یک تیم تحقیقاتی موفق به “بطری کردن” یک کربن بسیار واکنش پذیر در آب شده است که یک فرض اساسی در شیمی را زیر و رو می کند.
شیمیدانان به موفقیتی دست یافتند که مدتها تصور می شد غیرممکن بود: آنها یک مولکول معمولی فوق واکنش پذیر به نام کاربن ایجاد کردند و آن را برای ماه ها در آب ثابت نگه داشتند، نتیجه ای که در نهایت شواهد مستقیمی برای نظریه ویتامین B1 ارائه شده تقریباً 70 سال پیش ارائه می دهد.
کربن ها یک کربن غیر معمول هستند گونه ها با پیکربندی الکترونیکی که آنها را بسیار واکنش پذیر می کند. در سال 1958 دانشگاه کلمبیا رونالد برزلو شیمیدان پیشنهاد کرد که ویتامین B1 (تیامین) شیمی متابولیک کلیدی را از طریق تشکیل کوتاه مدت یک واسطه شبه کاربن انجام می دهد.
مشکل این است که کاربن‌ها گونه‌های کربنی واکنش‌پذیر غیرمعمولی هستند که معمولاً تقریباً فوراً در آب از بین می‌روند، بنابراین اساساً با محیط غنی از آب بدن ناسازگار به نظر می‌رسند و اثبات ایده برسلو را دشوار می‌کند.
تیمی به رهبری وینسنت لاوالئو، شیمیدان دانشگاه UC Riverside، قبلاً کاربنی طراحی کرده‌اند که نه تنها در برابر آب مقاوم است، بلکه در آب نیز پایدار است، و آنها آن را با استفاده از طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و کریستالوگرافی اشعه ایکس تک کریستالی تأیید کردند.
وینسنت لاوالو، استاد شیمی در UC Riverside و نویسنده مسئول مقاله، گفت: «این اولین بار است که کسی می‌تواند یک کربن پایدار در آب را مشاهده کند. “مردم فکر می کردند که این یک ایده دیوانه کننده است. اما معلوم شد که برسلو درست گفته است.”
چگونه کاربنی درست کردند که آب نمی تواند آن را از بین ببرد
این پیشرفت از طراحی هر دو محافظ فضایی و تنظیم الکترونیکی حاصل شد – اساساً ایجاد یک “جیب” محافظ در اطراف کربن راکتیو. گروه لاوالو مرکز کاربن را در چارچوبی حجیم و بسیار کلردار مبتنی بر کربن محصور کردند که به عنوان یک “زره” مولکولی عمل می کرد. ساختار سه بعدی شلوغ به طور فیزیکی مانع از حمله آب به اوربیتال‌های واکنشی کاربن می‌شود، در حالی که جانشین‌های الکترون‌کشنده به تغییر تعادل اسید و باز کمک می‌کنند تا فرم کربن به راحتی توسط آب مسدود شود.
این تیم تشکیل کاربن را از طریق امضاهای مشخصه NMR، به ویژه در کربن-13 NMR، که در آن کربن کربن در یک تغییر شیمیایی مشخص به سمت پایین ظاهر می‌شود، ردیابی کردند. کریستالوگرافی اشعه ایکس سپس یک تصویر ساختاری مستقیم ارائه کرد، هندسه مولکول را تأیید کرد و نشان داد که کربن کربن در یک محیط محافظت شده به صورت فضایی مدفون شده است.
کاربن در طول ماه‌ها مشاهده هیچ تجزیه قابل‌توجهی نشان نداد – یک نتیجه قابل توجه برای گونه‌ای که معمولاً نمی‌تواند چند ثانیه در آب زنده بماند.
وارون راویپرولو، نویسنده اول، که این تحقیق را به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در UCR تکمیل کرد و اکنون یک دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه است، گفت: “ما این مولکول های واکنشی را برای کشف شیمی آنها می ساختیم، نه برای دنبال کردن یک نظریه تاریخی.” UCLA. اما معلوم شد که کار ما دقیقاً همان چیزی را که برسلو در تمام آن سال‌ها پیشنهاد کرده بود، تأیید کرد.»
آنچه در مورد شیمی ویتامین B1 می گوید
این بدان معنا نیست که بدن دقیقاً این کاربن زرهی را تولید می کند. آنزیم ها از سلول های کربن کلردار استفاده نمی کنند. اما این کار یک اصل کلیدی را نشان می‌دهد: یک کاربن می‌تواند در آب وجود داشته باشد که به اندازه کافی محافظت شود و شرایط تعادل به نفع تشکیل آن باشد، مفهومی که به آشتی کمک می‌کند که چگونه آنزیم‌های وابسته به تیامین می‌توانند به طور منطقی به واسطه‌های کاربن مانند علیرغم عملکرد در یک محیط آبی دسترسی پیدا کنند.
این همچنین با نحوه عملکرد آنزیم ها به طور کلی سازگار است: آنها اغلب محیط های کوچکی را ایجاد می کنند که گروه های موقعیت یابی واکنش پذیری را با حذف آب حجیم به روش های خاص و تثبیت واسطه های پرانرژی به اندازه کافی برای ادامه شیمی کنترل می کنند.
چرا صنعت اهمیت می دهد: کاتالیزورها و حلال های سبزتر
کاربن ها فقط کنجکاوی های بیوشیمیایی نیستند. آنها به طور گسترده ای به عنوان لیگاند در کاتالیزورهای فلزی استفاده می شوند که باعث واکنش های صنعتی مهم، از جمله مراحل در سنتز دارویی و مواد می شوند. امروزه، بسیاری از این فرآیندها تا حدی به حلال‌های آلی سمی یا قابل اشتعال متکی هستند، زیرا آب می‌تواند واسطه‌های کلیدی را از بین ببرد.
اگر شیمیدانان بتوانند مفهوم تثبیت را به کاتالیزورهایی تبدیل کنند که در برابر آب مقاوم هستند و همچنان واکنش‌پذیر هستند، می‌تواند دری را برای تولید تمیزتر که از آب به عنوان حلال اولیه استفاده می‌کند باز کند.
راویپرلو گفت: “آب حلال کامل است – فراوان، غیر سمی و دوستدار محیط زیست است.” اگر بتوانیم این کاتالیزورهای قدرتمند را در آب کار کنیم، این گام بزرگی به سوی شیمی سبزتر خواهد بود.
پنجره ای به واسطه های “نامرئی”.
شاید بزرگترین وعده علمی روش شناسی باشد: محافظت از واسطه های شکننده به طوری که بتوان آنها را مستقیماً مشاهده کرد. بسیاری از مکانیسم های واکنش باعث ایجاد گونه های کوتاه مدتی می شوند که پیش بینی می شوند اما دستگیر نمی شوند.
لاوالو گفت: «واسطه‌های واکنش‌دهنده دیگری وجود دارند که ما هرگز نتوانسته‌ایم آنها را جدا کنیم، درست مثل این. با استفاده از استراتژی های دفاعی مانند استراتژی ما، ممکن است در نهایت بتوانیم آنها را ببینیم و از آنها بیاموزیم.”
و برای لاوالو، نتیجه نشان‌دهنده تغییر در آنچه شیمیدان‌ها فکر می‌کنند ممکن است: «فقط 30 سال پیش، مردم فکر می‌کردند که این مولکول‌ها حتی نمی‌توانند ساخته شوند». “اکنون می‌توانیم آنها را در آب بطری کنیم. آنچه برسلو در تمام آن سال‌ها گفت – حق با او بود.”
مرجع: “تأیید فرضیه برسلو: یک کاربن پایدار در آب مایع” توسط وارون تج راویپرلو، آرون گرگوری، آیزاک باندا، اسکات جی. مک آرتور، سارا ای. مک آرتور، ویلیام آ. گودارد III، چارلز بی. ماسگریو سوم، و وینسنت لاوالو، 1025، 1025. پیشرفت علمی.
DOI: 10.1126/sciadv.adr9681
این مطالعه توسط بنیاد ملی علوم تامین شد.
نسخه ای از این مقاله در ابتدا در می 2025 منتشر شد.
هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.
