מדובר בשימוש הראשון אי-פעם במלחים אלו להמרה של סוכרים למגוון תרכובות כימיות לייצור ביו-דלק
מדענים מהמכון הסינגפורי לביוהנדסה וננוטכנולוגיה חשפו תכונות חדשות של מלחי אימידאזוליום המרמזות שהם יוכלו לשמש בתפקיד חיוני במניעת מחלות ובטיפולן. המאמר על תכונות החמזור (חמצון-חיזור) של מלחים אלו פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society.
במחקר נפרד שפורסם בכתב-העת Angewandte Chemie International Edition, החוקרים פרסמו את השימוש הראשון אי-פעם במלחים אלו להמרה של סוכרים למגוון תרכובות כימיות לייצור ביו-דלק.
החוקרים השתמשו בהצלחה במלחים אלו לשם פיתוח מערכת קטליטית להמרת סוכרים לחומר הקרוי 5-הידרוקסימתילפורפוראל (5-hydroxymethylfurfural, HMF), תרכובת מפתח המשמשת בכימיית הביו דלקים ותעשיית הנפט.
במחקר שפורסם בכתב-העת הראשון החוקרים מתארים כיצד הם השתמשו במלחים אלו לסינתזה מוצלחת של ננו-חלקיקי זהב אחידים תוך שניות בטמפרטורת החדר. הננוחלקיקים הדקיקים ביותר (1-2 ננומטרים) נותרו יציבים עד לחצי שנה בארבע מעלות צלסיוס.
בשונה משיטות סינתזה שכיחות המשתמשות בתהליכי חיזור באמצעות בוראנים או בורוהידרידים, שיטת המלחים אינה דורשת חומרי-חיזור חזקים ויחד עם זאת הם יוצרים ננו-חלקיקי זהב בתנאים עדינים וביעילות רבה. שיטת הסינתזה החשה של המלחים יכולה לשמש בקלות ביישומים תעשייתיים.
מלחי-אימידאזוליום הינם נוזלים יוניים בטמפרטורת החדר, יציבים כימית ובעלי לחץ אדים נמוך, המשמשים כממסים בתגובות אורגניות שונות. בעוד שתכונותיהם הפיסיקליות של מלחים אלו נחקרו בהרחבה, תכונותיהם הביוכימיות ויישומיהם הרפואיים כמעט ולא הוזכרו כלל בספרות המדעית.
החוקר הראשי, ד”ר Yugen Zhang, אמר, “השימוש המוצלח שלנו במלחים אלו כחומרים מחזרים הוביל אותנו להאמין כי נוכל להשתמש בתרכובות אלו גם כחומרים נוגדי-חמצון הלוכדים חמצן ומפחיתים בכך את הנזק לגוף, הנובע מצורוני-חמצן פעילים.”
גורמי-עקה סביבתיים המופעלים בעקבות אורח-חיים בלתי-בריא, כגון צריכת אלכוהול מופרזת, היחשפות לרעלים ותרופות, עישון וחוסר-שינה, עלולים לגרום לגוף לייצר רדיקלי על-חמצן הידועים בשם צורוני-חמצן פעילים (Reactive Oxygen Species, ROS) המסוגלים לגרום לנזק תאי באמצעות חמצון.
עקה חמצונית כתוצאה מצורונים אלו מעורבת ברוב המחלות, כולל סרטן, מחלות לב, מחלות כבד, מחלות ניווניות, הפרעות במערכת החיסון וכן הזדקנות. נוגדי-חמצון לוכדי רדיקלים מסייעים בלכידת רדיקלים חופשיים במערכת התאית של הגוף, ובכך מצמצמים את השפעתם של צורונים אלו.
מלחי-אימידאזוליום הינם קודמנים לחומרים המכונים “קרבנים N-הטרו-טבעתיים” (N-Heterocyclic Carbenes, NHC). צורה טבעית של NHC היא ויטמין בי (או תיאמין) המשמש בתפקיד ביולוגי חשוב. מחסור בויטמין זה נקשר לעקה חמצונית. בעוד שנוגדי-חמצון טבעיים כגון אפי-גלוקאטצ’ין גאלאט (epigallocatechin gallate, EGCG), שהינו תמצית של תה ירוק, ידועים במניעת או בהאטה של תהליכי חמצון בגוף, הם בעלי פעילות נמוכה יחסית ומתפרקים בגוף די מהר.
החוקר הראשי מבהיר: “המחקרים שלנו עם תאים הראו כי למלחים אלו יש תכונות נוגדות-חמצון חזקות יותר מאשר EGCG ובה בעת בעלי רעילות פחותה. הם מפחיתים במידה משמעותית את רמות הצורונים המזיקים בתאי כבד באחד-עשר אחוזים יותר מאשר EGCG. בנוסף, ההכנה של מלחים אלו הינה פשוטה וזולה. על-כן, הם מהווים הבטחה גדולה בתור סוג חדש של נוגדי-חמצון בעלי יכולת לשמש ביישומים ביו-רפואיים.”
במחקר נוסף של אותו הצוות, החוקרים השתמשו בהצלחה במלחים אלו לשם פיתוח מערכת קטליטית להמרת סוכרים לחומר הקרוי 5-הידרוקסימתילפורפוראל (5-hydroxymethylfurfural, HMF), תרכובת מפתח המשמשת בכימיית הביודלקים ותעשיית הנפט.
צמצמום המאגרים של דלקי-מאובנים והשפעות ההתחממות העולמית הפכו את החיפוש למקורות אנרגיה חלופיים, מתחדשים ועמידים לדאגה עולמית וגורלית. כיום, ביו-דלקים הינם המקור העמיד הזמין היחיד לדלק נוזלי, אך מחסור בשיטות יעילות להמרה של סוכרים לתרכובות כימיות המשמשות בייצור ביו-דלק מעכב את החלפת מאגרי הדלק ע”י בִּיוֹמָסָה (הכמות הכוללת של אורגניזמים חיים בשטח נתון).
החומר HMF ותולדותיו המותמרות בעמדות 2 ו- 5 של הפוראן יכולים להחליף אבני-בניין כימיים מבוססי-נפט ראשיים, וידועים מספר זרזים הפעילים בהמרה של סוכרים לקבלת חומר זה.
אולם, רובם מובילים גם לתגובות-צד המייצרות חומרי-לוואי בלתי-רצויים, והופכים את החומר HMF לחומצה. על-כן, השימוש בזרזים אלו היה לרוב מוגבל לחומרי-גלם סוכריים פשוטים, כגון פרוקטוזה. הם לא הצליחו להמיר באופן יעיל גלוקוזה, מקור סוכר נפוץ ויציב יותר.
בעזרת מלחי האימידאזוליום כנקודת מוצא, החוקרים פיתחו תצמידי-מתכת מבוססי החומר NHC כזרזים לשם המרת סוכרים לחומר HMF. אלו מציעים רמה גבוהה של גמישות כיוון שהפעילות הקטליטית מבוקרת באמצעות שינוי ספציפי של תכונות החומר NHC. החוקרים הצליחו לקבל את החומר HMF בקלות כתוצר היחיד. המערכת הקטליטית החדשה השיגה את היעילות המדווחת הגבוהה ביותר בקבלת HMF, עד כה, הן עבור פרוקטוזה כחומר-המוצא והן עבור גלוקוזה. החוקר מבהיר, “הניצולות שלנו בקבלת החומר HMF היו תשעים ושישה אחוזים עבור פרוקטוזה ושמונים ואחד עבור גלוקוזה. מאחר וגם הזרז וגם הנוזל היוני ניתנים למחזור, הטכנולוגיה שלנו יותר ידידותית לסביבה ופוטנציאלית תוכל להוביל לחסכון בעלויות תהליכי הייצור של ביו-דלקים.”
מוסיף אחד החוקרים, “אנו נרגשים בעקבות הפוטנציאל העצום הגלום בתרכובות חדישות אלו בנוגע להשפעתן על תחומי הרפואה ותחליפי האנרגיה. התגלית שלנו פותחת אפיקים לטיפולים יעילים יותר במחלות ניווניות שונות, וכן להכנה של ביו-דלקים, ובכך אנו עוזרים להקל מקצת מהדאגות המלחיצות הניצבות בפני הקהילה העולמית.”
