شیمیدان‌های عصر جدید، شیمی سبز را توسعه می‌دهند

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.

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.

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.

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.