最近，一群化學家完成了一項前所未有的任務：他們成功讓一種在水中極不穩(wěn)定、極易發(fā)生反應的卡賓分子穩(wěn)定了下來，這不僅證實了一個有著 67 年歷史的關于維生素 B1 的理論，還為化學制造開辟了一條更環(huán)保的道路。

卡賓分子是一種特殊的碳原子形式，它的最外層電子只有 6 個，而不是通常的 8 個。這種電子缺失的情況，讓卡賓分子極其不穩(wěn)定，特別容易發(fā)生化學反應，尤其是在水中，它幾乎瞬間就會分解。但是，幾十年來，科學家們一直懷疑，維生素 B1（也就是硫胺素）在人體進行一些重要反應的過程中，可能會形成一種類似卡賓的中間產(chǎn)物。

早在 1958 年，哥倫比亞大學的化學家羅納德?布雷斯洛就提出，維生素 B1 可以轉(zhuǎn)化為卡賓，從而推動人體內(nèi)的生物化學轉(zhuǎn)化。這個想法很有說服力，可卡賓分子實在太不穩(wěn)定了，尤其是在水中，所以一直沒有人能證明它真的能在生物環(huán)境里存在。

如今，研究人員首次成功在水中制造出了穩(wěn)定的卡賓分子。他們不僅把它分離出來，裝進容器里，而且觀察到它在幾個月的時間里都保持完好。相關研究成果發(fā)表在了《科學進展》雜志上。

加利福尼亞大學河濱分校的化學教授文森特?拉瓦洛是這篇論文的通訊作者，他表示：“這是人類首次在水中觀察到穩(wěn)定的卡賓分子，以前人們都覺得這是個瘋狂的想法，現(xiàn)在看來，布雷斯洛是對的。”

拉瓦洛的團隊是怎么做到的呢？他們給卡賓分子穿上了一件 “盔甲”，也就是在實驗室里合成了一種特殊的分子，用它把卡賓分子的反應中心包裹起來，和水以及其他分子隔離開。這樣一來，生成的結構就足夠穩(wěn)定，可以用核磁共振光譜和 X 射線晶體學進行研究，確鑿地證明了這類卡賓分子能在水中存在。

論文的第一作者瓦倫?拉維普羅盧說：“我們最初制造這些反應性分子，只是為了探索它們的化學性質(zhì)，并不是為了驗證這個歷史悠久的理論。但沒想到，我們的研究最終證實了布雷斯洛多年前提出的設想。”

這項發(fā)現(xiàn)可不只是證實了一個生物化學假設，它還有很重要的實際意義。卡賓分子常常被用作金屬基催化劑里的 “配體”，也就是起支撐作用的結構，而金屬基催化劑在生產(chǎn)藥品、燃料和其他材料時都大有用處。不過，目前大多數(shù)相關生產(chǎn)過程都要依賴有毒的有機溶劑。而研究人員讓卡賓分子在水中穩(wěn)定存在的方法，有可能讓這些反應變得更清潔、成本更低，也更安全。

瓦倫?拉維普羅盧還說：“水是最理想的溶劑，它儲量豐富、無毒，還很環(huán)保。如果我們能讓這些強大的催化劑在水中發(fā)揮作用，那就向綠色化學邁進了一大步。”

此外，知道這種反應性中間分子能在水中生成并穩(wěn)定存在，也讓科學家們更接近模擬細胞內(nèi)自然發(fā)生的化學反應了，畢竟細胞里大部分成分都是水。文森特?拉瓦洛說：“還有其他像這樣的反應性中間產(chǎn)物，我們一直沒辦法分離出來。利用我們這種保護策略，也許最終就能觀察到它們，并從中獲得新的發(fā)現(xiàn)。”

對于研究卡賓分子長達 20 年的拉瓦洛來說，這一刻意義非凡；而對拉維普羅盧而言，這次發(fā)現(xiàn)也讓他堅信，科學研究一定要堅持不懈，“今天看似不可能的事，只要我們持續(xù)投入科研，明天也許就能實現(xiàn)。”

參考資料：DOI: 10.1126/sciadv.adr9681