставила особенно много времени смотреть по сторонам. Химия всё же умеет затягивать. Если сами решите бросить химию, делайте это решительно и без колебаний. Если начнёте, как я, откладывать, то она за вас возьмётся и не отпустит. Как нарочно начнёт подкидывать что-то интересное, будет получаться то одно, то другое. А потом не будет, и вам захочется всё же добиться, чтобы опять стало получаться. И снова будет получаться. А потом снова не будет. И так далее, а время идёт. Жизнь коротка, наука бесконечна. Бегите! Или оставайтесь, но решение это принимайте очень хорошо всё обдумав.

И так прошли годы, наступил новый век и новое тысячелетие, переходные металлы перестали казаться блажью и стали наоборот одним из постоянных занятий, но химия у них особенная, не претендующая на какие-то изменения в собственно органике. В целом, за исключением этих самых металлов все равно казалось, что ничего в оранике не меняется. Тем более, что это и правда были годы, пара десятилетий, очень прагматичной органики – всех интересовал синтез, новые вещества и побольше, а новые реакции с катализом комплексами переходных металлов позволили делать их сотнями тысяч – а основы науки вроде бы не менялись, были мало кому интересны. Так прошло еще некоторое время. Я стал понемногу избавляться от исследовательской работы и другой рутины, и вообще в очередной раз решил завязывать с химией. Но получил время немного покрутить головой – и, о ужас! – обнаружил, что органика драматически изменилась, и что я ее почти не узнаю. И дело здесь не в том, что в органике появилось очень много новых реакций и методов синтеза, а в том, что самые основы этой науки стали активно изменяться. То, что раньше имело статус почти законов, перестало связывать новые поколения органиков, и естественно привело к пересмотру многих основ, весьма плодотворному, потому что оказалось, что до этого химики практически добровольно отказывались от многих эффективных решений. Органика перестала быть догматичной наукой, в ней снова завелась интрига открытий и хороший авантюризм людей, жаждущих достижений и движения вперед. Органика опять стала интересной. Поэтому я решил немного повременить с завязкой, погрузился в чтение статей – и вот, несколько лет спустя решил поделиться тем, что удалось обнаружить. Мне кажется, я немного понял, что там произошло и продолжает происходить. Попробую рассказать.

Это будут лекции. Такие набеги на отдельные области, где произошли особенно сильные изменения. Галопом по Европам? Да, именно так, и очень шустрым галопом, почти без остановок. Как такие есть красные двухэтажные открытые сверху автобусы, которые ездят по всяким знаменитым городам и возят туристов – Рим за полтора часа: посмотрите направо, посмотрите налево, опять налево, снова налево, направо… Но аккуратно расставляя акценты – вот здесь важно это, а здесь посмотрите, как всё изменилось, не узнать! Не успели расмотреть? Ваши проблемы, потом сами посмотрите, поехали дальше.

Пока я работал над материалом, часто задавал себе вопрос – не пора ли как-то начать изменять основной курс органической химии, не устарел ли он. Сейчас впечатление такое: наш общий курс органики в целом пока устоял. Почему – ведь так много нового? Потому что основы должны быть консервативны и давать фундамент. А для этого лучше не мельтешить, ведь всё новое должно еще устояться, выдержать проверки, доказать актуальность. В любом передовом всегда очень много сиюминутного, гламура, пиара, маркетинга, политики, тщеславия, моды, ошибок, поспешных выводов, того, что по-английски называется wishful thinking – благих пожеланий и самообмана. Это неизбежные спутники прогресса. Вы думали, что это только в шоу-бизнесе и политике, а в науке всё строго?

О, вы заблуждаетесь. Наука с точки зрения эксплуатации человеческих слабостей вообще не только ничем не отличается от других областей приложения интеллекта и сил, да даже в чём-то и превосходит, хотя бы потому что в науке задачи и цели гораздо важнее и интереснее. Открыть новое вещество, закономерность, явление, механизм, реакцию, выдвинуть сильную теорию – это вам не хит какой-то сочинить, время жизни которого месяц, ну хорошо, пусть даже 50 лет. И не выборы выиграть, а следующие проиграть; некоторым удается приклеиться к креслу на два-три десятилетия, но и это проходит, ведь это всё земная слава, sic transit. В науке речь идет о многих десятилетиях, столетиях, а то и вообще вечности. Сами подумайте, есть ли у человечества что-то престижнее Нобелевской премии. Оскар? Грэмми? Кубок мира? Сталинская она же Ленинская премия? Ой, а где она? Вот там же однажды будут и Оскар, и Грэмми, и все кубки мира. Но каждый октябрь все так и будут ждать, кто же получил новые нобелевки. И в придачу к преходящей земной славе, непреходящая причастность к загадкам Природы или Творения, как кому нравится, разницы нет. Если немного подумать, наука это единственное занятие человека, позволяющее почти бесконечно подняться над собственной фантазией, наконец попав туда, что существует помимо нас, существовало до нас, и пребудет после. Высокое искусство, религия, философия могут быть сколь угодно глубоки и мудры, претендуя на прямую беседу с вечным, но это всего лишь плоды нашей фантазии, преходящей и всегда легко оспаривемой, существующей только в пределах отдельных сообществ. Объекты науки же нельзя выдумать – их можно только открыть, а после открытия уже нельзя закрыть, они становятся достоянием человечества в целом. Вот и подумайте, что может быть престижнее плодотворной научной деятельности.

Стимулы здесь куда круче. Гриньяр останется гриньяром и через тысячу лет. И конечно в такой деятельности не может быть беспристрастности, а есть конкуренция и то, что к ней прикладывается, не всегда привлекательно выглядящее. И да, в науке немало мусора, гламурного вздора, передергивания, откровенного шулерства, волшебных сказок про решение всех проблем, манипулирования невежеством, недобросовестной конкуренции, и так далее – даже удивительно, как же с такими радостями жизни в науке вообще остаётся что-то действительно ценное. Не только остаётся, но и явно преобладает, иначе не было бы такого реального прогресса, а он выражается во вполне осязаемых вещах. Но и без мусора нельзя. У меня для вас нет другого человечества, а это без всего этого не умеет. Придется смириться и как-то через все это продираться, стараясь вытаскивать то, что по крайней мере выглядит как действительно новое и важное. Многое точно не пройдет проверку временем. Да я и сейчас буду проявлять скепсис, и не поддаваться соблазнам объявить об окончательном решении какого-то вопроса, будоражившего предыдущие поколения. Знаем мы, к чему ведут эти окончательные решения.

Но для тех, кто решил связать свою судьбу с химией, и заняться исследованиями в следующие десятилетия, неплохо разобрать хотя бы в общих чертах, что в этом курсе нуждается в дополнении или даже изменении. Современным ученым уже не грозит, как нам, ветхим, копаться в чём-то одном всю жизнь. Современная наука требует большей гибкости, более широкого кругозора, тему исследований придется менять, чтобы вообще не выйти в тираж преждевременно. Вот это и есть основной стимул этих лекций – расширение кругозора, самого общего представления о том, что вообще бывает. Иначе легко закопаться в своей специализации, и так там и остаться навсегда, недоумевая, а откуда тут столько песка насыпалось и пыли так много, что дышать нечем.

Цели и задачи курса.

Теперь то же самое, но сухим языком пояснительной, не путать с объяснительной, записки к курсу.

Классический курс органической химии, основанный на изучении классов органических соединений и структурированный с помощью теории механизмов органических реакций, остается практически неизменным уже более трех четвертей века. Этот курс дает твердые основы и не требует серьёзного пересмотра, в основном соответствует тому, как преподают органическую химию в других ведущих университетах мира.

Тем не менее сама органическая химия, если судить по статьям в ведущих журналах, изменилась настолько сильно, что исследователи, сложившиеся в предыдущие десятилетия, перестают узнавать ту науку которой посвятили жизнь, и это ощущение быстро нарастает. Изменилось всё – задачи, методы решения, приоритеты, инструментарий, способ изложения результатов исследований. Фактически за последние 20-25 лет произошел не один, а несколько радикальных сдвигов в предмете органической химии. Не успели мы, например, привыкнуть к широчайшему распространению переходных металлов в органическом синтезе, как на первый план вышли проблемы вытеснения соединений переходных металлов, обратной замены на реагенты на основе p-элементов, которые, в свою очередь, вызывают острую необходимость в устранении белых пятен в химии этих элементов. Трудно тут не вспомнить знаменитый текст «Органический синтез – что дальше?» одного из крупнейших синтетиков 20 века Дитера Зеебаха, который в 1990 году пытался предвидеть пути развития органической химии. Он, в частности, там пишет: «В органическом синтезе что-то действительно новое может быть открыто только в области переходных элементов» (Seebach, D. Organic Synthesis—Where now? Angew. Chem. Int. Ed. 1990, 29, 1320-1367 ) Это удивительный пример того, как крупнейший ученый и один из основоположников современного синтеза совершенно неверно оценил состояние науки и ее перспективы, можно сказать, попал пальцем в небо. С одной стороны, действительно «пророчество» Зеебаха было высказано прямо накануне фантастического рывка именно химии переходных металлов, экспансии методов кросс-сочетания с углерод-углеродной связи на связи углерод-гетероатом. Кросс-сочетание из метода исключительно синтеза тогда стало и методом селективной функционализации, то есть вторглось в ту область, которая до этого времени оставалась монополией классической органической химии. Исследование закономерностей новых методов совершенно неожиданно создало мощнейший источник положительной обратной связи во всей органической химии, а это, в свою очередь, вызвало к жизни мощнейшую потребность в переосмыслении самих основ этой науки. Вновь всплыли все классические вопросы об источниках реакционной способности и селективности, и оказалось, что теория органической химии, заложенная в 20-м веке, оставила огромное количество пробелов буквально во всех разделах, она как будто заморозилась на некотором уровне, описанном во всех классических учебниках, по которым до сих пор органическую химию во всем мире и изучают.

Проблема теории органической химии в том, что она в основе появилась, начиная с 1930-х и практически полностью сформировалась к концу 1970-х, как раз тогда, когда началась первая волна открытий реакций комплексов переходных металлов. До конца 20 века органика жила целиком в парадигме, заданной исследованиями механизмов органических реакций, начатой классическими исследованиями Лэпуорта, Робинсона, Ингольда и Хьюза, Робертса, Хараша, Гаммета, Баннета и их учениками и последователями. Эта парадигма в целом сложилась к 1960-70-м и составляет основу изложения во всех без исключения учебниках органики. Единственным существенным добавлением к этой парадигме во второй половине 20-го века были молекулярно-орбитальные представления в виде правил Вудварда-Хоффмана, метода граничных орбиталей Фукуи, теории возмущений Дьюара и еще нескольких взаимосвязанных квантово-химических концепций, в основе своей чисто качественных. Эти представления, впрочем, живут практически только в резервации согласованных реакций с многоцентровыми переходными состояниями, и фактически почти совсем не выходят за ее пределы, так как их предсказательная сила в классических механизмах органической химии более чем скромна. Классические работы в теории были в то время сделаны на довольно слабом уровне экспериментальной техники той эпохи. Столь же несовершенны были в то время расчётные методы квантовой химии, делавшие великую теорию, которой основоположники предрекали статус “теории всего” и именно количественной – просто источником грубых качественных прогнозов и красивых картинок орбиталек для идеальных модельных реакций.

Тем не менее, с начала 1980-х внимание органиков почти полностью переключилось на исследование новых методов, в основном связанных с двумя огромными областями – катализом комплексами переходных металлов и стереоселективным синтезом. Фокус исследований ушел из области развития фундаментальных основ органической химии практически полностью. В журналах последних двух десятилетий 20 века и первых пяти лет 21 века практически отсутствовали работы по исследованиям механизмов и реакционной способности, других общетеоретических аспектов. Особенно это касается самых рейтинговых и престижных международных журналов – найти в них в то время статьи по механизмам можно было только в виде исключения. Предполагалось, что теория органической химии создана и в дальнейшем вложении сил и средств не нуждается.

В таком состоянии органическая химия вошла в 21 век. И довольно неожиданно начала быстро эволюционировать, и этот процесс в 2010-х принял характер настолько интенсивный, что вполне можно говорить о новом этапе развития этой науки, который безусловно изменит ее радикально в ближайшее десятилетие. Учебники и учебные курсы конца 20 века, по которым мы сейчас учимся, устареют не в описании деталей, а принципиально, но не прямо сейчас, а в перспективе 10-20 лет, когда осядет пыль, поднятая современными спорами и мчащейся с бешеной скоростью лавиной новых исследований. Причина такой бурной эволюции проста – резко возросли и одновременно радикально изменились потребности современной технологии в продукции органического синтеза. Органическая химия нового века в гораздо большей степени ориентирована на практический синтез в масштабах, превышающих лабораторные, потому что потребность в органических соединениях современной цивилизации огромна и неутолима. Ассортимент органики, производимой в промышленных условиях от нескольких килограммов до миллионов тонн вырос неимоверно. В органике заинтересована медицина, сельское хозяйство, электроника, технология материалов, и т.д. – все отрасли жадно требуют всё новых веществ. И при такой колоссальной потребности их нельзя больше продолжать производить старыми методами – цель перестала оправдывать средства, так как средства безнадёжно устарели и закрывать на это глаза более невозможно.

Исчерпала себя и циничная политика недавнего прошлого: сохраняя устаревшие технологии, выводить производства в развивающиеся страны. Строгие экологические нормы приходят и туда, глобализуются, больше нигде не получается пренебрегать нормами выбросов, процедурами безопасной утилизации отходов. Мир больше не делится на чистый и богатый, и тот, в котором можно всё. Это ещё далеко не до всех дошло, но обязательно дойдёт в ближайшие десятилетия, если не годы. Стало ясно, что обратного пути нет, и дело не в капризах пассионарных малолеток и не в проплаченных кампаниях конкурентов. Это касается всей химической промышленности, включая и крупнотоннажный базовый синтез, и тонкий, и точайший (state-of-the-art) органический синтез. Больше нельзя пренебрегать углеродным следом, энергоэффективностью, отходами, выбросами, утилизацией и т.д. Устаревающие технологии уходят, хотя бы просто потому что резко возрастают издержки, связанные с новыми нормативами производства.

Акценты химии 21 века поэтому резко сместились – еще недавно всех интересовало вещество само по себе, неважно как оно получено, хоть в двести стадий, а теперь – селективность всех типов, катализ, экономия, sustainability, безопасность. Это ведет за собой глобальную и радикальную ревизию всех методов, отсекающую все неэффективное и небезопасное, не соответствующее новым стандартам. А для того, чтобы эта ревизия была максимально эффективной, просто необходимо доводить до ума теории, перестать ограничиваться приблизительными концепциями больше-меньше, вновь обратить внимание на механизмы реакций, на основе мощных расчётных методов и нового уровня эксперимента. Методы и реакции, открытие которых было выдающимися прорывами в 20-м веке, и даже на рубеже 20-го и 21-го веков быстро теряют популярность, так как не отвечают критериям новой химии. Особо примечательна в этом смысле судьба переходных металлов – не успели их с огромной помпой внедрить во все уголки органической химии, как с не меньшим рвением начали искоренять и не без успеха, хотя это очень крепкий орешек и свои позиции сдают крайне медленно, одновременно завоёвывая новые.

В 1990 году крупнейший синтетик Д.Зеебах в уже цитированном эссе пишет: Современная химия сильно напоминает пересыщенный раствор – новые идеи тут же вызывают кристаллизацию, новые направления возникают на глазах и за несколько лет обрастают новыми результатами с удивительной скоростью. Довольно часто бывает даже так – первоначальная идея кажется поначалу сомнительной, но все равно вызывает интерес, в процессе исследований оформляется и изменяется, оказывается не менее плодотворной, чем иные безупречные подходы. Это очень точное описание того, что стало происходить в химии как раз уже начала 21 века и обещает, что органическая химия была очень интересной и перспективной областью применения труда и интеллекта, и остаётся таковой, а дальше будет не менее, а все более и более интересно. Очень характерный пример такого явления – возникновения органического катализа, совершенно неожиданно случившееся путем переосмысления нескольких классических старых работ, и начавшееся в нескольких очень простых – и по виду, и по методам – работах, вышедших, как по заказу, как раз в 2000 году, на рубеже веков, а может быть и тысячелетий (не придирайтесь к цифрам – где 2000, там и 2001). Да и вообще, кто бы мог подумать, что одним из главных взаимодействий, играющих буквально в каждом втором новом методе, стала водородная связь, то есть химия самого маленького элемента Периодической Системы. А банальная электростатика – сколько её теперь, оказывается, она может работать не хуже ковалентных и координационных взаимодействий.

Планируемый курс лекций нацелен на обзорный анализ новых тенденций в органической химии, не в органическом синтезе, а именно в органической химии в целом. Мы должны попробовать понять, почему, открывая номера журналов в последние 10 лет, мы очень часто не узнаём той науки, которой посвятили жизнь – надо вновь научиться её узнавать, потому что от этого критически зависит будущее молодых исследователей. Тем, кто только начинает свой путь в науке стоит посвятить некоторое время, чтобы понять какие задачи стоят перед органической химией, получить некоторое представление о новых методах, реакциях, подходах.