זרחן, יסוד מחצבי המצוי בסלעים ובעצמות, הינו רכיב חשוב בדשנים, חומרי-הדברה, תכשירי ניקוי ובחומרים תעשייתיים וביתיים אחרים. הטמעתו של הזרחן בחומרים אלו, לאחר חציבתו מהסלעים, הינה מסוכנת ויקרה, ומזה עשורים שכימאים מנסים לפשט את התהליך הזה.
הפרופסור לכימיה Christopher Cummins מאוניברסיטת MIT וצוות המחקר שלו פיתחו שיטה חדשה לחיבור זרחן לתרכובות אורגניות באמצעות ביקוע הזרחן תחילה ע”י קרינה על-סגולה. השיטה החדשה שלהם, המתוארת בכתב-העת המדעי Angewandte Chemie, מבטלת את הצורך בתרכובות כלור, הנדרשות לרוב בתגובות אלה ואשר מציגות סיכונים בריאותיים לעובדים המשתמשים בהן.
המדען Guy Bertrand, פרופסור לכימיה באוניברסיטת קליפורניה ((Riverside, מסביר כי היופי שבתגלית הוא בפשטותה. “מדהים לגלות כי אף אחד לא חשב לפני-כן על גישה פשוטה שכזו להכנסת זרחן לתרכובות אורגניות,” הוא מוסיף. “גישה סינתטית שכזו עבור תרכובות אורגנו-זרחן היא אכן דחופה ונדרשת, מאחר והכימיה הוותיקה של זרחן מבוסס-כלור היא בעלת השלכות בלתי-רצויות רבות על הסביבה.” למרות שהתגובה החדשה אינה מסוגלת לייצר את הכמויות הדרושות להכנת תרכובות זרחן בקנה-מידה גדול, היא פותחת את הדלת לתחום מחקר חדש שיוכל להוביל ליישומים תעשייתיים שכאלו, אומר המדען Bertrand.
רוב הזרחן הטבעי מקורו בשלדי בע”ח מאובנים, השכיחים לרוב בקרקעיות ים שהתייבשו. מרבצי זרחן אלו קיימים כסלעי זרחה (פוספאט, האניון של מלח זרחני), אשר בדר”כ כוללים בתוכם זיהומים כגון סידן ומתכות אחרות, שיש להרחיקם. טיהור סלעים אלו מניב זרחן לבן, פרודה המכילה ארבעה אטומי זרחן. מבנהו של זרחן לבן הינו ארבעוני (טטראהדרלי), כלומר דמוי-פירמידה מרובעת כאשר כל אטום הממוקם בפינה קשור לשאר שלושת האטומים. זרחן לבן (P4) הוא הצורה היציבה ביותר של זרחן מולקולארי (קיימים גם מספר צורות פולימריות, כאשר השכיחות ביותר הינן זרחן שחור וזרחן אדום, המורכבים משרשראות ארוכות של יחידות זרחן ארבעוניים).
ברוב השימושים התעשייתיים שלו, יש לחבר את הזרחן אטום אחד אחר השני, כך שיש צורך לתלוש אטומים יחידים מפרודת ה- P4. תהליך זה לרוב מתבצע בשני שלבים: הראשון – שלושה מאטומי הזרחן מותמרים באטומי כלור לקבלת הפרודה PCl3 – אטום זרחן יחיד המחובר לשלושה אטומי כלור. אטומי כלור אלו מורחקים לאחר מכן ע”י פרודות אורגניות, תוך קבלת מגוון נרחב של תרכובות אורגנו-זרחן בדומה לאלה המצויות בחומרי-הדברה. אולם, תהליך זה היו בזבזני ומסוכן גם יחד – גז הכלור שימש כנשק כימי במהלך מלחמת העולם הראשונה – כך שכימאים ניסו למצוא דרכים חדשות לחיבור אטומי זרחן לתרכובות אורגניות ללא הצורך בשימוש בכלור.
המדען Cummins מרותק מזה זמן מהיסוד זרחן, בחלקו בשל מבנהו הארבעוני הבלתי-רגיל. היסוד זרחן מצוי באותו הטור של חנקן בטבלה המחזורית של היסודות, אשר צורתו היציבה ביותר הינה N2, כך שהכימאים ציפו שהזרחן אמור ליצור מבנה יציב של P2. אולם, המציאות אינה כך.
מזה מספר שנים שקבוצת המחקר הזו בוחנת דרכים לביקוע פרודת ה- P4 לפרודת P2 בתקווה לחבר פרודות זרחן קטנות יותר לתרכובות אורגניות. במחקרו החדש, המדען קיבל השראה ממאמר ישן שלא זכה לתשומת הלב הראויה שפורסם בשנת 1937, המתאר את היכולת לבקע את המבנה הארבעה-אטומי לשני מבנים דו-אטומיים באמצעות קרינה על-סגולה. במחקר הישן, P2 עבר בשלב הבא פולימריזציה לקבלת זרחן אדום.
החוקר החליט לבדוק מה יקרה אם הוא יבקע את פרודת ה- P4 באמצעות קרינה על-סגולה בנוכחות פרודות אורגניות פעילות (במקרה זה – תרכובות בעלות קשר כפול פחמן-פחמן). לאחר 12 שעות של חשיפה לקרינה על-סגולה הוא מצא כי נוצרה התרכובת המכונה טטרא-אורגנו-די-פוספאט, המורכת משני אטומי זרחן המחוברים לשתי יחידות של התרכובת האורגנית.
ממצא זה מרמז, למרות שהוא אינו מוכיח באופן מוחלט, כי אכן נוצר הצורון P2 ומיד לאחר-מכן הוא נקשר לפרודה האורגנית. במחקרים עתידיים, קבוצת המחקר מקווה לצפות ישירות בנוכחות של הצורון P2, אם הוא אכן קיים. צוות המחקר מתכנן גם לבדוק באם תרכובות אורגנו-זרחן אחרות יוכלו להיות מופקות באמצעות קרינה על-סגולה, בכללן תרכובות מתכתיות. בנוסף, הצוות יצר כבר עכשיו פרודה אורגנו-זרחן המכילה בתוכה ניקל, אשר תוכל לשמש ביישומי אלקטרוניקה.
