Органическая химия опирается на устоявшиеся правила, которые описывают, как атомы соединяются, образуя химические связи и молекулы. Эти принципы помогают ученым понимать реакции и предсказывать поведение веществ. Однако исследователи из Калифорнийского университета в Лос–Анджелесе (UCLA) показывают, что у химии гораздо больше гибкости, чем считалось ранее.
Недавно научная группа под руководством химика Нила Гарга опровергла правило Бредта, считавшееся незыблемым более ста лет. Теперь ученые пошли еще дальше, разработав методы создания еще более необычных структур – молекул кубена и квадрициклена. Они имеют форму замкнутой клетки и содержат крайне нестандартные двойные связи, существование которых нарушает фундаментальные представления о геометрии молекул.
В большинстве случаев атомы, соединенные двойной связью, располагаются в одной плоскости. Однако, как показало исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry, в случае кубена и квадрициклена это правило не работает. Их напряженная структура заставляет двойные связи принимать искаженные трехмерные формы. Это расширяет горизонты химического воображения и может сыграть ключевую роль в разработке лекарств будущего.
«Десятилетия назад химики нашли веские доказательства того, что мы должны быть в состоянии создавать такие алкены, но поскольку мы привыкли мыслить в рамках учебников о структуре и связях, молекул вроде кубена и квадрициклена избегали, – говорит автор исследования Нил Гарг. – Но оказывается, почти все эти правила следует рассматривать скорее как рекомендации».
Двойные углерод-углеродные связи обычно имеют порядок связи 2, что отражает количество общих электронных пар. Однако из-за своей компактной и напряженной геометрии связи в кубене и квадрициклене, согласно расчетам, имеют порядок ближе к 1,5. Эта аномалия напрямую вызвана их уникальной трехмерной структурой. «Лаборатория Нила выяснила, как создавать эти невероятно искаженные молекулы, и химики-органики воодушевлены тем, что можно будет сделать с этими уникальными структурами», – добавляет специалист по вычислительной химии Кен Хоук.
Открытие пришлось на момент, когда ученые активно ищут новые типы трехмерных молекул для создания более эффективных лекарств. В отличие от плоских структур, распространенных в препаратах прошлого, многие современные медикаменты имеют сложные пространственные формы, которые точнее взаимодействуют с биологическими мишенями в организме. Поэтому потребность в необычных и жестких 3D-молекулах постоянно растет.
Для получения кубена и квадрициклена исследователи сначала синтезировали стабильные соединения-предшественники. При их обработке солями фтора в реакционном сосуде на короткое время образовывались целевые молекулы. Поскольку эти структуры чрезвычайно реактивны, их немедленно «ловили» другими реагентами. Этот процесс позволяет получать сложные химические продукты, которые трудно создать традиционными методами.
По словам исследователей, уникальные свойства молекул объясняются тем, что их атомы углерода в двойной связи сильно «пирамидализированы» вместо того, чтобы быть плоскими. Для описания этой деформации команда ввела термин «гиперпирамидализация». Расчеты показали, что связи в этих молекулах необычайно слабы, а сами они крайне нестабильны. Их пока невозможно выделить, но комбинация экспериментов и моделирования подтверждает их кратковременное существование.
«Наличие порядков связи, которые не равны одному, двум или трем, – это совсем не то, как мы мыслим и учим сейчас, – отмечает Гарг. – Время покажет, насколько это важно, но для ученых крайне необходимо ставить под сомнение правила. Если мы не будем расширять границы наших знаний, мы не сможем создавать ничего нового». Этот прорыв открывает путь к разработке следующего поколения лекарств, основанных на ранее недоступных молекулярных каркасах.
