פריצת דרך בכימיה אורגנית – שיטה חדשנית לבחינת תגובות כימיות

חוקרים מאוניברסיטת UCLA הדגימו שיטה לבידוד של שתי מולקולות שונות יחדיו ע”ג מצע ולבקרת התגובה שלהן בחשיפה לקרינה על-סגולה 

כימאים טובים הם בעלי התנהגות פסיבית-אגרסיבית – הם משפיעים על מולקולות מבלי לגעת בהן באופן מעשי. בניסיון לשלוט בחומרים בקנה-מידה ננומטרי, חוקרים מאוניברסיטת UCLA הדגימו שיטה לבידוד של שתי מולקולות שונות יחדיו ע”ג מצע ולבקרת התגובה שלהן בחשיפה לקרינה על-סגולה תוך קבלת תצפיות מפורטות לפני התגובה ולאחריה. ממצאי המחקר פורסמו בכת-העת המדעי Science.

“זהו שלב אחד במדידת והבנת יחסי-הגומלין שבין אור לבין מולקולות, ואשר אנו מקווים שבסופו של דבר יוביל להמרה יעילה יותר של קרני-השמש לאנרגיה חשמלית או לצורות אנרגיה שימושיות אחריות,” אמר החוקר הראשי Paul S. Weiss, פרופסור לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת UCLA. “בעבודה שלנו השתמשנו באנרגיה שמקורה באור על-מנת ליזום תגובה כימית שלא הייתה מתרחשת במקרה בו המולקולות היו חופשיות לנוע בתמיסה; הן הוחזקו במקומן באמצעות העיגון שלהן למצע ובאמצעות התווך הבלתי-פעיל של המולקולות הסובבות אותן.”

הבקרה על האופן המדויק שבו מולקולות מתחברות יחדיו על-מנת לחקור את התגובות המתרחשות מכונה רגיו-סלקטיביות [regioselectivity, מקור השם הוא בצרוף המילים באנגלית אזור (region) ובררני (selectivity)]. רגיו-סלקטיביות חשובה ביותר בסינתזה כימית, מכיוון שהיא מאפשרת קבלה של תוצר עיקרי מסוים וידוע מראש, ללא תגובות צדדיות הפוגעות ביעילות ובניצולת. אחת מהדרכים להכווין תגובה לקבלת תוצר מוגדר אחד היא לבודד את המולקולות ולהחזיק אותן יחדיו לשם קבלת תגובות רגיו-סלקטיביות; זוהי האסטרטגיה שבה נוקטים אנזימים בפעילותם בתגובות ביוכימיות רבות.

” מיקרוסקופ המנהור הסורק המיוחד ששימש אותנו במחקרים אלו יוכל לשמש גם עבור מדידת הבליעה של האור ומדידת הפרדת המטען במולקולות המשמשות בתאים סולאריים,” מסביר החוקר הראשי. “שיטה זו מספקת לנו דרך חדשנית לייעל את פעילותן של המולקולות הללו, תוך שיתוף פעולה עם חוקרים מתחום הכימיה הסינתטית.”

החוקרים הצליחו לבודד ולשלוט בתגובות של צמד מולקולות באמצעות בניית ננו-מבנים שהוכנו במיוחד בכדי לאלץ את שתי המולקולות בלבד להישאר במקומן. המולקולות ששימשו במחקר רגישות לאור והן מנוצלות בתאים סולאריים אורגניים; שיטות דומות תוכלנה לשמש במחקר מגוון ונרחב של מולקולות. הבקרה על האופן שבו המולקולות בתאים סולאריים אורגניים חוברות יחדיו עשויה להוביל, בסופו של דבר, לקבלת יעילות תא מוגברת. על-מנת לבודד את שתי המולקולות ולהכווין אותן בצורה הרצויה – והבלתי רגילה – החוקרים השתמשו ברעיון הדומה לזה הקיים בצעצועי תינוקות שבהם הם צריכים להתאים צורות למקומות המתאימים להם.

החוקרת יצרה פגם, או נישה חלולה, בחד-שכבה הנבנית באופן עצמאי (SAM) – שכבה יחידה של מולקולות המעוגנות ע”ג משטח חלק – במקרה זה, זהב. גודל הפגם וצורתו בחד-השכבה תוכננו בצורה כזו שרק שתי מולקולות מגיבות אורגניות מוגדרות תתאמנה אליו ותגבנה אחת עם השנייה בתצורה הרצויה באופן בלעדי. על-מנת להנחות את חבירתן של המולקולות לחד-השכבה לכיוון הרצוי אטום גופרית נקשר לתחתיתן של המולקולות מאחר ואטום זה נקשר בקלות למשטח זהב.
“התהליך הרגיל לכימיה מסוג זה מתאפיין בערבוב אוסף של מולקולות בתמיסה והמתנה לכך שהן תגבנה אחת עם השנייה, אולם באופן כמעט אקראי, כך שרק שלושה אחוזים מהמולקולות עשויות להגיב בצורה זו,” מסביר החוקר. “השיטה שלנו הרבה יותר מוכוונת ויעילה. במקום לבצע מדידה אחת על אלפי מולקולות, אנו מבצעים שלל מדידות על שתי מולקולות בלבד.”

לאחר שהמולקולות בודדו ועוגנו למשטח, עדיין היה צריך לעורר אותן באמצעות קרינה לשם ייזום התגובה. במקרה זה האנרגיה סופקה באמצעות קרינה על-סגולה שייזמה את תחילת התגובה. החוקרים הצליחו לאמת את הסידור המתאים ואת מהלך התגובה של המולקולות באמצעות המיקרוסקופ המיוחד שפותח במעבדתם.

הידיעה על המחקר