В.Г.Шубин

ОЧЕРК НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
АКАДЕМИКА В.А.КОПТЮГА

Научная деятельность академика В.А.Коптюга была необычайно многогранной, она включала в себя глубокие фундаментальные исследования в области органической химии и работы по химической информатике и экологии. В каждой из этих областей он сформировал научные школы, развивающие его основополагающие идеи.

Подчеркивая особую роль фундаментальных исследований, В.А.Коптюг писал: "Существующая тенденция придать академической науке "более целенаправленный характер"... таит в себе весьма серьезные опасности. Одно из ярчайших открытий последнего времени - явление высокотемпературной сверхпроводимости - родилось не в рамках целевой программы, а на пути свободного поиска, обычного для науки "добывания знания".

В.А.Коптюг был не только выдающимся исследователем, но и блестящим ученым-организатором и педагогом. В течение многих лет он возглавлял Сибирское отделение РАН, Новосибирский институт органической химии (НИОХ), кафедру органической химии Новосибирского государственного университета, с 1978 по 1980 г. был ректором этого университета. Во многом благодаря его усилиям в трудные годы переходного периода эти организации не только сохранили свой потенциал, но и осуществляли исследования самого высокого уровня. Его ученики и ученики его учеников работают во многих научных организациях России и зарубежных стран.

В данном очерке сделана попытка отразить некоторые из основных направлений научной деятельности В.А.Коптюга. Хотя автор и стремился к максимальной объективности в изложении материала, все же ему вряд ли удалось избежать субъективного взгляда на те или иные достижения своего учителя и его учеников. Он заранее приносит извинения тем из них, которые сочтут, что их вклад не был оценен по достоинству.

Одной из наиболее актуальных в современной органической химии является проблема установления механизмов реакций и развития методов их обобщенного описания, позволяющих прогнозировать пути и скорости химических процессов. От степени ее решения зависят возможности разработки новых, эффективных и экологически приемлемых способов воздействия на вещество с целью получения необходимых материалов. В.А.Коптюгом внесен выдающийся вклад в решение этой проблемы. Им разработана новая методология, заключающаяся в "разделении" сложного объекта исследования на составляющие, оказывающие разное, порой противоположное влияние на объект в целом, в изучении существенных характеристик этих составляющих и прогностическом "синтезе" нового знания на основе получаемых результатов.

Значительное место в работах В.А.Коптюга занимают исследования, посвященные реакциям изомеризации соединений ароматического ряда. Эти вещества, образующиеся в процессе переработки каменного угля и нефти, являются исходным сырьем для получения широкого круга полупродуктов, применяемых в производстве полимеров, стабилизаторов, антипиренов, красителей, лекарственных препаратов и т.д. Используемые при этом реакции во многих случаях характеризуются малой селективностью, вследствие чего образуются смеси изомеров.

Осознавая огромные возможности, которые открывают превращения первично образующихся изомеров в менее доступные, В.А.Коптюг осуществил глубокие фундаментальные исследования процессов изомеризации ароматических соединений. Для направленного поиска оптимальных условий реализации изомеризационных превращений необходимо знание основных закономерностей и тонкого механизма протекания процесса миграции заместителя. Их выявлению были посвящены первые работы В.А.Коптюга по изомеризации ароматических соединений, которые он выполнял под руководством проф. Н.Н.Ворожцова-мл., будучи аспирантом Московского химико-технологического института им. Д.И.Менделеева (МХТИ).

Широкое использование метода меченых атомов позволило В.А.Коптюгу установить механизмы реакций изомеризации и выявить "невидимый" процесс шестикратно вырожденной перегруппировки толуола. Была открыта новая реакция - изомеризация сульфонов ароматического ряда. Результаты этих исследований обобщены В.А.Коптюгом в монографии [1], которая была первой в мировой литературе на эту тему. В 1965 г. ее перевели на английский язык и опубликовали за рубежом, что в те годы было довольно редким явлением.

Уже в первых работах В.А.Коптюга, выполненных в стенах МХТИ, проявились его лучшие черты - высокая работоспособность, требовательность к себе, критическое отношение к устоявшимся взглядам на ту или иную проблему, тщательность выполнения исследований.

Поскольку ключевыми интермедиатами реакций изомеризации и многих других катионоидных реакций являются карбокатионы, В.А.Коптюг уделил большое внимание их изучению. Им был сформулирован и развит новый подход к описанию и прогнозированию реакционной способности, основанный на экспериментальном исследовании моделей короткоживущих карбокатионных интермедиатов, заключающийся в их моделировании "долговечными" структурами, доступными для детального изучения современными физическими методами.

То, что карбокатионы играют важную роль в широком круге реакций - от таких многотоннажных процессов, как каталитический крекинг, до тонких биохимических процессов - было хорошо известно. Однако экспериментальных данных об особенностях их электронного и пространственного строения, а также о закономерностях образования и превращений было недостаточно для надежного описания реакций с их участием. В большом цикле работ, выполненных под руководством В.А.Коптюга, не только выявлены факторы, определяющие реакционную способность карбокатионов, но и установлены простые количественные связи между соответствующими параметрами и скоростью реакции. В этом цикле с особой яркостью проявилась выдающаяся способность В.А.Коптюга формулировать задачи сложного, многопланового исследования с максимальной ясностью и логичностью, что в значительной степени предопределило успешную реализацию намеченных планов. Установленные в результате проведенных исследований закономерности расширяют и углубляют возможности в области планирования органического синтеза с использованием карбокатионных реакций.

Основное внимание в исследованиях реакционной способности карбокатионов было уделено так называемым "вырожденным" перегруппировкам - процессам, в результате которых сохраняется не только состав, но и строение реагирующей частицы. Актуальность изучения вырожденных перегруппировок аренониевых ионов, протекающих путем 1, 2-сдвига мигранта, обусловлена тем, что такие сдвиги являются ключевыми в процессах кислотно-катализируемой изомеризации ароматических соединений и в других разнообразных молекулярных перегруппировках, а кинетические характеристики "элементарных" вырожденных процессов, не осложненные влиянием термодинамического фактора, имеют фундаментальное значение в современной структурно-кинетической теории.

В ходе изучения влияния природы карбокатиона на скорость перегруппировки развит подход к количественному описанию перегруппировок в рамках общих корреляционных соотношений, охватывающих ионы с мигрантами различного типа, установлена ограниченность концепции орбитальной ориентации в молекулярных перегруппировках, выдвинутой зарубежными исследователями, обнаружена не известная ранее реакция изотопного обмена водорода аренониевых ионов и соответствующих им алкилароматических соединений с дейтерокислотами.

Использование метода динамического ядерного магнитного резонанса (ЯМР), изотопных меток и своеобразного приема "метки насыщением" (динамический вариант двойного ЯМР) позволило определить кинетические характеристики превращений карбокатионов широко варьируемого строения. Получена информация о стереохимических аспектах карбокатионных перегруппировок, роли факторов орбитальной ориентации и среды.

В.А.Коптюгом с сотрудниками продемонстрирована возможность количественного описания вырожденных перегруппировок алифатического и алициклического рядов на основе соотношений, установленных для перегруппировок аренониевых ионов, и разработан подход к количественному описанию реакций изомеризации ароматических соединений и родственной им диенон-фенольной перегруппировки, в основу которого были положены структурно-кинетические закономерности вырожденных перегруппировок. Кинетические характеристики реальных, невырожденных процессов предсказываются с помощью количественных соотношений, установленных для вырожденных реакций при дополнительном учете фактора, отражающего относительную устойчивость исходного и перегруппированного ионов.

На основании этого с учетом оценки основности различных положений в молекулах ароматических соединений была разработана расчетная схема, позволяющая предвычислять константы скорости реакций изомеризации с достаточно высокой точностью.

Эти результаты заложили основы прогнозирования скоростей молекулярных перегруппировок, а следовательно, и управления ими. Весьма важным представляется то, что в одном из обширных разделов органической химии впервые удалось перейти от уровня накопления качественных данных, чему посвящены тысячи работ, к осмыслению их на количественном уровне, опираясь на фундаментальные положения физической органической химии.

В.А.Коптюг значительное внимание уделил становлению и развитию в НИОХ СО РАН исследований в области химии карбокатионов, генерируемых из природных соединений - терпенов и их аналогов. Это обусловлено двумя обстоятельствами - особой ролью возобновляемого природного сырья как источника базовых соединений для тонкого органического синтеза и перспективностью терпенов и их аналогов в качестве изучаемых объектов для развития структурно-кинетической теории молекулярных перегруппировок.

В результате исследований, проведенных по инициативе и под руководством В.А.Коптюга, были выявлены закономерности химических превращений сложных полициклических карбокатионов, генерируемых из терпеноидов, что открыло новые пути к расширению синтетических возможностей использования возобновляемого сырья.

Особый интерес представляет разработанный В.А.Коптюгом с сотрудниками подход к количественному описанию катионоидных перегруппировок терпеноидов, явившийся логическим продолжением работ по химии карбокатионов, генерируемых из соединений ароматического ряда. Поскольку молекулы терпеноидов, в отличие от плоских ("двумерных") молекул ароматических соединений, являются "трехмерными", описание их перегруппировок - значительно более трудная задача. Ее удалось успешно решить, опираясь на результаты, полученные ранее при изучении перегруппировок "двумерных" структур, и учитывая специфические ориентационные факторы. Впервые было проведено сопоставление маршрутов сложных перегруппировок терпеноидов, предсказанных методом молекулярной механики, с наблюдаемыми методом ЯМР взаимопревращениями "долговечных" карбокатионов. При количественном описании перегруппировок учитывались не только "внутрибарьерный", но также орбитальный и термодинамический факторы, в результате чего получено достаточно хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными.

Основные достижения В.А.Коптюга с сотрудниками в области химии карбокатионов можно суммировать следующим образом:

Полученные результаты, опубликованные в монографиях [2-4] (см. также [5]), дали мощный импульс развитию и углублению исследований в области физической органической химии - одной из наиболее актуальных областей современной химической науки. Исследования, проведенные В.А.Коптюгом и его учениками в целом ряде новых направлений, привели к построению достаточно универсальной системы описания электронных эффектов заместителей в органических ионах, разработке новых подходов к количественному описанию реакций электрофильного замещения в ароматическом ряду и развитию работ по химической информатике.

Широкое применение спектральных методов в органической химии способствовало накоплению значительных объемов спектральной информации. Понимая, что эффективное использование этой информации невозможно без взаимодействия ее потребителей с профессионалами в области химической информатики, В.А.Коптюг создает при Новосибирском институте органической химии специализированный Научно-информационный центр по молекулярной спектроскопии. По его инициативе в рамках этого центра была сформирована библиотека спектральной информации, содержащая уникальные сведения о спектральных характеристиках огромного числа органических соединений, послужившие базой для становления и развития работ по химической информатике.

В.А.Коптюгом с сотрудниками были разработаны теоретические основы представления в памяти ЭВМ спектральных данных и оригинальные алгоритмы их поиска, что позволило создать эффективные системы определения строения органических соединений по данным ИК-спектроскопии - одного из наиболее распространенных и доступных инструментальных методов, применяющихся не только в академических институтах, но и в заводских лабораториях. В развитие этих работ сформулированы основные принципы создания информационно-поисковых систем на основе других видов спектроскопии, в частности спектроскопии ЯМР. Под руководством Валентина Афанасьевича были разработаны информационно-поисковые системы по спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии, поставлена и в основных чертах успешно решена проблема создания единой комплексной системы, основанной на использовании баз данных по различным видам спектроскопии молекул. В.А.Коптюг подчеркивал преимущества систем, опирающихся на представительные базы данных.

Значительное место в работах по химической информатике, выполнявшихся под руководством В.А.Коптюга, занимало решение проблемы создания эффективных инструментов ввода в память ЭВМ информации, получаемой в графической форме. Идеи, выдвинутые в этой области, широко используются в современной химической информатике.

Лучшие черты В.А.Коптюга как ученого-исследователя - способность с максимальной ясностью формулировать ту или иную проблему, выделять в ней ключевые элементы и находить оптимальные пути ее решения - отчетливо проявились и в его многогранной научно-организационной деятельности, в том числе в области экологии, которой он уделял большое внимание в последние годы своей жизни [6].

В статье "Экология: от обеспокоенности к действенной политике" [7] В.А.Коптюг сформулировал основы стратегии решения экологических проблем и в своей деятельности на постах председателя СО РАН и директора Новосибирского института органической химии последовательно проводил в жизнь намеченную программу. Под его руководством в НИОХ им. Н.Н.Ворожцова СО РАН создан современный информационно-аналитический комплекс, предназначенный для информационного обеспечения решения экологических проблем и анализа объектов среды обитания на содержание тех или иных экотоксикантов, в Государственной публичной научно-технической библиотеке СО РАН было организовано издание обзорно-аналитической информации.

Как председатель Сибирского отделения РАН В.А.Коптюг принимал активное участие в разработке концепции перехода Российской Федерации на модель устойчивого развития, он подчеркивал, что рынок сам по себе не способен сыграть роль движущей силы на пути к устойчивому развитию, первым этапом реализации государственной стратегии в этом направлении должен быть вывод страны из глубокого социально-экономического кризиса.

В.А.Коптюг был членом подготовительного комитета и делегатом Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.), активно участвовал в подготовке и пропаганде ее решений, направленных на обеспечение устойчивого развития современной цивилизации и прекращение неконтролируемого антропогенного воздействия на окружающую среду [8].

Сибирское отделение РАН и его председатель академик В.А.Коптюг приложили много усилий по спасению озера Байкал. Примечательно, что за день до своей кончины, 9 января 1997 г., он выступил с докладом на заседании Правительственной комиссии по Байкалу.

В.А.Коптюг организовал в Сибирском отделении РАН регулярный выпуск журнала "Химия в интересах устойчивого развития" на русском и английском языках и являлся его бессменным главным редактором. Он был разработчиком и координатором программы "Химия и окружающая среда" Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).

Научная деятельность В.А.Коптюга получила высокую оценку в нашей стране и за рубежом: за выдающиеся заслуги в области органической химии и химической информатики, а также за подготовку научных кадров и содействие международному научному сотрудничеству В.А.Коптюгу в 1985 г. была присуждена Международная премия им. А.П.Карпинского, в 1987 г. он был избран президентом Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), в 1990 г. В.А.Коптюгу вместе с коллективом ученых из Новосибирского института органической химии СО РАН за фундаментальные исследования строения и реакционной способности карбокатионов присуждена Ленинская премия, в 1992 г. он был избран вице-президентом Международного комитета по проблемам окружающей среды (SCOPE). В.А.Коптюг был членом Высшего Консультативного Совета по устойчивому развитию при Генеральном секретаре ООН, членом ряда зарубежных академий.

В заключение хотелось бы отметить, что основные направления научной деятельности В.А.Коптюга в настоящее время успешно развиваются его учениками и последователями в Сибирском отделении Российской академии наук и за его пределами.

Автор выражает благодарность своим коллегам - В.А.Бархашу, Б.Г.Дерендяеву, С.В.Морозову и В.Д.Штейнгарцу за предоставление возможности использования подготовленных ими материалов о деятельности В.А.Коптюга и ценные замечания.

Предыдущая статья

ОГЛАВЛЕНИЕ СБОРНИКА

Следующая статья