Ученые совершили крупное открытие, обнаружив новый тип химической реакции с участием серы
Международная исследовательская группа объявила о настоящем прорыве в химии: ученые открыли ранее неизвестный тип реакции обмена серо-серных связей. Это открытие, описываемое авторами как «крупное», было сделано благодаря случайному наблюдению в ходе лабораторных экспериментов, после чего потребовались годы кропотливой работы, чтобы воспроизвести поведение, понять его механизм и определить границы его применимости.
Команда под руководством Университета Флиндерса в Австралии обнаружила реакцию, которая кардинально отличается от всех известных процессов с участием серы. Обычно серо-серные связи нуждаются в нагреве, свете или катализаторах, чтобы перестроиться внутри молекул. Однако новый процесс, названный «метатезисом трисульфидов», протекает спонтанно при комнатной температуре, без каких-либо дополнительных реагентов или внешнего воздействия. Достаточно просто поместить молекулы, содержащие цепочки из трех атомов серы (трисульфиды), в определенные растворители.
Химик Джастин Чокер из Университета Флиндерса, изучающий сульфидные полимеры более десяти лет и являющийся старшим автором исследования, подчеркивает уникальность события: обнаружить совершенно новую реакцию — большая редкость, но еще более необычно, когда она сразу же находит применение в самых разных областях. Понимание этого процесса уже позволило ученым использовать его для решения нескольких важных задач, включая избирательную модификацию противоопухолевого препарата и создание инновационного пластика, который можно формовать, использовать, а затем, когда потребуется переработка, легко разобрать на исходные компоненты.
Серо-серные связи играют ключевую роль во множестве молекул — от пептидов и белков до полимеров и лекарств. Их ценность заключается в способности разрываться и восстанавливаться под действием различных стимулов. Чаще всего в таких реакциях задействованы дисульфиды — цепочки из двух атомов серы. Органические трисульфиды (структуры вида R-S-S-S-R), где три атома серы соединены в цепочку с двумя органическими фрагментами по концам, изучены меньше, хотя и применяются, например, в производстве вулканизированной резины и некоторых противораковых средствах. Раньше заставить трисульфиды перестраиваться было крайне сложно: для этого требовались высокие температуры (от 80 до 150 градусов Цельсия), и даже в таких жестких условиях реакция могла длиться часами или сутками.
Новый метатезис работает иначе. В определенных растворителях, таких как широко используемый в химии диметилформамид, серные цепочки начинают обмениваться фрагментами за считанные секунды. Суть процесса в том, что две молекулы трисульфида могут обмениваться химическими группами на своих концах, эффективно меняясь партнерами и образуя новые комбинации. Например, пара молекул R1–S–S–S–R1 и R2–S–S–S–R2 превращается в R1–S–S–S–R2 и R2–S–S–S–R1. Этот обмен не только молниеносен, но и легко обратим.
Исследователи уже продемонстрировали практическую ценность открытия. Они успешно применили новую реакцию для модификации противоопухолевого соединения калихемицина. Кроме того, им удалось создать новый тип пластика, цепи которого соединены трисульфидными связями. Благодаря открытому свойству, такой материал можно быстро и легко разобрать на исходные «кирпичики», что открывает огромные перспективы для переработки.
Химики, участвовавшие в проекте, полны энтузиазма относительно будущего своего открытия. Харшал Патель из лаборатории Чокера отмечает, что обнаружение новой реакции само по себе волнительно, а уже продемонстрированные применения в химии биомолекул и материалов — только начало. Его коллега Том Хазелл из Ливерпульского университета добавляет, что показанные примеры — это лишь верхушка айсберга. Благодаря своей скорости, избирательности и обратимости, метатезис трисульфидов может дать химикам мощный инструмент для создания молекул, способных перестраиваться в мягких условиях, что будет востребовано в самых разных сферах — от разработки новых лекарств до создания материалов будущего.
Результаты исследования в авторитетном журнале Nature Chemistry.