Hipoteza, która czekała dziesiątki lat na potwierdzenie
Wszystko zaczęło się w 1958 roku, gdy Ronald Breslow z Columbia University przedstawił śmiałą koncepcję. Zasugerował on, że witamina B1 (tiamina) działa w organizmach żywych poprzez tworzenie ultrakrótko żyjącego związku pośredniego o strukturze podobnej do karbenu. Problem w tym, że karbeny uznawano za zbyt nietrwałe, by mogły istnieć w wodnym środowisku komórki. Brakowało bezpośrednich dowodów, a sama hipoteza przez ponad sześć dekad wisiała w próżni. Nie można jej było ani ostatecznie udowodnić, ani obalić.
Czytaj też: Przewidywalne kryształy. Nowa zasada projektowania materiałów
Zespół pod kierunkiem Vincenta Lavallo z University of California w Riverside postanowił podejść do problemu z innej strony. Zamiast szukać karbenu w naturalnych systemach, chemicy zaprojektowali i zsyntezowali jego zupełnie nową, sztuczną wersję. Kluczem okazało się połączenie dwóch strategii: ekranowania sterycznego i strojenia elektronicznego. Otoczono reaktywne centrum węgla masywną, trójwymiarową „klatką” zbudowaną z silnie chlorowanych grup karboranowych.
Ta struktura działa jak molekularna tarcza, fizycznie blokując cząsteczkom wody dostęp do newralgicznego miejsca. Jednocześnie odpowiednie podstawniki odpychające elektrony stabilizują karben, czyniąc go mniej podatnym na atak. To połączenie mechanicznej ochrony i modyfikacji właściwości elektronowych zadziałało. Stabilność stworzonej cząsteczki potwierdzono za pomocą zaawansowanych technik, w tym spektroskopii NMR i krystalografii rentgenowskiej. Co więcej, przez wiele tygodni nie zaobserwowano jej degradacji. Taki wynik wydaje się abstrakcyjny, biorąc pod uwagę, iż konwencjonalne karbeny rozpadają się niemal natychmiast.
Implikacje dla przemysłu i bardziej ekologicznej chemii
Oczywiście, organizmy żywe nie używają chlorowanych karboranów. Enzymy tworzą wyspecjalizowane mikrośrodowiska, które chronią reaktywne pośredniki. Praca kalifornijskich naukowców pokazuje jednak coś ważniejszego: zasadę, że taka stabilizacja w wodzie jest w ogóle możliwa. Ma to konkretny, praktyczny wymiar. Karbeny są kluczowymi ligandami w wielu katalizatorach metalicznych stosowanych w przemyśle, np. do produkcji leków czy zaawansowanych materiałów. Procesy te często wymagają toksycznych lub łatwopalnych rozpuszczalników organicznych, głównie dlatego, że woda niszczyłaby aktywne centra katalityczne.
Czytaj też: Złoto pod ciśnieniem planet. Jak metal znany z biżuterii zachowuje się przy 10 milionach atmosfer?
Woda jest idealnym rozpuszczalnikiem – jest obfita, nietoksyczna i przyjazna dla środowiska. Jeśli uda nam się sprawić, by te potężne katalizatory działały w wodzie, będzie to duży krok w kierunku zielonej chemii – podsumowuje Varun Raviprolu, współautor badania
Gdyby udało się przenieść tę koncepcję stabilizacji na katalizatory stosowane na skalę przemysłową, mogłoby to oznaczać realny postęp w kierunku czystszej produkcji. Zastąpienie organicznych rozpuszczalników wodą zmniejszyłoby toksyczność odpadów, koszty i obciążenie dla środowiska. Poza potencjalnymi zastosowaniami, ta praca oferuje coś jeszcze: nowe narzędzie badawcze. Wiele mechanizmów reakcji chemicznych i biochemicznych postuluje istnienie ultra-krótkotrwałych, nietrwałych cząsteczek pośrednich, które dotąd można było jedynie teoretycznie modelować. Nowa strategia jest niczym otwarcie okna na procesy, które dotąd odbywały się wyłącznie poza zasięgiem naszej obserwacji.