Στα αμφιθέατρα της Χημείας σε όλο τον κόσμο, οι φοιτητές μαθαίνουν νωρίς ότι ορισμένοι κανόνες είναι απαράβατοι. Ένας από αυτούς, ο «Κανόνας του Bredt», διδάσκεται εδώ και έναν αιώνα ως δόγμα: μόρια με συγκεκριμένη γεωμετρία δεν μπορούν να σχηματίσουν διπλούς δεσμούς σε ορισμένες θέσεις. Θεωρητικά, η δομή θα κατέρρεε.
Κι όμως, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (UCLA) έρχεται να αποδείξει ότι στη Χημεία –όπως και στη ζωή– οι κανόνες είναι απλώς… οδηγίες. Σε μια ανακοίνωση που αλλάζει τα δεδομένα για την οργανική σύνθεση και τη φαρμακολογία, η ομάδα του καθηγητή Neil Garg παρουσίασε τη δημιουργία «αδύνατων» μορίων, όπως το κυβένιο (cubene) και το τετρακυκλένιο (quadricyclene), ανοίγοντας νέους δρόμους για την ανάπτυξη φαρμάκων επόμενης γενιάς.
Πέρα από την «επίπεδη» Χημεία
Στο επίκεντρο της ανακάλυψης, που δημοσιεύθηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature Chemistry, βρίσκεται στην αμφισβήτηση της γεωμετρίας των δεσμών. Παραδοσιακά, ένας διπλός δεσμός άνθρακα-άνθρακα (γνωστός ως αλκένιο) απαιτεί τα άτομα να βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο – φανταστείτε το σαν ένα φύλλο χαρτιού. Αυτή η «επίπεδη» διάταξη θεωρούνταν απαραίτητη για τη σταθερότητα του μορίου.
Η ομάδα του Garg, ωστόσο, κατάφερε να δημιουργήσει μόρια που αψηφούν αυτή τη γεωμετρία, αναγκάζοντας τους διπλούς δεσμούς να πάρουν στρεβλωμένα, τρισδιάστατα σχήματα. Το αποτέλεσμα είναι ενώσεις που χαρακτηρίζονται ως «υπερ-πυραμιδοειδείς» (hyperpyramidalized).
«Δεκαετίες πριν, οι χημικοί είχαν ενδείξεις ότι θα έπρεπε να μπορούμε να φτιάξουμε τέτοια μόρια», δηλώνει ο Neil Garg, διακεκριμένος καθηγητής Χημείας και Βιοχημείας στο UCLA. «Ωστόσο, επειδή έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε με βάση τους κανόνες των εγχειριδίων, μόρια όπως το κυβένιο και το τετρακυκλένιο αποφεύγονταν συστηματικά. Τελικά, αποδεικνύεται ότι σχεδόν όλοι αυτοί οι κανόνες πρέπει να αντιμετωπίζονται περισσότερο ως κατευθυντήριες γραμμές».
Η τεχνική πίσω από το «ακατόρθωτο»
Η σύνθεση αυτών των μορίων δεν ήταν απλή υπόθεση. Λόγω της τεράστιας δομικής πίεσης που ασκείται στους δεσμούς τους, οι ενώσεις αυτές είναι εξαιρετικά ασταθείς και αντιδρούν αστραπιαία.
Για να τα δημιουργήσουν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πρόδρομες ενώσεις που περιείχαν ομάδες πυριτίου και ειδικές «ομάδες αποχώρησης». Επεξεργαζόμενοι αυτά τα πρόδρομα μόρια με άλατα φθορίου, κατάφεραν να πυροδοτήσουν τον σχηματισμό του κυβενίου και του τετρακυκλενίου μέσα στο αντιδραστήριο.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο είναι η φύση του χημικού δεσμού σε αυτές τις ενώσεις. Ενώ ένας τυπικός διπλός δεσμός έχει τάξη δεσμού 2 (που αντικατοπτρίζει τα ζεύγη ηλεκτρονίων που μοιράζονται), οι στρεβλωμένοι δεσμοί σε αυτά τα νέα μόρια έχουν τάξη δεσμού κοντά στο 1,5.
Όπως εξηγεί ο Ken Houk, ερευνητής και ειδικός στην υπολογιστική χημεία που συνεργάστηκε στενά με την ομάδα:
Το εργαστήριο του Neil βρήκε τον τρόπο να κατασκευάσει αυτά τα απίστευτα παραμορφωμένα μόρια. Το γεγονός ότι έχουν τάξεις δεσμών που δεν είναι ούτε ένα, ούτε δύο, ούτε τρία, είναι κάτι πολύ διαφορετικό από αυτό που διδάσκουμε σήμερα.
Από το εργαστήριο στο Φαρμακείο
Γιατί όμως έχει σημασία αυτή η εξωτική Χημεία για τον μέσο άνθρωπο; Η απάντηση βρίσκεται στα φάρμακα που θα λαμβάνουμε στο μέλλον.
Η φαρμακευτική βιομηχανία βρίσκεται σε μια διαρκή αναζήτηση για νέες μοριακές δομές. Τα περισσότερα σύγχρονα φάρμακα είναι πολύπλοκα τρισδιάστατα μόρια που πρέπει να «κλειδώσουν» με ακρίβεια πάνω σε βιολογικούς στόχους (π.χ. πρωτεΐνες) μέσα στο σώμα μας. Τα «επίπεδα» μόρια που κυριαρχούσαν στη χημεία του 20ού αιώνα έχουν αρχίσει να εξαντλούν τις δυνατότητές τους.
«Σήμερα αρχίζουμε να εξαντλούμε τις πιθανότητες των κανονικών, πιο επίπεδων δομών», σημειώνει ο Garg. «Υπάρχει αυξανόμενη ανάγκη να κατασκευάσουμε ασυνήθιστα, άκαμπτα τρισδιάστατα μόρια».
Η ικανότητα σύνθεσης κυβενίου και τετρακυκλενίου προσθέτει νέα, ισχυρά εργαλεία στην εργαλειοθήκη των χημικών. Αυτές οι δομές μπορούν να λειτουργήσουν ως «τουβλάκια» για τη δημιουργία φαρμάκων με καλύτερη αποτελεσματικότητα και λιγότερες παρενέργειες, καθώς η τρισδιάστατη μορφή τους τούς επιτρέπει να αλληλεπιδρούν πιο συγκεκριμένα με τους κυτταρικούς υποδοχείς.
Μια νέα εποχή για την εκπαίδευση
Η ανακάλυψη αυτή έρχεται ως συνέχεια μιας προηγούμενης επιτυχίας της ομάδας του 2024, όταν είχαν καταφέρει το πρώτο ρήγμα στον «Κανόνα του Bredt». Η τωρινή εξέλιξη, όμως, πηγαίνει το εγχείρημα ένα βήμα παραπέρα, αποδεικνύοντας ότι η επιστημονική πρόοδος απαιτεί συχνά την αμφισβήτηση των θεμελιωδών αρχών.
Πέρα από την καθαρή επιστήμη, ο Garg τονίζει τη σημασία αυτής της νοοτροπίας για την εκπαίδευση των νέων επιστημόνων. «Αν δεν πιέσουμε τα όρια της γνώσης ή της φαντασίας μας, δεν μπορούμε να αναπτύξουμε νέα πράγματα», αναφέρει χαρακτηριστικά.
