Химики подтвердили 67-летнюю "сумасшедшую теорию" сделав то, что все считали невозможным

Углеродные атомы обычно имеют восемь валентных электронов. Это их стабильное состояние. Но бывает иначе. Карбен — форма углерода всего с шестью валентными электронами. В обычных условиях такие молекулы настолько нестабильны, что реагируют с окружающей средой почти мгновенно. В воде они разрушаются за доли секунды. В 1958 году химик Рональд Бреслоу из Колумбийского университета предположил нечто, что многие сочли безумием: внутри клеток витамин B1 (тиамин) временно превращается в карбен, чтобы запускать ключевые биохимические реакции. Доказать это было невозможно — слишком реактивный, слишком неуловимый.

Броня для нестабильного

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде разработали защитную молекулярную структуру, которая окружает карбен. «Это как доспехи», — поясняет Винсент Лавалло, профессор химии. Броня защищает реактивный центр от воды и соседних молекул. Под такой защитой карбен остаётся стабильным достаточно долго, чтобы его можно было изучать. Команда не только создала карбен, стабильный в воде, но и изолировала его, запаяла в пробирку и наблюдала за ним несколько месяцев. Целостность карбена подтверждена ядерно-магнитным резонансом и рентгеновской кристаллографией.

«Это первый случай, когда кому-либо удалось наблюдать стабильный карбен в воде, — говорит Лавалло. — Люди считали эту идею безумной. Но оказалось, Бреслоу был прав».

Неожиданное подтверждение

Первооткрыватели не ставили перед собой цель подтвердить теорию Бреслоу. Они просто исследовали химию карбенов. «Мы создавали эти реактивные молекулы, чтобы изучать их свойства, а не гонялись за исторической теорией, — поясняет Варун Равипролу, первый автор исследования. — Но в итоге наша работа подтвердила именно то, что Бреслоу предложил все эти годы назад».

Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Практический выход на зелёную химию

Карбены широко используются как лиганды — вспомогательные компоненты в металлических катализаторах, которые помогают проводить химические реакции. Эти катализаторы играют важную роль в производстве лекарств, топлива и других материалов. Проблема в том, что многие из этих процессов зависят от токсичных органических растворителей. Вода — идеальный растворитель. Она обильна, нетоксична и экологична. Если катализаторы на основе карбенов смогут работать в воде, это откроет путь к более безопасному и экологичному химическому производству.

Мост к биологии

Способность создавать и сохранять реактивные промежуточные молекулы в воде приближает учёных к воспроизведению химии, которая естественным образом происходит внутри живых клеток. А клетки по большей части состоят из воды. «Существуют и другие реактивные промежуточные соединения, которые мы никогда не могли изолировать, точно так же, как это, — говорит Лавалло. — Используя наши защитные стратегии, мы, возможно, наконец сможем увидеть их и учиться у них».

Для Лавалло, который работает с карбенами два десятилетия, это достижение имеет и научное, и личное значение. «Всего тридцать лет назад люди думали, что эти молекулы вообще невозможно создать, — говорит он. — Теперь мы можем хранить их в воде. То, что Бреслоу сказал все эти годы назад, было правдой».

Равипролу видит в этом открытии более широкий урок о настойчивости в науке. «То, что кажется невозможным сегодня, может стать возможным завтра, если мы продолжим инвестировать в науку». Семь десятилетий теория Бреслоу оставалась неподтверждённой — не потому, что была ошибочной, а потому, что технология не позволяла её проверить. Теперь, когда химики научились стабилизировать сверхреактивные молекулы в воде, перед наукой открываются новые горизонты. И, возможно, многие другие «безумные идеи» прошлого ждут своего часа.