أزمة كيميائية

ترجمة: مريم الغافرية

في عام 1986، غلب النوم أحد الكيميائيين أثناء جلوسه أمام المدفئة واستغرق في الحلم. كان أوغست كيكولي يفكر في السؤال الأكثر إلحاحا في مجاله في هذا الزمن وهو عن «ماهية التركيب الكيميائي لمركب ما يدعى البنزين؟». وبينما كان مستغرقا في نومه، بدأت حفلة الذرات الراقصة في أحلامه وبدت كثعبان يأكل ذيله.

وكانت هذه إجابة سؤاله... يمكن الحل في ربط ذرات الكربون في البنزين معا في شكل حلقي.

قد لا تحتوي هذه القصة على دراما أرخميدس حينما خرج عاريا على قارعة الطريق، ولكنها كانت لحظة ممتعة ومضيئة في عقل أوغست. فقد تبين أن البنزين هو النموذج الأصلي لمركب له خاصية عطرية، ولكنها الآن تعرف بأحد أهم الأفكار في الكيمياء. فبدلا من الروابط القياسية المعتادة، تحتوي الجزيئات العطرية على روابط ديناميكية على شكل حلقي مما يمنحها ثباتا غير مسبوق ومجموعة من الخصائص الأخرى. كما أن ثلثي الجزيئات المعروفة عطرية بما في ذلك مكونات الحمض النووي والبروتينيات وجميعها اللبنات الأساسية للحياة.

ولكن... تحول الحلم مؤخرًا إلى كابوس فقد تم اكتشاف أنواع جديدة من الجزيئات العطرية في كل مكان لدرجة أن هناك العشرات من التعريفات المنافسة. وربما يكون أحد أهم النظريات في الكيمياء، ولكن لن يجتمع القول واحدا عن ماهيته بعد الآن. ومع ذلك، هناك أيضا أخبار جيدة حيث إن الارتباك دفع الكيميائيين إلى التفكير بعمق في معنى الجزيئات العطرية وأدى ذلك إلى ظهور أفكار جديدة حول كيفية استخدامها.

تُعرف الكيمياء بعلم الذرات والروابط والجزيئات وطريقة تحفيز هذه الجزيئات لتتفاعل مع بعضها البعض. واليوم، تظهر ثمار هذا العمل في كل مكان حولنا في هيئة مواد عجيبة تشكل ما حولنا ابتداءً من الملابس وحتى معجون الأسنان. أما القواعد الأساسية للكيمياء، فتظل راسخة. فنحن نعلم على سبيل المثال أن الروابط الكيميائية الأساسية تتضمن ذرتين تتشاركان في زوج من الإلكترونات.

ولكن.. هناك جزيئات لا تعمل بالقواعد المعتادة. وظهرت أكبر مجموعة من هذه الجزيئات لأول مرة عام 1825م عندما كان مايكل فاراداي يختبر الغاز والمستخدم لإضاءة المصابيح في المعهد الملكي في لندن حيث كان يعمل. وتمكّن فاراداي من عزل مادة ذات رائحة حلوة تسمى البنزين. كان هذا الأمر محيرًا من الناحية الكيميائية. فبالإضافة إلى رائحته الحلوة، كانت السمة المميزة للجزيء هي ارتباطه القوي، مما جعله مستقرًا بشكل غير متوقع. وسرعان ما تم العثور على جزيئات أخرى بهذا السلوك الشاذ وأصبحت تُعرف مجتمعة باسم «العطريات» في إشارة إلى الرائحة المميزة لأول مواد تم اكتشافها.

ومن خلال التجارب الدقيقة، توصل الكيميائيون إلى أن جزيئات البنزين تتكون من ست ذرات كربون وست ذرات هيدروجين. كان هذا غريبًا، لأن معظم مركبات الهيدروجين والكربون تحتوي تقريبًا على ضعف عدد ذرات الهيدروجين مثل ذرات الكربون. وهكذا، ولمدة 40 عامًا تقريبًا، ظلت بنية البنزين غامضة - حتى نشر كيكولي فكرة الحلقة الخاصة به بعد سنوات قليلة من حلمه بها.

قوية ومستقرة

استنتجت أجيال لاحقة من الباحثين أن كيكولي كان على حق إلى حد ما. فالبنزين عبارة عن حلقة مسطحة سداسية الشكل من ست ذرات كربون مع ذرة هيدروجين متصلة بكل منها. وبشكل حاسم، ليست كل الإلكترونات في الجزيء مشتركة بين ذرتين. فالبعض منها، المعروف باسم إلكترونات باي، «غير موضعية» على الحلقة بأكملها، مما يعني أنه يمكن أن يتدفق حولها. وهذا هو العامل الذي يعطي البنزين ثباته المعروف. فالمواد العطرية الأخرى، التي قد يكون لها حلقات مختلفة الحجم، على سبيل المثال، لديها أيضًا هذه الإلكترونات غير الموضعية.

فمنذ قرن من الزمن أو ما يقاربه، بدا كل شيء وكأنه يسير في مكانه الصحيح. يكون الجزيء عطريًا إذا كان مسطحًا، ويتكون من ذرات كربون مرتبة في شكل حلقي، ويحتوي على العدد الصحيح من إلكترونات باي. تم تحديد «الرقم الصحيح» بواسطة قاعدة ’هوكل‘، التي سميت على اسم الكيميائي إيريك هوكل، الذي عمل على الفكرة في عام 1931. ومن الناحية الفنية، تقول القاعدة أن حلقة الذرات تكون عطرية إذا كانت مسطحة وتحتوي على ن + 24 إلكترونات غير محددة (حيث إن ’ن‘ هو أي عدد صحيح موجب). في الممارسة العملية، هذا يعني أن الحلقات المكونة من ست أو 10 أو 14 ذرة كربون، على سبيل المثال، يمكن أن تكون عطرية، لكن الحلقات المكونة من أربعة أو ثمانية أو 12 ليست عطرية.

ولكن وللأسف لن تظل الأمور واضحة بالشكل النموذجي. وتقول عالمة الكيمياء الحاسوبية جودي وو من جامعة هيوستن، تكساس: «خلال قرنين استغرقتهم أبحاث العطريات، هناك تطور هائل وتغير واضح فيما كنا نعتبره في السابق ضمن الجزئيات العطرية».

وسرعان ما تم إدراك أنه، وعلى سبيل المثال يمكن استبدال إحدى ذرات الكربون في البنزين بأحد العناصر القليلة الأخرى، مثل النيتروجين، بدون أن تفقد طابعها العطري المستقر. كان التسطيح عاملاً آخر يجب اختباره بتفحص. وفي عام 2003، أنشأ راينر هرجس من جامعة كيل بألمانيا وزملاؤه جزيئًا على شكل شريط موبيوس - حلقة ملتوية بعيدة عن أن تكون مسطحة - ولكنها تحتوي على تلك الإلكترونات غير المحددة. كما أبطل جزيء موبيوس قاعدة هوكل. ويؤدي الالتواء في الحلقة إلى انحراف مدارات الإلكترونات بحيث تكون الحلقات ذات الإلكترونات غير المحددة 4n مستقرة في هذه الأنظمة.

هل تحتاج حتى إلى حلقة؟ أحد المواد الأكثر حداثة في مرحلة العطرية هو بوكمينستر فوليرين، أحد الجزيئات يشبه كرة خشنة مصنوعة من السداسيات والخماسيات، على غرار كرة القدم. عندما اكتشفه هاري كروتو عام 1985، اقترح أنه قد يكون أول جزيء عطري كروي. يقول ميكيل سولا من جامعة جيرونا بإسبانيا إنه كان قريبًا منه. وهذا الجزيء نفسه «ليس عطريًا بشكل خاص، ولكن إذا أزلت 10 من إلكتروناته، فإنه يصبح عطريًا جدًا». مع هذا العدد السحري من الإلكترونات غير المحددة، تكتسب «كرات بوكي» طبقة تثبيت من هذه الجسيمات المشحونة التي تدور في كرة بدلاً من حلقة. ابتكر أندرياس هيرش من جامعة إرلانجن نورمبرج في ألمانيا وزملاؤه مجموعة من القواعد لبحث هذا النوع الفرعي من المواد العطرية في عام 2000.

ولكن... ما إذا كانت هذه الجزيئات غير العادية عطرية حقًا ما هي إلا مسألة رأي إلى حد ما. يقول سولا: «إن العطرية ليست مثل نقطة الانصهار، ولا توجد تجربة مباشرة واحدة يمكنني القيام بها لقياس مدى عطرية الجزيء».

ومع ذلك، اكتسبت إحدى الطرق غير المباشرة لتحديد كمية العطرية بعض الزخم. إذا وضعت جزيئاً عطريًا في مجال مغناطيسي، فستبدأ الإلكترونات غير الموضعية في الدوران حول الحلقة مما يؤدي إلى توليد مجال مغناطيسي صغير. ثم يؤثر هذا على كيفية ظهور الذرات الأخرى القريبة عند قياسها باستخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

عادة ما يكون قياس هذا التأثير في التجربة العملية صعبًا للغاية. ولكن في عام 1996، قام بول شلاير وزملاؤه في جامعة إرلانجن نورمبرج بتطوير طريقة حسابية تحاكي التجربة العملية وتبث قيمة واحدة تشير إلى مدى عطرية أي جزيء معين. شكلت هذه الطريقة خدعة مثالية ساعدت في إضفاء بعض النظام على المناقشات حول العطرية. لكنها مجرد محاكاة وليست ملاحظة مباشرة. وبالنسبة للجزيئات شديدة التعقيد، لا يكون لعمليات المحاكاة أي معنى.

مؤشرات غريبة

وفي غضون ذلك، استمرت التقارير عن وجود عطرية غير اعتيادية. وفي عام 2022، ادعت ستيفاني دهنن من جامعة ماربورغ بألمانيا وزملاؤها أنهم وجدوا شكلاً جديدًا من هذا الترابط في مجموعة من ذرات البزموت على شكل موشور. لقد كان جريئًا.. ونظرًا لأن هذا الجزيء لا يحتوي على ذرات كربون على الإطلاق أو أي مدارات باي. كان منطق دهنن هو أن إلكترونات العنقود كانت تنتشر عبر الجزيء في مدار له هندسة مختلفة عن مدارات باي الكلاسيكية وهذا يفسر استقرارها غير العادي. ويقول سولا، الذي شارك في كتابة حجة مضادة للادعاء مع داريوش شتشيبانيك في جامعة جاغيلونيان في كراكوف، بولندا: «لست متأكدًا بشكل خاص من صحة هذا الادعاء».

قد تكون العطرية مفهوما حاسما في الكيمياء، لكن لا يمكن لأحد أن يتفق على ما تعنيه. وبشكل عامٍ، تم طرح أكثر من 45 نوعا فرعيا من العطرية، مما يترك الكيميائيين في حالة من اليأس. في مقالة مراجعة حديثة، أعلن عدد منهم أن الاختلاف حول مفهوم العطرية قد وصل إلى طريق مسدود.

وبالنسبة للبعض، كان الوقت قد حان للمضي قدما. ويمكننا الاستمرار بصورة متعمقة في تعريف العطرية ولكن سيترك ذلك مفهوما غامضا وبدون معنى. هذا بالتأكيد رأي وو. تقول إن السؤال الذي نحتاج إلى التركيز عليه الآن هو كيفية الاستفادة من العطرية. وتشاطرها في هذا الرأي رنانا غيرشوني من المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا.

استخدم الكيميائيون العطرية لإنشاء جزيئات قوية ومستقرة لسنوات - لكن هذا بالكاد لا يشكل إلا نقطة في بحر خصائصها المفيدة. أحد الأشياء الرائعة في الجزيئات العطرية هو إمكانية ربطها معا مثل الخرز على الخيط. يمكن للإلكترونات غير الموضعية بعد ذلك الهروب من حلقاتها والانتشار على طول السلسلة. والنتيجة مادة توصل الكهرباء كالأسلاك، لكنها لينة ومطاطة. تقول غيرشوني بوران: «إنها خفيفة الوزن ومصنوعة من ذرات متوفرة بكثرة على الأرض، وليس من معادن قد يكون لدينا إمداد محدود منها».

ولكن الأمر لم يقتصر على استخدامها كأسلاك مطاطية فحسب بل تأمل هي وزملاؤها في تسخيرها في نوع جديد من رقائق الكمبيوتر الخالية من السيليكون. تتطلب أجهزة الكمبيوتر أشباه موصلات، وهي مواد يمكن بها تشغيل وإيقاف تشغيل الموصلية الكهربائية بسهولة. وفي هذا الجانب، تقول: «نستخدم نماذج التعلم الآلي للذكاء الاصطناعي لمحاولة تصميم جزيئات عضوية شبه موصلة أفضل». بدأت نماذجها بالفعل في تحديد الهياكل العطرية بخصائص شبه موصلة. ويمكن استخدام هذه الأنظمة، على سبيل المثال، كمستشعرات حيوية ذكية يمكن وضعها في الجسم وتتحلل حيويا بعد الاستخدام.

يتم استخدام المواد والجزيئات العطرية أيضا في المجال الطبي. تعدّ المواد العطرية رائعة في امتصاص الضوء، وإذا قمت بتغيير شكل الحلقات بطرق مختلفة، على سبيل المثال عن طريق ربط مجموعات مختلفة من الذرات، فإن ذلك يغير الطول الموجي للضوء الذي تمتصه. وهذا يشمل الأطوال الموجية التي تخترق الجسم. يتضمن أحد التطبيقات إحكام غلق عقار داخل «صورة فوتوغرافية» عطرية يمكن فتحها بالضوء. يمكن للأطباء تسليط الضوء على موقع معين، مثل موقع الورم، لإطلاق الدواء. وفي دراسة أجريت مؤخرا على الحيوانات، تم استهداف السرطانات بشكل انتقائي بهذه الطريقة.

جيكل وهايد

نعرف منذ فترة طويلة أن القوة الخارقة للعطر لها أيضا جانب مظلم: مضاد للعطرية. ابحث عن طرق للتلاعب بهذه الأنا المتغيرة ويمكن أن تساعد في معالجة واحدة من أكبر مشاكل العالم: تغير المناخ.

تعد الجزيئات المضادة للعطرية حلقات بها إلكترونات غير متمركزة، لكنها في هذه الحالة أقل استقرارا وليس أكثر من المتوقع. خذ أبسط مضاد للعطرية، وهو عبارة عن حلقة من أربع ذرات كربون تسمى cyclobutadiene. إنه رد الفعل لدرجة أن الكيميائيين استغرقوا 60 عاما لإيجاد طريقة لاحتجازه وإثبات أنه يمكن أن يكون موجودا بالفعل.

إذا كان من الممكن إحباط التفاعل الشديد لمضادات العطريات - على سبيل المثال عن طريق ربطها بنظيراتها العطرية – فربما يكون الأمر مفيدا. ومن المرجح أن هذا الأمر ممكن الحدوث. ففي عام 2019، أجرى خورخي خوان كابريرا تروخيو وإسرائيل فرنانديز من جامعة كومبلوتنسي بمدريد في إسبانيا حسابات تظهر أن مضادات العطرية المستقرة تتفاعل بسرعة مع ثاني أكسيد الكربون، مما يوفر طريقة لالتقاط غازات الاحتباس الحراري.

وبدأنا مؤخرا أيضا في إتقان فن تحويل الجزيئات العطرية إلى جزيئات عطرية، مثل تحويل جيكل إلى هايد. عندما يمتص جزيء عطري ضوءا بطول موجي مناسب، يمكن للطاقة الملتقطة أن تدفع أحد إلكتروناته غير الموضعية إلى مدار عالي الطاقة، مما يجعل الجزيء مضادا لأي رد فعل. عندما يصبح البنزين مضادا للعطرية، فإنه يعيد ترتيب روابطه لتشكيل جزيء يتعرض لضغط شديد لدرجة أنه ينفجر عند أدنى خدش.

وبصرف النظر عن المتفجرات، فإن القدرة على تحويل جزيء عطري ثابت إلى جزيء غير مستقر مضاد للعطرية يوفر إمكانيات لا حصر لها تقريبا. اقترح الكيميائيون بالفعل استخدام مضادات عطرية تحفز الضوء لتحطيم جزيئات الدواء في مياه الصرف للقضاء على أضرارها البيئية أو كطريقة خاضعة للرقابة لإزالة بلمرة البلاستيك مرة أخرى في موادها الأولية لنتمكن من إعادة استخدامها.

وعلى نفس المنوال، فإن الجزيئات التي عادة ما تكون مضادة للعطرية تصبح عطرية عندما تمتص الضوء. قد يكون هذا مثاليا لبناء نوع خاص من الخلايا الشمسية التي تستخدم عملية تسمى الانشطار الفردي. يحدث الانشطار الفردي عندما يتفاعل الجزيء الذي يلتقط لتوه فوتونا من ضوء الشمس مع بعض هذه الطاقة الملتقطة ويمررها إلى أحد الجزيئات المجاورة. وستكون الجزيئات التي تصبح عطرية عندما تمتص الضوء أكثر استقرارا في تلك الحالة ولديها فرصة أكبر لتمرير الطاقة. يقول هينريك أوتوسون من جامعة أوبسالا في السويد: «بتحفيز واحدٍ، تولد حالتين متحمستين - اثنتان في كل مرة». بعبارة أخرى، يمكن للخلية الشمسية الانشطارية الفردية أن تولد ما يقرب من 50 في المائة من الطاقة من نفس الكمية الممتصة من ضوء الشمس.

واليوم وبعد مرور قرنين منذ اكتشاف البنزين، يبدو تحديد ماهية ومفهوم العطرية أمرا في غاية الصعوبة أكثر من أي وقت مضى. وتقول غيرشوني بوران: «لست متأكدة إذا كنا قادرين على حلّ هذا اللغز في يومٍ ما». ولكن بالنسبة للمهتمين بالتطبيقات العملية، فإن الاهتمام الحديث بالعطرية قد يأتي بنتائج إيجابية ومربحة.

المصدر: لجريدة عمان