Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας αλλάζουν τα δεδομένα της συνθετικής οργανικής χημείας ακυρώνοντας πρακτικά έναν θεμελιώδη, έως σήμερα, κανόνα της.

Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό «Science» αποδεικνύει ότι είναι εφικτή η σύνθεση μορίων που για πάνω από έναν αιώνα θεωρούνταν (σχεδόν) αδύνατο να υπάρξουν.

Προτείνονται, ακόμη, μονοπάτια ελεγχόμενων χημικών αντιδράσεων μέσω των οποίων είναι πιθανό να χρησιμοποιηθούν τα «απαγορευμένα» αυτά μόρια ως δομικές μονάδες για την ανάπτυξη φαρμακευτικών μορίων.

Η γεωμετρία του άνθρακα

Η χημεία των δεσμών του άνθρακα είναι ένα έντονο πεδίο έρευνας της σύγχρονης οργανικής χημείας. Χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρόνια της δομής τους, δύο άτομα μπορούν να σχηματίσουν απλούς, διπλούς και τριπλούς δεσμούς παρέχοντας ένα, δύο ή τρία ηλεκτρόνια το καθένα. Η δυνατότητα να συντεθούν τόσες πολλές οργανικές ενώσεις οφείλεται στην ιδιαίτερη χημεία του άνθρακα και θα μπορούσε να γίνει άμεσα αντιληπτή με… αριθμούς.

Ενα οργανικό μόριο μπορεί να περιέχει χιλιάδες άτομα άνθρακα ενώ ένα μεμονωμένο άτομο άνθρακα μπορεί να σχηματίσει τέσσερις διαφορετικούς δεσμούς. Ωστόσο, οι παραγόμενες δομές δεν μπορούν να υπάρξουν παρά μόνο σε συγκεκριμένες τρισδιάστατες διαμορφώσεις.

Οπως τα χέρια μας ανοίγουν μόνο μέχρι μια συγκεκριμένη γωνία για να πιαστούν με τα χέρια κάποιου άλλου ανθρώπου, έτσι και τα «χέρια»-ηλεκτρόνια του άνθρακα μπορούν να ενωθούν υπό συγκεκριμένη γεωμετρία. Χημικές δομές που ξεφεύγουν από την επικρατέστερη γεωμετρία είναι πιθανές, αλλά συνεπάγονται υψηλό ενεργειακό κόστος και αστάθεια.

Είναι σημαντικό να αναφερθεί εδώ ότι σε ένα οργανικό μόριο που περιέχει πολλά άτομα άνθρακα, αρκεί να αλλαχθεί μόνο ένας χημικός δεσμός για να οδηγηθούμε σε ένα νέο μόριο διαφορετικής τρισδιάστατης γεωμετρίας που μπορεί να παρουσιάζει εντελώς διαφορετικές ιδιότητες.

«Απαγορευμένες» ολεφίνες

Την ιδιότητα των δομών του άνθρακα να χαρακτηρίζονται από συγκεκριμένα σχήματα ακολουθούν και οι ολεφίνες, οργανικά μόρια μεγάλης αξίας, καθώς αποτελούν πρόδρομες ενώσεις για τη σύνθεση πολλών φαρμακευτικών μορίων και όχι μόνο. Το χαρακτηριστικό των ολεφινών, έως τώρα, είναι πως στη δομή τους περιέχουν δύο άτομα άνθρακα που βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο και ενώνονται μεταξύ τους με διπλό δεσμό.

Στο πνεύμα αυτό, έναν αιώνα πριν, ο γερμανός χημικός Τζούλιους Μπρεντ (Julius Bredt 1855-1937) πρότεινε ότι τα άτομα άνθρακα που βρίσκονται σε συγκεκριμένες θέσεις μέσα στα μόρια ολεφινών δεν μπορούν να ενωθούν μεταξύ τους με διπλό δεσμό, ή πιο απλά κάποιες ολεφίνες δεν μπορούν να υπάρξουν. Συγκεκριμένα, ο κανόνας αυτός αφορούσε ένα είδος ολεφινών με δομές που περιέχουν δύο ενωμένους μεταξύ τους δακτυλίους και άτομα που λειτουργούν ως «γέφυρες».

Ο κανόνας του Μπρεντ άφηνε να εννοηθεί πως για να είναι σταθερή μια ολεφίνη τέτοιου τύπου, δεν μπορεί να υπάρχει διπλός δεσμός μεταξύ δύο ατόμων άνθρακα όπου το ένα εξ αυτών βρίσκεται στις γνωστές στους οργανικούς χημικούς «θέσεις-γέφυρας», καθώς αυτά δεν βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο. Το αποτέλεσμα θα ήταν η ολεφίνη να μην μπορεί να διατηρήσει τη γεωμετρία της και ακαριαία να καταρρεύσει, αναζητώντας μια πιο ευνοϊκή (ενεργειακά) γεωμετρία.

Οι «απαγορευμένες» αυτές χημικές δομές ονομάστηκαν αντί-Βredt ή ABOs (anti-Bredt olefins). Αν και ο κανόνας φάνταζε αρκετά σαφής, υπήρξε εδώ και πολλά χρόνια συντονισμένη έρευνα για τη σύνθεση των ABOs, με όλα τα πειραματικά αποτελέσματα να συγκλίνουν στο ότι τα μόρια αυτά μπορούν να υπάρξουν αλλά είναι εξαιρετικά ασταθή και διασπώνται άμεσα.

Σπάζοντας τον κανόνα

Μέσω μιας σειράς παρατηρήσεων ικανές να προκαλέσουν πονοκέφαλο στους φοιτητές οργανικής χημείας, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας με επικεφαλής τον Νιλ Γκαργκ (Neil Garg) απέδειξαν ότι οι κανόνες είναι για να σπάνε. Σύμφωνα με το άρθρο τους, οι αντί-Βredt ολεφίνες όχι μόνο μπορούν να συντεθούν εργαστηριακά, αλλά ταυτόχρονα να δεσμευθούν μέσω ελεγχόμενων χημικών αντιδράσεων.

Ειδικότερα, τροποποιώντας πρόδρομες ενώσεις ολεφινών με ενώσεις φθορίου, οι παραγόμενες δραστικές αντί-Βredt ολεφίνες σταθεροποιούνται με τη χρήση χημικών μορίων που δρουν ως παγίδες, αιχμαλωτίζοντας τα ασταθή μόρια καθώς αυτά αντιδρούν. Η νέα αυτή μέθοδος αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο να χρησιμοποιηθούν οι αντί-Βredt ολεφίνες ως ενδιάμεσα για την ανάπτυξη φαρμακευτικών μορίων.

Στο σύνολό της, η έρευνα παρουσιάζει έναν τρόπο χειρισμού των γεωμετρικά παραμορφωμένων ολεφινών για ευρεία χρήση στην οργανική σύνθεση.

Ερευνητική υπεραξία

Η έρευνα της ομάδας του Γκαργκ, εκτός από την άμεση πρακτική της σημασία, ενέχει ένα επιπλέον επίπεδο σπουδαιότητας για το μέλλον της συνθετικής οργανικής χημείας… αλλά και της επιστήμης εν γένει.

Αποδεικνύει πως τα δεδομένα προηγούμενων ερευνών, παρά την αδιαμφισβήτητη σημαντικότητά τους, δεν θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως καλά καθορισμένοι κανόνες αλλά περισσότερο ως κατευθυντήριες γραμμές. Αυτή η φιλοσοφία έρευνας μπορεί να οδηγήσει σε επανεξέταση και άλλων κανόνων που έως σήμερα έχουν τη βαρύτητα απαράβατων θεωρημάτων και να καθορίσει εκ νέου την εξέλιξη της σύγχρονης έρευνας.

Στην υπηρεσία της φαρμακοβιομηχανίας

Η οργανική χημεία είναι ο κλάδος πάνω στον οποίο στηρίζεται, στο μεγαλύτερο μέρος της, η έρευνα και η ανάπτυξη φαρμάκων. Σχεδόν όλα τα φαρμακευτικά προϊόντα περιέχουν οργανικά μόρια. Αυτά μπορεί να προέρχονται από τη φύση, όπως οι βιταμίνες, τα ένζυμα ή οι διάφορες χρωστικές που απομονώνονται από φυτικές και ζωικές πηγές.

Διαφορετικά, μπορούν να συντίθεται εξ ολοκλήρου εργαστηριακά. Αν και δεν είναι οργανικές όλες οι ενώσεις του άνθρακα, με χαρακτηριστικό παράδειγμα το μονοξείδιο ή το διοξείδιο του άνθρακα, αυτός έχει συσχετισθεί άμεσα με την οργανική χημεία, η οποία μελετά τις αντιδράσεις, τις ιδιότητες και τους χημικούς δεσμούς του με άλλα άτομα.

Οχι άδικα, η οργανική χημεία είναι γνωστή ως η χημεία της ζωής ή πιο σωστά της έμβιας ύλης καθώς όλα τα βιολογικά μόρια, όπως οι υδατάνθρακες, τα λίπη, οι πρωτεΐνες, κ.ά., είναι οργανικά. Ο ορισμός της χημείας ως «οργανικής» ενέχει μια δόση ρομαντισμού, μιας και προήλθε από την πεποίθηση των χημικών του 19ου αιώνα, όπως ο σουηδός χημικός Γιενς Γιάκομπ Μπερζέλιους (1779-1848), ότι οι προηγμένες ιδιότητες που παρουσιάζουν τα μόρια που υπάρχουν στους ζωντανούς οργανισμούς τροφοδοτούνται από… μια ανεξήγητη δύναμη που πηγάζει από τη ζωή και μόνο!

Χρειάστηκε η πρώτη οργανική σύνθεση από μη-οργανικές πηγές, αυτή της ουρίας από τον γερμανό χημικό Φρίντριχ Βέλερ (1800-1882), για να ανατραπεί αυτή η πεποίθηση και να ξεκινήσει μια νέα εποχή για τη συνθετική οργανική χημεία. Στα σχεδόν 200 χρόνια ιστορίας τους, με αποκορύφωμα τις τελευταίες δεκαετίες, οι οργανικοί χημικοί έχουν καταφέρει να δημιουργήσουν ανεξάντλητες βιβλιοθήκες μορίων, με πάρα πολλά από αυτά να είναι φαρμακολογικά ενεργά.