O descoperire rezolvă misterul biochimic vechi de 67 de ani despre vitamina B1

Într-un articol revoluționar publicat recent în jurnalul Science Advances, cercetătorii confirmă ipoteza formulată în 1958 de Ronald Breslow conform căreia o specie carben, deși în mod tradițional considerată extrem de reactivă și instabilă, poate exista și reacționa în medii apoase. Studiul aduce dovezi experimentale directe că este posibilă obținerea unui carben N-heterociclic (NHC) stabil în apă lichidă, consolidând astfel rolul potențial al carbenilor în biochimie și chimie catalitică în condiții biologice.
Vitamina B1 (tiamina 1) joacă un rol crucial în metabolismul uman, iar forma sa activă – tiamin-pirofosfatul – participă la reacții cheie în medii apoase, precum decarboxilarea acidului piruvic. Breslow a propus că în cursul acestor reacții, nucleul activ derivat din tiamină acționează ca un carben de tip thiazoliliden. Deși această ipoteză a fost larg acceptată, nu a existat până acum nicio dovadă spectroscopică directă a existenței unei astfel de specii în apă. Mai mult, instabilitatea generală a carbenilor în prezența apei și oxigenului a limitat posibilitățile de confirmare experimentală a acestei ipoteze.

Despre studiu

Obiectivul cercetării

Studiul recent își propune să demonstreze stabilitatea în apă a unei specii NHC obținute printr-o abordare inovatoare, folosind un nucleu carboranic clorinat care oferă atât protecție sterică, cât și stabilitate electronică. Carbenul investigat, denumit 7′, este derivat dintr-un precursor imidazolic perclorinat legat de un cluster carboranic cu 10 vârfuri, și a fost sintetizat folosind baze anorganice în medii apoase sau mixturi apă/THF.

Sinteză și caracterizare

• Carbenul 7′ a fost obținut prin tratarea precursorului imidazolic clorinat (7) cu două echivalente de LiHMDS.
• Spectroscopia ¹³C NMR a evidențiat un semnal caracteristic puternic desprotejat pentru carbonul carben la 239 ppm, semn clar al formării unei specii NHC.
• Structura cristalină determinată prin difracție de raze X confirmă existența unei specii de carbeni liberi (nu carbenoid), cu centrul carben ecranat eficient de clorurile carboranice.
• Experimentele în apă distilată au arătat că 7′ rămâne complet intact până la 6 luni în soluție apoasă, fără semne de descompunere sau hidroliză.

Formarea carbenului în apă

Prin optimizarea condițiilor de reacție (adăugarea lentă a LiOH în soluție THF a precursorului 7), s-a obținut carbenul 7′ direct în apă, validat imediat prin spectroscopie ¹³C NMR. Aceasta este prima demonstrație a sintezei unui carben stabil într-un mediu apos, o descoperire cu implicații majore pentru chimia în condiții biologice.

Rezultate principale

• Carbenul 7′ este complet stabil în apă pură timp de cel puțin 6 luni, o performanță fără precedent pentru această clasă de compuși.
• Comparativ cu alte NHC-uri considerate stabile în aer (ex. 4′ și 5′), 7′ a fost singurul care nu a suferit descompunere imediată la contactul cu apa distilată.
• Calculul valorilor pKa a arătat că precursorul 7 are o aciditate mai mare decât apa (pKa teoretic = 11,9), ceea ce explică stabilitatea carbenului în soluție apoasă.
• Protecția sterică conferită de clorurile carboranice blochează accesul reacțiilor nucleofile sau electrofile, oferind protecție atât planului σ, cât și orbitalului π al centrului carben.
• Carbenul 7′ nu este catalitic activ în reacțiile benzoin sau acyloin, și nu reacționează cu precursori metalici – ceea ce indică o inactivitate cinetică indusă de protecția structurală.

Implicații și semnificație

Această cercetare oferă o confirmare clară și întârziată a ipotezei lui Breslow: carbenii pot exista și fi funcționale în apă, dacă sunt stabilizate structural și electronic în mod adecvat. Deși 7′ nu este identic cu structura activă propusă inițial pentru tiamină, faptul că această specie este generabilă în apă, stabilă pentru perioade lungi de timp și validată structural și spectroscopic, o face un punct de referință în chimia carbenilor și deschide noi direcții în studierea speciilor reactive în condiții biologice. Această descoperire este de interes nu doar pentru chimia fundamentală, ci și pentru proiectarea de enzime artificiale, catalizatori în medii apoase și noi medicamente ce funcționează în interiorul corpului uman.

Concluzie

Studiul confirmă pentru prima dată, prin dovezi experimentale directe, că un carben poate fi stabil în apă lichidă, validând ipoteza formulată de Breslow în urmă cu peste 60 de ani. Specia NHC 7′, protejată electronic și steric de un nucleu carboranic perclorinat, oferă un model molecular excepțional care ar putea fi esențial pentru dezvoltarea viitoarelor aplicații chimice și biologice. Această descoperire deschide calea pentru explorarea unor noi limite în chimia de mediu apos și în simularea funcționalităților enzimatice naturale.