Необичайно наблюдение по време на лабораторни експерименти довежда изследователи до откритие, което те определят като значителен пробив.
След години опити да възпроизведат наблюдаваното поведение, да изяснят механизма му и да очертаят границите му, интердисциплинарен екип, ръководен от Университета „Флиндърс“ в Австралия, обявява откриването на непознат досега тип обменна реакция между сяра–сяра връзки.
Това, което прави реакцията особено впечатляваща, е, че такива връзки обикновено се пренареждат само при наличие на топлина, светлина или катализатори. Новата „трисулфидна метатезисна реакция“ обаче протича без допълнителни реагенти и без външна намеса.
Тя се случва спонтанно при стайна температура, когато молекули, съдържащи вериги от три атома сяра – трисулфиди – попаднат в определени разтворители.
„Рядко се открива изцяло нов тип реакция, а още по-рядко – такава, която да намира приложение в толкова различни области“, казва химикът Джъстин Чалкър от Университета „Флиндърс“, старши автор на изследването, който повече от десетилетие работи върху сулфидни полимери.
„След като разбрахме как протича реакцията, успяхме да я използваме в няколко важни приложения – включително за селективна модификация на противотуморно лекарство и за създаване на нов вид пластмаса, която може да се оформя, използва и след това отново да се разглобява при рециклиране.“
Сяра–сяра връзките играят ключова роля в множество молекули – от пептиди и протеини до полимери и лекарства. Една от причините да са толкова полезни е, че могат да се разкъсват и възстановяват в отговор на различни външни въздействия. В повечето подобни реакции участват дисулфиди – молекули с два атома сяра.
Органичните трисулфиди – при които три атома сяра образуват верига с различни групи в двата края (R–S–S–S–R, където R означава останалата част от молекулата) – са по-слабо изследвани, но също имат значение. Те се използват например във вулканизиран каучук и в някои противотуморни лекарства.
Досега обаче пренареждането на трисулфидите е било трудно. Обикновено изисква високи температури – между 80 и 150 градуса по Целзий – и дори тогава реакциите могат да продължат часове или дни, преди да достигнат равновесие.
Новoоткритата реакция се държи съвсем различно. В определени разтворители серните вериги започват да разменят своите фрагменти за секунди при стайна температура – без нужда от нагряване, осветяване или катализатори.
Докато изучават полимери, съдържащи сяра, учените забелязват, че някои трисулфидни молекули се пренареждат изключително бързо, когато се разтворят в разтворители като диметилформамид, широко използван в химията.
Без външна намеса серните вериги започват сами да „разменят“ частите си.
В рамките на реакцията две трисулфидни молекули могат да обменят крайните си химични групи – на практика разменят „партньори“ и образуват нови комбинации. Химиците наричат този тип процес метатеза.
Така молекули с подредба
R1–S–S–S–R1
R2–S–S–S–R2
се превръщат в
R1–S–S–S–R2
R2–S–S–S–R1
При подходящи условия този обмен протича изключително бързо – понякога равновесието се достига за секунди при стайна температура. Освен това реакцията е обратима.
Изследователите вече са демонстрирали практическото ѝ приложение. С нейна помощ те модифицират противотуморното съединение каличеамицин и създават пластмаса, изградена от вериги, свързани чрез трисулфидни връзки, която може лесно да се разглобява до първоначалните си градивни елементи.
„Любопитно ми е да видя как тази химия ще бъде развита и приложена по начини, които все още не можем да предвидим“, казва химикът Харшал Пател от екипа на Чалкър. „Откриването на нова реакция е вълнуващо, а ние вече показахме няколко важни приложения в биомолекулната и материалната химия.“
Тъй като реакцията е бърза, селективна и обратима, тя може да даде на химиците нов инструмент за създаване на молекули, които се пренареждат при щадящи условия – нещо с потенциално приложение от разработването на лекарства до създаването на нови материали.
„Това, което показахме досега, вероятно е само началото“, казва химикът Том Хазел от Университета в Ливърпул.
Изследването е публикувано в списание Nature Chemistry.
