סוף סוף התגלתה מולקולה חמקמקה

תעלומה כימית עתיקת-יומין נפתרה סוף סוף, גילוי ה-OCCO עשוי להוביל ליישומים אפשריים החל מתהליכים תעשייתיים חדשניים וכלה בכימיה סביבתית.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

מדענים מאוניברסיטת אריזונה חשפו מולקולה מסתורית, שלמרות שהמבנה שלה על הנייר פשוט מאוד, היא עדין גרמה לכימאים להתווכח על המבנה, או אפילו על עצם אפשרות קיומה, במשך יותר ממאה שנים; וכמו בהרבה מהתגליות החשובות במדע, תגלית זו נולדה מבקבוקון שנשכח למשך זמן רב במקפיא, במקרה זה במעבדתו של Andrei Sanov, פרופסור במחלקה לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת אריזונה.

צוות החוקרים דיווח על התצפית המוכחת הראשונה אי-פעם ועל האפיון הספקטרוסקופי של החומר אתילן דיאון, או “OCCO”, המיצג שתי מולקולות של פחמן חד-חמצני הקשורות יחדיו באופן כימי. מולקולה זו מושכת אליה עניין רב בשל סיבות רבות: החל מתפקידה המשוער כחומר-ביניים זריז במיוחד בתגובות כימיות רבות ועד תכונותיה כביכול בתור תרופת פלא. החוקרים הכינו את המולקולה המעניינת מתוך היון השלילי התואם שלה, והשתמשו בשיטת מדידה בשם ‘ספקטרוסקופיית דימות בעזרת פוטו-אלקטרון’ בכדי לנתח את התוצר הסופי. בשיטה זו נעשה שימוש בפעימות לייזר על מנת להרחיק אלקטרונים מתוך מולקולות, זאת במטרה ליצור יונים טעונים חיובית. הממצאים הוכיחו את קיומם של הצורונים החמקניים וגם חשפו את התכונות הבסיסיות החשובות שלהם, עם יישומים לא רק עבור ההבנה של צורונים מולקולאריים הידועים בשם רדיקלים, אלא גם עבור יישומים בתחומים של תהליכים תעשייתיים ושימוש בכימיה סביבתית ומידול אקלים.

כימאים חוקרים את המולקולה הזו, שוב ושוב, מאז שנת 1913, כאשר במועד זה הוצע לראשונה עצם קיומה. בשנות ה-40 של המאה הקודמת, בפניה שנויה במחלוקת במיוחד בימי הדברים של המולקולה, נטען כי היא הצורון הפעיל של החומר Glyoxylide, והוצעה בתור תרופה כנגד רשימה ארוכה של מכאובים, החל מתשישות וכלה בסרטן. טענות אלו נמצאו כוזבות לאחר בדיקה של מינהל המזון והתרופות של ארה”ב (FDA) שהוכיחה כי החומר הנבדק אינו אלא מים; ולמרות זאת, עד היום נמצאים במרשתת סיפורים על המיתוס של חומר זה כתרופת פלא אבודה לריפוי סרטן.

לדברי החוקר הראשי, אחד מהתמריצים להוכחת קיומה של המולקולה אתילן דיאון הוא החידה האלגנטית הבסיסית שהיא מציגה: רוב הסטודנטים בעלי השכלה כימית ראשונית יכולים לשרטט בקלות את נוסחת המבנה של המולקולה: O=C=C=O. במשך השנים, הקיום הצפוי של המולקולה נתמך גם על ידי תוצאות החיזויים של תיאוריות מתקדמות. ויחד עם זאת, כל המחקרים הקודמים לא הצליחו לספק הוכחה ניסויית מוצקה כי המולקולה אכן קיימת – וכאן טמונה החידה. “אנחנו לא מדברים כאן על איזו תרכובת מורכבת”, אומר החוקר הראשי. “זוהי מולקולה קטנה בעלת ארבעה אטומים בלבד ומבנה די ברור. לא הגיוני שמדע מודרני יוכל לפתור את הסוגיה הזו”?

המפתח לתעלומה טמון באופי הבלתי יציב של המולקולה, הנוטה להתפרק לשתי מולקולות של פחמן חד-חמצני (CO) לאחר מחצית ננו-השנייה בלבד. המולקולה עצמה מכונה על ידי כימאים בשם די-רדיקל. רדיקלים ודי-רדיקלים הם בעלי תפקיד חשוב במיוחד בבקרה על המנגנונים והתוצרים של תגובות כימיות, תגובות המתרחשות בכל תחומי החיים, התעשייה, הטכנולוגיה והסביבה. “רדיקלים ודי-רדיקלים נמצאים בכל מקום מסביבנו”, אומר החוקר. “ניתן לדמיין אותם בתור מולקולות בעלות אלקטרונים בלתי-מזווגים המתפקדות כעין חומרים “מובטלים” המחפשים עניין, כלומר – הם להוטים להגיב עם פרודות אחרות. רדיקל הוא צורון בעל אלקטרון בלתי-מזווג אחד כזה, ודי-רדיקל הוא צורון בעל שני אלקטרונים כאלו”.

מסביר החוקר: “התחלנו את המחקר לאור העניין שלנו במערכות של די-רדיקלים וכחלק מהניסויים הללו, החלטנו לרכוש את החומר גליאוקסאל (glyoxal), חומר מוצא רווח בתעשייה שלא נבחן באופן מעמיק בתור מולקולה אפשרית ליישומי סינתזה בשל תכולת המים הגבוהה שבו הגורמת לכך שהטיפול בו יהפוך למאתגר במיוחד”, מסביר החוקר. “ראינו שתכולת המים בתוכה היא קרוב ל-60%, אז אמרתי לעצמי – טוב נחזור לחומר הזה בעתיד”. במהלך שיחה עם עמית למקצוע, החוקרים התוודעו למולקולה אחרת המשמשת בתור “נפה מולקולרית” המרחיקה את תכולת המים הגבוהה שבגליאוקסאל. “ברגע שקיבלנו את המולקולה במצב גזי, יכולנו לבחון אותה בספקטרומטר המסות שלנו והצלחנו לקבל אות ברור וחד שלה. ניסינו למצוא שם למולקולה החדשה, ואתר וויקיפדיה סיפק לנו את השם אתילן דיאון. רק אז שמנו לב כי מצאנו משהו חדש”. בשלב הבא החוקרים הפעילו פעימות לייזר למשכי זמן קצרים במיוחד על החומר והגדירו בדיוק רב את האנרגיות המתקבלות במולקולה החדשה. “במערכת הספקטרוסקופית שלנו אנו יכולים להפעיל את הלייזר בדיוק כאשר אניון צפוי של OCCO עובר בנקודה מוגדרת”.

בשלב הבא, לאחר ניפוי המולקולות הנדרשות להם, החוקרים הצליחו להרחיק אלקטרונים עודפים מהיון היציב של החומר אתילן דיאון. בשלב הבא הם קיבלו תמונות של פוטו-אלקטרון של המצבים הקוונטיים של הצורון ממש בראשית היווצרותו, כאשר משך חייו היה מחצית ננו-השנייה בלבד. לאור העובדה כי החומר גליאוקסאל, חומר המוצא, הוא בעל תפקיד חשוב בכימיה אטמוספירית, החוקרים משערים כי גם לצורון OCCO עשוי להיות תפקיד חשוב, ממצא שיוכל לשפר את המודלים האקלימיים העתידיים. “לאור העובדה כי גליאוקסאל, חומר המוצא, ידוע כמזהם ותוצר לוואי בתהליכי שריפה, בין אם מעשה ידי אדם ובין אם לאו, ושהצורון OCCO ניתן לייצור מעבדתי בשיטה שלנו, ייתכן והוא נוצר גם בתהליכי שריפה אלו, ועשוי להיות חומר שעדיין לא ניתנה דעתנו המדעית על תפקידו באטמוספירה, מה שמפריע לקבלת מודלים אקלימיים מדויקים”. “אחד מהממצאים החשובים ביותר של המחקר שלנו הוא סיום המחלוקת בעניין עתיק היומין הסובב סביב שאלת קיומה של מולקולה זו,” אומר החוקר הראשי. “החיזוי התיאורטי היה נכון – הדי-רדיקל OCCO אכן קיים. סוף כל סוף הצלחנו למצוא ולאפיין אותו”.

• תקציר המאמר
• הידיעה על המחקר