חומר זול ונפוץ התגלה כזרז מעולה

כימאים גילו כי תרכובת אשלגן זולה, בטוחה לשימוש ונפוצה בטבע יכולה לשמש בתור זרז בייצור של כימיקלים חשובים לתעשיות התרופות, החקלאות והדימות הרפואי, זאת במקום מתכות יקרות ונדירות.

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]
כימאים גילו כי תרכובת אשלגן זולה, בטוחה לשימוש ונפוצה בטבע יכולה לשמש בתור זרז בייצור של כימיקלים חשובים לתעשיות התרופות, החקלאות והדימות הרפואי, זאת במקום מתכות יקרות ונדירות.

צוות כימאים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) גילה שיטה ליצירת קבוצה של כימיקלים אורגניים מבוססי-צורן מבלי להסתמך על זרזים מתכתיים נדירים ויקרים. במקום זרזים אלו, השיטה החדשנית שלהם מנצלת כימיקל זול ונפוץ הנמצא בשימוש כימי בכל מעבדה ברחבי העולם – אשלגן טרט-בוטוקסיד (ויקיפדיה) – בתור הזרז, על מנת לסייע בייצור של מגוון מוצרים, החל מתרופות חדשות וכלה בחומרים מתקדמים. החוקרים גילו לתדהמתם כי הזרז יעיל הרבה יותר מכל תצמידי המתכת היקרים המתקדמים ביותר בתחומם המשמשים כזרזים עבור תגובות כימיות מאתגרות במיוחד.

“הראנו, לראשונה אי-פעם, כי ניתן ליצור באופן יעיל קשר פחמן-צורן בעזרת זרז בטוח לשימוש וזול המבוסס על אשלגן במקום על המתכות הנדירות והיקרות כגון פלטינה, פלאדיום ואירידיום,” אמר Anton Toutov, החוקר שערך את הניסויים הללו. “אנו מאוד נרגשים מגילוי השיטה החדשה לא רק בזכות זה שהיא “ירוקה” ויעילה יותר, אלא גם מכיוון שהיא זולה אלפי מונים מהשיטות המקובלות היום. זוהי טכנולוגיה שהתעשייה הכימית תוכל לאמץ בקלות.”

הממצאים מסמלים את אחד מהמקרים הראשונים שבהם קטליזה – השימוש בזרזים לשם האצת תגובות כימיות – סוטה מהשימוש הרגיל בחומרים שאינם ברי-קיימא; בעוד שהמתכות היקרות המשמשות ברוב הזרזים הנפוצים הינן נדירות ועלולות לאזול בעתיד, הרי שאשלגן הוא יסוד נפוץ מאוד על פני כדור הארץ. החוקרים הציגו את ממצאי התהליך הכימי “הירוק” החדשני שלהם בכתב-העת היוקרתי Nature.

החוקר Brian Stoltz, פרופסור לכימיה במכון, אומר שחוקרים אחרים הופתעו מאוד מהממצאים הללו מכיוון שלמרות שהכימיה שלה אחראי הזרז היא מאוד מורכבת ומאתגרת, הזרז עצמו – אשלגן טרט-בוטוקסיד – נראה פשוט להפליא. האבקה הלבנה, שדומה במראה שלה למלח שולחן, מספקת דרך פשוטה וידידותית לסביבה לביצוע תגובה שבה ממירים קשר כימי מסוג פחמן-מימן לקשר כימי מסוג פחמן-צורן על מנת ליצור מולקולות הידועות בשם אורגנו-סילאנים. מולקולות אורגניות אלו הן בעלות עניין רב מאחר והן משמשות בתור אבני-בניין כימיות חשובות במיוחד בתחום של כימיה תרופתית המובילה לפיתוחן של תרופות חדשות. טמונה בהן גם ההבטחה לפיתוחם של חומרים חדשים שישמשו במוצרים כגון מסכי LCD ותאים סולאריים אורגניים, בפיתוח של חומרי-הדברה חדשים ויעילים יותר ובפיתוח של חומרים חדשים לדימות רפואי. “היכולת לבצע בהצלחה את התגובה הזו, שהיא אחת מהתגובות הנחקרות ביותר בעולם הכימיה, בעזרת חומר פשוט כמו אשלגן טרט-בוטוקסיד – חומר שאינו מבוסס על מתכת יקרה אך עדיין מתפקד בתור זרז – הייתה הפתעה גמורה עבורנו,” אומר החוקר.

המחקר הנוכחי החל לפני מספר שנים כאשר החוקר השותף Alexey Fedorov עסק בנושא אחר לחלוטין – הוא ניסה לשבור את קשרי הפחמן-חמצן בביומסה בעזרת שימוש בתרכובות צורן פשוטות, מתכות והחומר אשלגן טרט-בוטוקסיד הידוע בתור תוסף רווח. במהלך המחקר הזה הוא ערך ניסוי בקרה שבו הוא גרע את המתכת אבל השאיר את התוסף. להפתעתו הרבה – התגובה עדיין התרחשה. החוקרים גילו כי בנוסף לקבלת התוצרים הצפויים מהתגובה הזו, התקבלה כמות קטנה של אורגנו-סילאנים. ממצא זה היה מפתיע במיוחד לאור העובדה כי ייצורם של חומרים (אורגנו-סילאנים) אלו מאתגרת במיוחד. “חשבתי שהממצא הזה לא ייתכן, ולכן חזרתי שוב ובדקתי את התגובה הזו מספר פעמים,” מסביר החוקר. “מסתבר שהתגובה אכן התרחשה!” החוקרים המשיכו לכוונן את תנאי התגובה כך שבסופו של דבר הם הצליחו ליצור את האורגנו-סילאן היחיד הרצוי להם בניצולת גבוהה בתנאים מתונים תוך קבלת הגז מימן בתור תוצר הלוואי היחיד.

בשלב הבא החוקרים הצליחו ליצור קבוצה שלמה של חומרים כאלו הנפוצים בתעשיות הכימיה והתרופות. ההפתעה של החוקרים הובילה אותם אפילו לבדוק אם קיימים במגיבים כמויות זעירות של מתכות שלא נצפו באופן רגיל. הם גילו שלא. “סנתזנו את החומר אשלגן טרט-בוטוקסיד בעצמנו וגם רכשנו אותו ממספר ספקים שונים, ועדיין התוצאה נותרה בעינה. עד עתה, החוקרים עדיין לא הצליחו להבין מדוע הזרז הפשוט הזה מסוגל לבצע את התגובות המורכבות הללו. החוקרים משתפים פעולה עם קבוצות מחקר אחרות בתחום הכימיה על מנת לענות על השאלה הזו. “די ברור שהחומר פועל במנגנון השונה לחלוטין מהמנגנון בו פועלות המתכות היקרות,” מציין החוקר הראשי. החוקר מוסיף ומציין כי בניגוד לזרזים אחרים המפסיקים לפעול או הופכים לרגישים לאוויר/מים כאשר התגובות הופכות גדולות/תעשייתיות, נראה כי הזרז החדש יציב דיו בכדי לשמש בתעשייה. על מנת להדגים את הערך הרב של החומר לתעשייה הצוות ניצל את השיטה החדשה לשם ההכנה של כמעט 150 גרמים של אורגנו-סילאן יקר-ערך – הכמות הגדולה ביותר של תוצר זה שהוכן בתגובה קטליטית יחידה. התגובה לא נדרשה לממס כלל, הפיקה גז מימן בתור תוצר-הלוואי היחיד והתרחשה בטמפרטורה של 45 מעלות צלזיוס – הטמפרטורה הנמוכה ביותר הידועה בספרות עד כה שבה הצליחה תגובה זו להתרחש.

הידיעה על המחקר

תקציר המאמר