فاز "صانعو الجزيئات" بجائزة نوبل في الكيمياء - شرح موسع

تقاسم ريتشارد هيك وإيتشي نيجاشي وأكيرا سوزوكي جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2010 لتطويرهم طريقة أكثر كفاءة لربط ذرات الكربون معًا لبناء جزيئات تعمل على تحسين حياتنا اليومية بما في ذلك تطوير أدوية السرطان، ومواد لصناعة الإلكترونيات، والمزيد.

أعلنت لجنة جائزة نوبل اليوم عن الفائزين الثلاثة بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2010. والفائزون الثلاثة هم: البروفيسور ريتشارد إف هيك من الولايات المتحدة الأمريكية؛ والبروفيسور إي-إيتشي نيجيشي من اليابان؛ البروفيسور أكيرا سوزوكي (أكيرا سوزوكي) من اليابان.

أداة قوية للكيميائيين

إن الحاجة الحالية للمواد الكيميائية المعقدة آخذة في الازدياد. تحتاج البشرية إلى أدوية جديدة قادرة على علاج السرطان ومنع التأثيرات الخطيرة للفيروسات القاتلة في جسم الإنسان. تبحث صناعة الإلكترونيات عن مواد جديدة قادرة على انبعاث الضوء، وتهتم الصناعة الزراعية بتطوير مواد قادرة على حماية المحاصيل المهمة للإنسان. مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2010 إلى أداة علمية ساهمت في تحسين قدرة الكيميائيين على تلبية جميع هذه المتطلبات بأكثر الطرق كفاءة: الاقتران المتقاطع المحفز بالبلاديوم.

في أواخر الثمانينات، وجد الغواصون في البحر الكاريبي أن الإسفنج البحري Discodermia متحلل. وعلى عمق 33 مترا اكتشفوا مخلوقا بلا عيون وفم ومعدة وعظام. للوهلة الأولى، يبدو المخلوق بدائيًا، لكن قدرته والإسفنجيات الأخرى على إبعاد أعدائهم البحريين جعلتهم نقطة جذب للكيميائيين. لديهم قدرة مذهلة على إنتاج إفرازات كيميائية معقدة وكبيرة تعمل بمثابة السم وتبعد الكائنات الحية الأخرى عن مهاجمتهم واستغلالهم.

وقد اكتشف الباحثون أن العديد من هذه السموم لها خصائص طبية؛ يمكن استخدامها كأدوية مضادة للبكتيريا ومضادة للفيروسات وحتى مضادة للالتهابات. وفي حالة الإسفنج البحري ديسكوديرميا المذاب، أظهرت التجارب المعملية الأولى أن المادة الفعالة الموجودة في محتوياته (ديسكورديرموليد) يمكن استخدامها في المستقبل كدواء للعلاج الكيميائي. ومن بين خصائصه الأخرى أنه قادر على منع انقسام الخلايا السرطانية في المزارع المخبرية.

الخروج من طريق المعلم الجاد في مواجهة التقدم العلمي

وبعد دراسات أكثر تفصيلا، تمكن العلماء من إظهار كيف تقوم المادة المستخرجة من الإسفنجة بتدمير الخلايا السرطانية بنفس الطريقة التي يعمل بها عقار تاكسول، أحد أكثر الأدوية المضادة للسرطان شيوعا حول العالم اليوم. إن العثور على مادة بهذه القدرة المذهلة يعد تجربة مرضية في حد ذاتها، لكن لولا الاكتشافات التي منحت عليها جائزة نوبل في الكيمياء عام 2010، لكانت قصة هذه المادة قد انتهت هنا. وكان من المفترض أن يتوقف التقدم هنا بسبب نقص المادة الفعالة، إذ لا يمكن تطوير أدوية تعتمد على مادة لا توجد إلا بكميات قليلة في أعماق البحر الكاريبي. ومع ذلك، وبفضل إضافة الوسائل العلمية لتفاعلات الاقتران المحفز بالبلاديوم التي طورها الكيميائيون ريتشارد إف هيك، وإي إيتشي نيجيشي، وأكيرا سوزوكي، أصبح العلماء الآن قادرين على تحضير العنصر النشط صناعيًا وهو ديسكوديرموليد المهم للغاية. تم استخدام أحد أشكال تفاعل جيشي كخطوة رئيسية في تركيب هذه المادة. وتمكن علماء آخرون نتيجة لذلك من تحسين العملية والحصول على كميات كافية من المادة لبدء الاختبارات السريرية على البشر المصابين بالسرطان.

ولن نعرف إلا في المستقبل ما إذا كانت هذه المادة ستؤدي إلى تطوير دواء منقذ للحياة. على أية حال، هذا مجرد مثال واحد على الطريقة التي تلهم بها المواد الموجودة في الطبيعة الكيميائيين. إن القاسم المشترك بين جميع الجزيئات الموجودة في الكائنات الحية، أو ما يعرف بالجزيئات العضوية، هو حقيقة أنها تتكون جميعها، بشكل أو بآخر، من هيكل معقد من ذرات الكربون. روابط الكربون-الكربون هي أساس كيمياء الحياة نفسها، وأهميتها بين الكيميائيين تتمثل بأمانة في منح خمس جوائز نوبل في الكيمياء حتى الآن حول موضوع البحث هذا. الجوائز الأربع السابقة هي: تفاعل غرينيارد (1912)، تفاعل ديلز ألدر (1950)، تفاعل فيتيغ (1979) وتفاعل أولفيني التحويلي (2005).

البلاديوم - نقطة التقاء ذرات الكربون

تعتبر تفاعلات الاقتران المحفزة بالبلاديوم فريدة من نوعها من حيث أنه يمكن إجراؤها في ظل ظروف معتدلة وبدقة كبيرة. في السابق، كان على الكيميائيين بدء التفاعل الكيميائي بين ذرتي الكربون باستخدام المواد الفعالة. إن مثل هذه المواد تؤدي غرضها، ولكن بسبب نشاطها العالي فإنها تؤدي أيضًا إلى الحصول على منتجات ثانوية غير مرغوب فيها تنشأ من تفاعل ذرات الكربون مع ذرات أخرى. عندما يرغب الكيميائيون في صنع مستحضرات كبيرة مثل ديسكوديرموليد، فإنهم يصنعون المستحضر في عدة خطوات، خطوة بخطوة. إذا كانت كميات المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها كبيرة جدًا، فلن يتم الحصول على كمية كافية من المادة المرغوبة وسيكون التفاعل نفسه غير فعال بل ومكلفًا للغاية.

في التفاعل المحفز بالبلاديوم، يستخدم العلماء عنصر البلاديوم المعدني كنقطة التقاء لذرات الكربون. ترتبط ذرات الكربون بذرة البلاديوم، وبالتالي تقترب بدرجة كافية من بعضها البعض لبدء بدء التفاعل فيما بينها. يتم استخدام ذرة البلاديوم كمحفز كيميائي - محفز. يشارك في العملية، ويسرعها، لكنه لا يهلك خلالها.

تأثير التقدم الصناعي

بدأت إمكانية استخدام البلاديوم كمحفز تثير الاهتمام خلال الخمسينيات. في هذا الوقت، بدأت شركة كيميائية ألمانية، Wacker Chemie AG، في استخدام البلاديوم لتحويل الإيثيلين إلى الأسيتالديهيد - وهي مادة خام مهمة تستخدم في المواد اللاصقة وملينات البلاستيك وفي إنتاج حمض الأسيتيك.

كان ريتشارد هاك يعمل في شركة كيميائية أمريكية في ولاية ديلاوير، وبينما أصبحت الصناعة الكيميائية مهتمة بشكل متزايد بعملية واكر الناجحة، بدأ في إجراء تجارب باستخدام البلاديوم كمحفز. وفي عام 1968 نشر بحثه الناجح من خلال سلسلة من المقالات العلمية. ومن بين النتائج الأخرى التي توصل إليها، أنه تمكن من ربط حلقة من ذرات الكربون بوحدة أقصر من الكربون للحصول على مادة الستيرين المهمة (الصورة 2) - وهي مكون رئيسي في مادة البوليسترين البلاستيكية. وبعد أربع سنوات قام بتحسين رد فعله بشكل أكبر، واليوم يعد التفاعل المعروف باسم تفاعل هيك على اسمه أحد أهم التفاعلات في إنشاء روابط فردية بين ذرات الكربون. يتم استخدامه، على سبيل المثال، في الإنتاج التجاري للعقار المضاد للالتهابات نابروكسين، وفي عقار مونتيلوكاست المضاد للتقصير، وفي إنتاج مادة مهمة في صناعة الإلكترونيات.

الرقم ثمانية هو رقم سحري في الكيمياء العضوية

ولكي نفهم أهمية اكتشاف ريتشارد هاك لا بد لنا من الغوص في عالم الذرات؛ في "سحابة" الإلكترونات المحيطة بنواة الذرات. غالبًا ما يتم تصوير الإلكترونات على أنها جسيمات صغيرة تدور حول النواة الذرية. لكن الإلكترون أشبه بسحابة سالبة الشحنة تحيط بالنواة موجبة الشحنة.

توجد حول النواة الذرية عدة طبقات من "السحب" الإلكترونية، وكلما كبرت الذرة، زاد عدد الطبقات. يهتم الكيميائيون بعدد الإلكترونات الموجودة في الطبقة الخارجية، حيث أن جميع التفاعلات الكيميائية تنشأ من "حاجة" الذرة لملء هذه الطبقة. الذرات الصغيرة الضرورية للكيمياء العضوية، أي الكربون والأكسجين والنيتروجين، يجب أن تحتوي دائمًا على ثمانية إلكترونات في هذه الطبقة الخارجية. ثمانية هو رقم سحري في الكيمياء العضوية.

تحتوي ذرة الكربون في شكلها الأصلي على أربعة إلكترونات فقط في الغلاف الخارجي. ولذلك، فإنه يميل إلى الاتحاد مع ذرات أخرى بحيث يتم مشاركة الإلكترونات معًا في شكل روابط كيميائية. على سبيل المثال، في أبسط مركب عضوي، الميثان، يتشارك الكربون الإلكترونات مع أربع ذرات هيدروجين أخرى. وبهذه الطريقة تمتلئ الطبقة الخارجية بالشكل المطلوب وتحقق الذرة هدفها.

التجديف بكامل قوته

عندما يقوم الكيميائيون بتركيب عقاقير أولية معقدة مثل ديسكودرموليد، فإنهم يتخذون طريقًا مختصرة ويستخدمون العقاقير الأولية الأصغر حجمًا كوحدات بناء. ومع ذلك، فإن ربط هذه القطع الصغيرة ليس بهذه البساطة. فذرات الكربون الموجودة في الذرة الأصغر تتشارك بالفعل إلكتروناتها؛ لديهم بالفعل ثمانية إلكترونات في الغلاف الخارجي وهي مستقرة بشكل أساسي الآن. ليس لديهم أي سبب للتفاعل مع ذرة الكربون في جزيء آخر.

ومهمة الكيميائي في هذه المرحلة هي إثارة ذرة الكربون وإجبارها على أن تكون أكثر ميلاً للتفاعل مع ذرة كربون أخرى. وقد وجد فيكتور جرينارد، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1912، حلاً لهذه المشكلة. ومن خلال العديد من الحيل الكيميائية قام بربط ذرة المغنيسيوم بذرة الكربون التي أراد جعلها أكثر نشاطا. يحتوي المغنيسيوم على إلكترونين في غلافه الخارجي، ويفضل التخلص منهما. وفي مادة تعرف باسم كاشف غرينيارد، تقوم ذرة المغنيسيوم بنقل إلكترونينيها نحو الرابطة بحيث يكونان أقرب إلى ذرة الكربون. ونتيجة لذلك، تضاف الإلكترونات إلى الغلاف الإلكتروني الخارجي لذرة الكربون، ولكن في نفس الوقت ينشأ خلل بين نواة الذرة الموجبة الشحنة وسحابتها الإلكترونية المشحونة سالبا. تصبح ذرة الكربون أقل استقرارا، ونتيجة لذلك "تبحث" عن ذرة أخرى يمكنها الارتباط بها.

الدقة هي مفتاح بناء الأخاديد الضخمة

تعتبر طريقة جرينارد لاقتران ذرات الكربون مهمة جدًا في الكيمياء. ومع ذلك، عند التعامل مع إعداد fridos معقدة وكبيرة، فإن الطريقة لها عيوبها الخاصة. لا تتصرف ذرة الكربون غير المستقرة في كاشف جرينارد كما هو متوقع. عندما تواجه المادة المتفاعلة عدة ذرات كربون مختلفة يمكن أن تتفاعل معها، يتشكل عدد كبير جدًا من المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها حتى يكون التفاعل فعالاً.
يعمل تفاعل الاقتران المحفز بالبلاديوم على حل هذه المشكلة ويعطي دقة أكبر للعملية. عندما تلتقي ذرات الكربون بذرة البلاديوم، لا يحتاج الكيميائيون إلى تنشيط ذرة الكربون إلى نفس المستوى. تؤدي هذه الحقيقة إلى الحصول على المنتجات الثانوية بكمية أقل وزيادة كفاءة التفاعل.

بدلًا من كاشف جرينارد، بدأ ريتشارد هاك في استخدام مركبات كيميائية تسمى الأوليفينات. في هذا المركب، يتم تنشيط ذرة الكربون في البداية إلى حد ما وعندما ترتبط بذرة البلاديوم تصبح أكثر نشاطًا وتزداد فرصتها في التفاعل مع ذرة أخرى.

في عام 1977، طور هاي إيتشي نيجاشي شكلًا مختلفًا قليلًا من كاشف غرينيارد عندما استبدل المغنيسيوم بذرة الزنك. ويصبح الكربون أقل نشاطا عند استخدام الزنك، ولكن الزنك ينقل ذرة الكربون إلى ذرة البلاديوم. عندما تقترب ذرة الكربون من ذرة كربون أخرى مرتبطة بذرة البلاديوم، فمن المرجح أن تترابط مع بعضها البعض.

وبعد عامين، بدأ أكيرا سوزوكي في استخدام أساس الحفرة. هذه الذرة هي أخف عامل تنشيط حتى الآن، وهي أقل سمية من الزنك، وهي حقيقة تعتبر ميزة عندما يصل الإنتاج إلى المستوى التجاري. فمثلاً يستخدم تفاعل سوزوكي في التحضير التجاري (آلاف الأطنان) من مادة فعالة تحمي المحاصيل الزراعية من الفطريات الضارة.

اليوم، يعتبر تفاعل هاك، وتفاعل جيشتشي، وتفاعل سوزوكي ذا أهمية كبيرة للكيميائيين. أحد الأمثلة الأكثر إثارةً لاستخدام تفاعل الاقتران المحفز بالبلاديوم هو تحضير مادة الباليتوكسين - وهي مادة عملاقة في عالم الكيمياء. وهو سم طبيعي تم عزله لأول مرة من الشعاب المرجانية في هاواي عام 1971. وتحتوي المادة على 129 ذرة كربون، و223 ذرة هيدروجين، و3 ذرات نيتروجين، و54 ذرة أكسجين. وفي عام 1994، تمكن العلماء من تحضير هذا الجسيم العملاق، جزئيًا بمساعدة تفاعل سوزوكي.

إن التركيبات الصعبة للغاية، مثل تركيبة الباليتوكسين، تجبر الكيميائيين على تحسين وسائلهم وتحسينها. علاوة على ذلك، من المهم تصنيع المواد الطبيعية بشكل مصطنع في المختبر لأغراض البحث. عندما يكتشف العلماء مادة جديدة فإنهم يستخدمون طرقًا كيميائية مختلفة لفهم كيفية ترتيب الذرات المختلفة فيها. ومع ذلك، فإن الطريقة الوحيدة للتحقق من هذه البنية هي من خلال التوليف الاصطناعي ومقارنتها بالمادة الطبيعية.

وسيلة للبحث عن أدوية جديدة

كما هو موضح أعلاه، يعد تفاعل الاقتران المحفز بالبلاديوم أداة مهمة في البحث عن أدوية جديدة. اليوم، يستخدم العلماء في جميع أنحاء العالم المحيطات باعتبارها "صيدلية" ضخمة. وتمكنوا من عزل آلاف المواد من الكائنات الحية التي تعيش في البحر، وشكلت هذه المواد حافزا لمزيد من التقدم العلمي. وباستثناء مادة ديسكوديرموليد، فإن مادة ديازوناميد أ، التي مصدرها الفلبين، تم تحضيرها بعملية اصطناعية مماثلة. وقد ثبت في التجارب المعملية أن هذه المادة فعالة ضد سرطان القولون. مثال آخر هو مادة دراجماسيدين إف، التي تم عزلها من إسفنجة وجدت على سواحل إيطاليا. وأظهرت التجارب المعملية الأولية أن هذه المادة فعالة ضد فيروسات الهربس والإيدز.

يستخدم الكيميائيون أيضًا هذا التفاعل لتعديل المواد الطبية الطبيعية من أجل تحسين فعاليتها. ومن الأمثلة على ذلك مادة الفانكومايسين، وهي مادة مضادة حيوية تم عزلها لأول مرة في الخمسينيات من عينة تربة مأخوذة من غابات بورنيو. اليوم، يتم استخدام هذه المادة ضد بكتيريا المكورات العنقودية من الأنواع التي طورت مقاومة لمعظم المضادات الحيوية الشائعة اليوم. وبطبيعة الحال، هذه البكتيريا غير ضارة، لكنها يمكن أن تصيب الجروح وتسبب مضاعفات بعد زراعة الأعضاء. وبسبب هذا التطور الخطير، يحاول العلماء إدخال تغييرات على بنية المادة حتى تتمكن من التأثير أيضًا على السلالات المقاومة لها. وباستخدام الوسائل الكيميائية الناجحة قاموا بإعداد سلالات من المادة كانت فعالة ضد هذه الأنواع المقاومة.

حتى شاشات الكمبيوتر أرق

تستفيد صناعة الإلكترونيات أيضًا من تفاعل الاقتران المحفز بالبلاديوم، على سبيل المثال عند البحث عن مصادر إشعاع أفضل للثنائيات. تحتوي الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) على جزيئات عضوية تنبعث منها الضوء. يتم استخدامها في صناعة الإلكترونيات في إنتاج شاشات عرض رفيعة للغاية، يبلغ سمكها بضعة ملليمترات. استخدم الكيميائيون التفاعل لتعزيز الضوء الأزرق المنبعث من هذه الثنائيات.

التقدم اللانهائي

نظرًا لأن تفاعل هاك، وتفاعل سوزوكي، وتفاعل جيشتشي، جميعها مهمة للغاية في تحضير المواد الكيميائية المعقدة، فقد قام كيميائيون آخرون أيضًا بتحسين هذه التفاعلات وتعديلها. أحد هذه التغييرات يتعلق بالحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام. وفي ربيع عام 2010، أفاد العلماء أنهم نجحوا في ربط ذرات البلاديوم بمادة الجرافين، ثم تم استخدام المادة الصلبة الناتجة لإجراء تفاعل سوزوكي في الماء.
لا يزال تفاعل الاقتران المحفز بالبلاديوم يستخدم كأساس للتطوير والبحث، حتى بعد مرور 40 عامًا منذ أن بدأ ريتشارد هاك تجاربه في مختبرات ديلاوير. إن اكتشافات الكيميائيين الثلاثة اليوم لها أهمية كبيرة للبشرية جمعاء. وفي الوقت نفسه، وفي ظل التطورات التي تجري اليوم في المختبرات حول العالم، فمن المرجح أن تصبح ردود أفعالها أكثر أهمية في المستقبل.

مادة لمزيد من القراءة

مقالات علمية
هيك، آر إف ونولي، جي بي (1972) J. Org. الكيمياء. 37، ص. 2320.
Negishi, E.-I., King, AO and Okukado, N. (1977) J. Org. الكيمياء. 42، ص. 1821.
مياورا، ن. وسوزوكي، أ. (1979)، ج. كيم. شركة نفط الجنوب. الكيمياء. الجماعة، ص 866.
مقالات المراجعة
نيجيشي، إي. (1999) لمحة عن البروفيسور ريتشارد ف. اكتشاف هيك لتفاعل هيك. مجلة الكيمياء العضوية المعدنية 576، ص. الخامس عشر إلى السادس عشر.
روحي، م. (2004) الكيمياء. & م. الأخبار، 82 (36)، سبتمبر. 6، ص. 49-58. [مقال عن سوزوكي.]
de Meijere، A. and Diederich، F. (Eds.) (2004) تفاعلات الاقتران المتقاطع المحفز بالمعادن، المجلد. 1 و 2، وايلي-VCH، فاينهايم. ص. 916.
Buchwald, SL (Ed.) (2008) حسابات البحوث الكيميائية، المجلد. 41 نوفمبر. 11، ص. 1439-1564. [عدد خاص حول الاقتران المتقاطع.]