«Безумная» химическая теория 67-летней давности оказалась верной

Химики достигли того, что многие когда-то считали невозможным: они стабилизировали в воде чрезвычайно химически активную молекулу, подтвердив теорию 67-летней давности о витамине B₁. Этот прорыв не только разрешает давнюю биохимическую загадку, но и открывает путь к более экологичным и эффективным методам производства лекарственных препаратов.

В центре этого открытия находится карбен — анкета углерода, имеющая всего шесть валентных электронов. В обычных условиях атомы углерода наиболее стабильны, когда их внешняя оболочка содержит восемь электронов. С шестью электронами карбены чрезвычайно нестабильны и практически мгновенно вступают в реакцию с окружающей средой. В воде они, обычно, сразу же разлагаются.

На протяжении десятилетий учёные полагали, что витамин B₁ (тиамин) может на короткое время образовывать карбеноподобную структуру внутри клеток, способствуя протеканию важнейших биохимических реакций. Однако в связи с чрезвычайной нестабильности молекулы никто не мог непосредственно наблюдать её в таких условиях.

Исследователям удалось создать карбен, который остаётся стабильным в воде. Они не только получили его, но и изолировали, поместили в пробирку и запечатали, после чего наблюдали, как он остаётся нетронутым на протяжении нескольких месяцев. Результаты подробно описаны в исследовании, опубликованном в журнале Science Advances.

«Это начальный случай, когда кому-либо удалось наблюдать стабильный карбен в воде», — сказал Винсент Лавалло, профессор химии Калифорнийского университета в Риверсайде и ведущий автор статьи. «Многие считали эту идею безумной. Но оказалось, что Бреслоу был прав».

Лавалло ссылается на Рональда Бреслоу, химика из Колумбийского университета, который в 1958 году выдвинул гипотезу, что витамин B₁ может превращаться в карбен, обеспечивая ключевые биохимические реакции. Хотя эта идея оказала большое влияние, она оставалась недоказанной, поскольку карбены слишком нестабильны, особенно в воде, чтобы их можно было уловить или изучить.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда Лавалло разработала защитную молекулярную структуру, окружающую карбен. Он описывает её как «доспех», предназначенный для защиты реакционного центра от воды и других близлежащих молекул. Благодаря этой защите карбен становится в достаточной степени стабильным для детального анализа с помощью ядерной магнитно-резонансной спектроскопии и рентгеновской кристаллографии, что даёт чёткие доказательства того, что такие молекулы могут существовать в воде.

Значение этого открытия выходит за рамки простого разгадывания научной загадки. Карбены широко используются в качестве «лигандов», то есть вспомогательных компонентов в металлоорганических катализаторах, способствующих протеканию химических реакций. Эти катализаторы играют важную роль в производстве лекарственных средств, топлива и других материалов. Тем не менее многие из этих процессов зависят от токсичных органических растворителей.

Стабилизировав карбены в воде, исследователи, возможно, открыли путь к более безопасному и экологически чистому химическому производству.