نوشته SciTechDaily.com۲۴ دسامبر ۲۰۲۵ – کاربن پایدار در آب همانطور که توسط پراشسنج اشعه ایکس دیده میشود. اعتبار: آزمایشگاه لاوالو/UCR
محققان نشان دادهاند که میتوان یک گونه کربن فوقالعاده واکنشپذیر ساخت و در آب قابل تشخیص باقی ماند، که با انتظار معمول مبنی بر اینکه آب آن را فوراً از بین میبرد، در تضاد است. این واقعیت ساده، تصویر مکانیکی مورد بحث طولانی در مورد چگونگی فعال کردن شیمی آنزیم توسط تیامین (ویتامین B1) در سلولهای زنده را دقیقتر میکند.
یک تیم تحقیقاتی موفق شده است یک کاربن بسیار واکنشپذیر را در آب «بطری» کند و یک فرض بزرگ در شیمی را واژگون کند.
شیمیدانان به دستاوردی دست یافتهاند که مدتها غیرممکن تلقی میشد: آنها یک مولکول معمولاً فوقالعاده واکنشپذیر به نام کاربن ایجاد کردند و آن را ماهها در آب پایدار نگه داشتند، نتیجهای که سرانجام شواهد مستقیمی برای نظریه ویتامین B1 که تقریباً ۷۰ سال پیش ارائه شده بود، ارائه میدهد.
کاربنها گونههای کربنی غیرمعمولی با پیکربندی الکترونی هستند که آنها را بسیار واکنشپذیر میکند. در سال ۱۹۵۸، رونالد برسلو، شیمیدان دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد داد که ویتامین B1 (تیامین) با تشکیل یک واسطه شبیه به کاربن، شیمی متابولیک کلیدی را انجام میدهد.
مشکل این است که کاربنها گونههای کربنی واکنشپذیر غیرمعمولی هستند که معمولاً تقریباً فوراً در آب از بین میروند، بنابراین به نظر میرسد که اساساً با محیط غنی از آب بدن ناسازگار هستند و اثبات ایده برسلو را دشوار میکند.
تیمی به رهبری وینسنت لاوالو، شیمیدان دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، اکنون کاربنی را طراحی کردهاند که نه تنها در برابر آب مقاوم است، بلکه در برابر آب پایدار است و آنها این موضوع را با استفاده از طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای (NMR) و کریستالوگرافی اشعه ایکس تک کریستال تأیید کردند.
وینسنت لاوالو، استاد شیمی در دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید و نویسنده مسئول مقاله، گفت: «این اولین باری است که کسی توانسته یک کاربن پایدار را در آب مشاهده کند. مردم فکر میکردند این یک ایده دیوانهوار است. اما معلوم شد که برسلو درست میگفت.»
این موفقیت از مهندسی هم سپر فضایی و هم تنظیم الکترونیکی حاصل شد – اساساً ساخت یک «جیب» محافظ در اطراف کربن واکنشپذیر. گروه لاوالو مرکز کاربن را در یک چارچوب حجیم و بسیار کلردار مبتنی بر کاربوران پیچیدند که مانند یک «لباس زرهی» مولکولی عمل میکند. ساختار سهبعدی شلوغ از نظر فیزیکی مانع از حمله آب به اوربیتالهای واکنشپذیر کاربن میشود، در حالی که جایگزینهای الکترونکش به تغییر تعادل اسید-باز کمک میکنند تا فرم کاربن به راحتی توسط آب خاموش نشود.
این تیم، تشکیل کاربن را با استفاده از نشانههای مشخصه NMR، به ویژه در NMR کربن-13، که در آن کربن کاربن در یک تغییر شیمیایی مشخص در میدان پایین ظاهر میشود، ردیابی کرد. سپس کریستالوگرافی اشعه ایکس یک تصویر ساختاری مستقیم ارائه داد که هندسه مولکول را تأیید کرد و نشان داد که کربن کاربن در یک محیط محافظتشده فضایی دفن شده است.کاربن در طول ماهها نظارت، هیچ تجزیه قابل تشخیصی نشان نداد – نتیجهای خارقالعاده برای گونهای که معمولاً نمیتواند چند ثانیه در آب دوام بیاورد.
وارون راویپرولو، نویسنده اول، که این تحقیق را به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در UCR تکمیل کرد و اکنون محقق فوق دکترا در UCLA است، گفت: “ما این مولکولهای واکنشپذیر را برای بررسی شیمی آنها ساختیم، نه دنبال کردن یک نظریه تاریخی.” “اما معلوم شد که کار ما دقیقاً همان چیزی را که برسلو سالها پیش پیشنهاد کرده بود، تأیید کرد.”
این به این معنی نیست که بدن دقیقاً این کاربن زرهی را میسازد. آنزیمها از قفسهای کاربوران کلردار استفاده نمیکنند. اما این کار یک اصل کلیدی را نشان میدهد: یک کاربن میتواند در آب وجود داشته باشد اگر به اندازه کافی محافظت شود و شرایط تعادل به نفع تشکیل آن باشد، مفهومی که به تطبیق چگونگی دسترسی آنزیمهای وابسته به تیامین به واسطههای شبه کاربن با وجود فعالیت در محیطهای آبی کمک میکند.
همچنین با نحوه عملکرد بسیاری از آنزیمها به طور کلی همسو است: آنها اغلب ریزمحیطهایی ایجاد میکنند که گروههای موقعیتیابی واکنشپذیری را کنترل میکنند، آب فله را به روشهای خاص حذف میکنند و واسطههای پرانرژی را به اندازه کافی برای ادامه شیمی تثبیت میکنند.
کاربنها فقط کنجکاویهای بیوشیمیایی نیستند. آنها به طور گسترده به عنوان لیگاند در کاتالیزورهای فلزی که واکنشهای صنعتی مهم، از جمله مراحل سنتز دارویی و مواد را هدایت میکنند، استفاده میشوند. امروزه، بسیاری از این فرآیندها تا حدودی 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 هم در آب پایدار باشند و هم واکنشپذیر باشند، میتواند دری به سوی شفافسازی بگشاید.
راویپرولو گفت: «آب حلال ایدهآلی است – فراوان، غیرسمی و سازگار با محیط زیست است. اگر بتوانیم این کاتالیزورهای قدرتمند را در آب به کار گیریم، گامی بزرگ به سوی شیمی سبزتر برداشتهایم.»
شاید بزرگترین وعده علمی، روششناختی باشد: محافظت از واسطههای شکننده به گونهای که بتوان آنها را مستقیماً مشاهده کرد. بسیاری از مکانیسمهای واکنش، گونههای کوتاهعمری را فرا میخوانند که استنباط میشوند اما به دام نمیافتند.
لاوالو گفت: «واسطههای واکنشپذیر دیگری نیز وجود دارند که ما هرگز نتوانستهایم آنها را جدا کنیم، درست مانند این یکی. با استفاده از استراتژیهای محافظتی مانند استراتژی ما، ممکن است بالاخره بتوانیم آنها را ببینیم و از آنها بیاموزیم.»
و برای لاوالو، این نتیجه نشاندهنده تغییر در آنچه شیمیدانان ممکن میدانند، 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 سالها پیش گفت – حق با او بود.»
