Химики сплющили углерод

Почему углерод?
Если в поисковой системе научных публикаций PubMed в строке поиска набирать названия химических элементов таблицы Менделеева, лидировать по частоте употребления в научной литературе будут всего три слова: водород, углерод и кислород. С небольшим отставанием следует азот. Именно из этих элементов в основе своей состоят органические вещества — все живое и «бывшее живое» на Земле (нефть тоже состоит из органических веществ). Такое многообразие органических соединений объясняется уникальными свойствами одного элемента — углерода. Его атомы способны образовывать разнообразные связи друг с другом, образуя разветвленные цепочки неограниченной длины (существованием полимеров мы тоже обязаны углероду).

Чем объясняется эта способность? Долгое время химики не могли разработать сколь бы то ни было разумную теорию строения органических соединений. Одним из первых кирпичиком такой теории стала гениальная догадка лауреата Нобелевской премии голландца Якоба Вант-Гоффа.

В 1874 году он высказал предположение, что атом углерода не является плоским, химические связи между ним и его соседями направлены по ребрам правильного тетраэдра.

Его предположение позже получило массу экспериментальных подтверждений. Простейший пример органической молекулы — метан.

В поисках плоского углерода
Сразу же после этого ученые (пытливые умы!) задались вопросом, возможно ли существование соединений с плоским четырехкоординированным атомом углерода. Химическая логика подсказывала, что изменение тетраэдрической геометрии возможно в циклических соединениях — там углерод «насильно» уплощается, не может же быть изогнутым, например, один из углов окна. Тогда была предложена гипотетическая структура химического «окна» (на рисунке к заметке). Соединение, состоящее из девяти атомов углерода, организованных в квадраты, так и назвали — фенестран (fenestre на латыни «окно»).

Однако построить окно не удалось, и химики решили «гнуть» углерод с помощью электронных эффектов. В 70-е годы прошлого века Пауль фон Шлейер рассчитал потенциально возможное соединение, в котором заместители — щелочные металлы — стабилизируют плоский углерод. Молекула H₂CLi₂ просто обязана была стать плоской, но получить ее синтетически опять же не удалось.

И вот столетняя загадка разрешена:

исследователям из Великобритании удалось синтезировать литийорганическое соединение, в котором углы связей при плоском четырехкоординированном углероде составляют почти 90°.

Работа опубликована в Angewandte Chemie.

Соединение (показано на рисунке) создано с использованием гипотезы Шлейера: атом углерода (показан черным) находится в окружении двух атомов лития (показаны красным) и двух атомов фосфора (показаны малиновым).

Стивен Лиддл, возглавляющий группу ученых из Университета Ноттингема, где был проведен синтез и рентгеноструктурное исследование соединения, признает, что идея литиевых заместителей не нова. Однако он отмечает, что в работе его группы строение соединения утверждено совершенно точно. В дополнение к рентгеноструктурному анализу были проведены квантовохимические расчеты, подтверждающие наличие взаимодействия между углеродом и обоими атомами лития.
Зачем нам хиральность?
Чтобы закрыть тему, вспомним о том, как появилась гипотеза о тетраэдрическом строении углерода и почему феномен хиральности так важен для нашего мира.
Вант-Гофф пришел к идее такого пространственного строение органических соединений, исследуя явление оптической изомерии. Если все четыре заместителя при атоме углерода различны, то такую систему нельзя совместить с ее зеркальным отражением. Такие молекулы – как наши руки, а явление получило название хиральности («хиро» по-гречески «рука»).
Задача Вант-Гоффа не была праздной — многие биологические активные молекулы хиральны. Хиральны аминокислоты, из которых состоят белки и ферменты, хиральны углеводы. И вот незадача: в биологических системах оптические изомеры аминокислот и углеводов не перемешаны, а строго оптически чисты.

Большинство аминокислот в нас существуют в виде L-изомеров (левых), а сахара, напротив, виде D-изомеров (правых). Это явление известно в биологии как гомохиральность

(«гомос» по-гречески «одинаковый»).

Как произошло разделение оптических изомеров при зарождении жизни? Ответа на этот вопрос наука пока не дала. Дело в том, что обычно при реакциях с образованием хиральных молекул в отсутствие внешних факторов (например, оптически активного растворителя) образуется так называемая рацемическая смесь, в которой оптические изомеры присутствуют примерно в равных количествах.

Иногда разделение оптических изомеров и вовсе невозможно: изомеры печально известного талидомида вообще свободно переходят один в другой в человеческом организме. В конце 50-х годов беспечное отношение фармацевтов к проблеме оптической изомерии органических соединений привело к рождению до 50 тысяч детей с врожденными физическими нарушениями.

Хиральность играет большую роль в функционировании нашего организма. Ферменты используют хиральность для распознавания субстрата (вещества, с которым должна протекать реакция). Предположим, что у энзима впадина, в которой происходит связывание субстрата, имеет форме перчатки для правой руки. Тогда «левый» оптический изомер субстрата не сможет туда попасть или будет связываться очень плохо. Этот механизм обеспечивает селективность (избирательность) ферментативных реакций. Аналогичен механизм распознавания рецепторами вкуса различных оптических изомеров. D-форма аминокислот обычно сладкая на вкус, а L-форма вкуса не имеет. Листья перечной мяты и семена тмина содержат L-карвон и D-карвон соответственно, но пахнут по-разному. Причина в том, что рецепторы содержат хиральные молекулы, по-разному реагирующие на разные изомеры.

Если даже ученые в лабораторных условиях не всегда могут полностью разделить смесь оптических изомеров, то как смогла природа в ходе хаотического процесса эволюции в совершенстве справиться с этой задачей?

Большинство ученых придерживаются мнения, что выбор хиральности в жизни на Земле был чисто случайным, что, возможно, основанная на углероде инопланетная форма жизни существует где-то во Вселенной и в ней будет иная форма хиральности. Однако представители альтернативной науки усматривают в этом некий высший смысл вплоть до подтверждения сотворения жизни на Земле некой высшей силой.

Что ж, поиск существования «обратно хиральной» жизни продолжается, а вот плоский углерод уже создан.