Реакция Бутлерова в космосе

Исследователи из Гисенского университета имени Юстуса Либиха (Германия) считают, что нашли объяснение того, как происходит образование молекул углеводов в космическом пространстве и как оно могло происходить в условиях пребиотической Земли (то есть до того, как появилась жизнь). Они обнаружили, что в условиях, имитирующих космос, — в отсутствие воды и при сверхнизких температурах образование углеводов происходит за счет карбенов — нестабильных и быстро вступающих в реакции соединений двухвалентного углерода («Nat. Chem.», 2018, 10, 1141—1147; doi: 10.1038/s41557-018-0128-2).

Александра Михайловича Бутлерова, 190-летие которого мы отметили в сентябре этого года, мы чаще вспоминаем в связи с его теорией строения, ставшей основой органической химии. Между тем его можно также считать пионером абиогенеза. В 1861 году Бутлеров обнаружил, что формальдегид в водном растворе с основной средой может превращаться в смесь углеводов. Сейчас этот процесс называют формозной реакцией, или реакцией Бутлерова, и он до настоящего времени остается краеугольным камнем пребиотической химии, объясняющим появление углеводов в первичном бульоне, где, по гипотезе, сформировалась жизнь.

Однако в лабораторных условиях продукты формозной реакции уже через два часа превращаются в черную смолу — смесь моно-, олиго- и полисахаридов. В классической, «бутлеровской», формозной реакции углевод рибоза неустойчив и быстро превращается в другие продукты; впрочем, это всегда было в присутствии воды и основного катализатора. Очевидно, что бутлеровский вариант не может быть источником углеводов для развития жизни — возраст межзвездных облаков, содержащих молекулы рибозы, исчисляется отнюдь не часами, да и водных растворов оснований в них не заметили. Поэтому оставалось загадкой, как могли образоваться пребиотические углеводы, равно как и причины существования углеводов в межзвездных облаках.

В новой работе Петер Шрайнер и его коллеги уверяют, что разгадали тайну космической рибозы. Она образуется из гидроксиметилена — карбена, отличающегося высокой реакционной способностью, существование которого было доказано около десятилетия назад. В отсутствие воды и других растворителей при температурах около абсолютного нуля гидроксиметилен реагирует с формальдегидом с образованием гликолевого альдегида и глицеринового альдегида. Эти прекурсоры углеводов могут реагировать далее с образованием рибозы и других, более сложных сахаров.

Для получения гидроксиметилена исследователи пропускали пары глиоксалевой кислоты через раскаленную докрасна трубку из кварца. Карбен улавливали с помощью твердой аргоновой матрицы при 3K (-270°C), где и протекала реакция с формальдегидом, приводящая к гликолевому и глицериновому альдегидам. Как поясняет Шрайнер, в космосе гидроксиметилен может образоваться в результате реакции углекислого газа и воды под воздействием излучения звезд. Однако даже эти результаты не могут полностью объяснить происхождение рибозы в межзвездных облаках. Самым тяжелым органическим соединением, образующимся из формальдегида и карбена в аргоновой матрице, все же был прекурсор сахаров — глицериновый альдегид, превращение которого в углеводы вне раствора пока еще не наблюдали (хотя, возможно, если проводить эксперимент несколько месяцев или несколько тысяч лет, то и в аргоновой матрице можно будет обнаружить молекулы рибозы).

Предполагаемые механизмы образования сахаров из формальдегидов

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 11/2018) на с. 17.