确认布雷斯洛假说：一种在液态水中稳定的卡宾

《SCIENCE ADVANCES》：Confirmation of Breslow’s hypothesis: A carbene stable in liquid water

为解决布雷斯洛关于辅酶硫胺素（维生素 B1）产生的卡宾在水中催化作用的假说缺乏光谱证据这一问题，研究人员开展了卡宾在水中合成及特性的研究。结果发现一种可在水中生成并稳定存在的卡宾，证实了布雷斯洛的假说，意义重大。

　　在生物化学的神秘世界里，辅酶硫胺素（维生素 B₁）一直是备受关注的焦点。它作为人体及其他生物不可或缺的微量营养素，其磷酸化形式在众多代谢途径中扮演着关键角色，参与丙酮酸脱羧生成乙醛、转化为乙偶姻等重要生化反应。1958 年，布雷斯洛（Breslow）大胆提出一个极具争议的假说：硫胺素可作为瞬时卡宾（carbene）的来源，促进多种重要酶的催化活性。卡宾，这种具有二价碳原子和一对非键合电子的高活性分子，通常被认为与水 “势不两立” ，在水中极不稳定，难以长时间存在并参与化学反应，布雷斯洛的这一假说挑战了传统认知，引发科学界广泛争议。尽管此前有氘标记实验以及所谓布雷斯洛中间体的捕获等证据为该假说提供了一定支持，但始终缺乏关键的光谱证据来证明卡宾能够在水中生成或稳定存在。这一缺失如同拼图中关键的一块，使得布雷斯洛的假说在多年来都处于一种 “半信半疑” 的状态，科学家们迫切需要确凿的证据来填补这一空白，以深入理解生物体内的催化机制，解开生命化学的更多奥秘。

为了攻克这一科学难题，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于卡宾在水中的合成与特性研究，致力于寻找能在水中稳定存在的卡宾，从而为布雷斯洛假说提供有力支撑。经过不懈努力，研究人员取得了重大突破。他们成功合成并通过核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）和单晶结构对一种能在水中生成且可作为稳定物种分离出来的卡宾进行了全面光谱表征，这一成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为布雷斯洛的假说提供了确凿的光谱证据，证实了在特定条件下，卡宾确实能够在水环境中稳定存在并发挥作用，这一发现极大地推动了生物化学领域的发展，让科学家对生物体内复杂的化学反应机制有了更深入的认识。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们采用标准的 Schlenk 或手套箱技术，在严格无氧、无水（O₂, H₂O < 1 ppm）的氮气或氩气氛围下进行实验操作。通过核磁共振技术，包括¹H NMR、¹³C NMR、¹¹B NMR 等，对合成的化合物进行结构和化学环境分析。利用单晶 X 射线衍射技术，精确测定卡宾的固态结构。此外，还借助密度泛函理论（DFT）计算咪唑鎓盐的 pK_a值，从理论层面探究卡宾在水中的稳定性。

研究结果主要包括以下几个方面：

1. 卡宾的合成与表征：研究人员在过去十年致力于开发带有功能化碳硼烷簇的配体。他们发现，带有 10 顶点closo- 碳硼烷阴离子的咪唑鎓盐6可完全氯化生成7，相应的卡宾7′能通过加入两当量的双 (三甲基硅基) 氨基锂（LiHMDS）定量生成。NMR 分析显示，¹H NMR 中咪唑鎓质子消失，¹¹B NMR 共振移动但保留局部C_4v对称性，¹³C NMR 中卡宾碳共振显著向低场位移，⁷Li NMR 显示单一 Li 峰，表明7′是溶液中的游离卡宾。单晶 X 射线衍射确定其固态为游离二价阴离子卡宾，空间填充模型展示了碳硼烷簇氯化物对卡宾中心的立体屏蔽作用。
2. 卡宾的水稳定性研究：研究人员发现，7′的 NMR 样品在实验台上放置数天，光谱无变化，显示出良好的稳定性。向其四氢呋喃（THF）溶液中加入自来水，虽会发生质子化但不水解；加入蒸馏水后，卡宾完全保持完整，6 个月监测无分解，证明7′是真正的水稳定卡宾。
3. 卡宾在水中的生成：最初，使用 LiOH 在纯水中尝试生成卡宾未成功，因为7不溶于水。通过添加适量 THF 并优化水 / THF 比例和添加顺序，成功在水相中生成卡宾7′，¹³C NMR 谱显示了卡宾碳和骨架碳的特征峰，证明了卡宾的生成。
4. 与其他卡宾的稳定性对比：研究人员合成了 Arduengo 型 NHCs，包括4′和5′，并研究其在过量水中的行为。4′与一当量蒸馏水反应，在 NMR 样品加载前已完全消耗；5′与 11 当量水反应，在记录 NMR 光谱前完全发生开环水解，表明这两种卡宾在水中不稳定，与7′形成鲜明对比。
5. 卡宾稳定性的理论分析：研究人员通过 DFT 计算咪唑鎓盐的 pK_a值，结果表明非氯化咪唑鎓盐 pK_a值远高于 20，Arduengo 的空气稳定卡宾前体4的 pK_a为 17.7，而全氯化咪唑鎓盐7的 pK_a为 11.9，比水酸性更强，结合全氯化提供的动力学保护，解释了7′在水中稳定的原因。

研究结论和讨论部分意义重大。研究人员成功证实了布雷斯洛的假说，为生物化学领域长期存在的争议画上了重要句号。这一发现不仅为理解硫胺素参与的生物催化过程提供了关键依据，也为研究其他在水环境中发生的化学反应机制开辟了新的思路。虽然该卡宾与蛋白质活性位点并不完全相似，但碳硼烷簇提供的立体保护及其在稳定性方面的作用，有助于科学家深入理解高活性物种在生物系统中的存在方式，为未来设计更高效的生物催化剂、探索新的生物化学反应途径奠定了基础。同时，这一成果也展示了科研人员在驯服高活性化学实体方面的智慧和创新，激励更多研究者在生物化学和相关领域不断探索，推动生命科学和健康医学的发展。