تحوّل الكيمياء الكهربائية الكربون إلى جزيئات مفيدة

أدى تعاون كيميائي إلى طريقة خلّاقة في إستخدام ثنائي أكسيد الكربون بطريقة جيدة وصحيّة حتى، وذلك بدمجه عبر إصطناع كهربائي في سلسلة من الجزيئات العضوية التي تعد مهمة لتطوير الأدوية.

حقق فريق البحث إكتشاف مبتكر بهذا الإجراء، فبتغيرهم لنمط المفاعل الكهروكيمياوي إستطاعوا صنع منتجين مختلفين تمامًا، وكلا المركبين المنتجين يعد مفيدًا في الكيمياء الطبية.

نُشرت الورقة البحثية للفريق “يُملي المفاعل الكهروكيمياوي إنتقائية موقع إدخال زمرة الكربوكسيل على الأرينات غير المتجانسة الحاوية على ذرة آزوت” في 5 من كانون الثاني/ يناير في مدوّنة “Nature”. المؤلفون الرئيسيون المشاركون هم باحثوا ما بعد الدكتوراه Peng Yu وWen Zhang وGuo-Quan Sun في جامعة سيتشوان في الصين.

إستخدم فريق Cornell سابقًا، بقيادة Song Lin وهو أستاذ في الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية في كلية الآداب والعلوم هذا الإجراء الكهروكيمياوي لربط جزيئات الكربون البسيطة معًا، وتشكيل مركبات معقدة، لاغين بذلك الحاجة للمعادن الثمينة أو حفّازاتها لتنشيط التفاعل الكيميائي.

بالنسبة للمشروع الجديد، فقد وجّهوا أنظارهم لهدف أكثر تحديدًا، البيريدين، وهي ثاني أكثر حلقة غير متجانسة سائدة في الأدوية المعتمدة لدى إدارة الغذاء والدواء. الحلقات غير المتجانسة عبارة عن مركبات عضوية، حيث ترتبط ذرات الجزيئات وفق بنية حلقية، واحدة على الأقل من الذرات المشكلة للحلقة ليست ذرة كربون. إعتبرت هذه الوحدات البنائية “حوامل الخاصة الدوائية” لتواجدها المتكرر في المركبات الفعّالة الطبيّة، وتوجد بشكل شائع في الكيماويات الزراعية.

كان هدف الباحثين تحضير بريدينات كربوكسيلية أي بيريدينات مُلحقة بثنائي أكسيد الكربون.

حيث فائدة إدخال ثنائي أكسيد الكربون إلى حلقة البيردين هو إمكانياتها في تغيير وظيفة الجزيء، ومن المحتمل مساعدته على الإرتباط بأهداف معينة، مثل البروتينات. ومع ذلك فإن الجزيئتين ليستا شريكتين بشكل طبيعي، حيث البيريدين جزيء فعّال بينما ثنائي أكسيد الكربون خامل بشكل عام.

قال Lin كبير المؤلفين المشاركين في الورقة البحثية، إلى جانب Da-Gang Yu من جامعة سيتشوان: “هناك طرق قليلة جدًا لإدخال ثنائي أكسيد الكربون إلى حلقة البيردين مباشرة”. ويضيف: “الطرائق الحالية لها حدود صارمة للغاية”.

جمع مختبر Lin بين خبرته في الكيمياء الكهربائية وإختصاص مجموعة Yu في إستخدام ثنائي أكسيد الكربون في التخليق العضوي، حيث تمكنوا من إصطناع بريدينات كربوكسيلية بنجاح.

قال Lin: “تمنحك الكيمياء الكهربائية هذا النفوذ للوصول إلى الإمكانية الكافية لتنشيط بعض من أكثر الجزيئات خمولًا، وهكذا تمكنا من الوصول لهذه الإستجابة”.

ظهر إكتشاف الفريق بالصدفة أثناء قيامهم بالإصطناع الكهربائي. حيث يُجري الكيميائيين عادة تفاعل كهروكيمياوي بإحدى الطريقتين: في خلية كهروكيميائية غير مقسومة (يكون المصعد والمهبط اللذان يغذيان التيار الكهربائي في نفس المحلول)، أو في خلية كهروكيميائية مقسومة (يكون المصعد والمهبط بمقتضاه مفصولان بحاجز مسامي يمنع مرور الجزيئات العضوية الكبيرة ويسمح للأيونات بالمرور عبره).

ويمكن لطريقة أن تكون أكثر كفاءة من الاخرى، لكن كلاهما يعطي المنتج نفسه.

وجدت مجموعة Lin أن التبديل من خلية مقسومة إلى خلية غير مقسومة مكنهم من ربط جزيئات ثنائي أكسيد الكربون بانتقائية في مواقع مختلفة على حلقة البيردين، مصطنعين بذلك منتجين مختلفين: فالخلية غير المقسومة تعطي حلقة بريدين حاوية على زمرة كربوكسيلية على ذرة الكربون في الموقع رقم 4، بينما في الخلية المقسومة تكون زمرة الكربوكسيل على ذرة الكربون في الموقع رقم 5 لحلقة البيريدين.

يقول Lin: “إنها المرة الأولى التي نكتشف أنه بمجرد تغيير الخلية ببساطة، والتي ندعوها بالمفاعل الكهروكيمياوي، يمكنك بذلك تغيير المنتج كليًّا”. ويضيف: “أعتقد أن آلية فهم لم حدث هذا سيسمح لنا بالإستمرار في تطبيق هذه الإستراتيجية على جزيئات أخرى، وليس فقط على البيريدينات، وربما إصطناع جزيئات أخرى بهذه الإنتقائية لكن بطريقة مسيطر عليها. وأعتقد أن هذا مبدأ عام يمكن تعميمه على الأنظمة الأخرى”.

يقول Lin: “بينما شكل المشروع لإستخدام ثنائي أكسيد الكربون لن يكون قادرًا على حل تحديات الكوكب في التغير المناخي، لكنها خطوة صغيرة بإتجاه الإستخدام المفرط لثنائي أكسيد الكربون بطريقة مفيدة”.

يتضمن المؤلفون المشاركون: باحث ما بعد الدكتوراه Yi Wang وطالب الدكتوراه Zhipeng Lu، وباحثون من جامعة سيتشوان.