Органический синтез и молекулярный дизайн новых лекарственных препаратов

В 1666 г. в Англии при огромном стечении народа и в присутствии короля был спущен на воду очередной линейный корабль. Хотя и всегда спуск большого корабля на воду был событием, в данном случае интерес был особый. Впервые в истории строитель корабля Антони Дин устроил амбразуры для пушек, когда корабль был ещё на стапелях. До этого амбразуры прорезались "по месту" после того, как корабль был уже на воде и нагружен подходящим образом. Это, разумеется, сильно усложняло всю работу. Сделал это Антони Дин не по наитию, а на основании точного расчёта, базировавшегося на законе плавания судов, открытом Архимедом почти за 2000 тысячи лет до этого.

Это был один из первых примеров, когда вычислительный эксперимент опередил натурный, что дало огромную экономию времени и средств. С тех пор такая практика в макромире стала повсеместной, и сейчас ни одно устройство от утюга до самолёта не превращается в реальный объект до тех пор, пока соответствующие расчёты не покажут с вероятностью девяносто и более процентов, что задуманная система будет работать именно так, как надо. Разумеется, это стало возможным не только потому, что развилась фундаментальная наука (физика, математика и др.), но и потому, что базовые законы, уравнения и вычислительные приёмы были доведены до инженерного уровня, т.е. уровня, который позволяет обоснованно прогнозировать работу проектируемой системы и отбирать наилучшие варианты, опираясь на конкретные упрощённые положения, правила и формулы, таблицы величин и др.

Человечество, создавая техническую базу своего существования, интуитивно отвергло "медвежий принцип". Вспомним известную басню о медведе, который гнул-гнул дугу, да и сломал, а потом и говорит: "Всё правильно, надо сначала сделать, а уж потом подумать, а то над чем же думать-то!".

Разумеется, макромир не является исключением и нет ничего удивительного, что и при развитии работ в микромире, и при создании молекулярных машин человечество пошло тем же путём. Формирующееся новое научное направление часто и называют молекулярным моделированием. Конечно, работы в микромире ещё не достигли уровня, который можно было бы назвать инженерным, но успехи уже значительны. При этом наметились два основных течения.

Первое определяется целиком особенностями формализации знаний в химической науке. Эта область, изучающая гораздо более разнообразные проявления систем по сравнению, например, с физикой, с самого начала базировалась не на уравнениях, позволяющих в деталях проследить причинно-следственные связи, а на дискретных правилах-высказываниях типа: если в молекуле имеется данная функциональная группировка, то для неё характерными будут такие-то реакции. Преподносится это как аксиома. В науке такая ситуация называется "черным ящиком". Это характерно не только для химии, но и для всех наук, в которых приходится иметь дело со сложными объектами: биологии, медицины и др. Таких дискретных правил очень много. Пытаться во всех случаях выяснить их глубинную природу практически невозможно да и не нужно, т.к. главная цель всякого научного знания - прогноз - вполне достигается и при использовании "черных ящиков". Другое дело, что при попытке перевести такой прогноз на язык математики, надо отказаться от привычного анализа дифференциальных уравнений и перейти к аппарату так называемой дискретной математики (например, математической логики). Хотя основы подходящего математического языка были заложены ещё в середине прошлого века, однако до шестидесятых годов нынешнего века такой язык не использовался ни в физике, ни в химии, и основная масса работавших в этих науках учёных ничего о нем не знала. Впервые соответствующие идеи были высказаны практически одновременно в СССР, США и Японии в 70-тых годах.

Общая проблема заключается не только в том, чтобы, пользуясь уже установленными правилами и математическим аппаратом, делать научный прогноз, но и решать так называемые обратные задачи. Они заключаются в том, чтобы на основе большого фактического материала сформулировать сами эти правила. Решение этой проблемы особенно актуально при поиске лекарственных средств, где причинно-следственная связь "молекулярная структура - биологическое действие" крайне сложна и, как правило, не может быть сформулирована абсолютно строго.

Второе направление в молекулярном моделировании идёт от физики и базируется на квантовой теории и вычислительных приёмах, составляющих предмет так называемой квантовой химии. Особенность этого направления - фундаментальность и универсальность исходных положений и возможность в деталях проследить формирование причинно-следственной связи, т.е. отсутствие "черных ящиков". Это очень привлекательно. Ясно, однако, что надежда на прогресс в этом направлении только за счёт увеличения мощности компьютеров призрачна. Во-первых, потому, что всё равно всё не пересчитаешь, а, во-вторых, рассчитываются свойства молекулярных моделей, хотя и близких к природным объектам, однако никогда точно с ними не совпадающих. Подобно тому, как в макромире в инженерных расчётах используются формулы, которые, хотя и опираются на фундаментальные исходные положения, являются, как правило, полуэмпирическими, так и в микромире основное назначение квантовохимических подходов - создание разного рода упрощенных приёмов, с самого начала нацеленных на решение задач данного конкретного круга, но зато обеспечивающих массовость прогнозов с точностью, удовлетворяющей практическим целям. Легко видеть, что оба направления в молекулярном моделировании взаимодополняющие, в том числе и по математическому оформлению и приёмам поиска причинно- следственных связей.

В современной органической химии проектирование и создание новых типов органических молекул с заданными структурными характеристиками, получившее название «молекулярный дизайн», приобретает все большее и большее значение. О впечатляющих успехах в данной области говорит синтез органических молекул в виде правильных многогранников (призман, кубан, тетраэдран, додекаэдран), необычных молекулярных конструкций типа катенанов, ротоксанов, узлов. Имеются сообщения о создании молекулярных структур, обладающих формой листа Мёбиуса. Получение молекулярных структур различных типов, с одной стороны, обогащает теоретическую органическую химию новыми идеями, с другой стороны, может иметь практический выход, например, в решении задач по синтезу биологически активных препаратов, органических катализаторов, материалов для регистрации информации и т.д.

В связи с этим, цель данной работы - изучение целей и стратегии органического синтеза, а также основных принципов молекулярного дизайна.

В практической части проведено исследование препарата ацетилсалициловой кислоты в таблетках по 0,5 г., как одного из первых лекарственных препаратов, производимых синтетическим путем.