شیمی‌دان‌های مدرن در تلاشند با جایگزین کردن کاتالیزورهای فلزی‌ فراوان و سازگار با محیط زیست به‌جای فلزهای ارزشمند به تولید دارو بپردازند.

کیمیاگرهای کهن تلاش می‌کردند سرب و دیگر فلزهای متداول را به طلا و پلاتین تبدیل کنند. امروزه شیمی‌دان‌های مدرن در آزمایشگاه پاول چیریک در پرینستون در تلاش‌اند با یافتن جایگزین‌های سازگار با محیط و ارزان برای فلزهای ارزشمندی مثل پلاتین، رودیوم و… وابستگی تولید دارو و صنایع داروسازی را به این فلزهای ارزشمند و ناسازگار با محیط از بین ببرند.

آن‌ها به یک روش انقلابی برای تولید یک نوع داروی صرع رسیده‌اند، در این روش به‌جای رودیوم و دی‌کلرومتان (حلال‌های سمی)، از کبالت و متانول برای تولید دارو استفاده می‌شود. واکنش جدید سریع‌تر و ارزان‌تر است و تأثیر کمی بر محیط دارد. به گفته‌ی چیریک، استاد شیمی دانشگاه ادواردز اس. سانفورد:

این یافته بر اهمیت شیمی سبز تأکید می‌کند، در شیمی سبز محلول سازگار با محیط به محلول شیمیایی ترجیح داده می‌شود. این کشف دارویی تمام عناصر سمی را در برمی‌گیرد. ما این برنامه را تقریبا ۱۰ سال پیش شروع کردیم که با هزینه‌ی زیادی همراه بود. فلزهایی مثل رودیوم و پلاتین بسیار گران‌قیمت هستند؛ اما با شروع کار فهمیدیم مشکلات ما فراتر از هزینه و سرمایه‌‌ی مادی است. این آزمایش با نگرانی‌های شدید محیطی همراه بود، استخراج پلاتین از زمین مستلزم حفر تا عمق یک مایلی زمین است و نشر انبوه کربن‌دی اکسید را به همراه خواهد داشت.

چیریک و تیم پژوهشی برای یافتن روش‌های سازگارتر با محیط و تولید مواد موردنیاز برای شیمی دارویی مدرن، با شیمی‌دان‌های مؤسسه‌ی Merck & Co همکاری کردند. این همکاری به‌واسطه‌ی یکی از برنامه‌های مؤسسه‌ی ملی علوم با عنوان GOALI امکان‌پذیر شد.

از طرفی بسیاری از مولکول‌ها در شکل‌های راست‌گرد و چپ‌گرد، عملکرد متفاوتی دارند و گاهی این واکنش‌ها با پیامدهای خطرناکی همراه هستند. سازمان غذا و داروی آمریکا با اعمال محدودیت‌هایی تأکید دارد که داروها تنها یک جهت (راست‌گرد یا چپ‌گرد) داشته باشند، به چنین داروهایی تک آنانتیومری گفته می‌شود.

انقلاب در شیمی سبز توسط شیمیدان های نوین

چیریک می‌گوید:

شیمی‌دان‌ها به‌دنبال روش‌هایی هستند که تنها یک جهت مولکول‌های دارویی را ترکیب کنند (به‌جای ترکیب هردو جهت و سپس جداسازی آن). کاتالیزورهای فلزی که قبلا از فلزهای ارزشمندی مثل رودیوم ساخته می‌شدند، به حل این مشکل می‌پردازند. این مقاله نشان می‌دهد می‌توان از فلزهایی با فراوانی بیشتری مثل کبالت برای ساخت داروی صرع ازجمله کپرا استفاده کرد.

پنج سال پیش پژوهشگرها در آزمایشگاه چیریک نشان دادند می‌توان از کبالت برای تولید مولکول‌های تک آنانتیومری طبیعی استفاده کرد و به‌جای ترکیب‌های فعال و حلال‌های سمی از ترکیب‌های ساده برای تولید آن‌ها استفاده کرد. تیم این آزمایش را روی نمونه‌های واقعی انجام داد تا نشان دهد کبالت نسبت به فلزهای ارزشمند، سازگاری بیشتری با محیط دارد.

سازگاری متانول با محیط از حلال‌های کلری بیشتر است

آن‌ها به این نتیجه رسیدند که روش جدید مبتنی برکبالت نسبت به روش رودیوم سریع‌تر است. به‌گفته‌ی چیریک، این مقاله یک نمونه‌ی نادر را نشان می‌دهند که در آن یک فلز با فراوانی زیاد نسبت در ترکیب داروهای تک آنانتیومری بهتر از فلزهای ارزشمند عمل می‌کند و قطعا استفاده از کاتالیزورهای فراوان‌ در طبیعت به‌جای فلزهای ارزشمند، مزایای زیست‌محیطی و مادی زیادی را به همراه دارد. برای مثال می‌توان به واکنش‌پذیری بهبودیافته و کاهش اثر محیطی اشاره کرد؛ البته ممکن است مزایای دیگری هم وجود داشته باشند که قبلا در هیچ نمونه‌ای مشاهده نشده‌اند.

فلزهای اصلی نه‌تنها ارزان‌تر هستند بلکه نسبت به فلزهای کمیاب، سازگاری بیشتری با محیط دارند، اما این روش جدید از متانول استفاده می‌کند که نسبت به حلال‌های کلری موردنیاز رودیوم، با محیط سازگارتر است. چیریک می‌گوید:

تولید مولکول‌های دارویی به دلیل پیچیدگی بالا یکی از پراتلاف‌ترین فرآیندها در صنایع شیمیایی است. ‌ عامل اصلی تولید ضایعات، نوع حلال به‌کاررفته در واکنش است. روند و فرآیند تولید داروی به دی‌کلرومتان وابسته است که یکی از حلال‌های ارگانیک دارای حداقل سازگاری با محیط است. پژوهش ما نشان می‌دهد کاتالیزورهای فراوان نه‌تنها در متانول (به‌عنوان یک حلال سازگار) واکنش می‌دهند بلکه عملکرد بهینه‌ای در این واسطه دارند.

این کشف یک پیشرفت انقلابی برای کاتالیزورهای فلزی فراوان است؛ زیرا درگذشته پایداری و مقاومت آن‌ها به‌اندازه‌ی فلزهای ارزشمند نبود. پژوهش ما نشان می‌دهد هر دو واسطه‌ی حلال و فلزی می‌توانند به‌صورت سازگار با محیط عمل کنند.

به‌گفته‌ی مکس فردفلد مؤلف ارشد این مقاله و دانشجوی فارغ‌التحصیل آزمایشگاه چیریک، متانول یک حلال متداول برای ساختار شیمیایی تک جهتی است؛ اما اولین بار است که در یک سیستم کبالتی به‌خوبی عمل می‌کند. میل ترکیبی کبالت با حلال‌های سازگار با محیط شگفت‌انگیز است. چریک می‌گوید:

تقریبا به مدت ۱۰ سال، کاتالیزورهای فلزهای فراوان مثل آهن و کبالت برای واکنش به شرایطی با خلوص و خشکی بالا نیاز داشتند، این کاتالیزورها بسیار شکننده بودند. با واکنش در متانول نه‌تنها شکل محیطی واکنش بهبود پیدا کرد؛ بلکه استفاده از کاتالیزورها و کنترل آن‌ها نیز آسان‌تر شد. این نتیجه کبالت را به رقیبی برای فلزهای ارزشمند تبدیل کرده که می‌تواند در بسیاری از کاربردها ازجمله هیدروژنه‌سازی مورداستفاده قرار بگیرد.

 

انقلاب در شیمی سبز توسط شیمیدان های نوین

همکاری با مرک، کلید دستیابی به این کشف بود. به گفته‌ی چیریک این یک نمونه‌ی برجسته از همکاری صنعتی، آموزشی است که به کاربرد روش‌های بنیادی برای مثال جریان متفاوت الکترون‌ها در کبالت در مقایسه با رودیوم یا ساخت یک داروی مهم به شیوه‌ای پایدارتر تأکید می‌کند.. شلوین می‌گوید:

به‌جای چند مرتبه آزمایش فرضیه‌ی خیلی سریع، مجموعه‌ آزمایش‌های بزرگی را طراحی کردیم که دامنه‌ی فضای شیمیایی آن‌ها بزرگ‌تر است. همکاری بین آن‌ها شگفت‌انگیز بود؛ دانشمندانی مثل مک فردفیلد و آرون ژانگ می‌توانند صدها آزمایش را در آزمایشگاه ما اجرا کنند و سپس نتایج دقیقی را به پرینستون ارائه دهند. اطلاعات به‌دست‌آمده می‌تواند زمینه‌ای برای طرح آزمایش‌های جدید باشد.

آزمایشگاه چیریک بر کاتالیزورهای همگن متمرکز است، در این شرایط از موادی استفاده می‌شود که در حلال‌های صنعتی قابل‌حل باشند. به ‌گفته‌ی چیریک، کاتالیزور همگن معمولا حوزه‌ی فلزهای ارزشمند را در برمی‌گیرد، فلزهایی که در پائین جدول تناوبی جای می‌گیرند.

این فلزها به‌دلیل موقعیتی که در جدول تناوبی دارند، دچار تغییرات الکترونی قابل پیش‌بینی می‌شوند و به‌همین دلیل می‌توان از این عناصر، جواهرات مختلف را تولید کرد، زیرا دچار اکسایش نمی‌شوند و با اکسیژن واکنش نمی‌دهند؛ بنابراین وقتی به‌سراغ عناصر فراوان بروید (برای مثال عناصر سطر اول جدول تناوبی)، ساختار الکترونیکی (جابه‌جایی الکترون‌ها در عنصر) تغییر می‌کند و با بررسی شیمی تک الکترونی می‌توانید به‌دلیل زنگ زدن و واکنش این عناصر پی ببرید. به‌گفته‌ی ویوی دونگ، استاد شیمی دانشگاه کالیفرنیا، روش چیریک تغییرات بنیادی را برای شیمی به همراه خواهد داشت. شیمی سنتی به بررسی اکسایش دوالکترونی می‌پردازد و روش پاول به اکسایش تک الکترونی. شاید در ظاهر اختلاف بزرگی نباشد؛ اما برای یک شیمی‌دان تفاوت این دو بسیار چشم‌گیر است.

مسئله‌ی حائز اهمیت برای یک شیمی‌دان عملکرد مواد در سطح الکترونی و اتمی است.  بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، این آزمایش‌ را می‌توان بر مواد دیگر هم پیاده‌سازی کرد. به گفته‌ی چیریک این پژوهش به بررسی حوزه‌ای از جدول تناوبی می‌پردازد که مدت‌هاست موردبررسی قرار نگرفته و بنابراین ثروت عظیمی برای شیمی بنیادی به شمار می‌رود. با یادگیری روش کنترل جریان الکترونی، پنجره‌ی جدیدی به روی جهان باز خواهد شد.

اخیرا کشف‌های بسیاری در زمینه‌ی شیمی صورت گرفته است که با دانش معمول ما متفاوت است. به تازگی دانشمندان توانسته‌اند ترکیبی جدید از هلیوم بسازند.

اگر شیمی دبیرستان را به یاد داشته باشید، می‌دانید که هلیوم گازی نجیب است، کم‌ترین میزان واکنش‌پذیری را در جدول تناوبی دارد و چون بیرونی‌ترین لایه‌ی الکترونی آن پر است، با دیگر عنصرها واکنش نمی‌دهد تا ترکیب‌های پایدار ایجاد کند.

دیگر گازهای نجیب تحت فشار زیاد ترکیباتی را ایجاد کرده‌اند؛ اما تاکنون هلیوم ترکیب پایداری ایجاد نکرده بود. دانشمندان گزارش داده‌اند که ترکیبی ساخته‌اند که به نظر می‌رسد ترکیب پایداری از هلیوم و سدیم باشد. ساخت این ترکیب بسیاری از فرضیات اساسی شیمی مدرن را زیر سوال می‌برد.

آدام پاپاو از دانشگاه یوتا و از اعضای تیم می‌گوید:

وقتی فشارهای بالا را اعمال می‌کنید، شیمی تغییر می‌کند. این فشارهای بالا در داخل زمین و در سیاره‌های متفاوتی مانند زحل قابل دستیابی است. اما این پژوهش بسیاری از معادلات را به هم می‌زند.

هلیوم دومین عنصر فراوان در جهان است و در بالای گروه شش عضوی گازهای نجیب قرار گرفته است. آخرین لایه‌ی الکترونی این عنصرها که عامل واکنش‌پذیری آن‌ها هم است، پر است؛ بنابراین این گازها با دیگر عنصرها واکنش نمی‌دهند و ترکیبی ایجاد نمی‌کنند.

این گازها از این جهت نجیب نامیده می‌شوند که با عنصرهای دیگر واکنش نمی‌دهند. البته در شرایط ویژه می‌توانید نشانه‌هایی از واکنش‌پذیری آن‌ها را مشاهده کنید. گازهای نجیب به دو دسته تقسیم می‌شوند: گروه اول شامل کریپتون، زنون و رادون تا حدودی واکنش‌پذیر شناخته می‌شوند؛ گروه دیگر شامل آرگون، نئون و هلیوم کاملا واکنش‌ناپذیر محسوب می‌شوند.

پژوهشگران راه‌هایی برای اتصال هلیوم به دیگر عنصرها یافته بودند؛ اما تاکنون نتایج ناپایدار بودند. از برهم‌کنش‌های هلیوم با دیگر عنصرها می‌توان به پیوند وان‌دروالس اشاره کرد. نیروی وان‌دروالس، جزو نیروهای جاذبه یا دافعه است که بدون نیاز به پیوند کووالانسی یا یونی شکل می‌گیرد. در واقع پیوند کووالانسی یا یونی، با اشتراک‌گذاری الکترون‌ها بین اتم‌ها شکل می‌گیرد تا یک مولکول ایجاد شود. اما پیوند وان‌دروالسی، نیروی ضعیف‌تری است که بین مولکول‌ها یا اتم‌های منفرد شکل می‌گیرد، بی آنکه مولکولی ایجاد کند.

پیوند وان‌دروالس بین هلیوم و دیگر اتم‌ها وجود دارد. در دماهای بسیار پایین، هلیوم می‌تواند “مولکول‌های واندروالسی” ایجاد کند. مولکول‌های واندروالسی خوشه‌هایی از اتم‌ها یا مولکول‌ها هستند که نیروی اتصال دهنده‌ی آن‌ها بسیار ضعیف بوده و ناپایدار نیز هستند.

هلیوم واکنش پذیر نیست؛ زیرا آرایش الکترونی لایه‌ی بیرونی آن کامل است. در واقع آرایش الکترونی لایه‌ی آخر آن جایی برای به اشتراک‌گذاری الکترون با دیگر اتم‌ها ندارد تا پیوند ایجاد شود. اما این شرایط روی سطح زمین برقرار هستند.

هلیوم یکی از فراوان‌ترین عنصرهای هستی است و در شکل‌گیری ستاره‌ها و سیاره‌های غول‌پیکر نقش دارد. هلیوم در فضا و در هسته‌ی زمین، بسیار متفاوت عمل می‌کند. اکنون پژوهشگران موفق شده‌اند تا نخستین شواهد از این رفتار عجیب را بیابند.

آلکس بولدروف، یکی از اعضای تیم از ایالت یوتا می‌گوید:

فشارهای خیلی بالا، مثل فشار مرکز کره‌ی زمین یا فشار سیاره‌های گازی همسایه کاملا شیمی هلیوم را تغییر می‌دهد.

پژوهشگران از یک مدل کامپیوتری پیش‌بینی‌کننده‌ی ساختار کریستال استفاده کردند تا پیش‌بینی کنند که آیا در فشارهای خیلی بالا، ترکیب پایدار هلیوم-سدیم می‌تواند شکل بگیرد یا خیر. آن‌ها سپس این ترکیب، یعنی Na2He را در یک سندان الماس ساختند.

این سندان الماس امکان دستیابی به فشار ۱.۱ میلیون برابر فشار اتمسفری زمین را ممکن می‌سازد. بولدروف می‌گوید که این نتایج غیر قابل انتظار بودند و آن‌ها بیش از دو سال تلاش کردند تا بازخوان‌ها و سردبیران ساینس را متقاعد کنند که نتایج آن‌ها را چاپ کنند.

تیم با توجه به این نتایج پیش‌بینی می‌کند که تحت شرایط فشار ۱۰ میلیون برابر فشاری که آن‌ها به آن دست یافته اند، سدیم به راحتی با گاز هلیوم ترکیب می‌شود و ترکیب Na2He را ایجاد می‌کند. عجیب است که این ترکیب بدون هیچ پیوند شیمیایی که آن‌ها را در کنار هم نگاه دارد، ایجاد می‌شود.

ژائو دانگ از دانشگاه نانکای در چین در بیانیه‌ای گفته است:

ترکیبی که یافته‌ایم، بسیار ویژه است: اتم‌های هلیوم پیوند شیمیایی تشکیل نداده‌اند؛ اما حضور آن‌ها برهم‌کنش‌های شیمایی بین اتم‌های سدیم را تغییر داده و الکترون‌ها را داخل حفره‌های ساختار مکعبی مستقر کرده است.

در تصویر زیر، ساختار کریستالی Na2He را می‌بینید. اتم‌های سدیم به رنگ بنفش و اتم‌های هلیوم سبز هستند. الکترون‌ها فضاهای قرمز بین آن‌ها هستند.

ساخت ترکیب پایداری از هلیوم توسط دانشمندان شیمی

پاپوف می‌گوید که پیوند تشکیل شده، پیوندی واقعی مانند پیوندهای یونی یا کووالانسی نیست؛ اما این هلیوم است که ساختار را پایدار کرده است. اگر اتم‌های هلیوم را حذف کنید، این ساختار پایدار نخواهد بود. در اینجا چند بازنمود دیگر از این ترکیب را می‌بینید. در تصویر سمت چپ، سدیم صورتی و هلیوم سفید است. در تصویر سمت راست، مکعب‌های سدیم و هلیوم خاکستری و الکترون‌ها قرمز هستند:

ساخت ترکیب پایداری از هلیوم توسط دانشمندان شیمی

اخیرا شیمی دان‌ها اکتشافات خارج از قاعده‌ی زیادی انجام داده‌اند. تیم‌های جداگانه‌ای نخستین نمونه از هیدروژن فلزی و مولکول کربنی با ۶ پیوند (و نه چهارپیوند) را ساخته‌اند؛ اما چون این نتایج با عقل سلیم مطابقت ندارند، با شک بسیاری با آن‌ها برخورد می‌شود و معمولا کسی به سراغ تکرار آزمایش نمی‌رود. نتایج این مطالعه به نظر معتبر می‌رسند؛ بنابراین منتظر نتایج جالب آزمایش‌های بعدی خواهیم ماند.

هنری رپا، از کالج امپریال لندن، در این مطالعه شرکت نداشته است. او با مقایسه‌ی کشف هیدروژن فلزی و پیوندهای هلیوم می‌گوید:

این پژوهش علمی‌تر است. ترکیب هلیوم می‌تواند پیشرفتی بزرگ در علم باشد.

باید آزمایش‌های بیشتری انجام شوند تا اطلاعات بیشتری به دست بیاوریم. تا به اینجا به نظر می‌رسد که سال ۲۰۱۷ سالی است که بسیاری از باورهای شیمی قدیمی ما را به چالش کشیده است و نمی‌توان منتظر بود و دید که دیگر چه اکتشافاتی صورت خواهد پذیرفت.