Таинственная реакция, открытая русским ученым Бутлеровым в 1861 году, до сих пор хранит свои секреты. Она позволяет синтезировать сахара, в том числе рибозу, необходимую для РНК, из простого формальдегида. Но почему же эта реакция так важна для понимания загадок возникновения жизни на Земле? Почему она до сих пор остается загадочной? Давайте разберемся!
Что такое реакция Бутлерова и как она протекает
Реакция Бутлерова — это автокаталитическая реакция синтеза различных сахаров, в том числе пентоз и гексоз, из формальдегида в слабощелочном водном растворе. Открыл ее русский химик Александр Михайлович Бутлеров в 1861 году при исследовании реакции поликонденсации формальдегида.
Основное уравнение реакции Бутлерова можно представить так:
n CH2O → CnH2nOn + H2O
Где n - число звеньев формальдегида в молекуле конечного продукта.
В результате этой реакции из простейшего одноуглеродного соединения - формальдегида - образуется целый спектр продуктов: от простых сахаров вроде гликолевого и глицеринового альдегидов до сложных углеводов типа пентоз (рибозы и ксилозы) и гексоз (глюкозы, фруктозы и др.).
Примеры продуктов реакции Бутлерова:
- Гликолевый альдегид
- Глицериновый альдегид
- Дигидроксиацетон
- Рибулоза
- Рибоза
- Ксилоза
- Глюкоза
- Фруктоза
При этом реакция Бутлерова носит автокаталитический характер. Сначала идет медленная стадия образования простейших продуктов типа гликолевого альдегида. А затем эти продукты сами катализируют дальнейший синтез более сложных соединений вплоть до пентоз и гексоз.
Именно поэтому реакция Бутлерова славится своей «капризностью». Раствор формальдегида с щелочью можно кипятить часами без видимых изменений. Но стоит только добавить катализатор в виде гликолевого или глицеринового альдегида - и реакция пошла! Раствор быстро меняет цвет, идет активный синтез продуктов.
«Реакция Бутлерова производит центральные биомолекулы метаболизма, такие как глицеральдегид, пентозы и гексозы из простого формальдегида — одноуглеродного строительного блока».
Значение реакции Бутлерова
Реакция Бутлерова имеет принципиальное значение для понимания возможных путей зарождения жизни на Земле из неорганических соединений.
Ведь она показывает, как из простейшего одноуглеродного вещества - формальдегида - могут синтезироваться важнейшие органические соединения, необходимые для жизни. Такие как пентозы (входят в состав РНК) и гексозы (глюкоза является универсальным источником энергии в живых клетках).
Поэтому реакция Бутлерова лежит в основе современных гипотез о химической эволюции в "первичном бульоне", из которого могла зародиться жизнь.
Однако классический вариант этой реакции имеет существенные ограничения.
Во-первых, в лабораторных условиях она быстро приводит к образованию трудноразделимой черной смолы из поликонденсированных продуктов.
Во-вторых, в реакции Бутлерова сложно селективно синтезировать конкретные соединения, необходимые для возникновения жизни. Например, рибозу - пентозу, из которой состоит РНК. Она легко превращается в реакции в другие продукты.
Поэтому в 70-х годах прошлого века были предприняты попытки оптимизировать реакцию Бутлерова, чтобы использовать ее для синтеза искусственной пищи в длительных космических полетах. Однако они не увенчались успехом - получаемая смесь содержала токсичные примеси.
В наши дни интерес к реакции Бутлерова возродился в связи с новыми гипотезами о химической эволюции. Согласно им, на заре зарождения жизни мог протекать естественный отбор уже на уровне органических соединений, образующихся в реакциях типа бутлеровской.
Реакция Бутлерова в космосе
Немецкие ученые из Гиссенского университета провели уникальный эксперимент по моделированию реакции Бутлерова в условиях, приближенных к космическим.
Они обнаружили, что синтез углеводов из формальдегида может протекать и без воды - в инертной среде при сверхнизких температурах. Ключевую роль в этом процессе играют специальные соединения - карбены, обладающие высокой химической активностью.
В частности, в эксперименте использовался гидроксиметилен - карбен, полученный из глиоксалевой кислоты. Он реагировал с формальдегидом в инертной аргоновой матрице при температуре -270°С с образованием гликолевого и глицеринового альдегидов - предшественников углеводов.
Однако такой подход тоже не дает полного объяснения существованию сложных органических молекул типа рибозы в космосе. Ведь в аргоновой матрице удалось синтезировать только простые прекурсоры, а не сами пентозы.
Тем не менее, эксперимент показывает, что реакция Бутлерова может протекать даже в самых неблагоприятных условиях - в отсутствие воды и катализатора, при низких температурах. Бутлерова реакция оказалась удивительно универсальным процессом!
| Условия реакции Бутлерова | Классические | Космические |
| Температура | Повышенная (+100°С) | Криогенная (-270°С) |
| Среда | Водный щелочной раствор | Инертный газ (аргон) |
| Катализатор | Гидроксиды металлов | Карбены |
Реакция Бутлерова - вопросы и проблемы
Несмотря на важность реакции Бутлерова, остается множество открытых вопросов о механизмах ее протекания и возможности селективного синтеза "пробиотических" молекул.
Главная проблема в том, что эта реакция очень неспецифична. В результате получается целая смесь разных продуктов, среди которых лишь малая доля нужных для зарождения жизни соединений.
Например, рибоза составляет лишь несколько процентов от всех пентоз, образующихся в реакции. При этом сама рибоза неустойчива и быстро реагирует дальше с переходом в другие вещества.
Еще одна трудность - низкая концентрация формальдегида в естественных условиях из-за его высокой химической активности. А для эффективного протекания бутлеровской реакции нужна концентрация порядка 1-2% .
Однако было показано, что некоторые боратные минералы, например бура и колеманит, могут останавливать реакцию на стадии рибозы за счет образования с ней комплексных соединений. Это открывает пути к селективному синтезу пентоз.
Тем не менее, остается открытым вопрос о возможности получения РНК в условиях предбиологической химической эволюции. Для этого потребуется еще много исследований таинственной реакции Бутлерова.
Несмотря на многочисленные вопросы, реакция Бутлерова обладает большим потенциалом практического применения в различных областях.
Искусственная химическая эволюция
Эта реакция широко используется в моделировании процессов искусственной химической эволюции. Системы на основе бутлеровской самоконденсации формальдегида позволяют изучать механизмы естественного отбора среди химических соединений.
Оптимизация условий реакции
Дальнейшие исследования реакции Бутлерова могут привести к разработке оптимальных условий для селективного синтеза нужных органических молекул. Например, подбором состава раствора, катализаторов, температурного режима.
Получение биологически активных соединений
Продукты реакции Бутлерова - углеводы и их производные - обладают ценными биологическими свойствами. Их можно использовать в фармацевтике, пищевой промышленности, медицине.
Исследования происхождения жизни
Формула и механизмы протекания реакции Бутлерова важны для понимания возможных путей химической эволюции в условиях ранней Земли или других космических объектов.
Космические исследования
Открытие возможности протекания бутлеровской реакции в космосе, без воды и катализаторов, может иметь значение для астробиологии и космохимии.
Эти и другие направления требуют дальнейшего всестороннего изучения загадочного процесса - реакции Бутлерова.
