Карбен — молекула, в которой атом углерода имеет всего шесть валентных электронов вместо привычных восьми. В таком состоянии он становится крайне нестабильным и активно вступает в химические реакции. Обычно карбены мгновенно разрушаются в воде.

Химик из Колумбийского университета Рональд Бреслоу еще в 1958 году предположил, что витамин B1 может превращаться в карбен для управления биохимическими преобразованиями в организме. Идея Бреслоу была убедительной, но карбены были настолько нестабильны, особенно в воде, что никто не мог доказать их фактическое существование в биологической среде.

Теперь исследователи не только впервые получили стабильный карбен в воде, но и выделили его — поместили в пробирку и наблюдали, как он остается неизменным в течение нескольких месяцев.

Ученые синтезировали специальную молекулу, которая, подобно броне, окружает реакционный карбен, защищает его от других молекул и не дает ему разрушаться. Благодаря этому впервые удалось изучить его структуру в воде с помощью точных методов анализа — ЯМР-спектроскопии и рентгеновской кристаллографии. Таким образом, эксперимент показал, что нестабильные соединения действительно могут существовать в водной среде.

Это открытие не только подтверждает биохимическую теорию, но и может быть полезно на практике. Карбены часто применяются как «лиганды» (опорные элементы) в металлических катализаторах — ключевых веществах в производстве лекарств, топлива и других материалов. Большинство таких процессов используют вредные органические растворители.

Разработанный учеными способ стабилизации карбенов в воде сделает эти химические реакции более экологичными, экономичными и безопасными. Вода в них сможет выступать в роли доступного и нетоксичного растворителя.

Исследование также поможет лучше понять, как проходят химические реакции в живых клетках, состоящих в основном из воды. Новый способ защиты таких молекул поможет изучать другие реактивные соединения, которые раньше невозможно было наблюдать.

«Ещё 30 лет назад считалось, что такие молекулы невозможно создать. Теперь мы можем хранить их в воде. Предсказание Бреслоу, сделанное десятилетия назад, оказалось верным», — сказал профессор химии в Калифорнийском университете в Риверсайде и соавтор статьи Винсент Лавалло.