تبين أن المادة الرخيصة والشائعة كانت بمثابة محفز ممتاز

اكتشف الكيميائيون أن مركب البوتاسيوم الرخيص والآمن للاستخدام والشائع بطبيعته يمكن استخدامه كمحفز في إنتاج مواد كيميائية مهمة للصناعات الدوائية والزراعية والتصوير الطبي، بدلاً من المعادن باهظة الثمن والنادرة.

[ترجمة د. موشيه نحماني]
اكتشف الكيميائيون أن مركب البوتاسيوم الرخيص والآمن للاستخدام والشائع بطبيعته يمكن استخدامه كمحفز في إنتاج مواد كيميائية مهمة للصناعات الدوائية والزراعية والتصوير الطبي، بدلاً من المعادن باهظة الثمن والنادرة.

اكتشف فريق من الكيميائيين من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) طريقة لإنشاء مجموعة من المواد الكيميائية العضوية القائمة على الكبريت دون الاعتماد على محفزات معدنية نادرة وباهظة الثمن. بدلاً من هذه المحفزات، تستخدم طريقتهم المبتكرة مادة كيميائية شائعة ورخيصة يتم استخدامها كيميائيًا في كل مختبر حول العالم - ثلاثي بوتوكسيد البوتاسيوم (ويكيبيديا) - كمحفز، من أجل المساعدة في إنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات، من الأدوية الجديدة إلى المواد المتقدمة. اكتشف الباحثون لدهشتهم أن المحفز أكثر فعالية بكثير من جميع اقترانات المعادن الثمينة الأكثر تقدمًا في مجالهم والتي تستخدم كمحفزات للتفاعلات الكيميائية الصعبة بشكل خاص.

وقال أنطون: "لقد أظهرنا، لأول مرة على الإطلاق، أنه من الممكن إنشاء رابطة كربون-حديد بشكل فعال باستخدام محفز آمن ورخيص يعتمد على البوتاسيوم بدلا من المعادن النادرة والمكلفة مثل البلاتين والبلاديوم والإيريديوم". توتوف، الباحث الذي أجرى هذه التجارب. "نحن متحمسون للغاية لاكتشاف الطريقة الجديدة ليس فقط لأنها "أكثر مراعاة للبيئة" وأكثر كفاءة، ولكن أيضًا لأنها أرخص بآلاف الأمتار من الطرق المقبولة اليوم. هذه هي التكنولوجيا التي يمكن للصناعة الكيميائية أن تتبناها بسهولة.

تمثل النتائج إحدى الحالات الأولى التي ينحرف فيها الحفز الكيميائي - استخدام المحفزات لتسريع التفاعلات الكيميائية - عن الاستخدام المعتاد للمواد غير المستدامة؛ في حين أن المعادن الثمينة المستخدمة في معظم المحفزات الشائعة نادرة وقد تصبح نادرة في المستقبل، فإن البوتاسيوم عنصر شائع جدًا على الأرض. قدم الباحثون نتائج عمليتهم الكيميائية "الخضراء" المبتكرة في مجلة الطبيعة المرموقة.

يقول الباحث بريان ستولتز، أستاذ الكيمياء في المعهد، إن الباحثين الآخرين فوجئوا للغاية بهذه النتائج لأنه على الرغم من أن الكيمياء وراء المحفز معقدة للغاية وصعبة، فإن المحفز نفسه - ثالثي بوتوكسيد البوتاسيوم - يبدو بسيطًا بشكل ملحوظ. يوفر المسحوق الأبيض، الذي يشبه ملح الطعام، طريقة بسيطة وصديقة للبيئة لإجراء تفاعل يتم فيه تحويل الرابطة الكيميائية بين الكربون والهيدروجين إلى رابطة كيميائية بين الكربون والحديد من أجل تكوين جزيئات تعرف باسم السيلان العضوي. تعتبر هذه الجزيئات العضوية ذات أهمية كبيرة لأنها بمثابة لبنات بناء كيميائية مهمة خاصة في مجال الكيمياء الطبية مما يؤدي إلى تطوير أدوية جديدة. كما أنها تحمل وعدًا بتطوير مواد جديدة لاستخدامها في منتجات مثل شاشات LCD والخلايا الشمسية العضوية، وفي تطوير مبيدات حشرية جديدة وأكثر فعالية، وفي تطوير مواد جديدة للتصوير الطبي. "القدرة على تنفيذ هذا التفاعل بنجاح، والذي يعد من أكثر التفاعلات التي تمت دراستها في عالم الكيمياء، وذلك بمساعدة مادة بسيطة مثل ثالثي بوتوكسيد البوتاسيوم - وهي مادة لا تعتمد على معدن ثمين ولكنها لا تزال يقول الباحث: "يعمل كمحفز - كان مفاجأة كاملة بالنسبة لنا".

بدأ البحث الحالي منذ عدة سنوات عندما تناول الباحث المشارك أليكسي فيدوروف موضوعًا مختلفًا تمامًا، حيث حاول كسر روابط الكربون والأكسجين في الكتلة الحيوية باستخدام مركبات الحديد البسيطة والمعادن ومادة البوتاسيوم ثالثي بوتوكسيد المعروفة باسم مادة الربح المضافة. خلال هذه الدراسة أجرى تجربة مراقبة قام فيها بإزالة المعدن وترك المادة المضافة. ومما أثار دهشته أن رد الفعل ما زال يحدث. ووجد الباحثون أنه بالإضافة إلى الحصول على النواتج المتوقعة من هذا التفاعل، تم الحصول على كمية صغيرة من السيلانات العضوية. وكان هذا الاكتشاف مفاجئًا بشكل خاص في ضوء حقيقة أن إنتاج هذه المواد (السيلان العضوي) يمثل تحديًا خاصًا. يوضح الباحث: "اعتقدت أن هذه النتيجة مستحيلة، لذلك عدت مرة أخرى وتحققت من رد الفعل هذا عدة مرات". "اتضح أن رد الفعل قد حدث!" واصل الباحثون ضبط ظروف التفاعل بحيث تمكنوا في النهاية من إنشاء السيلان العضوي الوحيد الذي يرغبون فيه في الاستخدام العالي في ظل ظروف معتدلة مع الحصول على غاز الهيدروجين باعتباره المنتج الثانوي الوحيد.

وفي الخطوة التالية، تمكن الباحثون من إنشاء مجموعة كاملة من هذه المواد الشائعة في الصناعات الكيميائية والدوائية. حتى أن مفاجأة الباحثين قادتهم إلى التحقق مما إذا كانت هناك كميات صغيرة من المعادن في الكواشف التي لم يتم ملاحظتها بشكل طبيعي. اكتشفوا لا. "لقد قمنا بتصنيع مادة ثالثي بوتوكسيد البوتاسيوم بأنفسنا وقمنا بشرائها أيضًا من عدد من الموردين المختلفين، وما زالت النتيجة كما هي. وحتى الآن، لم يتمكن الباحثون بعد من فهم سبب قدرة هذا المحفز البسيط على تنفيذ هذه التفاعلات المعقدة. يتعاون الباحثون مع مجموعات بحثية أخرى في مجال الكيمياء للإجابة على هذا السؤال. ويشير الباحث الرئيسي إلى أنه "من الواضح تماما أن المادة تعمل بآلية مختلفة تماما عن الآلية التي تعمل بها المعادن الثمينة". ويضيف الباحث ويشير إلى أنه على عكس المحفزات الأخرى التي تتوقف عن العمل أو تصبح حساسة للهواء/الماء عندما تصبح التفاعلات كبيرة/صناعية، يبدو المحفز الجديد مستقرًا بدرجة كافية لاستخدامه في الصناعة. ومن أجل إظهار القيمة الكبيرة لهذه المادة في الصناعة، استخدم الفريق الطريقة الجديدة لتحضير ما يقرب من 150 جرامًا من السيلان العضوي الثمين - وهي أكبر كمية من هذا المنتج يتم تحضيرها في تفاعل تحفيزي واحد. لم يتطلب التفاعل أي مذيب على الإطلاق، وأنتج غاز الهيدروجين باعتباره المنتج الثانوي الوحيد وحدث عند درجة حرارة 45 درجة مئوية - وهي أدنى درجة حرارة معروفة في الأدبيات حتى الآن يمكن أن يحدث فيها هذا التفاعل.

أخبار الدراسة

ملخص المقال