Органическая химия, долгое время опиравшаяся на незыблемые правила о строении молекул, переживает фундаментальный сдвиг. Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) демонстрируют, что химические связи гораздо гибче, чем считалось. В 2024 году группа под руководством профессора Нила Гарга опровергла правило Бредта, продержавшееся более века и запрещавшее образование двойных связей в определённых позициях сложных молекул.
На этом прорыве команда не остановилась. Учёные разработали методы синтеза ещё более странных молекул в форме клетки — кубена и квадрициклена, которые содержат крайне необычные двойные связи. Это работа систематически расширяет границы того, какие молекулярные структуры считаются возможными для создания, бросая вызов учебникам по химии.
Ключевое открытие, опубликованное в журнале Nature Chemistry, заключается в том, что в этих молекулах двойные связи вынуждены принимать искажённую трёхмерную форму, а не привычную плоскую. Как объяснил Нил Гарг, из-за укоренившегося мышления в рамках учебных правил такие молекулы, как кубен и квадрициклен, долгое время избегали, хотя теоретически их возможность предсказывалась десятилетиями.
Оказалось, что из-за компактной и напряжённой формы этих «клеточных» структур двойные связи в них ослаблены и имеют порядок связи ближе к 1.5, а не к стандартной 2. Порядок связи — это величина, характеризующая прочность химической связи и приблизительно равная числу электронных пар, участвующих в её образовании; его измеряют с помощью спектроскопических методов или расчётов квантовой химии. Атомы углерода в них находятся в состоянии так называемой «гиперпирамидализации», то есть сильно отклонены от плоской геометрии. Это делает молекулы невероятно реакционноспособными.
Открытие имеет огромное практическое значение для разработки новых лекарств. Современные препараты часто требуют сложных трёхмерных структур для точного взаимодействия с биологическими мишенями, поскольку они взаимодействуют по принципу «ключа и замка», где форма и пространственная ориентация определяют эффективность и специфичность. Как отметил Гарг, в XX веке создание таких молекул считалось узкоспециальным, но сейчас, когда возможности плоских структур почти исчерпаны, потребность в необычных жёстких 3D-молекулах резко возросла. Прогресс в технологиях, таких как криоэлектронная микроскопия и компьютерное моделирование, позволил точно определять и предсказывать 3D-структуры, что ускоряет дизайн лекарств с высокой селективностью и меньшими побочными эффектами.
Получить кубен и квадрициклен напрямую невозможно — они слишком нестабильны, чтобы их выделить. Исследователи синтезировали стабильные предшественники, которые при обработке фторидными солями в реакторе мгновенно образовывали эти молекулы, и те тут же вступали в дальнейшие реакции. Их кратковременное существование подтверждено экспериментально и расчётными методами. Это исследование — яркий пример того, как важно подвергать сомнению устоявшиеся правила, чтобы открывать новое.
Источник: Scientists just overturned a 100-year-old rule of chemistry, and the results are “impossible”