Химики запрещали такие связи: природа нашла способ обойти законы

Долгое время химики считали, что некоторые молекулярные формы принципиально невозможны. Законы органической химии казались непреложными, а любые отклонения — теоретическими абстракциями. Однако исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сумели показать, что даже самые устойчивые правила могут быть пересмотрены. Об этом сообщает журнал Nature Chemistry.

Когда правила становятся ориентирами

Команда под руководством химика Нила Гарга продолжает последовательно расширять границы органической химии. Еще в 2024 году ученым удалось экспериментально опровергнуть правило Бредта — один из фундаментальных постулатов, который более ста лет запрещал образование двойной углерод-углеродной связи в определенных геометрически "неудобных" положениях.

В новой работе исследователи пошли дальше и продемонстрировали возможность существования еще более экстремальных структур — клеткообразных молекул кубена и квадрициклена.

Эти соединения обладают сильно искаженными двойными связями, которые не принимают привычную плоскую форму, а вынужденно изгибаются в трехмерном пространстве, что расширяет представления о поведении химических связей в условиях сильного напряжения, подобных тем, которые обсуждаются при изучении химического загрязнения сложных систем.

Гиперпирамидализация и напряженная геометрия

Классическая двойная связь между атомами углерода обычно имеет порядок, близкий к 2, и характеризуется жесткой плоской конфигурацией. В новых молекулах ситуация иная: из-за компактной и сильно напряженной формы клеткообразного "каркаса" связь оказывается деформированной.

Как поясняет Нил Гарг, такие двойные связи имеют эффективный порядок около 1,5. Для описания этого необычного состояния ученые ввели новый термин — "гиперпирамидализация", подчеркивающий крайнюю степень геометрического искажения.

"Почти все старые правила сегодня стоит воспринимать скорее как ориентиры, а не как абсолютные запреты", — комментирует Нил Гарг.

Молекулы, которые нельзя удержать

Кубен и квадрициклен отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Эти структуры настолько нестабильны, что их невозможно выделить и сохранить в чистом виде. Тем не менее их кратковременное существование удалось подтвердить за счет сочетания экспериментальных реакций и компьютерного моделирования.

Совпадение расчетных данных с наблюдаемыми реакционными путями стало убедительным доказательством того, что такие молекулы действительно формируются, пусть и на очень короткое время — как и другие нестандартные химические формы, например реакции, в которых цианистый водород образует аминокислоты в необычных физических условиях.

Почему это важно для медицины

Практическая ценность открытия выходит далеко за рамки фундаментальной химии. В современной фармацевтике активно ищут новые трехмерные молекулы, способные точечно и эффективно взаимодействовать с биологическими мишенями — ферментами, рецепторами и белками.

Нестандартные пространственные формы, подобные тем, что демонстрируют кубен и квадрициклен, могут вдохновить на создание принципиально новых лекарственных каркасов. Даже если сами эти молекулы слишком нестабильны для прямого применения, понимание их свойств расширяет инструментарий химиков и открывает путь к более сложным и эффективным структурам.

В итоге работа команды из UCLA показывает, что органическая химия остается живой и развивающейся наукой. Пересмотр устоявшихся правил не разрушает дисциплину, а, напротив, позволяет глубже понять природу химических связей и использовать это знание для разработки новых материалов и лекарств.