То, чего не должно существовать: молекула-изгой десятилетиями скрывалась в витамине B1

Химия снова напомнила, что даже самые дерзкие идеи иногда оказываются верными. То, что десятилетиями считалось теоретическим курьёзом, наконец получило экспериментальное подтверждение. Учёным удалось сделать то, что ещё недавно выглядело невозможным даже на уровне допущений. Об этом сообщает журнал Science Advances.

Исследовательская группа доказала, что сверхреактивная частица, связанная с действием витамина B1, способна существовать в воде, не разрушаясь. Этот результат напрямую подтверждает гипотезу, выдвинутую ещё в 1958 году. Речь идёт о карбенах — соединениях, которые долгое время считались принципиально несовместимыми с водной средой.

Теория, которая опередила своё время

Карбены представляют собой особые углеродные структуры с нестандартным распределением электронов. Именно из-за этого они вступают в реакции практически мгновенно и обычно не "живут" дольше долей секунды. В середине XX века химик Рональд Бреслоу из Колумбийского университета предположил, что карбеноподобное промежуточное соединение играет ключевую роль в работе витамина B1 — тиамина — в базовых метаболических реакциях организма.

Однако существовало серьёзное противоречие. Все известные на тот момент карбены в воде разрушались почти сразу, тогда как биохимия человека целиком построена на водной среде. Это делало гипотезу Бреслоу крайне смелой и надолго оставляло её без прямых доказательств. Похожие сомнения ранее вызывали и другие открытия на стыке химии и биологии, включая вопросы безопасности синтетических соединений и их поведения в воде, как это происходило, например, при обсуждении ограничений на BPA в пищевой упаковке.

Как удалось запереть карбен в воде

Команда под руководством профессора Калифорнийского университета в Риверсайде Винсента Лавалло пошла иным путём. Учёные не пытались "примирить" воду и карбен напрямую, а создали вокруг реакционного центра защитную структуру. В её основе оказался объёмный карборановый каркас с хлорированными заместителями, формирующий плотный молекулярный панцирь.

Такая оболочка одновременно выполняет две задачи. С одной стороны, она физически экранирует реакционноспособный углерод от воды. С другой — за счёт электронной настройки делает реакции с водой менее выгодными с точки зрения энергетики. Стабильность полученного карбена подтвердили методами ЯМР-спектроскопии и рентгеновской кристаллографии.

"Впервые кому-то удалось наблюдать стабильный карбен в воде", — сказал профессор химии Винсент Лавалло из Калифорнийского университета в Риверсайде.

Соединение сохраняло структуру в течение нескольких месяцев — беспрецедентный срок для столь реакционноспособных частиц.

Что это означает для витамина B1 и биохимии

Созданный в лаборатории карбен не копирует точную форму промежуточных соединений в живых клетках. Ферменты не используют синтетические каркасы и хлорированные структуры. Однако эксперимент доказал сам принцип: карбеноподобные частицы могут существовать в воде, если микросреда вокруг них достаточно хорошо организована.

Это согласуется с тем, как работают ферменты в организме. Их активные центры часто формируют локальные условия, в которых вода частично вытесняется, а нестабильные промежуточные соединения получают временную защиту. Аналогичные эффекты наблюдаются и в других биологических процессах, где водная среда может усиливать или ослаблять реактивность молекул, включая изменения иммунных реакций, описанные в исследованиях о том, как фруктоза влияет на чувствительность иммунных клеток.

"Мы создавали эти молекулы, чтобы изучить их химические свойства, а не для проверки старой теории", — отметил первый автор исследования Варун Равипролу, говорится в пресс-релизе.

Перспективы для промышленной и зелёной химии

Значение работы выходит далеко за пределы биохимии витаминов. Карбены активно применяются в качестве лигандов в катализаторах, используемых при синтезе лекарств и новых материалов. Сегодня такие процессы часто требуют органических растворителей, которые могут быть токсичными или пожароопасными.

Показав, что карбены способны работать в воде при правильной стабилизации, учёные открыли путь к более экологичным технологиям. Использование воды в качестве растворителя снижает риски для окружающей среды и делает химическое производство безопаснее.

Окно в мир невидимых промежуточных соединений

Не менее важным оказался и методологический результат. Работа Лавалло продемонстрировала, что даже крайне нестабильные промежуточные частицы можно сделать наблюдаемыми, если правильно подобрать защитную стратегию. Это даёт химикам инструмент для проверки гипотез, которые раньше невозможно было подтвердить экспериментально.

Таким образом, исследование не только восстановило справедливость по отношению к идее, высказанной почти 70 лет назад, но и расширило границы того, что считается достижимым в современной химии.