Развитие химии в 21 веке кратко

Обновлено: 07.07.2024

Химия - наука социальная. Её высшая цель – удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий.

Файлы: 1 файл

реферат.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Кафедра аналитической химии

студентка I курса магистратуры

1 Общие тенденции развития современной химии------------------------- ---------4

2 Основные направления развития химии в XXI веке-------------------------- ----7

2.1 Компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций----------------------- ------------------------------ -------------------7

1 Общие тенденции развития современной химии

Как фундаментальная наука химия сформировалась в начале XX века, вместе с новой, квантовой механикой. И это бесспорная истина, потому что все объекты химии - атомы, молекулы, ионы, и т.д. - являются квантовыми объектами. Главное, центральное событие в химии - химическая реакция, т.е. перегруппировка атомных ядер и преобразование электронных оболочек, электронных одежд молекул-реагентов в молекулы продуктов - также является квантовым событием. Три главных элемента квантовой механики составили прочный и надёжный физический фундамент химии:

- понятие волновой функции электрона как распределённого в пространстве и времени заряда и спина углового момента;

- принцип Паули, организующий электроны по энергетическим уровням и спиновым состояниям, "рассаживающий" электроны по их собственным орбиталям (волновым функциям);

- уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнений классической механики.

В химии (как, впрочем, и во всякой живой науке) постоянно рождаются новые идеи, совершаются крупные прорывы, формируются новые тенденции. Главные, ключевые события происходят в химическом синтезе; здесь совершаются каждодневные открытия - большие и малые, значимые и мало заметные.

1.2 Развитие химии. Цели и результаты

Подводя итог вышесказанному, можно выделить основные направления развития химии в XXI веке:

- компьютерная химия, компьютерное моделирование молекул ( молекулярный дизайн) и химических реакций;

2 Основные направления развития химии в ХХI веке

2.1 Компьютерное моделирование молекул (молекулярный дизайн) и химических реакций

Компьютерное моделирование химических реакций - это сформировавшаяся на стыке теоретической физики, прикладной вычислительной математики и химии область знаний, в которой создана количественная теория строения и основных свойств многоатомных молекул и реакций между ними. Пройдя довольно длительную историю развития, компьютерная химия дала возможность понять, как устроен микромир на молекулярном уровне. Она позволила с достаточно высокой степенью достоверности производить численный прогноз. На основании такого прогноза можно судить, во-первых, о самой возможности существования той или иной молекулярной системы как устойчивой совокупности атомов. Во-вторых, об индивидуальных характеристиках таких систем (геометрическое строение, распределение заряда внутри молекулы и др.). В-третьих, о преимущественных направлениях тех или иных химических реакций. Создание мощного программного обеспечения наряду с самим развитием ЭВМ сделало такой прогноз доступным широкому кругу исследователей разных направлений.

Основными направлениями компьютерной химии являются:

- создание принципиально новых компьютерных программ поиска и отбор новых эффективных веществ;

- количественный анализ связи структура-активность для широкого спектра ферментов и катализаторов.

Стало реальным говорить о так называемом инженерном уровне расчетов, когда достоверность прогноза достигает 80-90 процентов. При этом прогноз делается за столь короткий промежуток времени, что испытать массу вариантов можно быстрее, чем провести один натурный эксперимент. Соответствующие методы получили столь большое распространение, что составили основу так называемого молекулярного дизайна, или моделирования молекул. Современный исследователь-химик уже не может ограничиться лишь традиционными химическими знаниями, навыками и экспериментами. Параллельно и даже с некоторым опережением должно проводиться моделирование химических систем. Сейчас уже можно смело говорить о двух равноправных сторонах одного и того же исследовательского процесса.

Компьютер становится таким же инструментом исследования, как и привычный химический или физико-химический эксперимент. И расчет, и эксперимент, следовательно, может проводить один и тот же человек.

Владение методами компьютерной химии становится, таким образом, необходимым требованием к любому современному специалисту-химику. Более того, современные компьютерные программы обладают высокой сервисностью, поэтому работать с ними может, в принципе, любой школьник-старшеклассник.

В большинстве случаев изучение электронного строения молекул возможно только с использованием мощных современных компьютеров. Возможности современных вычислительных квантово-химических программ очень велики. Например, одной из наиболее мощных программ сегодня является MOPAC 2009, при помощи которой возможно произвести расчет фрагмента ДНК из 378 атомов, и в результате установить ее пространственное строение.

Конечным результатом любых расчетов должны быть ответы на вопросы, возникающие в ходе химических исследований. Методы компьютерной химии в ряде случаев позволяют рассчитать многие свойства молекул, что делает их особенно привлекательными в тех случаях, когда экспериментальное исследование затруднено (как в случае короткоживущих состояний) или просто невозможно. Если раньше искусством было само получение результата, то теперь этот процесс стал рутинным, а творческий момент сместился на создание моделей и осмысление их. Поэтому квантово-химические исследования подчас называют тоже "экспериментом", только проведенным на ЭВМ. Круг конкретных химических задач, решаемых методами квантовой химии, очень широк.

Нобелевская премия по химии является одной из пяти, завещанных шведским промышленником Альфредом Нобелем более ста лет назад. Наиболее престижная международная премия по химии, присуждаемая за выдающиеся научные исследования либо революционные изобретения. Премией могут быть награждены только отдельные лица, а не учреждения и лишь один раз, она также не может быть присуждена совместно более чем трём лицам либо посмертно. Сумма премии — около 1 млн. евро.

Нобелевские премии по химии в XXI веке:

Это открытие дало первоначальный толчок громадному спектру биохимических, физиологических и генетических исследований. За свое открытие Питер Эгр получил несколько престижных премий, в 2000-м году был избран членом Национальной академии наук. Водные каналы в мембранах, как выяснилось, предназначены только для воды и других молекул, в том числе и ионы солей, не пропускают. Следовало поэтому искать ионные каналы. И поиски эти не затянулись. Спустя 10 лет Родерик МакКиннон поразил научное сообщество уникальным экспериментом, в ходе которого смог определить пространственную структуру калиевого канала для ионов, который может открываться и закрываться различными клеточными сигналами. О важности этого открытия говорит хотя бы тот факт, что Шведская Королевская академия отметила его своей премией спустя всего пять лет — срок для Нобелевских премий необычайно короткий.

Как теперь всем известно со слов Уолтера Уайта, химия — это не только наука о материи , но и об изменении, взаимодействии. Влияние химии на нашу повседневную жизнь невероятно велико. Большая часть того, что потребляет современный человек, так или иначе связано с изучением химии и ее развитием. Так какие же идеи для нее сейчас главные и приоритетные?

Фундаментальные разработки в российской химической науке находят применение в создании новых медицинских препаратов и адресной их доставке, в проектировании новых материалов и в новой энергетике

Точный адрес для лекарства

— Где в российской науке ожидаются прорывы, судя по тому, на что делают ставку российские университеты? И есть ли среди этих направлений химия?

— Да, премия этого года — прямо за химию. Но и это напрямую связано с лекарствами, с фармацевтической химией. И в этом общемировой тренд.

— Какие тренды в проектировании новых лекарств?

Кроме онкологии эти методы применяются в ранней диагностике и прогнозировании сердечно-сосудистых заболеваний, которые являются основной причиной смерти людей. Кроме того, нейродегеративные заболевания. Мы можем за десять-двадцать лет предсказать склонность к болезни Паркинсона у пациентов, у которых никаких клинических проявлений нет. А ведь зачастую пациент приходит в клинику тогда, когда уже есть явные внешние проявления болезни, когда уже трудно лечить, когда речь идет уже о том, чтобы только затормозить процесс, а вероятность полного излечения существенно меньше.

Наши методы ранней диагностики делают ее более простой и вполне доступной для массовых скринингов. В Америке это уже огромный бизнес, огромные деньги крутятся в этой сфере. Только в радиационной медицине в США проводится 20 миллионов диагностических процедур в год! То есть это уже рутина, стандартные процедуры, которые помогают оценить предрасположенность к заболеванию либо увидеть болезнь на начальных этапах ее развития. Сейчас диагностические процедуры составляют порядка 90 процентов рынка радиационной медицины. И этот рынок только набирает обороты.

И точечная доставка в ткани и органы — основной тренд не только в радиационной медицине, но вообще в фармацевтике. На этом принципе основано действие всех высокоэффективных лекарств.

— А как устроена адресная доставка? Что заставляет вещество выбирать те или иные клетки или органы? Внутри организма биологические молекулы находят нужные клетки по специальным рецепторам на них. А как новые химические вещества находят цель?

— Примерно так же. Скажем, раковая клетка (поскольку она постоянно делится и растет) вообще склонна больше веществ захватывать. Количество рецепторов на клеточной мембране у раковых клеток значительно больше, чем на обычной клетке. Соответственно, у нас есть в составе молекулы фрагменты, которые позволяют определить именно раковую клетку за счет того, что с ней большая вероятность связывания. Далее важно, чтобы ваша молекула (которая должна провести либо диагностическую, либо терапевтическую операцию) не просто осталась на клеточной мембране снаружи, но и попала внутрь клетки. И в ряде случаев важно, чтобы она попала не просто в цитоплазму, а в ядро или в митохондрию, где действие вашего вещества наиболее сильно. Например, в случае терапии мы присоединяем короткоживущий радиоизотоп к веществу-доставщику, и если он попадает в ядро, то эффективно и быстро убивает раковые клетки, не повреждая здоровые. За короткое время жизни радиоизотоп должен точно попасть туда, где с наибольшей вероятностью убьет рак. Фактически это мощнейшая лучевая терапия, но она вообще не затрагивает соседние здоровые клетки. И если мы находим молекулу, которая способна обеспечить доставку радиоизотопа в ядро или в митохондрию раковой клетки, то вероятность гибели таких клеток резко увеличивается, соответственно, намного увеличивается терапевтический эффект и уменьшаются дозы, которые нужны каждому конкретному пациенту, чтобы обеспечить эффективное лечение.

— С опухолевыми клетками более или менее понятно. Они действительно очень особенные. А как диагностируются с помощью радиодиагностики, например, сердечно-сосудистые заболевания?

— Мы во всей этой сфере в догоняющем режиме или у нас есть что-то, что впереди всех?

— Еще в 1970‒1980-х годах мы были в авангарде всего, что связано с атомными технологиями, не только военными, но и мирными, в том числе медицинскими. Поэтому и связанная с этим химия была передовой — разделительная химия, методы выделения и очистки, методы наработки медицинских радионуклидов. К сожалению, демодернизационные процессы, которые шли в 1990-е годы, недофинансирование, очень здорово отбросили нас в хвост в общемировой картине высокотехнологичной медицинской помощи. К тому же многие из новейших и технологичных процедур дорогостоящие, не все из них и не в полной степени покрываются страховой медициной. В результате получается, что на нашем рынке спрос-то есть, и он большой, но он малоплатежеспособный. А в развитии медицины драйвером инноваций является спрос.

Да, по многим параметрам мы сейчас объективно отстаем, но не на уровне разработки, а на уровне внедрения в каждодневную клиническую практику. На уровне разработок есть абсолютно фантастические идеи, которые опережают всех в мире. Передовые научные группы у нас есть, причем они нацелены на достижение реальных практических результатов, в нашем случае — на создание конкретных препаратов.

— Например?

Модульный нанонтранспортер — специально сконструированный белок для точного попадания в ядро клетки-мишени. Он состоит из четырех фрагментов модулей. Первый модуль, лигандный, отвечает за узнавание клеткой-мишенью и проникновение внутрь нее. Второй, эндосомолитический, отвечает за то, чтобы молекула не была уничтожена в клетке внутри пузырьков-эндосом, этот фрагмент умеет разрушать их мембраны. Третий модуль, сигнал ядерной локализации, взаимодействует с клеточными белками-импортерами, которые отвечают за доставку веществ в ядро. Четвертый модуль — носитель, к нему присоединяется действующее вещество, например радиоизотоп

Нейросети и сверхпроводники

— Для проектирования новых медицинских молекул под конкретную мишень в последнее время часто используют искусственный интеллект. Как у нас с этим?

— Здесь мы как раз очень неплохо выглядим. Нейросети используются, во-первых, для предсказания свойств молекул на основе их структуры и, во-вторых, для предсказания их поведения в организме, какой путь проходят, с какими рецепторами связываются. И мы уже даже из относительно небольших выборок в сотни молекул можем предсказывать с помощью искусственного интеллекта, какие молекулярные фрагменты за какие свойства этих молекул отвечают. Это действительно очень здорово развито, очень во многих наших институтах и университетах, в том числе на химфаке МГУ. Направление очень перспективное, потому что оно фактически позволяет сделать первичный отбор того, что дальше может потенциально пойти в экспериментальную практику уже на стадии доклинических исследований.

Кафедру медицинской химии на химфаке МГУ создал академик Николай Серафимович Зефиров, один из создателей современной математической химии, моделей, позволяющих вычислять свойства молекул по их структурам, один из самых цитируемых химиков на протяжении долгого времени. К сожалению, его уже нет с нами, он умер в 2017 году, но его ученики публикуют очень сильные работы, в том числе по использованию нейросетей доя предсказания свойств молекул.

Причем направление это возникло, когда о суперкомпьютерах и современном буме нейросетей речи еще не шло. Но уже тогда у нас возникло действительно прорывное направление, связанное с докингом*. На его основе было предсказано действие очень многих молекул.

Я могу привести пример из своей практики. Это не медицина, но очень важная сфера — технологические системы по разделению и концентрированию веществ, когда из сотен молекул мы должны научиться распознавать именно ту, которая будет иметь связь с конкретным катионом. Эти методы имеют большие перспективы, потому что позволяют сильно сэкономить труд экспериментаторов, в том числе химиков-синтетиков. Вместо того чтобы искать пути многостадийного и нелегко синтеза (а потом и очистки) сотен веществ, можно работать с единицами формул, которые нам подсказывают вычисления.

Кроме того, у нас разрабатываются материалы для фотоники, для медицинских применений, для экологических целей, скажем, различные сорбенты, материалы, которые, например, позволяют извлекать методами микроультрафильтрации опасные компоненты из воды. Ну и конечно, то, что вы сказали: углеродные материалы, легкие композиты, которые позволяют, например, сделать композитное крыло среднемагистрального самолета МС-21.

— Графенового прорыва пока не случилось, в смысле, не в изучении, а в применении? (Андрей Гейм и Константин Новоселов получили графен в 2004 году, а в 2010-м были удостоены за это Нобелевской премии — и ожидались прорывы и в наноэлектронике, и в материаловедении.)

— На самом деле исследования идут. Обычно после появления научной моды, какого-то важного открытия, как случилось с графеном, идет бурный рост научных публикаций, а потом спад. Тематика графена сейчас на стадии спада. Но надо понимать, что именно в момент такого спада и рождаются реальные и практические приложения: мода схлынула, а перспективные вещи дозревают. Будут применения и в электронике, и в сенсорике, в том, что входит в наш обиход. Окисленные графены используются как дешевые и хорошие материалы для очистки растворов, для сенсоров. Их применение на самом деле, может быть, сейчас не столь гигантское, как виделось на пике бума публикаций, но эти приложения очень важны и интересны.

Химия климата

— А может химия помочь климату? Климатолог Александр Чернокульский нам сказал, что прорыв в теме борьбы с выбросами, мог бы случиться, если бы химики решили задачу эффективного поглощения углекислого газа из атмосферы.

— Здесь есть несколько подходов. Относительно грубые подходы предлагают связывать и закачивать избыточный СО2 в геологические формации. А есть и более интересный подход, и сейчас очень много этим занимаются, в том числе в Институте органической химии РАН. CO2 может быть первоисточником для малотоннажной синтетической химии. И вот это, на мой взгляд, имеет очень большие перспективы, потому что это дешево и, опять же, экологично. Экологично, потому что это химия без растворителей. Раз уж нам все равно (к сожалению или к радости) играть по новым правилам в мировой экономике и поглощать выбросы, то правильно было бы делать это с умом.

— Насколько это научно сложная задача? Или там только технологическая сложность?

— Это решаемая задача, не очень сложная. Другое дело, что, конечно, она потребует перестроить производства. Какой бы ни был простой синтез, понятно, что под него нужно создавать соответствующую технологическую инфраструктуру, а до этого таких задач почти не ставилось. До сих пор не было цели как можно больше поглотить CO2, ставилась задача синтеза каких-то молекул, где CO2 мог бы быть использован как субстрат. И это большая технологическая перестройка, это небыстро происходит. Поэтому, если говорить о крупнотоннажных вещах, то большую роль будет играть поглощение углекислого газа в природе и сокращение эмиссии. Но вся поглощающая способность наших лесов перечеркивается такими событиями, как лесные пожары, которые мы в это лето наблюдали. Эмиссия в результате пожаров целиком перекрывает поглощающую способность всех лесов Сибири. Меры, связанные с восстановлением нормального лесного хозяйства, и обеспечение пожаротушения вовремя сразу даст большой эффект.

— А где химия в новой энергетике? Водород?

— Почему?

— Много сейчас обсуждают возможность переделки природного газа в водородное топливо. Насколько это сложная химия?

— Я все время о ядерной энергии, но и в водородной теме она очень важна. Это и электролиз воды с помощью электроэнергии. Но это и пиролиз природного газа, который можно осуществить с помощью ядерных источников тепла. Тем более что в европейской части России есть избыток ядерной генерации.

— В солнечной генерации кремниевые фотоэлементы уже стали достаточно экономичны? Или идет поиск другого типа фотоэлементов?

— Идет поиск материалов с более высоким КПД. И многие материалы обладают такими свойствами. Но есть другая проблема. Скажем, проблемы свинецсодержащих материалов — это, во-первых, их долгосрочная устойчивость (они постепенно разрушаются) и, во-вторых, экологичность производства. К тому же у нас в стране сейчас нет добычи свинца. Весь свинец, который у нас есть, — это либо рециклинг того, что у нас есть, либо импорт.

Чудо-стены и судьба химии

— А какие еще современные практические направления химии активно развиваются?

— Химия в быту. Я имею в виду экологичный и экономичный дом. Например, идут поиски материалов для того, чтобы сами стены домов вместо кондиционеров регулировали бы температуру в доме (во всяком случае, участвовали бы в регуляции). В жаркую погоду за счет тех или иных процессов в материале могло бы происходить высвобождение холода, поглощение тепла, и наоборот, тепло удерживалось бы. Кстати говоря, наши крупные энергетические компании заинтересованы в таких исследованиях. Пока они на стадии фундаментальных разработок, но, по-моему, очень перспективных.

— По какому принципу могли бы работать такие чудо-стены?

— У нас этот вопрос исследуется на кафедре физической химии МГУ. Интересны материалы, у которых фазовые переходы осуществляются при тех температурах, при которых могут быть сезонные колебания температур, и эти фазовые переходы сопровождаются, соответственно, либо поглощением тепла, либо, наоборот, эмиссией тепла.

— Они замерзают и плавятся, а в процессе берут или отдают тепло?

— Грубо говоря да, но вряд ли было бы удобно, если бы стена действительно расплавилась. Это композиты из прочной матрицы, в поры которых добавлены вещества, способные к терморегуляции.

Отсюда вызовы системе образования. Нужны так называемые Т-компетенции, сочетающие глубокие знания в своей области и широкий кругозор. Поэтому, наверное, ядра у современной химии, как и у всех остальных наук, как такового нет, и это нормально. В свое время все эти науки выросли из естествознания, и сейчас опять в какой-то степени они снова возвращаются в него.

— А что за дети идут именно на химфак — не на физфак и не на биофак?

— Очень увлеченные дети. Это дети, которые очень любят именно химию. Мы это точно знаем. Раньше было две волны при поступлении. И у нас было больше 80 процентов тех ребят, кто уже в первой волне приносил оригиналы школьных дипломов. Эти дети целенаправленно хотели заниматься химией в МГУ, а не отдать заявления сразу в десять вузов. Мы были на первом месте по этому параметру по всему университету, в котором 40 факультетов. Сейчас у нас набор 200 с небольшим человек. Из них в этом году 50 — это призеры олимпиад, это действительно топовые ребята. Контингент, что удивительно, вот даже в самые тяжелые времена не становился хуже. Это удивительно, несмотря на то что, казалось бы, падает качество школьного образования, маленькая зарплата учителей, особенно в провинции, и нельзя сказать, что химик — это самая престижная работа. Но тем не менее уровень ребят — способных, толковых — каждый год очень высок.

— И кем они потом становятся в основном?

— Мы подробно интересуемся судьбой выпускников начиная с 2012 года, скоро будет опрос выпускников за последние десять лет. В последние четыре-пять лет 80 процентов наших выпускников работает по специальности. В науке, но не только: кто-то пошел в бизнес, в компании, где химики очень востребованы, — удобрения, нефтехимия, фармацевтика, энергетика. Но больше половины пошла к нам аспирантуру, еще половина от половины, наверное, в институты РАН и другие аспирантуры.

— И как у нас сейчас с научным стартом? Условия изменились по сравнению с тем, что было десять-пятнадцать лет назад?

— Я окончил химический факультет в 1996 году. Мало что можно хорошего вспомнить о научной жизни в университете тех времен, не хватало примитивных веществ, неотапливаемые помещения, руки опустились у многих. Сейчас, конечно, иначе. На химфаке в целом почти 70 процентов — иногородние ребята, и они все потом очень хорошо устраиваются. У меня в лаборатории на кафедре радиохимии тоже примерно 70 процентов ребят остались в Москве. У них есть возможность арендовать или купить жилье. Понятно, что не в центре Москвы, но тем не менее. Я не мог себе представить в 1990-е годы, что я могу независимо от родителей где-то жить.

Понятно, что есть очень много чего еще, к чему у меня и у моих коллег есть большие претензии. Это, например, скорость закупок, скорость доставки реагентов, оборудования. Когда я работал за границей, мне максимум через несколько дней доставлялся любой реагент, а у нас, понятно, проходят месяцы. Но зарплаты уже соизмеримы, хотя очень дифференцированы. Все очень сильно зависит от научного руководителя, от того, насколько он участвует в программах, проектах, насколько пытается ассоциировать свои исследования с серьезными заказчиками, программами и грантами.

— Это только МГУ? А как в других университетах?

Читайте также: