Хіміки змогли стабілізувати карбен у водному середовищі, що стало підтвердженням теорії, висунутій у 1958 році.

Вчені розробили надмірно активну молекулу карбену, яка зберігає свою стабільність у водному середовищі протягом кількох місяців, що підтверджує теорію щодо метаболізму вітаміну B1.

Команда дослідників з Каліфорнійського університету в Ріверсайді досягла того, що протягом тривалого часу вважалося неможливим у галузі хімії. Вчені змогли синтезувати надзвичайно реакційну молекулу, відому як карбен, і утримувати її стабільною у водному середовищі протягом кількох місяців. Цей прорив надав безпосередні підтвердження теорії про вітамін B1, яка була запропонована близько 70 років тому.

Карбени є незвичайними вуглецевими сполуками з електронною конфігурацією, яка робить їх надзвичайно реактивними. У 1958 році хімік з Колумбійського університету Рональд Бреслоу висунув припущення, що вітамін B1, відомий також як тіамін, виконує ключові метаболічні реакції шляхом короткочасного утворення карбеноподібного проміжного продукту.

Суть проблеми полягала в тому, що карбени зазвичай швидко розпадалися у водному середовищі, що робило їх, здавалося б, абсолютно несумісними з водянистим середовищем людського організму. Це ускладнювало реалізацію ідеї Бреслоу. Протягом багатьох років хіміки не мали можливості безпосередньо спостерігати за такими проміжними продуктами, оскільки вони існували лише на короткий момент перед тим, як були знищені водою.

Група, очолювана хіміком Вінсентом Лавалло, створила карбен, який не лише витримує вплив води, а й залишається стабільним у її середовищі. Це було підтверджено завдяки методам ядерного магнітного резонансу та монокристалічної рентгенівської кристалографії.

"Це перший випадок, коли комусь вдалося спостерігати стабільний карбен у воді", сказав Вінсент Лавалло, професор хімії в Каліфорнійському університеті в Ріверсайді та відповідальний автор дослідження. "Люди думали, що це божевільна ідея. Але виявляється, Бреслоу мав рацію".

Прорив став можливим завдяки унікальному поєднанню стеричного захисту та електронного налаштування. Дослідники створили захисну "оболонку" навколо реактивного карбену. Команда Лавалло обгорнула центральну частину карбену об'ємним, насиченим хлором каркасом на основі карборану, який виконує роль молекулярної "броні". Ця щільна тривимірна структура фізично перешкоджає доступу води до реактивних орбіталей карбену, в той час як електроноакцепторні замісники сприяють зміщенню кислотно-лужного балансу, що дозволяє карбену бути менш вразливим до дії води.

Команда досліджувала утворення карбену, спостерігаючи за специфічними сигналами ядерного магнітного резонансу, особливо у спектрах вуглецю-13, де атом карбенового вуглецю проявляється при характерному зсуві хімічного поля. Пізніше рентгенівська кристалографія надала безпосередній структурний знімок, який підтвердив геометрію молекули і продемонстрував, що атом карбену розміщений у стерично захищеному середовищі.

Протягом місяця спостережень карбен не продемонстрував жодних ознак деградації. Це вражаючий результат для сполуки, яка зазвичай не витримує навіть кількох секунд у водному середовищі.

"Ми розробляли ці реактивні молекули з метою вивчення їхньої хімії, а не щоб підтвердити якусь давню теорію," зазначив Варун Равіпролу, перший автор дослідження, який завершив аспірантуру в Каліфорнійському університеті в Ріверсайді і наразі є постдокторантом у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. "Проте в процесі роботи ми виявили, що наші результати підтверджують ідеї, які Бреслоу висловлював багато років тому."

Це не означає, що організм виробляє саме цей захищений карбен. Ферменти не використовують хлоровані карборанові каркаси. Однак робота демонструє ключовий принцип: карбен може існувати у воді, якщо він достатньо захищений, а умови рівноваги сприяють його утворенню. Ця концепція допомагає пояснити, як ферменти, залежні від тіаміну, можуть отримувати доступ до карбеноподібних проміжних продуктів, незважаючи на роботу у водних середовищах.

Це також відповідає загальному функціонуванню багатьох ферментів. Вони здатні формувати мікросередовища, що регулюють реактивність, стратегічно розташовують групи, усувають воду в певних формах і стабілізують високоенергетичні проміжні продукти на достатній час, щоб хімічна реакція могла відбутися.

Карбени — це не просто цікаві об'єкти для біохімічних досліджень. Вони активно застосовуються в ролі лігандів у металевих каталізаторах, які відіграють важливу роль у промислових реакціях, включаючи етапи синтезу лікарських засобів та матеріалів. На сьогоднішній день багато з цих процесів залежать від використання токсичних або легкозаймистих органічних розчинників, що частково зумовлено тим, що вода може зруйнувати критично важливі проміжні сполуки.

Якщо хіміки зможуть адаптувати принцип стабілізації до каталізаторів, які будуть водостійкими та активно реагуючими, це може створити можливості для більш екологічного виробництва, в якому вода використовуватиметься в якості основного розчинника.

"Вода є ідеальним розчинником. Вона доступна, нетоксична та екологічно безпечна", сказав Равіпролу. "Якщо ми зможемо змусити ці потужні каталізатори працювати у воді, це буде великим кроком до більш екологічної хімії".

Однією з найзначніших наукових можливостей є методологічний підхід: забезпечення захисту для делікатних проміжних продуктів, щоб їх можна було спостерігати безпосередньо. Багато реакційних механізмів включають в себе короткочасні сполуки, які теоретично передбачаються, але не підтверджуються експериментально.

"Існують інші реактивні проміжні продукти, які ми ніколи не могли ізолювати, так само як і цей", сказав Лавалло. "Використовуючи захисні стратегії, подібні до нашої, ми нарешті зможемо побачити їх і вчитися на них".

Для Лавалло цей досягнення означає новий етап у сприйнятті можливостей хімії. "Ще 30 років тому вважалося, що створення таких молекул є абсолютно неможливим", - зазначив він. "Сьогодні ж ми здатні зберігати їх у воді. Всі ті слова, які Бреслоу висловлював багато років тому, виявилися вірними".

Дослідження отримало фінансування від Національного наукового фонду Сполучених Штатів. Висновки були опубліковані в журналі Science Advances у квітні 2025 року.