يعتبر الفوسفور، وهو عنصر معدني موجود في الصخور والعظام، عنصرا هاما في الأسمدة والمبيدات الحشرية ومنتجات التنظيف وغيرها من المواد الصناعية والمنزلية. ويعتبر استيعاب الفوسفور في هذه المواد، بعد استخلاصه من الصخور، أمرا خطيرا ومكلفا، ويحاول الكيميائيون منذ عقود تبسيط هذه العملية.
قام أستاذ الكيمياء كريستوفر كامينز من جامعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وفريقه البحثي بتطوير طريقة جديدة لربط الفوسفور بالمركبات العضوية عن طريق تقسيم الفسفور أولاً باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. طريقتهم الجديدة، الموصوفة في المجلة العلمية Angewandte Chemie، تلغي الحاجة إلى مركبات الكلور، والتي غالبًا ما تكون مطلوبة في هذه التفاعلات والتي تشكل مخاطر صحية على العمال الذين يستخدمونها.
ويوضح العالم جاي برتراند، أستاذ الكيمياء بجامعة كاليفورنيا (ريفرسايد)، أن جمال الاكتشاف يكمن في بساطته. وعلى الرغم من أن التفاعل الجديد غير قادر على إنتاج الكميات اللازمة لصنع مركبات الفوسفور على نطاق واسع، إلا أنه يفتح الباب أمام مجال جديد من الأبحاث يمكن أن يؤدي إلى مثل هذه التطبيقات الصناعية، كما يقول العالم برتراند.
ويأتي معظم الفوسفور الطبيعي من الحفريات المتحجرة، والتي غالبا ما توجد في قاع البحر المجفف. توجد رواسب الفوسفور هذه على شكل صخور فوسفاتية (الفوسفات، أنيون ملح الفوسفور)، والتي عادة ما تحتوي على شوائب مثل الكالسيوم والمعادن الأخرى، والتي يجب الحفاظ عليها بعيدا. وينتج عن تنقية هذه الصخور الفسفور الأبيض، وهو قطعة تحتوي على أربع ذرات فوسفور. هيكل الفسفور الأبيض رباعي السطوح، أي يشبه الهرم المربع عندما تكون كل ذرة موجودة في الزاوية متصلة بالذرات الثلاث الأخرى. الفسفور الأبيض (P4) هو الشكل الأكثر استقرارًا للفسفور الجزيئي (توجد أيضًا عدة أشكال بوليمرية، وأكثرها شيوعًا هو الفسفور الأسود والفسفور الأحمر، والتي تتكون من سلاسل طويلة من وحدات الفوسفور الرباعية).
في معظم استخداماته الصناعية، يجب أن يتم ربط الفوسفور ذرة بذرة، لذلك من الضروري تمزيق ذرات مفردة من المركب P4. تتم هذه العملية عادة على مرحلتين: الأولى - يتم تحويل ثلاث ذرات من الفسفور إلى ذرات كلور للحصول على PCl3 المعزول - ذرة فوسفور واحدة مرتبطة بثلاث ذرات كلور. تتم بعد ذلك إزالة ذرات الكلور هذه بواسطة مركبات عضوية، للحصول على مجموعة واسعة من مركبات الفوسفور العضوية المشابهة لتلك الموجودة في المبيدات الحشرية. ومع ذلك، كانت هذه العملية مسرفة وخطيرة في نفس الوقت - فقد استخدم غاز الكلور كسلاح كيميائي خلال الحرب العالمية الأولى - لذلك حاول الكيميائيون إيجاد طرق جديدة لربط ذرات الفوسفور بالمركبات العضوية دون الحاجة إلى استخدام الكلور.
لطالما كان العالم كامينز مفتونًا بعنصر الفوسفور، ويرجع ذلك جزئيًا إلى بنيته الرباعية السطوح غير العادية. يوجد عنصر الفوسفور في نفس عمود النيتروجين في الجدول الدوري للعناصر، والذي يكون شكله الأكثر استقرارًا هو N2، لذلك توقع الكيميائيون أن يشكل الفوسفور بنية مستقرة لـ P2. إلا أن الواقع ليس كذلك.
لعدة سنوات، ظلت هذه المجموعة البحثية تبحث عن طرق لتقسيم جزء P4 إلى جزء P2 على أمل ربط أجزاء فوسفور أصغر بالمركبات العضوية. وفي دراسته الجديدة، استوحى العالم من ورقة بحثية قديمة مهملة نُشرت عام 1937، تصف القدرة على تقسيم البنية الرباعية الذرات إلى بنيتين ثنائي الذرة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. في الدراسة القديمة، تمت بلمرة P2 بعد ذلك للحصول على الفوسفور الأحمر.
قرر الباحث اختبار ما يمكن أن يحدث إذا قام بشق مركب P4 باستخدام الأشعة فوق البنفسجية في وجود مركبات عضوية نشطة (في هذه الحالة - مركبات ذات رابطة مزدوجة بين الكربون والكربون). وبعد 12 ساعة من التعرض للأشعة فوق البنفسجية، وجد أن المركب المعروف باسم رباعي الفوسفات العضوي يتكون من ذرتين فوسفور مرتبطتين بوحدتين من المركب العضوي.
تشير هذه النتيجة، على الرغم من أنها لا تثبت بشكل قاطع، إلى أن الشكل P2 قد تشكل بالفعل وبعد ذلك مباشرة ارتبط بالمركب العضوي. وفي الدراسات المستقبلية، يأمل الفريق البحثي أن يلاحظ بشكل مباشر وجود النموذج P2، إذا كان موجودًا. ويخطط فريق البحث أيضًا لاختبار ما إذا كان من الممكن إنتاج مركبات الفوسفور العضوية الأخرى باستخدام الأشعة فوق البنفسجية، بما في ذلك المركبات المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، قام الفريق بالفعل بإنشاء مركب فوسفوري عضوي يحتوي على النيكل، والذي يمكن استخدامه في التطبيقات الإلكترونية.
